Brevet FR2748328A1 — publié le 19971107

La présente invention est relative aux guides optiques à coeur en silice et réseau(x) de Bragg. Par guide optique, on entend ici et dans toute la suite du texte aussi bien les fibres optiques que les guides optiques planaires. On a illustré sur les figures 1 et 2 un guide planaire à réseau de Bragg conforme à un art antérieur connu. Le réseau de Bragg y est réalisé par photoinscription, par exemple par irradiation aux ultraviolets à une longueur d'onde de 244 nm, sur un composant qui comporte classiquement un substrat 1 en silicium, une couche 2 de silice non dopée, un ruban 3 de silice dopée qui constitue le coeur de guidage, ainsi qu'une gaine optique 4 également en silice non dopée. Du fait de leur énorme potentiel dans le domaine des composants optiques, les réseaux de Bragg photoinscrits par irradiation ultraviolette dans la silice font actuellement l'objet de nombreuses publications. A titre illustratif, pour une présentation générale des fibres optiques à réseaux de Bragg, on pourra à cet égard avantageusement se référer à - "Photosensitive Optical Fibers : Devices and Applications", Raman Kashyap, Optical Fiber Technology 1, 17-34 (1994). Toutefois, ainsi qu'on la illustré sur la figure 3, les spectres des guides optiques à coeur en silice et réseaux de Bragg connus à ce jour présentent deux pics de réflexion, qui sont dus à la biréfringence dans lesdits guides. Ces deux pics sont séparés d'une distance en longueur d'onde qui est de l'ordre de 0,8 nm et correspondent respectivement aux deux modes de polarisation TM et TE de la lumière qui se propage dans le guide optique. L'invention propose quant à elle un guide optique à coeur en silice dont la longueur d'onde de Bragg est insensible à la polarisation. Par ailleurs, la longueur d'onde de Bragg XB des guides d'onde du type de celui des figures 1 à 3 croît linéairement avec la température dans la gamme -20 C à plus de 1000C avec un coefficient de l'ordre de 0,01 nm/OC. Cet accroissement est principalement dû à l'augmentation de l'indice optique n de la silice avec la température : dn/dT = 10 * 10-6/K Il a déjà été proposé par - "Temperature-compensated optical-fiber Bragg gratings", G.W. YOFFE et al., OFC '95 Technical Digest, p. 134-135, une solution pour stabiliser la longueur d'onde de Bragg en en fonction de la température dans cette gamme de température. Cette solution utilise un système mécanique destiné à dilater le réseau de Bragg lorsque la température de celui-ci diminue. On sait en effet que la longueur d'onde KB à laquelle un réseau de Bragg photoinscrit dans une fibre optique ou un guide optique planaire réfléchit un faisceau incident est égale à = = 2 Neff*d où Neff est l'indice effectif du guide optique, d est le pas du réseau de Bragg. Dans la solution présentée dans la publication précitée, la fibre optique à réseau de Bragg est montée en tension sur un support mécanique qui permet de relâcher cette contrainte mécanique quand la température de l'ensemble croît. Ainsi, le pas du réseau d diminue avec la température pour compenser l'accroissement de Neff avec la température. Cette méthode de compensation présente plusieurs inconvénients majeurs. Par construction, elle est limitée au cas des fibres optiques et n'est pas utilisable pour les guides planaires. En outre, sa mise en oeuvre est délicate car elle suppose un réglage fin de la tension de la fibre. Un autre but de l'invention est donc de proposer une stabilisation en température des réseaux de Bragg qui ne présente pas ces inconvénients. Par ailleurs, à ce jour, il n'est pas possible d'ajuster ou de moduler la longueur d'onde de Bragg d'un réseau photoinscrit autrement qu'en modifiant le pas de ce réseau. Un autre but de l'invention est de proposer un guide d'onde à coeur en silice et réseau de Bragg dont la longueur d'onde de Bragg peut facilement être ajustée ou modulée. L'invention propose quant à elle un guide optique tel qu'une fibre optique ou un guide optique planaire, comportant un coeur en silice à réseau de Bragg, caractérisé en ce qu'il présente une gaine optique en un matériau polymère. Les inventeurs ont en effet constaté que le spectre de transmission d'un tel guide optique ne présente qu'un seul pic de réflexion. En outre, la longueur de Bragg d'un tel guide optique est sensiblement stabilisée en température. L'invention concerne également un guide optique du type précité dont le matériau polymère de la gaine optique est un matériau électrooptique et qui comporte des moyens pour appliquer une tension de modulation sur ladite gaine optique, de façon à moduler la longueur d'onde de Bragg dudit guide. Elle concerne en outre un procédé pour la réalisation d'un guide optique à coeur en silice présentant un réseau de Bragg et à gaine en un matériau polymère, caractérisé