Brevet FR2744531A1 — publié le 19970808

La présente invention est relative à un procédé pour la réalisation d'une structure comportant un guide optique et une cavité alignée avec précision sur ledit guide. Elle trouve en particulier avantageusement, mais non limitativement, application à la réalisation d'un composant comportant un guide optique et une cavité pour la connexion passive d'une fibre optique à ce guide. Elle trouve également avantageusement application dans le domaine de l'optique intégré. On sait que les pertes de couplage entre un guide optique et une fibre optique monomode ou multimode sont principalement dues aux désalignements entre ledit guide et ladite fibre. Ces désalignements peuvent être latéraux, angulaires, verticaux, longitudinaux, les pertes de couplage dues aux dés alignements longitudinaux étant toutefois moins importantes. Par conséquent, l'un des principaux problèmes qui se pose pour la connexion entre une fibre optique et le guide optique d'un composant est celui de la précision du positionnement de ladite fibre par rapport audit guide. On connaît déjà par FR 2 659 148 un procédé pour la connexion d'une fibre optique et du guide d'un composant, selon lequel on grave sur le composant à l'extrémité du guide optique une cavité destinée à recevoir une extrémité de fibre. Toutefois, ce procédé suppose un alignement particulièrement précis du masque utilisé pour la gravure de la cavité, par rapport au guide optique du composant. On notera en outre que cet alignement est rendu particulièrement difficile par le fait que la couche de confinement optique qui recouvre le coeur du guide du composant - généralement une couche en silice d'une épaisseur comprise entre 6 à 10 pm - estompe les repères d ' alignement. La présente invention permet de pallier ces inconvénients. Elle propose de façon générale un procédé simple qui permet de réaliser une structure qui comporte un guide optique et une cavité alignée avec précision sur ledit guide. Plus particulièrement, elle propose un procédé pour la réalisation d'une structure comportant au moins un guide optique et une cavité alignée sur ledit guide, caractérisé par les différentes étapes suivantes - on réalise un empilement qui comporte un substrat, une couche tampon et une couche destinée à former le coeur du guide optique dont l'indice de réfraction est supérieur à celui de la couche tampon, - on masque la couche formant coeur de cet empilement de façon à définir sur ladite couche des parties non masquées dont la géométrie correspond à celle de la cavité, ainsi qu'à celle des zones de confinement latérales de part et d'autre de la zone formant coeur du guide optique, - on grave les parties non masquées de la couche formant coeur, - on dépose sur la structure gravée ainsi obtenue une couche de recouvrement dont l'indice de réfraction est inférieur à celui de la couche formant coeur de guide optique, - on masque ladite couche de recouvrement au droit du guide optique, - on grave les parties non masquées de l'ensemble formé par la couche de recouvrement, la couche tampon et la couche formant coeur, sur une épaisseur qui correspond à la somme de l'épaisseur de la couche tampon et de l'épaisseur de la couche de recouvrement, de sorte qu'au niveau des zones non masquées la structure obtenue à l'issue de cette gravure est constituée par le substrat recouvert d'un masque qui est une épaisseur de couche tampon qui définit la géométrie de la cavité, - on grave en profondeur le substrat ainsi masqué par cette épaisseur de couche tampon pour définir la cavité. Comme on l'aura compris, le procédé selon l'invention permet de définir avec un même masque - celui de la première gravure - à la fois le (ou les) guide(s) optiques de la structure et la (ou les) cavité(s) alignée(s) sur le (ou les) guide(s). Ce masque commun permet une grande précision d'alignement. Par ailleurs, on notera qu'avec le procédé proposé par l'invention, la réalisation de la ou des cavités est particulièrement simplifiée, en particulier par rapport au procédé décrit dans FR 2 659 148. L'invention propose également un composant optique réalisé en mettant en oeuvre le procédé précité. Dans un mode de réalisation avantageux, ce composant comporte au moins un guide optique et une cavité d'extrémité