Brevet FR2704323A1 — publié le 19941028

La présente invention concerne des guides d'ondes optiques et, particulièrement, une méthode de fabrication d'un guide d'onde de forte photosensibilité à partir d'un guide d'onde faiblement photosensible. Des guides d'ondes optiques peuvent présenter la propriété de photosensitivité comme un changement d'indice de réfraction permanent photoinduit. Des expériences initiales, comme décrites dans le document US-A-4 474 427 (K.O. Hill et al) ont démontré le phénomène dans des fibres optiques, mais récemment on l'a détecté aussi dans des structures de verre planaires, y compris par exemple des guides d'ondes planaires silice sur silicium et silice sur silice. La photosensitivité peut être utilisée pour fabriquer des réseaux de diffraction de Bragg rétroréflecteurs, des réseaux de diffraction convertisseurs de modes et rotateurs oscillants dans des guides d'ondes optiques; pour fabriquer ces dispositifs, on imprime une modulation d'indice de réfraction périodique dans l'espace avec de la lumière le long de la longueur du coeur photosensible du guide d'onde optique. On a décrit des méthodes de fabrication de tels réseaux de diffraction de Bragg dans la demande de brevet français n 93 13093 déposée le 28/10/93 par la présente demanderesse et intitulée "Méthode de fabrication de réseaux de diffraction de Bragg". Le spectre d'absorption UV proche du coeur dopé au germanium de fibre optique, de guide d'onde Ge:SiO2-sur-Si ou Ge:SiO2-sur-SiO2 est fortement influencé par le type et la concentration des défauts dans le coeur. On a trouvé que la photosensitivité dans des guides d'ondes à coeur dopé au germanium est liée à l'absorption entraînée par des défauts de vacance d'oxygène dans la région UV de 240 nm, comme décrit par G. Meltz et al dans la revue Optical Letters 14, 823 (1989). Une fibre optique de haute qualité comme la fibre SMF-28 de Corning et les guides planaires silice-sur-silicium de NTT contiennent relativement de faibles concentrations de défauts. Il en résulte que ces deux types de guides d'ondes sont relativement transparents dans le proche UV et sont caractérisés comme étant faiblement photosensibles. On a découvert une méthode simple et efficace pour augmenter sensiblement la photosensitivité de guides d'ondes optiques à coeur de silice dopé au germanium faiblement photosensibles à la lumière ultraviolette. Des dopants différents peuvent entrainer la photosensitivité à des longueurs d'ondes différentes. Il apparaît que la méthode marche aussi pour rendre photosensibles d'autres types de guides d'ondes optiques à des longueurs d'ondes différentes, par exemple ceux qui sont dopés avec du cérium ou de l'europium et codopés avec de l'alumine, par exemple. Contrairement à d'autres méthodes, telles que décrites par G.D. Maxwell et al dans la revue Electronic Letters 28, 2106 (1992), on obtient la photosensibilité dans le cas par une augmentation négligeable en perte dans les trois principales fenêtres de communication optique pour des longueurs pratiques de dispositifs rétroflecteurs de Bragg. De plus, notre technique permet de localiser la photosensibilité de guides d'ondes optiques de grande qualité, disponibles dans le commerce. Suivant un exemple de réalisation de l'invention, une méthode de fabrication d'un guide d'onde optique fortement photosensible comprend un chauffage local d'un guide d'onde optique faiblement photosensible pendant une période de temps suffisante pour augmenter la densité des défauts dans le guide d'onde jusqu'au niveau requis pour améliorer la réponse photosensible du guide d'onde. Suivant un autre exemple de réalisation, une longueur d'un guide d'onde optique faiblement photosensible a une partie localisée qui est sensiblement photosensible. Une meilleure compréhension de l'invention sera obtenue en se référant à la description détaillée suivante, en relation avec les dessins suivants, parmi lesquels: la Fig. 1 montre une fibre optique balayée par une flamme, la Fig. 2 montre une courbe de changement d'indice en fonction du temps de traitement par balayage à la flamme tel qu'on l'a observé dans une fibre optique, la courbe (a) de la Fig. 3 montre la dispersion en coefficient d'absorption d'une couche de guide d'onde en tranche dopée au germanium mesurée perpendiculairement au substrat avant le traitement, la courbe (b) de la Fig. 3 montre la dispersion en coefficient d'absorption de la couche de guide d'onde en tranche après le traitement au balayage de la flamme, la courbe (c) de la Fig. 3 montre une mesure expérimentale