en ce qu'il comporte un traitement permettant d'ajuster l'indice optique du polymère de la gaine optique, de façon à obtenir la longueur d'onde de Bragg désirée. Ce traitement met par exemple en oeuvre une irradiation ultraviolette ou un recuit ou encore un apport de chaleur momentané. Un tel traitement permet - à très bas coût - un ajustement de la longueur d'onde de Bragg du guide avec une grande finesse. L'invention concerne également des composants intégrant au moins un tel 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 - la figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un guide optique planaire à réseau de Bragg conforme à un art antérieur connu - la figure 2 illustre la photoinscription sur le guide optique de la figure 1 - la figure 3 est une représentation du spectre d'un guide optique à réseau de Bragg conforme à l'art antérieur - la figure 4 est une représentation schématique en coupe d'un guide optique planaire à réseau de Bragg conforme à l'invention - la figure 5 est une représentation du spectre d'un guide optique conforme à l'invention ; - les figures 6 et 7 sont des graphes sur lesquels on a porté la longueur d'onde de Bragg en fonction de la température respectivement pour un guide optique conforme à l'art antérieur et pour un guide optique conforme à l'invention - les figures 8a à 8c illustrent un mode de réalisation possible pour le guide de la figure 4 - la figure 9 est un graphe sur lequel on a porté pour un guide optique conforme à un mode de réalisation possible pour l'invention la longueur d'onde de Bragg de ce guide en fonction de l'indice de sa gaine optique - les figures 10a et 10b sont respectivement des représentations schématiques en vue de dessus et en coupe d'un guide optique conforme à un mode de réalisation possible pour l'invention qui comporte des moyens pour la modulation de sa longueur d'onde de Bragg. Le guide optique planaire conforme à l'invention illustré sur la figure 4 comporte un substrat 11 en silicium sur lequel sont déposés une couche 12 de silice non dopée, un ruban 13 de silice dopée en oxyde de germanium formant le coeur du guide optique, ainsi qu'une couche 14 formant gaine optique. La couche inférieure 12 de SiO2 est par exemple de 3 pm d'épaisseur. Le ruban 13 présente une épaisseur et une largeur qui sont par exemple de 6 pm Le dopage en GeO2 de ce ruban 13 formant coeur de guide optique est de 7 %. Ce dopage augmente l'indice optique dudit ruban 13 et permet une différence d'indice de l'ordre de 7.10-3. En outre, il photosensibilise la silice à la longueur d'onde de 244 nm et permet donc la photoinscription d'un réseau de Bragg. La couche 14 formant gaine optique est en un matériau polymère. Ce matériau polymère de la gaine optique 4 est par exemple un polyméthyle méthacrylate (PMMA). Il est choisi de façon que son indice optique soit voisin de celui de la silice (de l'ordre de 1,45 à la longueur d'onde de 1,5 pm) et inférieur à celui-ci. Son épaisseur est par exemple de l'ordre de 10 pm. Le spectre de transmission du guide optique à gaine optique polymère 14 qui vient d'être décrit, est du type de celui qui est illustré sur la figure 5 et présente à la longueur d'onde de Bragg un pic de réflexion unique. Par ailleurs, les matériaux polymères présentent en outre l'avantage de ce que leurs variations d'indice optique en fonction de la température sont négatives (dn/dT s O). Leur indice optique contribue par conséquent à stabiliser l'indice effectif du guide optique. Celui-ci est en effet une fonction combinée de l'indice optique du coeur 13 et de l'indice optique de la gaine optique 14. Dans le cas de la silice, on a dn/dT = 10-5 K-1. Pour le PMMA, dn/dT = -105*10-6 K - 1. On a représenté sur la figure 6 la variation de la longueur d'onde de Bragg XB en fonction de la température, dans le cas où la gaine optique est en silice. On voit sur cette figure que la longueur d'onde de Bragg est dans ce cas particulièrement instable. Elle croît linéairement avec un coefficient de 0,013 nm/ C. Sur la figure 7, on a représenté la variation de la longueur d'onde de Bragg en fonction de la température dans le cas du guide d'onde décrit en référence à la figure 4. Le PMMA correspondant à la courbe portée sur cette figure est d'indice optique égal à environ 1,42 pour une longueur d'onde de 1,5 pm. Comme on peut le voir sur cette figure 7, la longueur d'onde de Bragg varie selon une courbe en cloche inversée en fonction de la température. Entre 25 et 1000C, la variation de XB est inférieure à 0,3 nm, alors que dans la même gamme de température, la variation est d'1 nm dans le cas d'un guide d'onde à gaine optique en silice de l'art antérieur. Bien entendu, d'autres polymères que des polymères PMMA peuvent être envisagés, notamment des polymères polyimides, polystyréniques, polyméthacryliques, polyacryliques