destinée à recevoir une extrémité de fibre optique pour la collection de celle-ci au guide optique. Dans un autre mode de réalisation également avantageux, la cavité comporte une pluralité de couches qui y définissent une section active ou passive alignée sur le guide optique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels - les figures la et lb sont des représentations en perspective et en coupe d'un empilement destiné à être gravé selon le procédé proposé par l'invention - la figure 2 représente en vue de dessus un masque possible pour la première gravure mise en oeuvre selon le procédé conforme à l'invention - les figures 3a et 3b sont des représentations semblables à celles des figures la et lb après gravure - les figures 4a et 4b sont des vues semblables à celles des figures la et lb après dépôt d'une couche de recouvrement sur la structure des figures 3a et 3b - la figure 5 est une représentation schématique en vue de dessus de la structure des figures 4a et 4b, et d'un masque possible pour la deuxième gravure mise en oeuvre selon le procédé conforme à l'invention ; - les figures 6a et 6b sont des vues semblables à celles des figures la et lb, de la structure des figures 4a et 4b, après gravure - les figures 7a et 7b sont des représentations semblables à celles des figures la et lb, du composant des figures 6a et 6b après la troisième gravure mise en oeuvre selon le procédé conforme à l'invention. Le procédé va maintenant être décrit dans une application à la réalisation sur un même substrat d'une structure qui présente un guide d'onde optique et une cavité pour positionner une extrémité de fibre optique, avec auto-alignement de ladite fibre sur ledit guide. Toutefois, comme on le verra plus loin, d'autres applications sont envisageables pour l'invention. Selon ce mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on réalise dans un premier temps un empilement tel qu'illustré sur les figures la et lb, comportant un substrat 1 de silicium, une couche tampon 2 de silice intrinsèque, ainsi qu'une couche 3 de silice dopée. Les couches 2 et 3 sont déposées sur le substrat 1 après nettoyage physico-chimique de celui-ci. La couche tampon 2 est par exemple d'une épaisseur comprise entre 10 et 20 pm, la couche de silice dopée 3 étant d'une épaisseur comprise entre 6 et 8 pm et d'un indice de réfraction supérieur à celui de la couche tampon 2. On masque ensuite la couche 3 de l'empilement ainsi constitué, ainsi qu'illustré sur la figure 2. Les parties masquées y ont été référencées par M1. Les parties non masquées ainsi définies sur la couche 3 présentent une géométrie qui correspond d'une part à celle de la cavité en U destinée à recevoir la fibre optique (zone 4 sur la figure 2) et d'autre part à celle des zones de confinement latéral (zones 5) de part et d'autre de la zone formant coeur du guide optique (zone masquée 6). La largeur de la zone 4 correspondant à la cavité est au moins égale au diamètre extérieur de la fibre optique à laquelle le guide est destiné à être connecté. On rappelle que généralement le diamètre de la gaine optique d'une fibre en silice est de 125 pm. Les dimensions des zones 5 de confinement latéral et de la zone 6 formant coeur sont les dimensions habituelles pour un guide optique. La largeur de la zone 6 est par exemple de 6 pm, les zones 5 présentant une largeur de 10 pm. On réalise sur la structure ainsi masquée une gravure de la couche 3 de silice dopée, par exemple une gravure ionique réactive avec un gaz réactif à base de fluor tel que C2F6 ou CHF3. On notera que le masque M1 présente une géométrie et des dimensions de grande précision. Son épaisseur est calculée en fonction de la surgravure qui peut éventuellement se produire lors de l'opération de gravure. La structure obtenue à l'issue de cette première gravure est celle illustrée sur les figure 3a et 3b. On dépose sur celle-ci une couche de recouvrement 7 de silice intrinsèque. La structure alors obtenue est celle illustrée sur les figures 4a et 4b. Cette couche 7 présente, comme la couche tampon 2, un indice de réfraction inférieur à celui de la couche 3. Son épaisseur est par exemple comprise entre 6 et 10 pm. On a ainsi défini un guide optique G au niveau des zones 5 et 6. Dans une étape suivante, ainsi qu'on la illustré