Brevet FR2623915A1 — publié le 19890602

L'invention concerne un procédé de production d'un composant optique intégré en verre comprenant des tranchées de positionnement et de fixation de fibres opti- ques en alignement avec des guides d'ondes, ainsi que les composants ainsi produits. Une des difficultés rencontrées dans la production industrielle de composants optiques intégrés, tels que des connecteurs, coupleurs, etc..., est d'obtenir un posi- tionnement précis des fibres optiques par rapport aux guides d'ondes ou chemins de circuit optique ménagés dans le composant, le positionnement devant etre assuré avec une précision du micromètre ou même moins. La présente invention vise à résoudre ce problème. Plus particulièrement la présente invention con- cerne un procédé de production d'un composant optique intégré comprenant des tranchées de positionnement et de fixation de fibres optiques en alignement avec des guides d'ondes formés dans ledit composant, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: I.a) partir d'un corps en verre présentant au moins une partie plane et des méplats disposés en retrait par rapport à la partie plane et de part et d'autre de celle-ci, b) déposer une couche de masquage sur la face supérieure de la partie plane et des méplats, la matière de cette couche de masquage étant capable de résister aux conditions des étapes IV.a), et III.a) suivantes, c) appliquer une couche de matière de réserve photosen- sible sur la couche de masquage, d) exposer la couche photosensible à une source de rayonnement appropriée & travers un élément transparent ou opaque portant un motif correspondant aux tranchées et guides d'ondes & réaliser, e) développer la couche photosensible exposée et éliminer les parties de la matière de réserve correspondant auxdits guides d'ondes et tranchées & réaliser, f) éliminer les parties de la couche de masquage mises à nu dans l'étape I.e), -2- g) éliminer la matière de réserve résiduelle, II appliquer sur la face supérieure soit de la partie plane, soit des méplats, une couche de matière de réserve et effectuer les étapes III et IV suivantes dans l'ordre indiqué ou dans l'ordre inverse selon que la matière de réserve a été appliquée sur la partie plane ou sur les méplats: III.a) soumettre la face supérieure des méplats à une attaque chimique pour effectuer la gravure dans le verre des tranchées de positionnement et de fixation des fibres optiques, b) éventuellement éliminer la matière de réserve appliquée sur la partie plane dans l'étape II, IV.a) soumettre les zones de la partie plane dépourvue de couche de masquage à un processus d'échange d'ions pour former des chemins optiques dans la partie centrale, b) éventuellement éliminer la matière de réserve appli- quée sur les méplats dans l'étape II, et V. éliriner la couche de masquage résiduelle. Le procédé de l'invention présente l'avantage de ne recourir qu'à des techniques bien connues comme la photolithogravure et l'échange d'ions. Le corps en verre à méplats peut etre obtenu par gravure ou par usinage mécanique d'un corps d'épaisseur uniforme, par exemple d'un disque de verre poli. La couche de masquage ou masque doit être formée d'un matériau capable de résister & l'attaque chimique de l'étape III.a) et & la température du bain de sel fondu utilisé pour le proceseus d'échange d'ions de l'étape IV.a), qui est habituellement de l'ordre de 350-400 C. Ce matériau sera habituellement de nature minérale (par exemple Si3N4, le titane) bien que l'on n'exclut pas la possibilité d'utiliser certains matériaux polymères résistants aux températures élevées, tels que des silico- nes. Un matériau minéral qui s'est révélé particulière- ment approprié est le nitrure de silicium Si3N4. - 3 - Le dépôt du masque peut s'effectuer par diverses techniques bien connues, par. exemple par dépit en phase vapeur, pulvérisation cathodique, évaporation, application d'une composition de revêtement, etc...., selon la nature du matériau. Le type de matière de réserve photosensible appli- quée dans l'étape I.c) et le type de matière de réserve qui peut être photosensible ou non, appliquée dans l'étape II ne sont pas critiques, pour autant que ces matières de réserve résistent aux agents