et poly-a-haloacrylates, polysiloxanes, ou encore des polymères éthervinyliques ou époxydes. Des copolymères synthétisés à partir de ces différents polymères sont également envisageables. En particulier, on peut par exemple utiliser des copolymères statistiques synthétisés à base de méthyle méthacrylate (MMA) et méthacrylate de trifluoroéthyle (MATRIFE). En ajustant les proportions de MMA et de MATRIFE, on peut atteindre l'indice souhaité qui est déterminé par la simulation. On sait en effet que l'indice np d'un tel copolymère est approximativement donné par np = X.np~s + (1-X)npsTRIFE où X est la fraction pondérale de MMA mis en réaction pour la polymérisation et, n et npSTRIFE sont respectivement les indices de réfraction à la longueur d'onde de fonctionnement du réseau des homopolymères de MMA et de MATRIFE. Cette copolymérisation est faite en radicalaire thermique classique (600C). Une fois le copolymère obtenu, on réajuste l'indice car la loi ci-dessus n'est pas suffisamment précise, en mélangeant ce copolymère avec l'un des deux homopolymères PMMA ou PMATRIFE suivant que l'indice de copolymère est plus bas ou plus haut que prévu. Par exemple, si l'indice visé à la longueur d'onde de 0,6 ym pour le superstrat est de 1,45, on fera un copolymère 50/50 de MMA/MATRIFE approximativement et on réajustera après mesure de np avec soit du PMMA soit du PMATRIFE pour obtenir un mélange qui est l'indice voulu à 0,001 près par exemple. Le mélange se fait en milieu solvant pour donner une solution qui sera utilisée lors de l'étape de mise en place de la gaine polymère, ainsi que cela sera décrit plus loin. A cet effet, la solution est diluée ou concentrée par exemple pour obtenir des concentrations compatibles avec les épaisseurs souhaitées après dépôt sur le réseau photoinscrit. Elles sont en général comprises entre 50 et 600 g/l de solvant. Ce dernier est par exemple du trichloro1,1,2 éthane. On peut réaliser le dépôt - par étalement à l'aide d'une pipette ou par versement de la solution sur le réseau photoinscrit en prenant soin de ne pas abîmer le coeur de guide. Une fois l'étalement fait, on laisse sécher le film en chauffant à 1100C sur une hote plate le réseau ou par chauffage léger - on peut aussi réaliser le dépôt par étalement à la tournette ("spin coating" selon la terminologie anglosaxonne généralement utilisée par l'Homme du Métier) en réglant la vitesse pour obtenir l'épaisseur voulue (500 à 3000 t/mn). On sèche ensuite le film, de la même façon que précédemment, à l'étuve à vide. Ces deux techniques de dépôt permettent d'obtenir des épaisseurs supérieures à 2 pim, l'épaisseur du polymère de la gaine optique étant typiquement de l'ordre d'une dizaine de pm. On se réfère maintenant aux figures 8a à 8c sur lesquelles on a illustré différentes étapes d'un procédé pour la réalisation du guide optique de la figure 4. Dans un premier temps, la couche de silice 12 et une couche de silice dopée sont déposées sur le substrat 11. On grave ensuite le ruban 13 par photolithographie sur la couche de silice dopée. La structure obtenue est du type de celle illustrée sur la figure 8a. Dans un deuxième temps, on grave le réseau de Bragg (15 sur la figure 8b) par photoinscription sur la structure précédemment obtenue. La photoinscription peut se faire par plusieurs techniques, notamment par interférences de deux faisceaux ultraviolets F1, F2 issus d'une même source 5, ainsi qu'illustré par la figure 8b. La durée de photoinscription est comprise entre quelques minutes et plusieurs heures suivant les conditions de préparation de l'échantillon, notamment l'hydrogénation moléculaire sous haute pression ( > 150bars) réduit considérablement cette durée. La longueur d'onde de photoinscription (244 nm) choisie correspond aux bandes d'absorption dues à la présence d'oxyde de germanium dans le coeur du guide. On dépose ensuite, en mettant en oeuvre les techniques de dépôt précédemment décrites, la gaine polymère 14 sur la couche 12 et le ruban de coeur 13 à réseau de Bragg photoinscrit. D'autre variantes de réalisation sont bien entendu possibles. Par exemple, le réseau de Bragg 15 peut être gravé sur une structure dont le ruban est compris entre une couche de silice inférieure et une couche de silice supérieure non dopées. La couche de silice supérieure est, après photoinscription, supprimée ou réduite par attaque plasma. On a représenté sur la figure 9 la variation de la longueur d'onde de Bragg 4 en fonction de l'indice de la gaine optique, dans le cas où l'indice du matériau de coeur est de 1,454. Comme on le comprend à la lecture de cette figure 9, il est possible d'ajuster ou de moduler la longueur d'onde de Bragg du guide optique qui vient d'être décrit en jouant sur l'indice du polymère de la gaine optique 14. La variation de