Brevet FR2818390A1 — publié le 20020621

Guide d'onde comportant un canal sur un substrat optique La présente invention concerne un guide d'onde comportant un canal sur un substrat optique. Le domaine de l'invention est celui de l'optique intégrée sur substrat, domaine dans lequel un élément essentiel est le guide d'onde qui assure la fonction de transport de l'énergie lumineuse. Un tel guide est réalisé en créant sur le substrat un canal dont l'indice de réfraction est plus élevé que celui du milieu environnant. Plusieurs méthodes ont été proposées pour fabriquer un guide d'onde. Une première méthode met en oeuvre) la technologie des couches minces. Généralement, le substrat est soit en silice soit en silicium sur lequel on a fait croître un oxyde thermique, si bien que sa face supérieure, le substrat optique, est en dioxyde de silicium. Une couche d'indice supérieur à celui du dioxyde de silicium est déposée sur le substrat optique au moyen d'une quelconque technique connue telle que dépôt par hydrolyse à la flamme ("Flame Hydrolysis Deposition en terminologie anglo-saxonne) dépôt chimique en phase vapeur haute ou basse pression et assisté ou non par plasma, évaporation sous vide, pulvérisation cathodique ou dépôt par centrifugation. Cette couche est souvent du dioxyde de silicium dopé, de l'oxy-nitrure de silicium, du nitrure de silicium et l'on rencontre aussi des polymères ou des sols-gels. Un masque définissant le canal est alors appliqué sur la couche déposée au moyen d'une technique de photolithographie. Ensuite, le canal est réalisé par un procédé de gravure chimique ou de gravure sèche tel que gravure plasma, gravure ionique réactive ou gravure par faisceau d'ions. Le masque est retiré après la gravure et, couramment, une couche de recouvrement est déposée sur le substrat pour enterrer le canal. Cette couche de recouvrement dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du canal est prévue pour limiter les perturbations exercées par le milieu environnant, notamment celles dues à l'humidité. Cette méthode requiert une opération de gravure qu'il est difficile de maîtriser tant sur le plan de la résolution spatiale que sur l'état de surface des flancs du canal. Or ces caractéristiques conditionnent directement les pertes à la propagation du guide d'onde. Une deuxième méthode met en oeuvre la technologie d'échange d'ions. Dans ce cas, le substrat est un verre contenant des ions mobiles à température relativement basse, un verre de silicates contenant de l'oxyde de sodium par exemple. Le substrat est là aussi pourvu d'un masque et il est ensuite immergé dans un bain contenant des ions polarisables tel que argent ou potassium. Le canal est ainsi réalisé par augmentation de l'indice de réfraction consécutive à l'échange des ions polarisables avec les ions mobiles du substrat. Puis, généralement, le canal est enterré par application d'un champ électrique perpendiculaire à la face du substrat. Cette méthode présente une grande simplicité. Cependant, elle impose la sélection d'un substrat particulier qui n'a pas nécessairement toutes les caractéristiques souhaitées. De plus, du fait d'une diffusion latérale importante des ions, la résolution spatiale est ici aussi sérieusement limitée. Une troisième méthode met en oeuvre la technologie d'implantation ionique. Tout comme dans la technologie des couches minces, la face supérieure du substrat est souvent en dioxyde de silicium. Un masque est à nouveau appliqué sur le substrat optique et le canal est réalisé par implantation ionique du substrat masqué. Suite au retrait du masque, une opération de recuit est pratiquée pour éliminer les défauts de la structure cristalline et les centres colorés absorbants, pour stabiliser les nouveaux composés chimiques et pour restituer la stoechiométrie du canal, ceci afin de limiter les pertes dans le guide d'onde. Cette méthode permet d'obtenir un indice de réfraction du canal élevé, en implantant de l'azote par exemple, comme mentionné dans l'article de A. P. Webb et P. D. Townsend"Refractive index profiles induced by ion implantation into silica", Journal of Physics D : Applied Physics, 1976, p. 1343-1354. La valeur de l'indice peut être encore augmentée en implantant du titane, suivant l'article de S. Tisserand, F. Flory, A. Gatto, L. Roux, M. Adamik, 1. Kovacs, Journal of Applied Physics, 1998, vol. 83, no 10,5150. Elle permet également d'obtenir des guides présentant de faibles pertes à la propagation, comme indiqué dans le brevet américain US 4 521 443. La troisième méthode est satisfaisante quant aux spécifications géométriques du canal. Toutefois, l'énergie d'implantation étant comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de KeV, la profondeur de pénétration des ions implantés n'excède guère quelques centaines de nanomètres. Cette épaisseur du canal est trop faible pour obtenir un coefficient de couplage acceptable avec une fibre optique. En effet, les fibres monomodes utilisées notamment dans les télécommunications pour véhiculer un signal infrarouge (longueur d'onde typique de 1,3 ou 1,55 microns) ont un coeur dont le diamètre fait environ 10 microns. La présente invention a ainsi pour objet un guide d'onde optique pourvu d'une résolution spatiale convenable et d'un bon coefficient de couplage avec les fibres optiques courantes. Selon l'invention, un guide