du changement photoinduit dans la dispersion du coefficient d'absorption avec la longueur d'onde pour la couche de guide d'onde en tranche dopé au germanium photosensible entraîné par l'irradiation à la lumière ultraviolette, et la Fig. 4 montre une mesure de réponse en longueur d'onde dans un réseau de Bragg dans le coeur d'un guide d'onde planaire tridimensionnel après le traitement suivant la présente invention. La Fig. 1 montre une partie de guide d'onde sous la forme d'une fibre optique comprenant un coeur 1 entouré d'une gaine 3. Une région du guide d'onde est plongé dans une flamme 5 qui balaye alternativement et de façon répétée une région localisée avec la flamme dans une zone définie par les directions montrées par les flèches Cependant, elle pourrait être localement chauffée par toute autre source de chaleur appropriée, comme un laser au C02 ou un arc électrique. Le balayage est utilisé pour augmenter la taille de la région traitée. Dans d'autres cas, on n'a pas besoin d'utiliser un balayage. Dans un exemple préféré de l'invention, la région o le guide d'onde optique est d'une photosensitivité faible (sinon négligeable) qui est à rendre photosensible est "balayée ou brossée" par la flamme avec répétition, la flamme étant alimentée par un combustible, comme de l'hydrogène ou du propane mais auquel est quelquefois ajoutée une petite quantité d'oxygène (température de la flamme approchant les 1700 C). On a trouvé que la photosensibilisation prend pratiquement à peu près 20 minutes pour atteindre un effet maximal dans les conditions que l'on utilise dans les expulsions (guide d'onde à fibre Corning SMF-28), bien que l'on ait réalisé le procédé avec succès en utilisant 10 minutes de balayage de flamme. Comme une flamme relativement petite peut être utilisée pour "balayer" le guide d'onde, la méthode fournit une photosensibilisation très localisée. La température à laquelle le verre de guide d'onde est chauffé est à peu près la chaleur blanche (environ le point de fusion du verre). On a utilisé la méthode du balayage à la flamme pour augmenter la photosensibilité d'un filtre de télécommunication standard (SMF-28 de Corning à coeur dopé au Ge) d'un facteur plus grand que dix (charge d'indice de réfraction photoinduit> 10'3 à A = 1530 nm). La Fig. 2 est une courbe de variations d'indice photoinduit (saturé) maximal observés dans une fibre Corning SMF-28 en fonction du temps d'exposition au balayage de flamme. Les conditions utilisées d'exposition à la lumière UV étaient: à = 249 nm, fluence = 300 mj/cm2 par impulsion, fréquence de répétition d'impulsions (PRF) = 50 Hz, temps d'exposition = 15 minutes, durée d'impulsion = 12 ns. Dans un échantillon de fibres qui a été "balayé" à la flamme, on a observé une variation d'indice photoinduite de 1,2 x 10-4 seulement; après 20 minutes de traitement à la flamme, on a observé une variation d'indice photoinduite qui atteignait un pic de 1,4 x 10-3 dans un échantillon semblable de fibre. On a trouvé que la méthode de "balayage" à la flamme rendait aussi beaucoup plus sensible le coeur du guide d'onde d'un échantillon de la demanderesse, en guides d'ondes de haute qualité à trois dimensions en Ge:SiO2 -sur-Si et un guide d'onde planaire à deux dimensions en Ge:SiO2-sur SiO2, lesquels avaient une photosensitivité négligeable avant le traitement. Par l'expérience, on a constaté un plus grand effet de photosensibilisation dans ces guides d'ondes planaires que dans la fibre SMF-28: la variation photoinduite d'indice de réfraction dans le coeur des guides d'ondes planaires non traités était au-dessous de notre seuil de détection, mais avec un traitement par balayage à la flamme devenait plus grande que la variation photoinduite d'indice de réfraction dans une fibre SMF-28 balayée semblablement à la flamme dans les mêmes conditions d'exposition UV. Les guides d'ondes en fibre plate planaire étaient fabriqués par dép6t d'hydrolyse à la flamme de SiO2 dopés au Ge sur un substrat de silice. Le saut d'indice, a n, de la couche dopée au Ge d'une épaisseur de 5 micromètres sur le SiO2 a été mesuré, par longueur d'onde A = 633 n, comme étant de 1,141 0,04 x 10-2 avant traitement et comme ayant augmenté jusqu'à 1,32+ 0,04 x 10-2 après 10 minutes de traitement à la flamme. Associée avec cette variation d'indice de réfraction, il y avait une augmentation du coefficient d'absorption du coeur de guide d'onde dans la région spectrale des ultraviolets. La courbe (a) de la Fig. 3 montre la dispersion du coefficient d'absorption (multipliée par 200) pour la