Brevet FR2766582A1 — publié le 19990129

La présente invention concerne le domaine de la fabrication de composants optiques et, plus particuliérement, la fabrication de composants optiques intégrés (ou plan). Plus spécialement, I'invention concerne la fabrication de composants optiques dans lesquels un ou plusieurs guides d'ondes sont formés en association avec un ou plusieurs éléments optiques alignés avec l'extrémité du guide d'ondes, ou bien les extrémités des guides d'ondes. Dans le domaine de l'optique intégré, il est souvent nécessaire de créer un composant dans lequel un ou plusieurs éléments optiques sont alignés avec l'extrémité, ou bien les extrémités, d'un ou plusieurs guides d'ondes. Ceci est le cas, par exemple, lors de la fabrication d'un multiplexeur ou d'un démultiplexeur de longueur d'ondes. Typiquement, dans une première étape du processus de fabrication, les couches successives formant les guides d'ondes sont déposées sur un substrat et des motifs sont tracés à l'intérieur. Ensuite, quand la structure du guide d'ondes ou bien des guides d'ondes a été complétée (couche de coeur et couche de confinement, avec éventuellement une couche tampon entre le substrat et la couche de coeur), I'élément optique associé est formé, aligné avec les extrémités des guides d'ondes tels que désirés, en traçant des motifs et en gravant la structure du guide d'onde complétée. Cette deuxième étape de procédé de fabrication implique la réalisation d'une photolithographie et d'un processus de gravure sur une structure laminée épaisse, par exemple d'une épaisseur de 20-30 pm, ce qui peut conduire à de nombreux problèmes. Les problèmes inhérents au procédé de fabrication classique seront expliqués plus en détail en décrivant par référence à la figure I un procédé de fabrication d'un multiplexeur ou d'un démultiplexeur de longueur d'ondes à bande étroite (NBWDM) et à base d'un réseau de diffraction. Typiquement, un multiplexeur ou un démultiplexeur de longueur d'ondes à bande étroite (NBWDM) et à base de réseau de diffraction comporte un réseau de diffraction aligné avec les extrémités des guides d'ondes d'entrée et de sortie desservant plusieurs canaux, typiquement 32 canaux ou plus. Selon le procédé classique, une plaquette typiquement de silicium ou de silice ayant une surface optiquement lisse, et typiquement d'épaisseur de 1 mm, est utilisée en tant que substrat 10 pour la fabrication de composants optiques. Comme le montre la figure 1A, une couche 20 de silice dopée est déposée sur le substrat 10, par exemple par hydrolyse à la flamme, ou par des procédés de dépôt chimiques, ou par des procédés de dépôt plasma, etc. Du germanium, du titane ou des éléments semblables sont utilisés pour doper la silice afin d'augmenter l'indice de réfraction de celle-ci. (Lorsque le substrat en silicium est utilisé, une couche tampon est formée sur le substrat 10 avant le dépôt de la couche de coeur 20 en silice dopée, pour des raisons d'isolation optique. La couche tampon peut être obtenue par oxydation thermique). La couche 20 en silice a typiquement une épaisseur d'entre 5 et 10 clam, par exemple de 6,5 pm. Les coeurs 25 des guides d'ondes, ainsi qu'un guide d'ondes plat 28, sont formées à partir de la couche 20 en traçant des motifs dans cette dernière dans une étape de lithographie suivie par une gravure à une épaisseur appropriée, par exemple 7 ,um en cas d'utilisation d'une couche de coeur d'épaisseur 6,5 pm (voir la figure 1B). Au cours de cette première étape de lithographie, des repères d'alignement (non représentés) sont formés pour utilisation au cours d'une étape de photolithographie ultérieure. Ensuite, une couche de confinement optique 30 en silice non dopée ou dopée avec, par exemple, du bore ou du phosphore, ayant typiquement une épaisseur de 10-20 zm, est déposée par un procédé approprié, tel que le dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), le dépôt chimique en phase vapeur à l'aide d'un plasma (PECVD), le dépôt chimique en phase vapeur à pression atmosphérique (APCVD), I'hydrolyse par flamme. etc. (voir la figure 1 C). Ensuite, le réseau de diffraction 35 est formé en traçant