Brevet FR2614999A1 — publié le 19881110

Guide d'onde optique bidimensionnel mono mode ferrimagnétique, son procédé de fabrication,et son utilisation dans un isolateur optique intégré. L'invention concerne un guide d'onde optique bidimensionnel monomode ferrimagnétique, son procédé de fabrication, et son utilisation dans un isolateur en optique intégrée. Les fibres optiques sont de plus en plus utilisées non seulement pour la transmission de l'information mais aussi pour "traiter" l'information au sens très large du terme. C'est ainsi qu'en associant une fibre optique monomode à des circuits optiques intégrés, on peut réaliser des fonctions de modulation, de commutation, de multiplexage, de démultiplexage, de polarisation etc... Dans les transmissions par fibres optiques, il est nécessaire d'empêcher que les réflexions qui peuvent se produire perturbent la transmission de l'information elle-même, soit par action sur le signal optique, soit par action sur la source lumineuse. I1 faut donc réaliser en quelque sorte une isolation de la partie émission par rapport à la partie utilisation. On utilise à cet effet un circuit isolateur optique qui est disposé par exemple à proximité de la source lumineuse, sur le trajet du faisceau, de manière å empêcher tout retour lumineux parasite qui perturberait le fonctionnement de lá source lumineuse. On comprend que le dispositif à protéger par un circuit isolateur optique peut être un modulateur optique, un gyromètre optique etc... L'un des circuits isolateurs optiques les plus utilisés est du type composant en volume mettant en oeuvre l'effet Faraday, c'est-à-dire utilisant l'effet de rotation du plan de polarisation d'un rayon lumineux traversant un corps transparent isotrope placé dans un champ magnétique. Plus précisément, dans le cas d'une source lumineuse telle qu'une diode laser, le rayon lumineux traverse d'abord un polariseur qui ne laisse donc passer que les rayons lumineux ayant une certaine polarisation. Le rayon lumineux polarisé traverse ensuite, par exemple, un milieu ferrimagnétique transparent placé dans un champ magnétique parallèle à l'axe de propagation du rayon lumineux. Le trajet dans ce milieu ferrimagnétique est tel que la déviation de la direction de polarisation est de 45". Comme un rayon lumineux se déplaçant en sens inverse subit une rotation de 45" dans le même sens, la polarisation de tout rayon réfléchi correspondant au rayon incident sera déviée de 90" et, de ce fait, ne pourra pas traverser le polariseur.En conséquence, la source lumineuse ne sera pas perturbée par une telle réflexion. On a ainsi réalisé une ligne de propagation unidirectionnelle. Dans la technologie des circuits optiques intégrés, un guide ferrimagnétique peut être réalisé à l'aide d'un grenat d'ytrium et de fer souvent désigné par l'abréviation YIG, déposé par épitaxie sur un substrat de grenat de gadolinium et gallium, souvent désigné par l'abréviation CGC. De manière avantageuse, la composition du YIG, de formule générale Y3Fe5 012, est modifiée pour y introduire des terres rares telles que du gadolinium et du gallium. En fait, du gadolinium est substitué à l'ytrium et du gallium est substitué au fer de manière à obtenir la formule générale Gdx Y3-x Gay Feg,y 012 dans lequel x = 0,45 et 0,8 (y (1,1. La couche de YIG, qui a une épaisseur voisine d'un micron, pour des longueurs d'onde d'un à cinq microns, et une largeur de quelques millimètres, constitue un guide d'onde pour un rayon lumineux mais, comme sa largeur, dans le sens transversal par rapport au trajet du rayon, est grande par rapport à son épaisseur, ce guide propage plusieurs modes de propagation TE et TM. Or, la présence de plusieurs modes de propagation gêne considérablement le fonctionnement du dispositif car la rotation du plan de polarisation par effet Faraday varie d'un mode à l'autre. De plus, I'utilisation d'un tel guide comme isolateur nécessite que les vitesses des modes TE et TM soient adaptées. Dans l'art connu, ces vitesses sont adaptées en introduisant des contraintes cristallines lors de l'épitaxie du guide YIG sur le substrat, mais cette méthode est peu reproductible. L'objet de la présente invention est donc de réaliser un guide d'onde ferrimagnetique, qui ne présente pas les inconvénients précités, et qui est notamment bidimensionnel tnonomode et particulièrement bien adapté à la réalisation d'isolateur optique intégré ayant de bonnes performances d'isolation. Suivant Pinvention un guide d'onde