Brevet FR2728355A1 — publié le 19960621

La présente invention concerne d'une manière générale la fabrication d'un commutateur optique du type à chemin de guide d'ondes plan qui change la phase de circulation du signal optique par ajustement de la température du guide d'ondes au moyen d'un élément chauffant, et elle concerne plus particulièrement une méthode de fabrication d'un commutateur optique du type à chemin de guide d'ondes plan noyé à élément chauffant qui permet d'éviter l'interférence avec le signal optique voisin sous l'effet du changement de température, par réduction de l'influence sur ce chemin de guide d'ondes de canal, et qui améliore à la fois la vitesse de commutation et la puissance de commutation du commutateur optique. Les systèmes de communication optique, qui ont une grande capacité de transmission et facilitent la création de réseaux, se développent depuis quelques années, ce qui nécessite des techniques de construction des fibres optiques, des sources de lumière et des détecteurs optiques, ainsi que de divers composants optiques. Le commutateur optique et le diviseur de longueur d'ondes notamment servent à modifier le chemin de transmission suivi par la lumière dans le diviseur optique et le coupleur optique afin de diviser et de coupler le signal optique aux composants optiques. La commutation optique entre plusieurs composants optiques est très importante puisqu'une autre ligne de transmission est commutée librement en fonction des besoins si une des lignes de transmission est défaillante. On classe généralement les commutateurs optiques en un type dont la position de commutation optique est changée mécaniquement et un type dont la position de commutation optique dépend d'un chemin de guide d'ondes. Le commutateur optique de type mécanique présente l'avantage d'être peu dépendant de la longueur d'onde et d'avoir une caractéristique de perte relativement faible, puisqu'il utilise le déplacement d'un prisme et d'une lentille, mais il ne convient pas à la fabrication en grande série puisque son assemblage et son réglage sont compliqués et coûteux. Au contraire, le commutateur optique du type à chemin de guide d'ondes peut facilement être fabriqué en grande série puisqu'on utilise pour cela les techniques des dispositifs semiconducteurs. Le commutateur optique usuel du type à chemin de guide d'ondes est décrit dans un article intitulé "Silica waveguide on silicon and their application to integrated optic components", Optical and Quantum Electronics, Volume 22 (1990), pages 391-416. Pour la fabrication du commutateur optique, on dépose successivement une couche de revêtement inférieure et une couche de silice pour former la couche d'oxyde de silicium sur le substrat en silicium, au moyen de la méthode de dépôt par hydrolyse à la flamme,puis on configure la couche de silice au moyen de la méthode d'attaque par ions réactifs (RIE) et on forme le chemin de guide d'ondes de canal. On dépose la couche de revêtement supérieure, recouvrant le chemin de guide d'ondes de canal, sur la couche de revêtement inférieure et on donne à la couche de revêtement supérieure une épaisseur de 30 um ou plus afin que sa surface soit plane. Ensuite, on forme le commutateur à éléments chauffants, pour changer la phase du signal optique transmis par changement de la température du chemin de guide d'ondes de canal, sur le chemin de guide d'ondes de canal et sur la couche de revêtement supérieure correspondante. Toutefois, le commutateur optique du type à chemin de guide d'ondes décrit ci-dessus présente l'inconvénient d'une diffusion de la chaleur lorsqu'on chauffe un quelconque des chemins de guide d'ondes de canal, de sorte que la chaleur diffusée change la phase du signal optique transmis par chauffage du chemin de guide d'ondes désiré en même temps que du chemin de guide d'ondes du canal voisin,puisque la couche de revêtement supérieure est épaisse. Il en résulte une interférence. La chaleur engendrée à l'endroit de l'élément chauffant en film mince est transmise par la couche de revêtement supérieure, qui est épaisse, ce qui tend à ralentir la vitesse de commutation puisque le chemin de guide d'ondes de canal est atteint moins vite par la chaleur, et il faut fournir une forte puissance de commande au chemin de guide d'ondes afin que la chaleur engendrée par l'élément chauffant en film mince soit élevée. Par conséquent, un objet de la présente invention est de procurer une méthode de fabrication d'un commutateur optique du type à chemin de guide d'ondes plan noyé à élément chauffant, qui permet d'éviter les interférences en ce que le chemin de guide d'ondes du canal voisin n'est pas chauffé lorsqu'on applique la chaleur à un quelconque des chemins de guide d'ondes de canal. Un autre objet de la présente invention