un motif, au cours d'une étape de lithographie dans laquelle on tente d'aligner le masque avec les repères d'alignement formés précédemment, et en gravant la structure laminée complète à une épaisseur de 20-30 llm (voir la figure 1D), typiquement en effectuant une gravure par ions réactifs. Le multiplexeur ou démultiplexeur de longueur d'ondes à bande étroite (NBWDM) et à base de réseau est complété par une métallisation du réseau 35 en déposant une couche 36 de l'aluminium ou de l'or (voir la figure 1E). Dans le procédé classique, les deux étapes de lithographie et de gravure sont sujettes à de nombreux problèmes. Le substrat tend à gauchir sensiblement, typiquement d'environ 100 ,lm pour une plaquette de 4" (100 mm), en raison de l'épaisseur des couches de coeur et de confinement optique déposées avant (1730 pm). Ce degré important de gauchissement rend difficile l'obtention d'une lithographie de haute définition, ce qui est un inconvénient majeur en ce qui concerne la fabrication de composants WDM à bande étroite ou des composants semblables qui requièrent une définition avec grande précision des composants gravés. En outre, un bon alignement des masques utilisés dans les deux étapes de lithographie est nécessaire. Cependant, ceci est difficilement réalisable du fait de la perte de visibilité qui résulte de la grande épaisseur de la couche de confinement optique. Par ailleurs, dans le procédé classique, une gravure profonde de la silice est demandée et ceci est extrêmement difficile en soi. Les temps de gravure sont longs, typiquement entre 5 et 10 heures, et il existe des exigences sévères vis-à-vis des masques de gravure (grande épaisseur, grande résistance à la gravure, faible effort mécanique et une définition de gravure élevée). En outre, au cours de la gravure, il y a une perte de résolution qui conduit à un arrondissement du réseau d'environ 3 à 4 {lm. Au vu des problèmes exposés ci-avant, la présente invention prévoit un nouveau procédé de fabrication de composants optiques, dans lequel on s'affranchit du besoin de réaliser des étapes de photolithographie et de gravure sur une structure laminée épaisse. Plus particulièrement, la présente invention prévoit une méthode pour former un composant optique comprenant au moins un guide d'ondes et au moins un élément optique disposé en face de l'extrémité ou des extrémités du ou des guide d'ondes, comprenant l'étape de déposer sur un substrat une couche de coeur pour former le coeur du ou de chaque guide d'ondes, caractérisée en ce qu'elle comporte les étapes consistant à : déposer une couche de confinement optique partielle sur la couche de coeur ; tracer un motif dans cette couche de coeur et cette couche de confinement optique partielle afin de définir simultanément le ou les composants optiques et le ou les coeurs du ou des guide d'ondes ; et déposer une couche de confinement optique supplémentaire. En déposant la couche de confinement optique en deux étapes et en définissant l'élément optique simultanément avec les guides d'ondes par gravure à travers la couche de coeur et la couche de confinement optique partielle, la méthode de la présente invention s'affranchit du procédé de gravure profonde inhérente à la méthode de fabrication classique, et permet de définir l'élément optique avec une résolution élevée. De plus, en s'affranchissant de la deuxième étape de lithographie de la méthode de fabrication classique, la présente invention mène à une simplification importante du procédé et assure un alignement parfait du ou des guides d'ondes avec le ou les éléments optiques. Par ailleurs, en réduisant la profondeur de gravure, les exigences vis-à-vis du masque de gravure sont relâchées, le temps de gravure est réduit et la définition est encore améliorée (le réseau est arrondi d'environ 1 pm). De préférence, la couche de confinement optique partielle devrait avoir une épaisseur dans la plage de 1-5 t,tm, la valeur précise étant déterminée en fonction de la différence qui existe entre les indices de réfraction de la couche de coeur et de la couche de confinement optique. Par exemple, une couche de confinement optique partielle