sur la figure 5, on masque la couche de recouvrement 7 au droit de ce guide optique G. Les parties masquées ont été référencées par M2 sur cette figure 5. On notera que dans un mode de mise en oeuvre particulièrement avantageux, le masque M2 ne recouvre pas totalement la couche 3 de la zone 6, une partie 9 de ladite couche 3 étant dépassante par rapport audit masque M2. Comme on le verra plus loin, cette mise en oeuvre permet de ménager sur le composant une butée pour la fibre destinée à être connectée avec le guide optique G. On grave ensuite les couches 2, 3 et 7, au niveau des parties non masquées, sur une épaisseur correspondant à la somme de l'épaisseur de la couche tampon 2 et de l'épaisseur de la couche de recouvrement 7 les parties non masquées. Cette gravure est par exemple une gravure par voie sèche (gravure ionique réactive ou plasma micro-ondes par exemple). A l'issue de cette gravure, on obtient, au niveau des zones non masquées par le masque M2, une structure qui est constituée par le substrat 1 recouvert d'un masque M3 qui correspond à une épaisseur de couche tampon 2 au droit des zones initialement recouvertes par la couche 3 à l'issue de la première gravure. Les zones du substrat 1 non masquées par ce masque M3 correspondent par conséquent à la géométrie en U souhaitée pour la cavité. Dans une dernière étape, on réalise une gravure profonde du silicium du substrat 1. Cette gravure profonde est par exemple réalisée par gravure ionique réactive, soit dans un réacteur microondes, soit dans un réacteur mettant en oeuvre une gravure par plasma (R.I.P.E ou Resonant Inductive Plasma Etching, selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée par l'Homme du Métier), en utilisant un mélange gazeux SF6 + 02. On notera que cette technique de gravure permet une très grande sélectivité de la gravure de silicium visà-vis de la silice déposée. La gravure est réalisée sur une profondeur qui dépend de la précision des épaisseurs des couches de silice de la zone formant guide optique. Elle est contrôlée pour que la fibre soit centrée sur le coeur du guide optique dans la hauteur du composant. Le contrôle de la gravure du silicium peut se faire - soit par contrôle du temps de gravure après étalonnage précis de la vitesse de gravure de silicium ; - soit en utilisant un réflectomètre laser pour la mesure "in situ" de la vitesse de gravure et de 1 'épaisseur gravée. Ces deux techniques permettent d'obtenir des précisions inférieures au micron pour une profondeur gravée de l'ordre de 60 pm. Le composant obtenu à l'issue de cette gravure est tel qu'illustré sur les figures 7a et 7b. I1 comporte, au droit de la zone du substrat de silicium qui n'était pas recouverte par le masque M3 une cavité 8 qui est alignée avec précision sur le guide optique G et qui est destinée à recevoir une fibre optique (non représentée pour ne pas surcharger les figures). On notera que le fond de la cavité 8 est légèrement décalé par rapport au guide optique G, puisque le masque M2 déposé sur la couche 7 de recouvrement avant la deuxième étape de gravure (figure 5), était disposé sur la structure illustrée sur les figures 4a et 4b de façon qu'une partie de la couche 3 soit légèrement dépassante par rapport audit masque M2. Le fond de la cavité 8 constitue ainsi une butée mécanique avec laquelle l'extrémité de la gaine optique de la fibre vient en contact, de sorte que le coeur de la fibre n'entre pas en contact avec le guide optique. La distance ainsi ménagée entre la fibre optique et le guide est contrôlée par l'alignement du masque M2, mais est peu critique, puisque la perte due à l'écart longitudinal de la fibre par rapport au guide est peu importante. Un matériau adaptateur d'indice est avantageusement disposé à l'interface fibre-guide pour améliorer leur couplage en éliminant les pertes de Fresnel. Comme on l'aura compris, le procédé proposé par l'invention n'est pas limité à la réalisation de composant à guide optique et cavité d'extrémité pour la réception d'une fibre destinée à être alignée avec précision sur ledit guide. Notamment, le procédé selon l'invention est avantageusement utilisé de façon générale en optique intégré pour la réalisation de tout composant nécessitant un alignement précis avec un guide optique. Par exemple, le