chimiques utilisés dans les étapes I.f) et III.a). De nombreuses matières de ré- serve photosensible ou non sont décrites dans la littéra- ture des brevets et sont disponibles dans le commerce. Le choix de ces matières est bien à la portée de l'homme de métier. Comme exemples de matières de réserve photosen- sible disponibles dans le commerce on peut citer notamment les produits suivants: - Résines positives: A2 1450J (Shipley Company) KODAK 820 (KODAK) HPR 204 (Olin Hunt Corporation) - Résines négatives: KODAK 747 (KODAK) HNR 120 (Lin Hunt Corporation) L'attaque chimique de l'étape III.a) peut s'effec- tuer à l'aide d'un bain de gravure classique, par exemple d'un bain aqueux contenant un mélange d'acide sulfurique et d'acide fluorhydrique. L'élimination des matières de réserve peut s'effectuer à l'aide d'un solvant approprié aqueux ou organique ou encore à l'aide d'un plasma, selon la nature de la matière de réserve. Le processus d'échange d'ions est tout & fait classique. Apres l'échange, on peut, si on le désire, "enterrer" les guides d'ondes formés par un échange d'ions supplémentaire sous champ électrique. On pourra trouver davantage de détails concernant ces techniques en se réfé- rant aux articles et brevets suivants: * J. Goell et al., BELL System Tech. J., Vol. 48 p. 3445- 48 (1969); - 4 -- k H. Osterberg et al., J. of Optical Soc. of America, Vol. 54, p. 10781084 (1964); A US-A-3 880 630; et À FR-A-2 574 950 déposé par la Demanderesse le 18 Décembre 1984. Afin d'illustrer davantage le procédé de l'inven- tion, on donne l'exemple non limitatif suivant, décrit en se référant au dessin annexé qui illustre les différen- tes étapes dudit procédé. Sur ce dessin, les- figures 1 et 11 sont des vues de dessus du corps en verre de départ et de l'élément optique intégré final, respectivement, tandis que les figures 2 à 10 sont des vues en bout de ce corps. Il est à noter que, pour des raisons de clarté de représentation, on a fortement exagéré la différence de niveau entre la partie centrale plane et les méplats latéraux ainsi que l'épaisseur des couches. EXEMPLE A) Préparation d'un corps en verre à partie centrale plane et à méplats latéraux. On part d'un disque poli en verre propre d'un diamètre de 60 mm et d'une épaisseur de 3 mm. On le soumet à un étuvage à 120 C pendant 1 heure pour déshydratation, puis on dépose sur le disque un promoteur d'adhérence par mise au contact du disque avec de l'hexaméthyldisila- zane gazeux à température ambiante pendant 2 minutes. Après cela, on dépose sur le disque traité une couche d'une composition de réserve photosensible (Résine AZ 1450 J vendue par la Société SHIPLEY) par centrifugation à 3500 t/mn pendant 45 secondes, de manière & obtenir une couche de 1,9/m d'épaisseur environ. On cuit cette couche à 900C pendant 30 mn pour éliminer le solvant. On expose ensuite la résine photosensible se trouvant sur la surface supérieure du disque, à travers un modèle transparent comprenant une partie centrale opaque et deux secteurs latéraux opposés transparents correspondant aux méplats à former, sur une machine d'exposition SET MAT 750 vendue par la Société SULZER ELECTRO TECHNIQUE, le rayonnement -- 5 -- d'exposition ayant une longueur-d'onde de 365 nm à 436 nm et une énergie de 150 mJ. Après l'exposition on élimine les parties exposées correspondant aux méplats & l'aide d'un révélateur "SHIPLEY 351 Developer" vendu par la Société SHIPELY à 20% en volume dans de l'eau (1 partie de produit pour 4 parties d'eau). Le temps de révélation est de 2 minutes à 22 C. On effectue ensuite une cuisson comprenant un chauffage à 105 C pendant minutes suivi d'un chauffage à 2000C pendant une heure afin de post-durcir la matière de réserve. Après cela on grave les parties de la surface supérieure du disque mises à nu par l'étape de révélation et correspondant aux méplats à former à l'aide d'un bain de gravure constitué, en volume, par 99% d'acide sulfurique à 50% en poids et par 1% d'acide fluorhydrique à 40% en poids. Le temps de gravure pst de 125 minutes pour obtenir une profondeur gravée de 75/gm. Pour finir, on élimine la résine subsistante & l'aide d'un plasma d'oxygène généré par un appareil Plasmafab 505 de chez ETA ELECTROTECH conditions