d'épaisseur 2-3 Am convient dans le cas d'utilisation de guides d'ondes dans lesquels la différence relative entre les indices de réfraction de la couche de coeur (par exemple, n = 1,46) et de la couche de confinement optique (par exemple, n = 1,45) est de 0,69 %. Si l'épaisseur de la couche de confinement optique partielle est trop mince, il se trouverait alors que dans le composant optique qui en résulte, le ou les éléments optiques qui font face à l'extrémité du ou des guides d'ondes seront en regard du coeur du guide d'ondes et à une petite partie de la couche de confinement optique juste au-dessus (qui correspond à la couche de confinement optique partielle), et n'acheminera que la lumière transmise dans ces éléments. Pourtant, dans la pratique, la lumière ne reste pas confinée dans les coeurs des guides d'ondes, mais se propage aussi dans la couche de confinement optique au cours de l'utilisation, selon une distribution Gaussienne. L'étendue de cette propagation en-dehors de la couche de coeur augmente au fur et à mesure que les indices de réfraction de la couche de coeur et de la couche de confinement optique se rapprochent. Afin de minimiser les pertes optiques, il est donc préférable que le ou les éléments optiques soient en regard non seulement des coeurs des guides d'ondes mais aussi d'une partie de la couche de confinement optique suffisamment épaisse pour assurer que la majorité de la lumière se propageant en-dehors de la couche de coeur se trouve dans cette partie de la couche de confinement optique. Du fait que les éléments optiques sont formés en gravant dans la couche de confinement optique partielle, et font face à la partie de la couche de confinement optique qui correspond à la couche de confinement optique partielle, il est donc nécessaire que la couche de confinement optique partielle ait une épaisseur telle que la majorité de la lumière se propageant en-dehors de la couche de coeur se trouve dans cette partie de la couche de confinement optique. Par ailleurs, si la couche de confinement optique partielle est trop épaisse, alors les avantages de la présente invention (une résolution améliorée, un gauchissement réduit) se perdent. En réalisant l'étape de gravure à travers une couche de coeur et une couche de confinement optique partielle de 1-5 ,um d'épaisseur, on arrive à maintenir une bonne efficacité du composant optique qui en résulte. La présente invention prévoit en outre un composant optique comportant : au moins un guide d'ondes, et un réseau crée par gravure et disposé en face de l'extrémité du guide d'ondes ou de chaque guide d'ondes, caractérisé en ce que le ou les coeurs du ou des guide d'ondes sont en silice, de préférence en silice dopé, et que l'arrondissement du réseau dû à la gravure est de moins de 3pm et, de préférence, est approximativement égal ou inférieur à 1 pu. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux appréciées à la lecture de la description suivante des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemple, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 montre un procédé classique de fabrication d'un élément NBWDM, le procédé passant par les étapes intermédiaires indiquées de façon schématique aux figures 1A à lE; la figure 2 montre un premier mode de réalisation préféré du procédé de fabrication dans la présente invention appliqué à la fabrication des éléments NBWDM et passant par les étapes intermédiaires indiquées de façon schématique aux figures 2A à 2E ; et la figure 3 montre un deuxième mode de réalisation préféré du procédé de fabrication selon la présente invention appliqué à la fabrication d'un élément NBWDM et passant par les étapes intermédiaires indiquées de façon schématique sur les figures 3A à 3F. Dans la description suivante, la méthode selon la présente invention est illustrée en décrivant deux modes de réalisation dans lesquels l'élément NBWDM est fabriqué. Cependant, on doit comprendre que la présente invention n'est pas limitée à la fabrication d'éléments de ce genre mais peut également être mise en oeuvre, de manière générale, dans des cas de figure où, de façon classique, un élément optique est