couche de guide d'onde mesurée perpendiculairement au substrat, avant traitement par balayage à la flamme. La courbe (b) montre la dispersion du coefficient d'absorption pour la couche de guide d'onde mesurée après traitement par balayage à la flamme. L'augmentation énorme d'absorption UV de la couche de guide d'onde, qui est entrainée par le traitement par balayage à la flamme, est apparent: à peu près 1000 dB/mm à 240 nm. La causalité de Kramers-Kronig prédit qu'une augmentation de l'absorption à de courtes longueurs d'onde entraîne une augmentation de l'indice de réfraction à des longueurs d'onde longues, ce qui a été observé. La courbe (c) montre une mesure expérimentale de C, la variation photoinduite de dispersion du coefficient d'absorption pour la couche de guide d'onde photosensibilisé à la flamme causée par une irradiation de lumière UV à 249 nm pendant 40 minutes avec fluence par impulsion de 112 mJ/cm2 avec une fréquence de répétition (PRF) de 50 Hz. L'effet de l'irradiation est de blanchir l'absorption à 240 nm et en même temps de l'augmenter des deux côtés de la bande (à 213 nm et à 281 nm). Le résultat de cette irradiation UV est d'augmenter l'absorption nette d'UV de l'échantillon et donc d'augmenter, ce que l'on observe, l'indice de réfraction à de plus grandes longueurs d'onde. A titre de comparaison, on a mesuré la variation d'absorption due au balayage à la flamme d'un substrat de silice homogène. Le substrat était identique à celui qu'on utilisait pour un dépôt par hydrolyse à la flamme du guide d'onde optique planaire Ge: SiO2 décrit ci-dessus. L'absorption du substrat n'était fondamentalement pas affectée par le traitement (moins de 2 % de variation d'absorption à 240 nm). Donc on attribue l'augmentation d'absorption des échantillons traités par balayage à la flamme entièrement à l'effet du traitement sur les propriétés optiques de la couche de guide d'onde Ge: SiO2. On pose sur cette preuve le postulat que le balayage à la flamme d'un guide d'onde affectée, de préférence, les propriétés optiques du coeur du silice dopée au Ge et laisse non affectée la propriété de la gaine. C'est, dans ce sens, un procédé de photosensibilisation ideal car la gaine reste transparente, donc permet à la lumière active d'atteindre le coeur du guide d'onde sans être atténuée. En même temps, le procédé crée une très forte absorption dans le coeur dopé au Ge, le rendant très photosensible si bien que la lumière UV peut affecter la variation d'indice de réfraction. Pour des raisons de souplesse, des réseaux de diffraction sont habituellement écrits dans un guide d'onde photosensible en illuminant le guide d'onde latéralement avec de la lumière UV. Pratiquement, le coeur du guide d'onde optique est entouré par une matière de gaine qui fait plusieurs fois la dimension transversale du coeur. Pour réussir une inscription laterale, non seulement la lumière UV d'activation doit être transmise par la gaine, mais encore doit être suffisamment absorbée par le coeur pour permettre à la lumière d'y photoinduire efficacement une variation d'indice. Donc, comme les dimensions transversales d'un guide d'onde optique sont au plus de l'ordre de quelques micromètres, il est de première nécessité pour une grande photosensibilité que l'absorption due à la présence du défaut du coeur soit aussi grande que possible. On a trouvé qu'un balayage à la flamme créait ces conditions avantageuses pour effectuer une inscription latérale efficace. Dans les guides d'ondes optiques photosensibilisés par cette méthode, on a inscrit de forts réseaux de diffraction de Bragg dans des guides d'ondes planaires et de fibre optique à trois dimensions, avec une radiation KrF (249 nm) incidente sur les échantillons à travers un masque de phase de réseau de diffraction photolithographique à annulation d'ordre zéro portant un motif requis pour une résonance de Bragg de guide d'onde optique à environ 1540 nm. La Fig. 4 montre la réponse mesurée en fonction de la longueur d'onde pour un réseau de diffraction de Bragg d'un guide d'onde planaire Ge: SiO2-sur-Si de 1 mm de long. La capacité de réflexion de 81 % correspond à une amplitude de modulation d'indice de réfraction de coeur de 8,9 x 10-4 pour chacun des deux états principaux de polarisation. Pour inscrire le réseau de Bragg, le guide d'onde était photosensibilisé par un traitement de balayage à la flamme de 10 minutes, avant une irradiation par un faisceau laser excimer KrF qui frappait le guide d'onde à fréquence de répétition de 50 Hz pendant 15 minutes à travers les masques de