opératoires: pression: 200 mtorrs, puissan- ce: 500W, temps: 1 heure). On obtient ainsi (figure 1) un corps en verre comprenant une partie centrale plane 1 et deux mépiats latéraux opposés 2 en retrait de 75/ m par rapport à la partie centrale. B) Dépôt d'une couche de masque au Si3N4. Sur la face supérieure du disques gravé obtenu en A, on dépose une couche de masquage en nitrure de sili- cium par dépôt en phase vapeur dans les conditions suivan- tes: Equipement: Plasmafab 310 de chez ETA ELECTROTECH Gaz: SiH4 à 2% dans de l'azote Débit:2000 sccm (standard cm3/mn) Pression: 750 mtorrs Puissance: 60 watts Température:300 C Temps: 1 heure On obtient une couche 3 de Si3N4 d'une épaisseur de 1 /Am (figure 2) recouvrant tant la partie centrale 1 que les méplats 2. C) Photoqravuredu masque. On applique sur la couche de masquage 3 une couche de composition de réserve photosensible 4 en suivant le mode opératoire de la partie A) cidessus, y compris l'étuvage et l'application du promoteur d'adhérence (figu- re 3). On expose ensuite la couche photosensible résul- tante & travers un élément opaque portant un motif trans- parent correspondant aux tranchées et guides d'ondes & réaliser dans la même machine d'exposition et dans les mêmes conditions que celles décrites dans la partie A. On élimine les parties exposées (correspondant aux tranchées et guides d'ondes) également comme décrit dans la partie A, y compris la cuisson finale. On obtient ainsi un élé- ment dans lequel la matière de résine est éliminée aux endroits correspondant aux tranchées (parties référencées 5) et guides d'ondes (parties référencées 6) à réaliser, les parties mises à nu de la couche de masquage sur la partie centrale 1 et les méplats 2 étant convenablement alignés (figure 4). On procède alors à la gravure de la couche de masquage à l'endroit de ses parties précédemment mises & nu. On effectue cette gravure & l'aide d'un plasma dans les conditions suivantes: Equipement: Plasmafab 505 de chez ETA ELECTROTECH Gaz:CF4 + 4% 02 Pression: 200 mtorrs Puissance: 200 W Temps: 10 minutes On obtient ainsi l'élément de la figure 5' dans lequel les parties de la couche de masquage mises à nu sur les méplats ont été référencées 7 et, sur la partie centrale, 8. On élimine enfin la matière de réserve résiduelle demeurant sur les méplats et la partie centrale (figure -7- 6), à l'aide d'un plasma d'oxygène comme dans la partie A. D) Gravure des tranchées de positionnement et de fixation des fibres optiques. On commence par revêtir de matière de réserve 9 la partie centrale 1 comme décrit dans la partie A. On soumet alors les parties mises à nu des méplats à un processus de gravure semblable à celui décrit dans la partie A, si ce n'est que le temps de gravure est de minutes de façon à obtenir une profondeur gravée de 50 m environ, le profil de gravure ayant approximativement la forme d'une portion de cercle comme représenté sur la figure 7 o les tranchées formées sont référencées 10. E) Echanqe d'ions. Après élimination de la matière de réserve 9 re- couvrant la partie centrale 1 par un plasma d'oxygène, comme décrit dans la partie A, on soumet la surface supé- rieure masquée du disque à un échange d'ions classique dans un bain de sels fondus & 375 C pendant 3 heures, for- me de proportions équimolaires de AgN03 et AgCl de façon à substituer des ions Ag+ aux ions de métaux alcalins pré- sents dans le verre à l'endroit des parties dénudées du masque et à modifier ainsi localement l'indice de réfrac- tion du verre de manière à créer des chemins optiques 11 dans la partie superficielle du verre. Après cela, on. re- tire le disque du bain de sels et on élimine le masque par un plasma de façon semblable & ce qui est décrit dans la partie C (figure 8). Si on le désire on peut ensuite effectuer un enterrage des guides d'ondes 11 formés. Pour cela on re- couvre la face du disque opposée à celle portant le chemin optique d'une couche d'or 12 conductrice de l'électricité, puis on met délicatement la face du corps portant les guides d'ondes en contact avec un bain de sels fondus constitués de 83 moles % de KN03 et de 17 moles % de NaN03 à 365 C pendant 4 heures 15 minutes, tandis qu'on établit un champ électrique de 