formé en alignement avec un ou plusieurs guides d'ondes en gravant la structure de guide d'ondes complétée. Le premier mode de réalisation préféré de la méthode selon l'invention sera décrit en se référant aux figures 2A à 2E. La première étape de la méthode selon le premier mode de réalisation est la même que dans la méthode classique. Elle consiste à déposer une couche 20 en silice dopée sur un substrat 10 (voir la figure 2A) selon un procédé approprié. Typiquement, comme dans l'exemple de la figure 1, le substrat peut être un substrat en silice d'épaisseur de 1 mm et de diamètre de 100 mm et la couche de coeur 20 peut être en silice dopée avec du germanium, titane, ou une matière semblable, d'une épaisseur de 6,5 pm. Les étapes postérieures sont différentes de celles de la méthode classique. Ensuite, au lieu de tracer un motif et de graver les coeurs des guides d'ondes et, après, de déposer la couche de confinement optique classique, on dépose selon le présent mode de réalisation, une couche de confinement optique partielle 30A d'une épaisseur comprise entre 1 et 5 ptm environ, en utilisant des procédés appropriés tels que le APCVD, le PECVD, le LPCVD, I'hydrolyse à flamme, etc. (voir la figure 2B). La couche de confinement optique partielle peut être formée d'un matériau classique, typiquement en silice non dopée ou en silice dopée de bore ou de phosphore. Ensuite, des coeurs 25' de guides d'ondes et un réseau de diffraction 35' sont tracés simultanément dans une étape de photolithographie et gravés, par exemple par gravure par ions réactifs, typiquement à une profondeur d'environ 10 llm (voir la figure 2C). La gravure simultanée du réseau de diffraction 35' et des coeurs 25' de guide d'ondes garantit l'alignement parfait entre ces éléments. De surcroît, en réalisant le tracé de motif et la gravure du réseau de diffraction 35' à ce stade, à travers une structure laminée d'épaisseur relativement faible, on améliore la définition et on simplifie le processus de gravure. Dans le premier mode de réalisation préféré de l'invention, le réseau est ensuite métallisé par dépôt d'une couche métallique 36 par exemple par évaporation sous vide ou par pulvérisation (voir la figure 2D). La métallisation est pratiquée de façon directionnelle afin que la couche 36 de métal se créée sur le réseau 35' et non pas (ou guère) sur les autres surfaces. Après cela, une partie de couche de confinement supplémentaire 30B est déposée afin de compléter la structure de confinement optique des guides d'ondes (voir la figure 2E). Du fait que la couche de confinement optique 30B est déposée après l'étape de métallisation, un processus de dépôt de couche de confinement à basse température (typiquement en dessous de 900 "C), tel que PECVD, LPCVD ou processus sol-gel, doit être utilisé. Une hydrolyse à flamme demande l'utilisation de températures d'environ 1200 "C à 1300 OC et ne peut, donc, convenir. Pour la métallisation du réseau 35' un métal à point de fusion élevé est préféré, tel que l'or. Le deuxième mode de réalisation préféré de l'invention sera maintenant décrit en se référant aux figures 3A à 3F. Les trois premières étapes de la méthode selon le deuxième mode de réalisation sont les mêmes que dans le premier mode de réalisation, et consistent à déposer une couche 20 en silice dopée sur un substrat 10 en silicium (voir la figure 3A), et ensuite de déposer une couche de confinement optique partielle 30A (voir la figure 3B) et de tracer et de graver simultanément un réseau de diffraction 35' et des coeurs 25' de guides d'ondes (voir la figure 3C). Cependant, le processus est différent dans les étapes postérieures. Selon le deuxième mode de réalisation, la métallisation du réseau 35' est différée. En revanche, on dépose sur le réseau une couche protectrice 37, de préférence en un polymère qui résiste à des températures hautes, tel que le polyimide, (voir la figure 3D) et on dépose ensuite la couche de confinement optique 30B (voir la figure 3E). La couche protectrice est généralement formée par revêtement du réseau avec un produit précurseur en forme de liquide suivi d'une polymérisation à haute température de