phase de réseau photolithographique. L'inscription du réseau de Bragg est très utile pour caractériser la réponse photosensible du guide d'onde optique. A la fois, la variation moyenne d'indice avec exposition et la profondeur de modulation correspondante de la modulation d'indice peuvent être contrôlées. Le décalage de la longueur d'onde de résonance de Bragg en fonction de la dose d'exposition photolithographique à la lumière UV fournit une mesure en temps réel de la variation moyenne d'indice de réfraction causée par l'exposition. La force de la résonance de Bragg fournit la profondeur de la modulation spatiale photoinduite. Avec une photolithographie par masque de phase sur la fibre, le rapport de modulation sur la variation moyenne d'indice que l'on a atteint constamment était à peu près de 0,4. A de grands niveaux de fluence par impulsion nécessaires pour inscrire dans le coeur le réseau de Bragg, on a inscrit simultanément un réseau à relief de surface de grande qualité sur l'interface silicium-silice que l'on a attribué au mélange de l'induit par la lumière de silicium, avec la relaxation de tension à l'interface. On a procédé à des mesures de stabilité de température sur le réseau de Bragg photoinduit dont la Fig. 4 montre la réponse. Apres avoir maintenu l'échantillon à 500 C pendant 17 heures, la modulation d'indice de réfraction s'est stabilisée à 3,6 x 10-4, représentant une réduction de 40 % par rapport à sa valeur originale. Le guide d'onde photosensibilisé peut simplifier l'inscription par une seule impulsion de réseaux de Bragg dans une fibre et peut produire des dispositifs détecteurs utiles. La présente invention concerne une méthode efficace pour photosensibiliser des guides d'ondes optiques avec une grande sélectivité spatiale (seule la partie choisie du guide d'onde a besoin d'être photosensibilisée) et pour fabriquer des réseaux de Bragg efficaces dans au moins des guides d'ondes en fibre optique à coeur de Ge:SiO2-sur-Si et dopé au Ge. On a trouvé que le chauffage localisé avec une flamme était une méthode simple et efficace pour augmenter sensiblement la photosensibilité du guide d'onde optique en silice de bonne qualité à la lumière ultraviolette. La méthode accroit la photosensibilité d'une fibre de télécommunications standard (à coeur dopé au Ge) d'un facteur supérieur à 10 ( i n photoinduit > 10 et rend fortement photosensible des guides d'ondes planaires de bonne qualité Ge:SiO2- sur-Si, Ge:SiO2-sur-SiO2 et Ge:SiO2-sur-A1203, lesquels sont photosensibles d'une manière négligeable avant le traitement. En utilisant des guides d'ondes photosensibilisés suivant la présente invention, on a inscrit de forts réseaux de Bragg dans des guides d'ondes planaires et à fibre, avec une radiation KrF (249 nm) tombant sur les guides d'ondes à travers un masque de phase à annulation d'ordre zéro. Il faut noter qu'une photosensibilisation par notre méthode est obtenue avec une augmentation négligeable de perte dans les trois principales fenêtres optiques de communication. Bien qu'on ait décrit ci-dessus une méthode de balayage à la flamme en utilisant de préférence une flamme alimentée par un combustible, tel que de l'hydrogène ou du propane auquel est quelquefois ajoutée une petite quantité d'oxygène, on a trouvé qu'on obtenait une amélioration en utilisant une flamme alimentée au deutérium plutôt qu'à l'hydrogène. On a trouvé que le guide d'onde optique photosensibilisé résultant avait moins de pertes qu'un guide d'onde optique balayé par une flamme alimentée à l'hydrogène pour une longueur d'onde d'environ 1550 mm et pour d'autres longueurs d'onde intéressantes dans des communications optiques et dans des applications de détection. On a aussi trouvé que la méthode décrite dans cette demande rendrait un guide d'onde peu photosensible fortement phtosensible si le guide d'onde consistait en silice dopée au phosphore. on peut faire, par exemple, des réseaux de Bragg avec des fibres optiques comportant un coeur dopé au phosphore, photosensibilisés en utilisant un balayage à la flamme ou une charge d'hydrogène et ? par une radiation actinique de 193 nm, par exemple qui peut être produite avec un laser XCIMER. La gaine de la fibre optique ou d'un autre guide doit être pratiquement transparente à la radiation. Suivant un autre exemple de réalisation de l'invention, au lieu de balayer à la flamme le guide d'onde optique faiblement photosensible, on peut le placer dans un plasma qui est engendré par un gaz d'hydrogène ou de dentérium. Le plasma maintient le guide d'onde à une