bidimensionnel monomode ferrimagnétique est caractérisé en ce qu'il est constitué d'une barre rectiligne à section transversale sensiblement rectangulaire qui est réalisée avec un grenat d'ytrium et de fer et d'un milieu homogène dtindice inférieur à celui de la barre qui sert à la fois de support et d'enveloppe à ladite barre. Le milieu homogène peut être un grenat de gadolinium et gallium ou un grenat d'ytrium et de fer qui a un indice de réfraction inférieur à celui du grenat constituant la barre rectiligne. La barre rectiligne qui constitue le milieu de propagation peut être réalisée soit sous forme de mésa, soit sous forme de tranchée. Les grenats d'ytrium et de fer peuvent comporter des terres rares se substituant partiellement à l'ytrium et au fer, ces terres rares étant de préférence du gadolinium et du gallium. Dans tous les cas, le substrat est dé préférence un grenat de gadolinium et gallium. L'invention se rapporte également à un procédé pour fabriquer ce guide d'onde bidimensionnel monomode, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: - le dépôt d'une couche de grenat d'ytrium et de fer sur le substrat en grenat de gadolinium et gallium, - l'enlèvement d'une partie substantielle de ladite couche pour ne laisser qu'une barre rectiligne, et - le dépôt d'une couche de grenat de gadolinium et gallium sur le substrat et la barre. Dans le cas du milieu homogène réalisé en grenat d'ytrium et de fer, le procédé est caractérisé par les opérations suivantes: - le dépôt d'une première couche de grenat d'ytrium et de fer sur un substrat en grenat de gadolinium et gallium, - le dépôt sur la première couche d'une deuxième couche de grenat d'ytrium et de fer ayant un indice de réfraction supérieur à celui de la première couche, - l'enlèvement d'une partie substantielle de la deuxième couche pour ne laisser qu'une barre rectiligne, et - le dépôt d'une troisième couche de grenat d'ytrium et de fer sur la première couche et la barre, ladite troisième couche ayant un indice de réfraction qui est égal à celui de la première couche. Dans le cas où la barre rectiligne est réalisée en tranchée, la première opération de dépôt est précédée par le creusement de ladite tranchée. Les différents dépôts sont de préférence effectués par épitaxie en phase liquide. L'opération d'enlèvement d'une partie substantielle d'une couche est réalisée par usinage chimique ou ionique du type réactif ou non. L'invention a enfin pour objet l'utilisation d'un tel guide bidimensionnel monomode dans un isolateur optique intégré. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'exemples particuliers de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins annexés: - La figure 1 est une vue en perspective d'un guide d'onde à effet Faraday selon l'art antérieur - la figure 2 est une coupe transversale d'un premier exemple de réalisation d'un guide d'onde bidimensionnel monomode à effet Faraday selon la présente invention - la figure 3 est une coupe transversale d'un deuxième exemple de réalisation d'un guide d'onde bidimensionnel monomode à effet Faraday selon la- présente invention et - la figure 4 est une coupe transversale d'un troisième exemple de réalisation d'un guide d'onde bidimensionnel monomode à effet Faraday selon la présente invention. Comme on l'a mentionné dans le préambule pour réaliser par exemple une ligne de propagation unidirectionnelle d'un rayon lumineux, il faut associer suivant le sens de propagation recherché, un polariseur et un guide d'onde ferrimagnétique, à effet Faraday, que l'on appelle également tronçon uni-réciproque. Ce guide d'onde à effet Faraday peut être constitué comme décrit dans l'art connu (figure 1) par exemple par une couche 1 de grenat d'ytrium et de fer (YIG) ayant une épaisseur d'un micron qui a été déposée par épitaxie phase liquide sur un substrat 2 en grenat de gadolinium et gallium ayant une épaisseur de 500 microns environ. Un rayon lumineux 3 se propage de la gauche (entrée 5) sur la droite (sortie 6) de la figure 1 dans la couche 1 et est soumis sur la longueur L à un champ magnétique M ayant le sens de la flèche, c'est-àdire celui de la propagation du rayon lumineux 3. S'agissant d'un guide d'onde, seule des modes Transverse électrique (TE) et Transverse Magnétique (TM) peuvent se propager à l'intérieur de la couche 1 et il en résulte que l'effet Faraday dans ce type de propagation se caractérise par la proportion de mode TU qui apparaît à la sortie 6 lorsque le rayon lumineux est en