33V/mm entre une électrode en pla- tine disposée dans le bain et la couche d'or, le bain -- 8 -- étant polarisé positivement par rapport à la couche d'or. Ce traitement a pour effet d'enterrer les guides d'ondes 11 et de conduire à l'obtention de guides d'ondes multimo- des quasi-circulaires situé à environ 25/ m sous la surface du verre (figure 9). La couche d'or 12 peut enfin être éliminée par une attaque chimique appropriée, par exemple à l'aide d'eau régale (figure 10). On obtient ainsi, en fin de compte, un élément optique intégré (ici un connecteur double) permettant le raccordement aisé de fibres optiques. En effet, le positionnement de celles-ci dans les tranchées 10 et leur fixation par collage à l'aide d'une goutte de colle appropriée (par exemple une colle durcissant sous l'effet de rayons ultraviolets) assurent un alignement impeccable avec les guides d'ondes optiques il formés dans la partie centrale du disque de verre. Bien entendu, l'élément optique intégré pourrait être autre chose qu'un simple connecteur, ce pourrait être notamment un coupleur-diviseur, un coupleur monomode à proximité, un coupleur multiplexeur monomode, un coupleur multiplexeur multimodes, un élément permettant d'aligner une fibre optique avec une lentille collimatrice, un moni- teur multimodes, etc... selon la nature des chemins opti- ques formés par l'échange d'ions. On pourra se reporter à cet égard à FR-A-2 574 950 qui illustre divers éléments optiques intégrés. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et l'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. -9- REVENDICATIONS 1. Un procédé de production d'un composant optique intégré comprenant des tranchées de positionnement et de fixation de fibres optiques en alignement avec des guides d'ondes formés dans ledit composant, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant &: I.a) partir d'un corps en verre présentant au moins une partie plane (1) et des méplats (2) disposés en retrait par rapport & la partie plane et de part et d'autre de celle-ci, b) déposer une couche de masquage sur la face supérieure de la partie plane et des méplats, la matière de cette couche de masquage étant capable de résister aux conditions des étapes IV.a), et III.a) suivantes, c) appliquer une couche de matière de réserve photosen- sible sur la couche de masquage, d) exposer la couche photosensible & une source de rayonnement appropriée à travers un élément transparent -20 ou opaque portant un motif correspondant aux tranchées et guides d'ondes à réaliser, e) développer la couche photosensible exposée et éliminer les parties de la matière de réserve correspondant auxdits guides d'ondes et tranchées à réaliser, f) éliminer les parties de la couche de masquage mises à nu dans l'étape I.e), g) éliminer la matière de réserve résiduelle, II appliquer sur la face supérieure soit de la partie plane, soit des méplats, une couche de matière de réserve et effectuer les étapes III et IV suivantes dans l'ordre indiqué ou dans l'ordre inverse selon que la matière de réserve a été appliquée sur la partie plane ou sur les méplats: III.a) soumettre la face supérieure des méplats & une attaque chimique pour effectuer la gravure dans le verre des tranchées de positionnement et de fixation des fibres optiques, -10 2- 2 2623915 - 10 - b) éventuellement éliminer la matière de réserve appliquée sur la partie plane dans l'étape II, IV.a) soumettre les zones de la partie plane dépourvue de couche de masquage à un processus d'échange d'ions pour former des chemins optiques dans la partie centrale, b) éventuellement éliminer la matière de réserve appli- quée sur les méplats dans l'étape II, et V. éliminer la couche de masquage résiduelle. 2. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une étape supplémentaire d'échange d'ions visant A enterrer les chemins formés dans la partie plane. 3. Un procédé selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que la couche de masquage est formée de nitrure de silicium. 4. Un procédé- selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise, dans l'étape II, une matière de ré- serve photosensible. 5. Elément d'optique intégré produit par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 & 4.