ce dernier. Comme dans le premier mode de réalisation, un procédé de dépôt à basse température est nécessaire pour assurer le dépôt de la couche de confinement optique 30B; ; mais dans le cas présent, les températures doivent rester en dessous de 500 "C. Après le dépôt de la couche de confinement optique 30B, on élimine la couche protectrice 37 et on métallise le réseau 35', typiquement par pulvérisation cathodique ou par évaporation sous vide en déposant une couche 36 de l'aluminium ou de l'or (voir la figure 3F). Cette fois, du fait de la présence de la couche 30B au-dessus du réseau 35', il n'est plus possible de pratiquer la métallisation de façon permettant d'assurer que le métal se dépose sur le réseau 35' uniquement. Cependant la présence d'une couche de métal 36 sur les autres surfaces de l'évidement derrière le réseau 35' ne produit aucun effet délétère. Il est clair que dans les deux modes de réalisation décrits ci-dessus, la lithographie est réalisée sur un substrat sur lequel seule une couche de confinement optique partielle couvre la couche de coeur. La définition de la lithographie est donc améliorée. Par exemple, dans le cas d'un composant optique formé sur une plaquette de 100 mm, comme dans l'exemple décrit ci-dessus, le gauchissement de la plaquette qui affecte l'étape de la lithographie est réduit jusqu a environ 30 pm. Par ailleurs, le tracé simultané du réseau de diffraction et des coeurs de guides d'ondes assure le parfait alignement et élimine une étape de la lithographie. Enfin, en réduisant la profondeur de gravure demandée au cours du tracé du réseau, le processus de gravure devient plus simple, plus rapide à réaliser et donne une meilleure résolution. Dans la description ci-dessus, des conditions de fonctionnement détaillées ne sont pas données pour ce qui concerne des procédés divers de dépôt, d'hydrolyse à flamme, APCVD, LPCVD, PECVD, sol-gel, etc. compte tenu du fait que ces processus sont bien connus dans ce domaine. Par exemple, des informations concernant la plupart de ces procédés peuvent être trouvés dans les premières parties d'un article de résumé CR53-03 "Glass Integrated Optics and Optical Fiber Devices" par Michael F. Grant présenté au cours de la conférence de résumé critique CR53, SPIE 1994, San Diego, juillet 1994. Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des modes de réalisation particuliers de celle-ci, on doit comprendre qu'elle n'est pas limitée aux caractéristiques détaillées des modes de réalisation. Plus particulièrement, des modifications et des adaptations nombreuses de ceux-ci viendront facilement à l'esprit de l'homme du métier. Par exemple, la méthode de la présente invention peut être appliquée à la fabrication de composants optiques où un ou plusieurs guides d'ondes sont alignés avec un élément optique ou un réseau, tel que, par exemple, une lentille, un miroir de focalisation ou de réflexion, un prisme, etc. Par ailleurs, même si dans les modes de réalisation décrits ci-dessus la couche de coeur 20 a été formée directement sur le substrat 10, on comprendra que la présente invention s'applique également dans les cas où la nature du substrat et du matériau formant le coeur demandera l'utilisation d'une couche tampon. Egalement, bien que les modes de réalisation décrits ci-dessus concernent des composants optiques dans lesquels les guides d'ondes sont à base de silice, on peut aussi appliquer la méthode selon la présente invention dans la fabrication de composants optiques dans lesquels les guide d'ondes sont à base de semiconducteurs tels que lnP (le phosphure d'indium). Possédant un indice de réfraction plus élevé que celui de silice, le phosphure d'indium permet la création de couches de coeur et de couches de confinement optique plus minces et, donc, la structure de guide d'ondes complétée est plus mince que celle d'un guide d'ondes à base de silice. Néanmoins, la méthode de fabrication prévue par la présente invention présente des avantages par rapport à la méthode classique même en cas de fabrication de composants optiques à base de InP. Il s'agit d'une amélioration de la résolution de gravure et une simplification