longueur d'onde possible est de l'ordre de 1 nm. Par exemple, on peut ajuster d'une manière permanente la longueur d'onde de Bragg du guide optique, par recuit ou irradiation ultraviolette, par réticulation du polymère ou modification chimique notamment par apport de chaleur, ou encore par isomérisation d'un groupement latéral du polymère. Une irradiation par un faisceau ultraviolet modifie en effet chimiquement le matériau polymère. La variation d'indice consécutive sur la gaine optique peut atteindre quelques 10-2. Les longueurs d'ondes utilisées pour obtenir une telle modification dépendent du groupe latéral réactif. Elles se situent en général entre 240 et 400 nm. Les puissances d'irradiation sont de l'ordre de quelques mW/cm2 et sont appliquées pendant quelques minutes (i.e. énergie maximum de quelques joules/cm2). On utilise avantageusement pour ajuster l'indice de la gaine optique des matériaux polymères à groupements cinnamates qui peuvent être greffés sur des polymères. Ces groupements réagissent entre eux avec des rayonnements entre 254 et 300 nm et provoquent une variation d'indice. Par exemple : les vinylcinnamates réagissent à une longueur d'onde de 254 nm. Avec une énergie de 4 joules/cm2, on peut atteindre une diminution d'indice de 10-2 sans que le polymère ne soit dégradé. Avec une énergie de 15 joules/cm2, on peut atteindre une diminution d'indice de 2*10-2 sans que le polymère ne soit dégradé. Par ailleurs, il est également possible de moduler la longueur d'onde de Bragg du guide d'onde, par exemple en modulant électriquement l'indice optique de sa gaine. On utilise à cette effet des polymères de gaine électrooptiques. Ainsi qu'illustré sur les figures 10a et 10b, on impose à la gaine optique une tension de modulation par l'intermédiaire de deux électrodes métalliques 16 disposées de part et d'autre du ruban de coeur 13, sur ladite gaine optique 14. Ces électrodes 16 peuvent également être utilisées lors de la fabrication du guide optique pour orienter le polymère sous champ afin de le rendre électroactif. La fréquence de modulation peut atteindre quelques GHz. Enfin, il est également possible dans le cas d'un matériau polymère électrooptique d'ajuster son indice par recuit ou irradiation ultraviolette, de façon à ajuster la longueur d'onde de Bragg autour de laquelle le filtre sera modulé électrooptiquement. REVENDICATIONS 1. Guide optique, notamment fibre optique ou guide optique planaire, comportant un coeur (13) en silice à réseau de Bragg, caractérisé en ce qu'il présente une gaine optique (14) en un matériau polymère. 2. Guide optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de la gaine est choisi parmi les polyimides, les polystyréniques, les polyméthacryliques, les polyacryliques, les poly-ahaloacrylates, les polysiloxanes, les polymères éthervinyliques ou époxydes ou est un mélange ou un copolymère de ces matériaux. 3. Guide optique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau polymère de la gaine (14) optique est un matériau électrooptique et en ce qu'il comporte des moyens (16) pour appliquer une tension de modulation sur ladite gaine (14) optique, pour moduler la longueur d'onde de Bragg dudit guide. 4. Procédé pour la réalisation d'un guide optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un traitement permettant d'ajuster l'indice optique du polymère de la gaine (14) optique, de façon à obtenir la longueur d'onde de Bragg désirée. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ce traitement met en oeuvre une irradiation ultraviolette ou un recuit ou encore un apport de chaleur momentané. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'avant ledit traitement - on dépose sur un substrat (11) en silicium une couche de silice non dopée (12) et une couche de silice dopée, - on grave le coeur t13) du guide par photolithographie sur la couche de silice dopée, - on grave le réseau de Bragg (15) par photoinscription sur la structure ainsi obtenue, - on dépose la gaine (14) optique en matériau polymère sur la structure ainsi obtenue. 7. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'avant ledit traitement - on dépose sur un substrat (11) en silicium une couche de silice non dopée (12) et une couche de silice dopée, - on grave le coeur (13) du guide par photolithographie sur la couche de silice dopée, - on dépose sur la structure ainsi obtenue une couche de silice non dopée, - on grave le réseau de Bragg (15) par photoinscription sur la structure ainsi obtenue, - on supprime ou réduit par attaque plasma la couche de silice supérieure, - on dépose la gaine (14) optique en matériau polymère sur la structure ainsi obtenue. 8. Fibre optique selon l'une des revendications 1 à 3. 9. Composant optique, caractérisé en ce qu'il intègre au moins un guide planaire selon les revendications 1 à 3.