est de procurer une méthode de fabrication d'un commutateur optique du type à chemin de guide d'ondes plan noyé à élément chauffant qui peut fonctionner à une grande vitesse de commutation et avec une faible puissance de commande. Les objectifs ci-dessus sont atteints, conformément à la présente invention, par une méthode de fabrication d'un commutateur optique du type à guide d'ondes plan noyé à élément chauffant qui comprend les étapes de formation de la couche de revêtement inférieure et de la couche de chemin de guide d'ondes de canal sur le substrat en silicium ; ensuite, formation d'un masque sur la dite couche de chemin de guide d'ondes de canal ; formation du chemin de guide d'ondes de canal par attaque de la dite couche de chemin de guide d'ondes de canal au moyen du dit masque, et élimination du dit masque ; formation d'une premi ère couche supérieure de revêtement sur la dite couche inférieure de revêtement et le dit chemin de guide d'ondes de canal ; formation de l'élément chauffant en film mince dans la région correspondant au dit chemin de guide d'ondes de canal, sur la dite première couche supérieure de revêtement ; et formation d'une deuxième couche de revêtement sur la dite première couche supérieure de revêtement et le dit élément chauffant en film mince. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions qui ressortiront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description ci-après, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en plan du commutateur optique du type à chemin de guide d'ondes plan noyé à élément chauffant conforme à la présente invention ; et les figures 2 (A) à 2 (D) illustrent la méthode de fabrication du commutateur optique conforme à la présente invention. IL doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. On décrit maintenant l'invention de façon plus détaillée. La figure 1 est une vue en plan du commutateur optique du type à chemin de guide d'ondes plan noyé à élément chauffant conforme à la présente invention. Le commutateur optique est relativement proche de deux coupleurs 25a et 25b de sorte que deux chemins de guide d'ondes de canal 17a et 17b relient les deux cou pleurs. La caractéristique de couplage des coupleurs 25a et 25b est estimée à 50% de la longueur d'onde du signal optique. Les chemins de guide d'ondes de canal 17a et 17b entre les deux coupleurs 25a et 25b ont tous deux la même longueur, et les éléments chauffants en film mince 21a et 21b sont placés au-dessus des dits chemins. Les éléments chauffants en film mince 21a et 21b commutent les chemins par changement de la phase du signal optique qui est transmis, par chauffage sélectif au moyen de la source d'alimentation (non représentée) et transfert de la chaleur aux chemins de guide d'ondes de canal 17a et 17b. Plus précisément, le signal optique passant par la connexion P1 est couplé par le coupleur 25a et transféré à la connexion P4 par le chemin de guide d'ondes de canal 17b puisque le chemin de guide d'ondes de canal 17a est coupé lorsque l'élément chauffant en film mince 21a est alimenté. On peut également obtenir l'état croisé de transmission du signal optique de la connexion P2 à la connexion P3, de la connexion P1 à la connexion P4, et de la connexion P2 à la connexion P4. Les figures 2 (A) à 2 (D) illustrent la méthode de fabrication du commutateur optique du type à chemin de guide d'ondes plan noyé à élément chauffant, ces figures étant des coupes suivant la ligne X-X de la figure 1. Comme illustré sur la figure 2 (A), on forme la couche inférieure de revêtement 13 et la couche de chemin de guide d'ondes 15 successivement sur le substrat de silicium 11. On forme la couche inférieure de revêtement 13 par dépôt d'un verre de phosphosilicate (PSG) à une épaisseur de 18 à 22 um environ, et on forme la couche de chemin de guide d'ondes 15 par dépôt d'un verre de germanophosphosilicate (GPSG) à une épaisseur de 6 à 8 um environ, par la technique de dépôt par hydrolyse à la flamme. Ensuite, on chauffe la couche inférieure de revêtement 13 et la couche de chemin de guide d'ondes 15,ainsi obtenues, pendant 5 à 15 minutes dans une atmosphère de BCl2 à 0 Ncm3/min et à une température de l'ordre de 1000 à 1100 Oc, puis on augmente la concentration par chauffage pendant 5 à 10 heures dans une atmosphère de He à 300 Ncm3/min et de 2 à 200 Ncm3/min. Ensuite, on augmente la concentration par circulation de He et de vapeur d'eau à l'étape résultante, simultanément, comme décrit ci-dessus. Le traitement thermique dans l'atmosphère de BCl2 tend à réduire les impuretés et à abaisser le point de fusion par élimination du groupe OH inclus dans la couche inférieure de revêtement 13 et dans la couche de chemin de guide d'ondes 15, et le traitement thermique dans l'atmosphère de He ou 2 