d'onde comporte un canal sur un substrat optique, l'indice de réfraction de ce canal étant supérieur à celui du substrat, et il comporte au moins une couche guidante agencée sur ce canal, l'indice de la couche guidante étant supérieur à celui du substrat. Le guide n'étant plus limité au seul canal mais plutôt constitué par l'association de ce canal et de la couche guidante, il présente alors des dimensions en adéquation avec celle du coeur d'une fibre optique. De préférence, le guide comporte au moins une couche de recouvrement disposée sur la couche guidante, l'indice de cette couche de recouvrement étant inférieur à celui de la couche guidante et à celui du canal. Suivant un premier mode de réalisation, le canal est intégré dans le substrat. Suivant un deuxième mode de réalisation, le canal fait saillie sur le substrat. Avantageusement, l'indice de la couche guidante vaut celui du substrat multiplié par un facteur supérieur à 1,001. A titre d'exemple, l'épaisseur de l'ensemble des couches guidantes est comprise entre 1 et 20 microns. Selon une caractéristique privilégiée, le canal résulte d'une implantation ionique dans le substrat. Par ailleurs, il est conseillé que la face du substrat sur laquelle est réalisée l'implantation ionique soit en dioxyde de silicium. L'invention vise également une méthode de fabrication d'un guide d'onde sur un substrat optique. Selon une première variante, cette méthode comprend les étapes suivantes : - réalisation d'un masque sur le substrat optique pour définir le motif d'un canal, - implantation ionique du substrat masqué, - retrait du masque, et elle comprend de plus une étape de dépôt d'au moins une couche guidante sur le substrat, l'indice de réfraction de cette couche guidante étant supérieur à celui du substrat. Selon une deuxième variante, la méthode comprend les étapes suivantes : - implantation ionique du substrat, - réalisation d'un masque sur le substrat pour définir le motif d'un canal, - gravure du substrat sur une profondeur au moins égale à la profondeur d'implantation, - retrait du masque, et elle comprend de plus une étape de dépôt d'au moins une couche guidante sur le substrat, l'indice de réfraction de cette couche guidante étant supérieur à celui du substrat. Avantageusement, la méthode comprend une étape de recuit du substrat qui fait suite à l'étape d'implantation ionique. Cette méthode est d'autre part adaptée à la réalisation des différentes caractéristiques du guide d'onde mentionnées ci-dessus. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en se référant aux figures annexées qui représentent : - la figure 1, un schéma d'un guide d'onde, - la figure 2, la fabrication d'un guide d'onde selon une première variante, et - la figure 3, la fabrication d'un guide d'onde selon une deuxième variante. En référence à la figure la, le substrat est en silice ou bien il est en silicium sur lequel, soit on a fait croître un oxyde thermique, soit on a déposé une couche de dioxyde de silicium ou d'un autre matériau. Il présente ainsi une face supérieure ou substrat optique 11, couramment en dioxyde de silicium, d'une épaisseur de 5 à 20 microns, par exemple. Le canal 12 réalisé par implantation ionique est ici intégré dans le substrat optique qui est lui-même recouvert d'une couche guidante 13. L'indice de réfraction du canal est naturellement plus élevé que celui du dioxyde de silicium. La couche guidante de 5 microns d'épaisseur, par exemple, est en dioxyde de silicium dopé et présente un indice de réfraction supérieur à celui du substrat optique, de 0,3% par exemple. Elle peut éventuellement résulter d'un empilement de couches minces. De préférence, une couche de recouvrement 14 qui peut également consister en un empilement de couches minces est prévue sur la couche guidante 13. Cette couche de recouvrement, de 5 microns d'épaisseur également, a un indice inférieur à celui de la couche guidante et à celui du canal ; dans le cas présent elle est en dioxyde de silicium non dopé. Le guide d'onde formé par l'association du canal 12 et de la couche guidante 13 peut supporter un ou plusieurs modes de propagation dont les propriétés sont fonction des caractéristiques optiques et géométriques adoptées. En référence à la figure 1 b, lorsque l'indice de réfraction du canal est relativement faible, 1,56 par exemple, le mode de propagation étendu GM s'étend dans la couche guidante 13. La largeur du canal, 7,5 microns par exemple, et l'épaisseur de cette couche guidante sont choisies de sorte que le mode de propagation GM soit aussi voisin que possible de celui des fibres optiques. On peut alors obtenir un coefficient de couplage aux fibres d'une valeur de 90%. L'indice effectif du mode guidé est inférieur à l'indice de réfraction de la couche guidante et à celui du canal ; il est supérieur à l'indice de réfraction de la face supérieure 11 et à celui de la couche de recouvrement 14. En référence à la figure 1 c, il faut noter que le guide d'onde peut également supporter un mode de propagation réduit PM, proche de celui que l'on rencontre sur les guides implantés sans couche guidante. Il convient alors que l'indice du canal soit relativement élevé, 1,90 par exemple. La largeur du canal peut être sensiblement réduite. L'indice effectif du mode guidé est ici supérieur à celui de la couche guidante et inférieur à celui du canal. Le