température plus faible que celle que l'on a localement dans un balayage à la flamme, ce qui réduit avantageusement la probabilité de diffusion de dopant pendant le procédé de photosensibilisation. A noter que l'invention peut être appliquée à divers guides d'ondes optiques, tels que les guides d'ondes planaires ou à canaux et qu'elle n'est pas limitée à des guides d'ondes à fibre optique. REVENDICATIONS 1) Méthode de fabrication d'un guide d'onde optique fortement photosensible caractérisée en ce qu'elle comprend un chauffage local d'un guide d'onde optique faiblement photosensible pendant une période de temps suffisante pour augmenter la concentration des défauts associés avec la photosensibilité dans la partie chauffée dudit guide d'onde. 2) Méthode telle que définie dans la revendication 1, caractérisée en ce que le guide d'onde est une fibre optique. 3) Méthode telle que définie dans la revendication 1, caractérisée en ce que le guide d'onde est un guide d'onde planaire. 4) Méthode telle que définie dans la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que ledit guide d'onde faiblement photosensible est composé d'un guide d'onde de Ge:SiO2 sur un substrat de Si de Ge:SiO2 sur un substrat de Si02, et de Ge:SiO2 sur un substrat d' A12 03 ) Méthode telle que définie selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit guide d'onde faiblement photosensible est composé d'un haut niveau de silice dopée avec du germanium, du cérium ou de l'europium, avec ou sans codopage d'alumine. 6) Méthode telle que définie dans la revendication 3, caractérisée en ce que ledit guide d'onde faiblement photosensible est composé d'un guide d'onde de silice dopé au germanium ou une matière substrat de silicium, de silice ou de saphir. 7) Méthode telle que définie dans la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits défauts sont des défauts par manque d'oxygène. 8) Méthode telle que définie à la revendication 1, caractérisée en ce que ledit guide d'onde est fabriqué fortement photosensible jusqu'à des longueurs d'onde dans la région de 240 nm. 9) Méthode telle que définie à la revendication 1, caractérisée en ce que le chauffage local du guide d'onde faiblement photosensible est fait en déplaçant une source locale de chauffage le long dudit guide pour augmenter la dimension d'une région contenant lesdits défauts. guide pour augmenter la dimension d'une région contenant lesdits défauts. ) Méthode telle que définie à la revendication 1 ou 9, caractérisée en ce que la source locale de chauffage est une flamme utilisée pour balayer ou brosser le guide d'onde optique, la flamme étant alimentée par un gaz avec ou sans addition d'oxygène. 11) Méthode telle que définie à la revendication 10, caractérisée en ce que la température de la flamme est voisine de 1700 C. 12) Méthode telle que définie à la revendication 10, caractérisée en ce que le gaz est de l'hydrogène. 13) Méthode telle que définie à la revendication 10, caractérisée en ce que le balayage ou brossage à la flamme dure environ 10 à 20 minutes. 14) Méthode telle que définie à la revendication 6, caractérisée en ce que les phases initiales de fabrication du guide d'onde planaire sont réalisées par hydrolyse à la flamme SiO2 dopée au Ge sur un substrat de silice pour former une couche d'environ 5 micromètres d'épaisseur. 15) Méthode telle que définie selon les revendications 1 à 14, caractérisée en ce qu'elle comprend les phases de création d'au moins un réseau de Bragg ou à relief de surface comprenant le positionnement d'un masque de phase de réseau sur le côté de la partie fortement photosensibilisée du guide d'onde avec son plan parallèle à l'axe du guide d'onde, et d'irradiation de ladite partie fortement phtosensibilisée à travers le masque de phase avec de la lumière monochromatique à une longueur d'onde pour laquelle ledit guide d'onde est fortement photosensible. 16) Méthode telle que définie selon les revendications 1 à 11 et 13 et 14, caractérisée en ce que la phase de chauffage consiste à placer le guide d'onde optique faiblement photosensible dans une flamme alimentée par du denturium. 17) Méthode telle que définie à la revendication 1, caractérisée en ce qu'un guide d'onde optique faiblement photosensible est placé dans un plasma d'hydrogène ou de denturium, à une pression assez haute, pendant un temps suffisant pour augmenter la concentration de défauts associés à la photosensitivité. 18) Méthode telle que définie à la revendication 17, caractérisée en ce que le guide d'onde chauffé est irradié par une radiation actinique.