minimise la formation de bulles dans la couche inférieure de revêtement 13 et dans la couche de chemin de guide d'ondes 15. Ensuite, on fixe l'indice de réfraction de la couche de chemin de guide d'ondes à 0,1-3 % par changement du poids de GeCl4 pendant un certain temps en tenant compte de la perte le long du chemin de guide d'ondes et de la perte par courbure. Comme représenté sur la figure 2 (B), la couche de masque est formée par dépôt de silicium amorphe, d'aluminium ou de chrome et autres, à une épaisseur de l'ordre de 0,25 à 0,5 um sur la couche de chemin de guide d'ondes 15. Ensuite, on forme la configuration de film photosensible (non représentée) aux endroits voulus sur la couche de masque, et on forme le masque et les chemins de guide d'ondes de canal 17a et 17b par attaque anisotrope séquentielle de la couche de masque et de la couche de chemin de guide d'ondes en utilisant la configuration de film photosensible comme masque. Comme indiqué ci-dessus, on forme le masque au moyen d'une attaque par ions réactifs de la configuration de film photosensible en utilisant C12 gazeux, puis on élimine la configuration de film photosensible en utilisant un plasma de 02. On attaque les chemins de guide d'ondes de canal 17a et 17b par la technique de plasma à couplage inductif, le mélange gazeux ayant un rapport de composition de CF4 et de CHF3 de 4-8:1, et les dits chemins ont une largeur de ligne de 6 à 8 um environ dans la structure symétrique du chemin de guide d'ondes illustrée. Ensuite, le verre GPSG constituant les chemins de guide d'ondes 17a et 17b utilise un rapport de sélection d'attaque de l'aluminium contenu de 40-60:1 et la vitesse d'attaque est de 0,3 à 0,7 um/min. Ensuite, on élimine le masque par attaque par voie humide. Comme illustré sur la figure 2 (C), on dépose un verre de boro-phosphosilicate (BPSG) par la technique de dépôt par hydrolyse à la flamme de manière à couvrir les chemins de guide d'ondes de canal 17a et 17b sur la couche inférieure de revêtement 13, puis la concentration est augmentée par traitement thermique et on obtient ainsi la première couche supérieure de revêtement 19. On forme la première couche supérieure de revêtement 19 à une épaisseur de l'ordre de 10 à 18 wn sur les chemins de guide d'ondes de canal 17a et 17b. Ensuite, on dépose du titane ou du tantale ou autres à une épaisseur de 0,1 à 0,2 wm environ par toute méthode appropriée, notamment par faisceau d'électrons ou par projection, sur la première couche supérieure de revêtement 19 et on définit les éléments chauffants en film mince 21a et 21b par la technique photolithographique usuelle, sur les chemins de guide d'ondes de canal 17a et 17b. La largeur de ligne des éléments chauffants en film mince 21a et 21b est de 12 à 16 wm environ et elle est sensiblement le double de celle des chemins de guide d'ondes de canal 17a et 17b. Comme illustré sur la figure 2 (D), on dépose un verre de boro-phosphosilicate (BPSG) à une épaisseur de l'ordre de 15 à 20 Wm, par la technique de dépôt par hydrolyse à la flamme, sur la première couche supérieure de revêtement 19 et les éléments chauffants en film mince 21a et 21b, de la même manière que pour la première couche supérieure de revêtement 19, on augmente la concentration par traitement thermique et on obtient ainsi la deuxième couche supérieure de revêtement 23. Les éléments chauffants en film mince 21a et 21b et la première couche supérieure de revêtement 19 sont alors abaissés en température à partir de 1000 à 10500C environ pour empêcher leur modification et on fait circuler 10 à 15 Ncm3/min environ de BCl3 à une température de 750 à 850"C environ. On découvre les éléments chauffants en film mince 21a et 21b par enlèvement de la deuxième couche supérieure de revêtement 23 au-dessus d'eux,afin d'accélérer le rayonnement de chaleur pour leur rétablissement après coupure des chemins de guide d'ondes de canal 17a et 17b par application de chaleur au moyen des éléments chauffants en film mince 21a et 21b. Conformément à la présente invention, comme décrit ci-dessus, on découvre l'élément chauffant en film mince 21 par enlèvement de la deuxième couche supérieure de revêtement 23 afin d'accroitre le rayonnement de chaleur de l'élément chauffant. On forme la première couche supérieure de revêtement 19 ayant une faible épaisseur de 5 à 10 um environ à plat sur le chemin de guide d'ondes de canal 17, celui-ci étant formé sur la couche inférieure de revêtement 13, et on forme la deuxième couche supérieure de revêtement 23 à une épaisseur de 15 à 20 um environ sur la première couche supérieure de revêtement et l'élément chauffant en film mince après formation de l'élément chauffant, ayant une largeur de ligne sensiblement double de celle du chemin de guide d'ondes de canal, au-dessus du chemin de guide d'ondes de canal et de la partie correspondante de la première couche supérieure de revêtement. Par conséquent, on obtient l'avantage que l'interférence entre les guides d'ondes de canaux voisins 17a, 17b peut être évitée puisque la chaleur engendrée dans l'élément chauffant en film mince 21a, 21b ne se transmet pas aux chemins de guide d'ondes voisins, et la vitesse de commutation augmente puisque la vitesse de transmission de chaleur est plus grande et le commutateur peut ainsi fonctionner avec une faible puissance de commande. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière sans s'écarter du cadre ni de la portée de la pré- sente invention. REVENDICATIONS 1.- Méthode de fabrication d'un commutateur optique du type à chemin de guide d'ondes plan noyé à élément chauffant, comprenant les étapes de formation d'une couche inférieure de revêtement (13) et d'une couche de chemin de guide d'ondes de canal (15) sur un substrat en silicium (11), successivement, formation d'un masque sur la dite couche de chemin de guide d'ondes de canal, formation d'un chemin de guide d'ondes de canal (17a, 17b) par attaque de la dite couche de chemin de guide d'ondes à l'aide du dit masque, et élimination du dit masque, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre la formation d'une première couche supérieure de revêtement (19) sur la dite couche inférieure de revêtement (13) et le chemin de guide d'ondes de canal (17a,17b), la formation d'un élément chauffant en film mince (21a, 21b) dans la région correspondant au dit chemin de guide d'ondes de canal (17a, 17b), sur la dite première couche supérieure de revêtement (19), et la formation d'une deuxième couche supérieure de revêtement (23) sur la dite première couche supérieure de revêtement et le dit élément chauffant en film mince. 2.- Méthode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la dite couche inférieure de revêtement (13) est constituée d'un verre de phosphosilicate (PSG). 3.- Méthode suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la dite couche inférieure de revêtement (13) est formée à une épaisseur de 18 à 22 um. 4.- Méthode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de chemin de guide d'ondes (15) est constituée d'un verre de germano-phosphosilicate (GPSG). 5.- Méthode suivant la revendication 4, carac térisée en ce que la dite couche de chemin de guide d'ondes (15) est formée à une épaisseur de 6 à 8 um. 6.- Méthode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la concentration de la dite couche inférieure de revêtement (13) et de la dite couche de chemin de guide d'ondes (15) est augmentée par traitement thermique. 7.- Méthode suivant la revendication 6, caractérisée en ce que la dite couche inférieure de revêtement (13) et la dite couche de chemin de guide d'ondes (15) sont d'abord soumises à un traitement thermique pendant 5 à 15 minutes dans une atmosphère de BCl2 à une température de 750 à 850 "C, puis soumises à un traitement thermique pendant 5 à 10 heures dans une atmosphère de He+O2 à une température de 1000 à 1050 "C. 8.- Méthode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le dit chemin de guide d'ondes de canal (17a, 17b) est attaqué au moyen d'un mélange gazeux ayant le rapport de composition de 4-8:1 de CF4 et CHF3. 9.- Méthode suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le dit chemin de guide d'ondes de canal (17a, 17b) est formé à une largeur de ligne de 6 à 8 wm. 10.- Méthode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la dite première couche supérieure de revêtement (19) est constituée d'un verre de boro-phosphosilicate (BPSG). 11.- Méthode suivant la revendication 10, caractérisée en ce que la dite première couche supérieure de revêtement (19) est formée à une épaisseur de 10 à 18 um incluant une épaisseur de 5 à 10 um sur le dit chemin de guide d'ondes de canal (17). 12.- Méthode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le dit élément chauffant en film mince (21) est constitué de titane et de tantale. 13.- Méthode suivant la revendication 12, ca ractérisée en ce que le dit élément chauffant en film mince (21) est formé à une épaisseur de 0,1 à 0,2 um et une largeur de ligne de 12 à 16 um. 14.- Méthode suivant la revendication 1,caractérisée en ce que la dite deuxième couche supérieure de revêtement (23) est constituée de verre de boro-phosphosilicate (BPSG). 15.- Méthode suivant la revendication 14, caractérisée en ce que la dite deuxième couche supérieure de revêtement (23) est formée à une épaisseur de 15 à 20 um sur le dit chemin de guide d'ondes de canal (17). 16.- Méthode suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre l'étape d'enlèvement de la deuxième couche supérieure de revêtement (23) sur le dit élément chauffant en film mince (21).