du procédé de fabrication. En outre, bien que la couche de confinement optique supplémentaire (30B) formée selon les modes de réalisations décrits ci-dessus soit en silice, elle peut être constituée d'un autre matériau tel que, par exemple, un polymère. Les modifications et adaptations indiquées ci-dessus ainsi que d'autres viendront facilement à l'esprit de l'homme du métier et sont incluses dans la portée de la présente invention telle que définie dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Méthode de fabrication d'un composant optique comportant au moins un guide d'ondes (25') et au moins un élément optique (35') disposé en face de l'extrémité du guide d'ondes ou de chaque guide d'ondes, comportant l'étape consistant à déposer sur un substrat (10) une couche de coeur (20) destinée à constituer le coeur du ou de chaque guide d'ondes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre les opérations consistant à: déposer une couche de confinement optique partielle (30A) sur ladite couche de coeur; tracer un motif dans ladite couche de coeur (20) et ladite couche de confinement optique partielle (30A) afin de former simultanément le ou les éléments optiques et le coeur du, ou bien de chaque, guide d'ondes ; et déposer une couche de confinement optique supplémentaire (30B). 2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de confinement optique partielle (30A) a une épaisseur de 1-5 pm. 3. Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que la couche de confinement optique partielle (30A) a une épaisseur de 2-3 ptm et que la différence relative entre les indices de réfraction de la couche de coeur et de la couche de. confinement optique est d'environ 0,7 % 4. Méthode selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que l'élément optique (35') est un réseau de diffraction et qu'une opération de métallisation du réseau de diffraction est en outre prévue. 5. Méthode selon la revendication 4, caractérisée en ce que la métallisation du réseau (35') a lieu avant le dépôt de la couche de confinement optique supplémentaire (30B) et le dépôt de la couche de confinement supplémentaire a lieu à une température en dessous de 900 "C. 6. Méthode selon la revendication 4, caractérisée en ce que le dépôt de la couche de confinement optique supplémentaire (30B) a lieu avant la métallisation du réseau (35'), le réseau étant protégé du dépôt de la couche de confinement optique supplémentaire par dépôt sur ce premier, avant l'étape de dépôt de la couche de confinement optique supplémentaire, d'un polymère résistant à des hautes températures (37), que le dépôt de la couche de confinement optique supplémentaire a lieu à une température en dessous de 500 "C, et que le polymère résistant à des hautes températures est éliminé du réseau avant l'étape de métallisation du réseau. 7. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dépôt de la couche de confinement optique supplémentaire (30B) est réalisé par un processus déroulant à des températures relativement basses, notamment par un processus sélectionné dans le groupe consistant en APCVD, PECVD, LPCVD et le processus sol-gel. 8. Méthode selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que le métal utilisé pour la métallisation du réseau (35') dans l'étape de métallisation est l'or. 9. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le composant optique est un multiplexeur ou démultiplexeur de longueur d'ondes. 10 Méthode selon la revendication 9, caractérisée en ce que le composant optique est un multiplexeur ou démultiplexeur par division de longueur d'ondes à bande étroite comportant au moins 32 canaux. 11. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche de coeur (20) comporte de la silice dopée. 12. Composant optique comportant: au moins un guide d'ondes, et un réseau crée par gravure et disposé en face de l'extrémité du guide d'ondes ou de chaque guide d'ondes, caractérisé en ce que le ou les coeurs du ou des guide d'ondes sont en silice, de préférence en silice dopé, et que l'arrondissement du réseau dû à la gravure est de moins de 3Am et, de préférence, est approximativement égal ou inférieur à I pm.