procédé proposé par l'invention peut être utilisé pour la réalisation de composant comportant une section active ou passive alignée avec précision sur un guide optique. A cet effet, on réalise une structure à cavité et guide optique du type de celle qui vient d'être décrite au moyen du procédé selon l'invention. Puis on dépose dans la cavité de cette structure les différentes couches destinées à réaliser la fonction active ou passive du composant. Ainsi, le procédé selon l'invention pourra être utilisé pour réaliser les composants à section laser ou amplificatrice alignés par rapport à un guide optique ou encore des composants à section formant photo-diode alignés devant un guide optique. Bien entendu, le procédé selon l'invention pourra être également utilisé pour réaliser des composants comportant une pluralité de guides optiques, par exemple en barrettes, alignés avec une pluralité de sections actives ou passives, le cas échéant également disposés en barrettes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la réalisation d'une structure comportant au moins un guide optique (G) et une cavité (8) alignée sur ledit guide, caractérisé par les différentes étapes suivantes - on réalise un empilement qui comporte un substrat (1), une couche tampon (2) et une couche destinée à former le coeur (3) du guide optique (G) dont l'indice de réfraction est supérieur à celui de la couche tampon (2), - on masque (M1) la couche formant coeur (3) de cet empilement de façon à définir sur ladite couche des parties non masquées dont la géométrie correspond à celle de la cavité (8), ainsi qu'à celle des zones de confinement latérales (5) de part et d'autre de la zone (6) formant coeur du guide optique (G), - on grave les parties non masquées de la couche formant coeur (3), - on dépose sur la structure gravée ainsi obtenue une couche de recouvrement (7) dont l'indice de réfraction est inférieur à celui de la couche formant coeur (3) de guide optique (G), - on masque (M2) ladite couche de recouvrement (7) au droit du guide optique (G), - on grave les parties non masquées de l'ensemble formé par la couche de recouvrement (7), la couche tampon (2) et la couche formant coeur (3), sur une épaisseur qui correspond à la somme de l'épaisseur de la couche tampon (2) et de l'épaisseur de la couche de recouvrement (7), de sorte qu'au niveau des zones non masquées la structure obtenue à l'issue de cette gravure est constituée par le substrat (1) recouvert d'un masque (M3) qui est une épaisseur de couche tampon (2) qui définit la géométrie de la cavité (8), - on grave en profondeur le substrat (1) ainsi masqué par cette épaisseur de couche tampon (2) pour définir la cavité (8). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité (8) est une cavité (8) d'extrémité destinée à recevoir une extrémité de fibre optique pour la connexion de celle-ci au guide optique (G). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dépose dans la cavité (8) une pluralité de couches pour définir dans ladite cavité (8) une section active ou passive alignée sur le guide optique (G). 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le masque de la deuxième gravure est disposé sur la couche de recouvrement de telle sorte qu'une partie de la couche formant coeur (3) est dépassante par rapport audit masque, de sorte qu'après gravure en profondeur du substrat (1), le fond de la cavité (8) est légèrement décalé par rapport au guide optique (G). 5. Composant caractérisé en ce qu'il est réalisé en mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes. 6. Composant selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte (au moins) un guide optique (G) et une cavité (8) d'extrémité pour la réception d'une fibre optique destinée à être connectée audit guide. 7. Composant selon la revendication 6, caractérisé en ce que le fond de la cavité (8) est décalé par rapport au guide optique (G) et constitue une butée pour la fibre. 8. Composant selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un matériau adaptateur d'indice est disposé à l'interface fibre guide. 9. Composant selon la revendication 5, caractérisé en ce que la cavité comporte une pluralité de couches qui définissent dans ladite cavité une section active ou passive alignée sur un guide optique (G).