Brevet FR2607800A1 — publié le 19880610

La présente invention concerne un procédé pour la fabrication d'un guide d'ondes optiques planar ou de structure plane, pour le guidage de lumière à pola- risation définie, par dépôt de minces couches vitreuses à partir de la phase gazeuse, selon un schéma qui permet une variation préfixée de l'indice de réfraction des couches, sur un substrat, de manière à former une région de coeur guide-lumière et des couches de gaine adjacentes à cette région de coeur, selon lequel on forme ensuite, à partir de ces couches, des rubans guide-lumière par masquage et enlèvement par gravure des régions non-recou- vertes. Les guides d'ondes optiques monomodes, de type planar, pour guider la lumière à polarisation défi- nie, sont importants dans leur application en tant que composant de base dans les dispositifs intégrés optiques pour les systèmes de capteurs et pour les communications par fibres monomodes, en particulier pour la transmission de lumière cohérente à plan de polarisation préférentiel. Une application spéciale pour de tels guides d'ondes op- tiques est, par exemple, le gyroscope. Jusqu'à présent, les guides d'ondes optiques monomodes, de type planar, capables de guider la lumière avec une polarisation définie (guides d'ondes optiques à conservation de la polarisation ou polarisants) sont fa- briques principalementà partir de cristaux de LiNbO3 (nicbate de lithium), dont le coeur guide-lumière est formé par dif- fusion de titane dans un canal réalisé dans un cristal de LiNbO3 et par échange de protons sur un court tronçon de la zone guide-lumière de Li+ par H+ (Electronic Letters, Février 1984, tome 20, numéro 3, page 128).Le principe du fonctionnement de tels polarisateurs optiques intégrés est basé sur le fait que les indices de réfraction du cristal de LiNbO3, formant la gaine du guide d'ondes op- tiques, diffèrent en direction des différents axes du cristal (biréfringence). Des fibres optiques monomodes polarisantes ou à conservation de la polarisation, sont obtenues éga- lement par biréfringence par compression. Cette biréfrin- gence par compression résulte de l'action de différentes contraintes de compression et/ou de traction de direc- tions opposées sur le coeur de la fibre optique monomode et elle est responsable du fait que les deux modes de pro- pagation mutuellement perpendiculaires (plans de polari- sation) n'entrent pas en couplage dans les fibres op- tiques monomodes. Des guides d'ondes optiques mentionnés dans ce qui précède et qui sont noyés dans un cristal de LiNbO3, ont plusieurs inconvénients plus ou moins graves: a) la structure cristalline du LiNbO3 préfixe la direc- tion de la polarisation préférentielle; il s'ensuit que des courbures du guide d'ondes peuvent changer ou même supprimer complètement la biréfringence; le do- maine d'application possible est ainsi fortement limité; b) la lumière transmise subit une atténuation relative- ment forte; c) en raison de la différence d'indice de réfraction re- lativement grande entre le cristal de LiNbO3 et le guide d'ondes optiques monomode à coupler, guidant la lumière, il se pose des problèmes pour le couplage des fibres; il se produit en particulier une haute réfraction à l'interface cristal de LiNbO3/guide d'ondes, ainsi qu'une mauvaise adaptation au champ; d) un inconvénient particulièrement grave est que la bi- réfringence est préfixée par les constantes propres à la matière; e) le procédé pour la fabrication de tels polarisateurs optiques intégrés est très coûteux et long. La présente invention vise donc à procurer un procédé pour la fabrication d'un guide d'ondes optiques, monomode, planar, qui guide seulement la lumière à polarisation définie; procédé grâce auquel la direction de polarisation puisse être préfixée librement, les guides d'ondes présentent une faible atténuation de la lumière, puissent être fabriqués rapidement et de façon simple et permettent un couplage commode de fibres, et la biréfrin- gence ne soit pas influencée par la disposition géomé- trique du guide d'ondes. Selon l'invention, on obtient ce résultat, avec un procédé du type mentionné au début, par le fait qu'après la formation du guide d'ondes en ruban, on dé- pose une région de gaine vitreuse adjacente à ce ruban guide-lumière, des deux côtés de celui-ci, de manière que les dimensions de la région de gaine et du ruban guide- lumière perpendiculairement à la surface du substrat soient à peu près égales et que le coefficient de di- latation thermique de cette région de gaine diffère net- tement du coefficient de dilatation thermique des deux couches de gaine de même nature. Conformément à l'invention, on obtient la bi- réfringence par compression, nécessaire au maintien de la polarisation et à la stabilisation des deux modes se pro- pageant perpendiculairement l'un par rapport à l'autre, dans le cas de guides d'ondes optiques monomodes, par le fait que des contraintes de traction et/ou de compression agissent sur la région du coeur du guide d'ondes, capable de guider la lumière à polarisation définie, contraintes qui sont appliquées perpendiculairement au coeur à partir des couches de gaine de même nature et/ou à partir de la région de gaine. Les signes (traction ou compression) des con- traintes agissant sur le coeur, dépendent des coeffi- cients de dilatation thermique linéaire des matériaux constitutifs de la région