mode TE à l'entrée 5.Cette proportion est donnée par la formule dans laquelle ITM est l'intensité du mode TM à la sortie 6 (1 = L) ITE est l'intensité du mode TE à l'entrée 5 (1 = 0) K est la constante de Faradav ou est la longueur au rayonnement lummeux, étant les constantes de propagation des modes respectivement TEo et TMo Cette formule montre que ce rapport et donc l'isolation obtenue est maximum lorsque a ss est égal à zéro, c'est-à-dire lorsqu'il y a l'égalité des indices nTE et nTM . Or, dans la couche 1, il ne peut y avoir cette égalité car les con0ditions aux limites sont très différentes selon le mode envisagé.En outre, dans une telle couche, il y a dispersion de l'énergie lumineuse entre l'entrée 5 et la sortie 6 car la couche I a une largeur importante par rapport à la longueur d'onde. Les deux constatations ci-dessus conduisent à réaliser selon la présente invention, un guide d'onde ferrimagnétique dont les dimensions sont limitées dans les deux directions de manière à avoir une propagation du type monomode dans les deux dimensions. Il est décrit ci-après trois modes de réalisation d'un guide d'onde ferrimagnétique qui présente des caractéristiques de la présente invention. Sur la figure 2, le guide d'onde ferrimagnétique est constitué d'un guide réalisé sous la forme d'un mesa 7 en grenat d'ytrium et de fer reposant sur une partie de la face supérieure 8 d'un substrat 9 en grenat de gadolinium et gallium. Une couche 10 de grenat de gadolinium et gallium recouvre le mesa 7 et la partie de la face supérieure 8 du substrat 9 non recouverte par le mesa 7. Sur la figure 3, le guide d'onde ferrimagnétique est constitué d'un guide réalisé sous la forme d'une vallée ou tranchée 11 creusée dans un substrat 12 sur la face supérieure 13 et remplie de grenat d'ytrium et de fer 14. Une couche 15 de grenat de gadolinium et gallium recouvre toute la face supérieure 13 du substrat 12, y compris le grenat d'ytrium et de fer 14 remplissant la tranchée 11. Dans les deux modes de réalisation des figures 2 et 3 le substrat a une épaisseur de 500 microns environ et un indice de réfraction de 1,945; le mesa 7 ou la tranchée 1 1 a des dimensions de l'ordre du micron pour des longueurs d'onde d'un à cinq microns et un indice de réfraction de 2,15 ; la couche supérieure 10 ou 15 a une épaisseur minimale de 5 microns environ mais peut atteindre 50 microns. Dans de nombreuses applications, on a intérêt à augmenter les dimensions transversales du guide c'est-à-dire du mesa 7 ou de la tranchée 11, pour faciliter les liaisons, les ajustements et les couplages avec les circuits optiques adjacents. Pour obtenir une augmentation des dimensions transversales du guide, il est connu de faire en sorte que la différence des valeurs des indices du guide d'onde et du matériau sous-jacent soit de l'ordre de cinq millième.C'est ainsi que l'on réalise des guides d'onde du type de la figure 1 dans lequel on dépose, sur un substrat de grenat de gadolinium et gallium d'indice 1,945, non pas une seule couche de grenat d'ytrium et de fer mais deux couches, la première d'une épaisseur de trois à cinq microns ayant un indice de réfraction de 2,155 pour une longueur d'onde d'un à cinq microns et la deuxième d'une épaisseur de six à sept microns ayant un indice de réfraction de 2,160. L'invention peut également utiliser une telle disposition et on obtient la structure représentée sur la figure 4. Cette structure comprend un substrat 16 en grenat de gadolinium et gallium ayant une épaisseur de 500 microns environ et un indice de réfraction égal à 1,945, une première couche 17 de grenat d'ytrium et de fer ayant une épaisseur de trois à cinq microns environ et un indice de réfraction égal à 2,155, un guide YIG 18 en forme de mesa disposé sur la première couche 17 ayant des côtés de six à sept microns et un indice de réfraction égal à 2,160, et une deuxième couche 19 de grenat d'ytrium et de fer de composition identique à la première couche 17 mais ayant une épaisseur au moins égale à cinq microns et pouvant atteindre cinquante microns. Ce troisième exemple de réalisation se prête également à une structure en tranchée ou en vallée semblable à celle décrite en relation avec la figure 3 à condition de prévoir une couche 17 suffisamment épaisse pour y creuser une tranchée tout en ayant une épaisseur suffisante sur le fond de la tranchée. Dans les exemples particuliers de réalisation du guide bidimensionnel monomode à effet Faraday qui viennent d'être