du coeur, des deux couches de gaine de même nature et de la région de gaine entre eux. Cette question sera traitée plus en détail par la suite dans les exemples de mise en oeuvre. De plus, le choix approprié des indices de réfraction de la région du coeur, des couches de gaine de même nature et la région de gaine, permet d'ajuster de façon contrôlée les caractéristiques du guide d'ondes op- tiques selon l'invention pour ce qui concerne l'effet de conservation de la polarisation sur la propagation de la lumière (guidage de la lumière monomode). En effet, lorsque les matériaux des deux couches de gaine de même nature et la région de gaine présentent, outre des coefficients de dilation diffé- rents, également des indices de réfraction inférieurs à celui du matériau de la région du coeur, le guide d'ondes possède un effet de conservation de la polarisation pour les deux modes qui se propagent et sont perpendiculaires l'un par rapport à l'autre, et les deux plans de polari- sation, (modes) peuvent être guidés individuellement et indépendamment l'un de l'autre. Au cas o le matériau des deux couches de gaine de même nature ou de la région de gaine présente des coefficients de dilatation différents mais possède à peu près le même indice de réfraction que la région du coeur, il se produit, à l'interface formée par les maté- riaux ayant à peu près les mêmes indices de réfraction, une sortie par découplage du mode de lumière tombant sur cette interface; le guide d'ondes ainsi fabriqué possède donc un effet polarisant et il ne transmet qu'un plan de polarisation (mode) de la lumière à propagation monomode. Conformément à l'invention, les couches vi- treuses et la région de gaine formant le guide d'ondes peuvent être disposées selon un procédé CVD (procédé de dépôt en phase gazeuse par voie chimique) non-isotherme à plasma. Les verres déposés pour la fabrication du guide d'ondes selon l'invention peuvent être des verres d'oxydes, des verres de fluorures ou des verres de chal- cogénures. Cependant, les verres disposés les uns au-dessous des autres sont toujours du même type. Les verres de chalcogénures ont l'avantage, par exemple, qu'ils sont utilisables aussi pour la trans- mission de lumière dans le domaine infrarouge des lon- gueurs d'onde. Pour toutes les formes de réalisation pos- sibles et imaginables de la présente invention, on peut utiliser du verre de quartz bon marché comme matériau pour le substrat. Pour la fabrication de guides d'ondes selon l'invention ayant une atténuation particulièrement faible de la lumière, on choisit l'épaisseur de la couche de gaine entre le substrat et la région du coeur au moins telle que la lumière qui se propage ne puisse pas entrer en interaction avec le substrat, sinon il pourrait en résulter une forte atténuation de la lumière transmise. Ainsi, on diminue également le coût de la fabrication du guide d'ondes parce qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser du matériau à atténuation spécialement faible pour le substrat. L'invention sera ci-après décrite plus en détail par deux exemples de réalisation et en référence au dessin, sur lequel: - la figure 1 est une coupe verticale des couches de guidage de la lumière d'un guide d'ondes op- tiques selon l'invention, avant la formation du ruban guide d'ondes; - la figure 2 est une coupe verticale et transversale du ruban du guide d'ondes selon l'inven- tion; et - la figure 3 est une coupe verticale de l'ensemble du guide d'ondes optiques terminé. Exemple de mise en oeuvre 1 Sur un substrat 4 en verre de quartz, on ap- plique une première couche de gaine 2 en SiO2 pur (Fig. 1) par un procédé CVD non-isotherme à plasma. Sur cette première couche de gaine 2, on dépose ensuite une couche de coeur 1; celle-ci est composée de 85% en poids de SiO2 et 15% en poids de GeO2; la couche formant le coeur pos- sède donc un plus haut indice de réfraction que les deux couches de gaine de même nature. Sur la couche de coeur 1, on dépose une autre couche de gaine 2' avec la même composition que la pre- mière couche de gaine 2. Donc, la couche de coeur 1 pos- sède un plus haut indice de réfraction que les couches de gaine 2 et 2' voisines. Par la technique habituelle de masquage-gravure, qui est décrite en détail dans la littérature parue à ce sujet, on forme ensuite, à partir du système de couches réalisé sur le substrat 4 et com- prenant les couches 2, 1, 2', un ruban guide d'ondes (Fig. 2). Dans une opération consécutive du processus, on dépose les deux moitiés 3 et 3' de la région de gaine, qui sont directement adjacentes au ruban et sont formées des deux côtés de celui-ci (Fig. 3). L'ensemble de cette région de gaine, constitué des moitiés 3 et 3', est com- posé de 83,5% en poids de SiO2, 15% en poids de GeO2 et 1,5% en poids de P205; la région de gaine possède donc à peu près le même indice de réfraction que la région du coeur. A l'application de la région de gaine, con- stituée des deux moitiés 3 et 3', à partir de la phase gazeuse, le, ruban guide-lumière, dégagé précédemment, est de nouveau échauffé. Lors du refroidissement commun con- sécutif du ruban et des deux moitiés 3 et 3' de la région de gaine, les tensions apparaissant, sous l'effet de la différence des coefficients de dilatation thermique, peuvent être contrôlées par la vitesse de refroidissement. En raison de la différence des coefficients de dilatation thermique