décrits, les dimensions du guide, qu'elles soient transversale ou longitudinale, peuvent varier avec le matériau utilisé et la longueur d'onde À du rayon lumineux qui le traverse, et les valeurs qui ont été mentionnées ne sont qu'indicatives. Bien entendu, le matériau utilisé peut être du grenat d'ytrium et de fer pur mais aussi du grenat d'ytrium et de fer substitué de terres rares telles que le gadolinium et le gallium comme cela était indiqué dans le préambule. La longueur du guide et donc du substrat dépend de l'amplitude de l'effet Faraday dans le matériau ferri magné tique dont est constitué le guide; quant à la largeur du-substrat, elle n'est pas critique car elle n'intervient pas dans l'effet Faraday. De la description des exemples particuliers de réalisation du guide bidimensionnel monomode ferrimagnétique, il apparaît que ce guide est constitué d'une barre rectiligne à section transversale sensiblement rectangulaire proche du carré faite d'un grenat d'ytrium et de fer, substitué ou non de terres rares, cette barre étant enveloppée d'un milieu de composition homogène qui est soit un grenat de gadolinium et gallium, soit un grenat d'ytrium et de fer, substitué ou non de terres rares, qui a un indice de réfraction légèrement inférieur à celui du grenat de la barre guide. Pour fabriquer les guides d'ondes bidimensionnels monomodes ferrimagnétiques selon l'invention, le procédé est le suivant. Dans le premier exemple particulier de réalisation qui a été décrit (figure 2) la première phase du procédé consiste à déposer, par épitaxie en phase liquide sur la face supérieure 13 convenablement préparée du substrat 9 en grenat de gadolium et gallium, une couche de grenat d'ytrium et de fer substituée ou non des terres rares telles que le gadolinium et le gallium. La croissance épitaxiale est arrêtée dès que l'épaisseur de la couche atteind un micron environ. Une grande partie de cette couche est enlevée par un usinage chimique ou ionique du type réactif ou non de manière à ne garder qu'une partie centrale 7 en forme de mesa qui constitue le guide bidimensionnel monomode. La couche 10 de grenat de gadolinium et gallium est ensuite déposée par épitaxie en phase liquide, par exemple en plongeant le substrat 9 surmonté du guide 7 dans un bain contenant les oxydes nécessaires à la synthèse du matériau et porté à une température de 980"C envirqn. La durée de l'immersion dépend de la vitesse de croissance choisie et de l'épaisseur de la couche 10 que l'on souhaite obtenir ; cette durée peut être de deux minutes environ.Pour fabriquer le deuxième exemple de réalisation qui a été décrit en relation avec la figure 3, la face supérieure 13 du substrat 12 est d'abord creusée par usinage chimique ou ionique du type réactif ou non pour obtenir la tranchée 11. Une couche de grenat d'ytrium et de fer, substitué ou non de terres rares, est ensuite déposée par épitaxie en phase liquide sur toute la surface supérieure 13 et dans la tranchée 11 de manière à remplir ladite tranchée. La couche qui vient d'être déposée est ensuite usinée pour obtenir une face supérieure plane ne présentant du grenat d'ytrium et de fer qu'à l'endroit de la tranchée 11. Après cette opération, il est procédé au dépôt de la couche 15 de grenat de gadolinium et gallium, comme pour la couche 10 de l'exemple de la figure 2. Pour fabriquer le troisième exemple de réalisation qui a été décrit en relation avec la figure 4, la première phase du procédé consiste à déposer par épitaxie en phase liquide sur le substrat 16 la première couche 17 de grenat d'ytrium et de fer, substitué ou non de terres rares, d'indice 2,155. La croissance épitaxiale est arrêtée dès que l'épaisseur de la couche 17 atteind trois à cinq microns. Pour réaliser le mesa 18, on dépose par épitaxie en phase liquide une couche de grenat d'ytrium et de fer substitué ou non de terres rares, d'indice 2.16 et d'épaisseur égale à six ou sept microns. Cette couche est ensuite configurée par usinage chimique su ionique réactif ou non pour obtenir le guide mesa 18 uniquement. Enfin, la couche 19, de composition identique à la couche 17, est déposée par épitaxie en phase liquide sur la couche 17 et le guide mesa 18. La croissance épitaxiale de cette couche 19 peut être arrêtée dès que l'épaisseur atteind cinq microns environ. Dans tous les cas, après la sortie du bain utilisé pour la croissance épitaxiale, la plaquette est nettoyée selon tous procédés connus, par exemple par ultra-sons. L'utilisation d'un tel guide d'onde bidimensionnel mono mode ferrimagnétique dans un isolateur optique intégré est particulierement intéressante car le fait d'entourer le guide d'un matériau identique à celui composant la couche du substrat sur laquelle est formé le guide permet d'obtenir une configuration totalement symétrique. Ainsi les deux polarisations des modes se propageant dans le guide vont se propager à la même vitesse ce qui améliore notablement la conversion d'une polarisation dans l'autre et augmente la qualité de l'isolation. REVENDICATIONS 1. Guide d'onde bidimensionnel monomode ferrimagnétique, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une barre rectiligne (7, 14 ou 18) à section transversale sensiblement rectangulaire de grenat d'ytrium et de fer et d'un milieu homogène (9. 10 ou 12, 14 ou 17, 19) servent de support et d'enveloppe à ladite barre,l'indice du milieu homogène étant inférieur à celui du grenat d'ytrium et de fer. 2. Guide d'onde selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu homogène (9, 10 ou 12, 15) est un grenat de gadolinium et de gallium dont une partie est un substrat (9, 12) qui sert de support et l'autre partie une couche (10, 15) obtenue par dépôt. 3. Guide d'onde selon la revendication 2, caractérisé en ce que la barre est en forme de mesa (7) sur la couche supérieure du substrat (9), la couche (10) étant obtenue par dépôt enveloppant les trois autres faces de la barre. 4. Guide d'onde selon la revendication 2, caractérisé en ce que la barre est formée dans une vallée creusée dans le substrat (12), la couche (10) recouvrant la face supérieure de la barre et le substrat. 5. Guide d'onde selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu homogène (17, 11) est un grenat d'ytrium et de fer qui a un indice de réfraction inférieur à celui du grenat constituant la barre (14), ledit milieu homogène (17, 19) étant obtenu par dépôts successifs sur un substrat (16) qui sert de support. 6. Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le grenat d'ytrium et de fer comporte des terres rares se substituant partiellement à l'ytrium et au fer. 7. Guide d'onde selon la revendication 6, caractérisé en ce que les terres rares de substitution sont le gadolinium et la gallium. 8. Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le substrat est un grenat de gadolinium et gallium. 9. Procédé pour fabriquer un guide d'onde selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: - le dépot d'une couche de grenat d'ytrium et de fer sur le substrat en grenat de gadolinium et gallium, - l'enlèvement dans une partie subtantielle de ladite couche pour ne laisser qu'une barre rectiligne, et - le dépôt d'une couche de grenat de gadolinium et gallium sur le substrat et la barre. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dépôt de la couche de grenat d'ytrium et de fer est précédé par le creusement d'une tranchée rectiligne dans le substrat. 11. Procédé pour fabriquer un guide d'onde selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: - le dépôt d'une première couche de grenat d'ytrium et de fer sur un substrat en.grenat de gadolinium et gallium, - le dépôt sur cette première couche d'une deuxième couche de grenat d'ytrium et de fer ayant un indice de réfraction supérieure à celui de la première couche, - l'enlèvement d'une partie substantielle de cette deuxième couche pour ne laisser qu'une barre rectiligne, et - le dépôt d'une troisième couche de grenat d'ytrium et de fer sur la première couche et la barre, ladite troisième couche ayant un indice de réfraction qui est égal à celui de la première couche. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le dépôt de la deuxième couche de grenat-d'ytrium et de fer est précédé par le creusement d'une tranchée rectiligne dans la première couche. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes 9 à 12, caractérisé en ce que les dépôts successifs sont réalisés par épitaxie en phase liquide. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes 9 à 13, caractérisé en ce que l'enlèvement d'une partie substantielle de la couche de grenat dytrium et de fer et le creusement de la tranchée sont effectués par usinage chimique ou ionique du type réactif ou non. 15. Utilisation d'un guide bidimensionnel monomode ferrimagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans un isolateur optique intégré, comportant en outre un polariseur et des moyens d'application d'un champ magnétique au guide selon la direction de propagation.