de la région de gaine (3, 3'), ayant un coefficient de dilatation de 15x10 7/OC et des couches de gaine de même nature (2, 2'), ayant un coeffi- cient de dilatation de 5x10 7/OC dans cet exemple de mise en oeuvre, il s'établit dans le coeur, lors du refroidis- sement contrôlé, des contraintes très différentes pa- rallèlement et perpendiculairement au substrat 4; une bi- réfringence par compression est ainsi produite dans le coeur 1. Dans ce coeur, dimensionné pour une transmission monomode, peuvent alors se propager deux ondes avec des plans de polarisation orthogonaux; en raison de la biré- fringence, ces ondes sont découplées dans une forte me- sure. Dans un guide d'ondes du type décrit dans ce qui précède, une onde qui se propage et dont le plan de pola- risation est parallèle au substrat 4, n'est pas guidée et est de ce fait fortement atténuée puisque le coeur 1 pos- sède un plus haut indice de réfraction que la région de gaine 3, 3'. Par contre, une onde dont le plan de polari- sation est perpendiculaire au substrat 4 est guidée, avec conservation de son plan de polarisation; un couplage dans la position orthogonale par rapport à elle, dans laquelle il y aurait découplage et sortie du coeur 1, ne peut pas se produire en raison de la biréfringence par compression. Un tel guide d'ondes planar a donc un effet polarisant. En raison de la différence des coefficients de dilatation thermique des compositions de verre utili- sées, une contrainte de traction ( al> a2,21) agit dans un tel guide d'ondes perpendiculairement au substrat 4 sur le coeur et une contrainte de compression ( a 3,3'> al) agit parallèlement au substrat 4 sur le coeur. ExemDle de mise en oeuvre 2 On produit un guide d'ondes planar comme dans l'exemple 1, avec la différence que pour la région de gaine 3, 3', on choisit une composition de verre conte- nant 87% en poids de SiO2 et 13% en poids de B203; la région de gaine possède, par suite, un coefficient de di- latation thermique de 13x10 7/CC et un plus faible indice de réfraction que le coeur. Par ce choix des coefficients de dilatation des matériaux pour les couches vitreuses, on obtient de nouveau la biréfringence par compression, nécessaire pour éviter le couplage des deux modes de propagation. Un tel guide d'ondes planar permet, contrairement au guide d'ondes décrit dans l'exemple 1, de guider une onde à plan de polarisation perpendiculaire ou parallèle au sub- strat 4, ou aussi deux ondes à plans de polarisation per- pendiculaires respectivement parallèles au substrat 4, à peu près sans atténuation et avec conservation des plans de polarisation. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la fabrication d'un guide d'ondes optiques planar, pour guider la lumière à pola- risation définie, par dépôt de minces couches vitreuses à partir d'une phase gazeuse sur un substrat, afin de créer une variation préfixée de l'indice de réfraction dans les couches, le dépôt comprenant celui d'une première couche de gaine, suivi du dépôt d'une région de coeur guide- lumière et le dépôt, sur cette région de coeur, d'une seconde couche de gaine, de même nature que la première couche de gaine, caractérisé en ce qu'on forme ensuite, à partir de cette superposition de couches, de façon en elle-même connue, par masquage et enlèvement par gravure, jusqu'au substrat, des régions non masquées, des rubans guides d'ondes, qu'après la formation de ces rubans, on dépose, des deux côtés des rubans, une région de gaine vitreuse (3, 3') adjacente aux rubans, que les dimensions de la région de gaine (3, 3') et du ruban perpendiculai- rement à la surface du substrat sont à peu près les mêmes et que le coefficient de dilatation thermique de cette région de gaine (3, 3') diffère du coefficient de dila- tation thermique des deux couches de gaine (2, 2') de même nature. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches de gaine (2, 2') de même nature et la région de gaine (3, 3') sont formées de matériaux qui ont tous deux un plus faible indice de réfraction que la région du coeur (1). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches de gaine (2, 2') de même nature ou alors la région de gaine (3, 3') sont formées ou est formée d'un matériau ayant à peu près le même indice de réfraction que la région du coeur (1). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le dépôt des couches vitreuses s'effectue selon un procédé CVD (procédé de dépôt en phase gazeuse par voie chimique) non-isotherme, à plasma. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que la région du coeur (1), les couches de gaine (2, 2') de même nature et la région de gaine (3, 3') sont formées de verres d'oxydes. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que la région du coeur (1), les couches de gaine (2, 2') de même nature et la région de gaine (3, 3') sont formées de verres de fluorures. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que la région du coeur (1), les couches de gaine (2, 2') de même nature et la région de gaine (3, 3') sont formées de verres de chal- cogénures. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau utilisé pour le substrat (4) est du verre de quartz. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de gaine (2) située entre le substrat (4) et la région du coeur (1) est choisie de manière que la lumière transmise ne puisse pas entrer en interaction avec le substrat.