confinement latéral du mode réduit PM est très important. On rappellera que l'implantation ionique se fait maintenant avec une très grande précision sur les doses d'ions implantés, typiquement 1%. Le substrat optique en dioxyde de silicium a un indice de réfraction qui ne présente pas ou peu de variations, il s'ensuit que l'on peut obtenir une très grande précision sur l'indice du canal. A titre d'exemple, pour une dose implantée de titane de 16 2 17 2 1016/cm2 respectivement 1017/cm2, la précision sur l'indice de réfraction atteint 4 3 10-4 respectivement 10-3. Cette précision est particulièrement importante lorsque l'on recherche le mode de propagation étendu GM car l'indice du canal est un paramètre qui affecte de manière très sensible le couplage aux fibres optiques. En référence à la figure 2a, une première méthode de fabrication du guide d'onde comporte une première étape qui consiste à réaliser un masque 16 sur le substrat optique 15, ceci au moyen d'un procédé classique de photolithographie. Le masque 16 est en résine, en métal ou en tout autre matériau susceptible de constituer une barrière infranchissable pour les ions lors de l'implantation. Eventuellement, le masque peut être obtenu par un procédé d'écriture directe. En référence à la figure 2b, le canal 17 est produit par implantation ionique du substrat masqué. A titre d'exemple, pour une implantation de titane, la dose d'implantation est comprise entre 1016/cm2 et 1018/cm2 et l'énergie est comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de KeV. En référence à la figure 2c, le masque est retiré, par exemple au moyen d'un procédé de gravure chimique. Le substrat est ensuite soumis à un recuit pour réduire les pertes à la propagation au sein du canal 17. A titre d'exemple, la température est comprise entre 400 et 500oC, l'atmosphère est contrôlée ou bien il s'agit de l'air libre, tandis que la durée est de l'ordre de quelques dizaines d'heures. En référence à la figure 2d, la couche guidante 18 est alors déposée sur le substrat 15 au moyen de l'une quelconque des techniques connues pourvu que celle-ci conduise à un matériau à faibles pertes dont l'indice de réfraction peut être aisément contrôlé. Enfin, la couche de recouvrement 19 est éventuellement déposée sur la couche guidante 18. En référence à la figure 3a, une deuxième méthode de fabrication du guide d'onde comporte une première étape qui consiste à implanter la totalité du substrat optique 20. La dose et l'énergie d'implantation peuvent être identiques aux valeurs mentionnées en rapport avec la première méthode. En référence à la figure 3b, l'étape suivante consiste à réaliser un masque 21 sur le substrat 20. Ce masque a le même motif que celui employé au cours de la première méthode mais il ne doit pas subir l'étape d'implantation. En référence à la figure 3c, le canal 25 est obtenu par gravure du substrat optique sur une profondeur au moins égale à la profondeur d'implantation. L'une quelconque des techniques connues de gravure convient pourvu que celle-ci conduise à des caractéristiques géométriques acceptables du canal, notamment le profil et l'état de surface de ses flancs. On remarque ici que la première méthode présente l'avantage de définir un guide d'onde dont la structure est parfaitement plane puisqu'elle ne comprend pas d'étape de gravure. En référence à la figure 3d, le masque est retiré puis le substrat est ici aussi soumis à un recuit. La couche guidante 22 et éventuellement la couche de recouvrement 23 sont alors déposées conformément à la première méthode. Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisis pour leur caractère concret. Il ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, toute étape ou tout moyen décrit peut-être remplacé par une étape ou un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1) Guide d'onde comportant un canal (12, 17, 25) sur un substrat optique (11,15, 20), l'indice de réfraction de ce canal étant supérieur à celui du substrat, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche guidante (13,18, 22) agencée sur ledit canal, l'indice de cette couche guidante étant supérieur à celui du substrat. 2) Guide d'onde selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche de recouvrement (14,19, 23) disposée sur ladite couche guidante (13,18, 22), l'indice de cette couche de recouvrement étant inférieur à celui de la couche guidante et à celui du canal (12,17, 25). 3) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit canal (12,17) est intégré dans ledit substrat (11,15). 4) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit canal (25) fait saillie sur ledit substrat (20). 5) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'indice de ladite couche guidante (13,18, 22) vaut celui du substrat (11,15, 20) multiplié par un facteur supérieur à 1,001. 6) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'ensemble des couches guidantes (13,18, 22) est comprise entre 1 et 20 microns. 7) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit canal (12,17, 25) résulte d'une implantation ionique dans ledit substrat (11,15, 20). 8) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face du substrat (11,15, 20) sur laquelle est réalisée l'implantation ionique est en dioxyde de silicium. 9) Méthode de fabrication d'un guide d'onde sur un substrat optique comprenant les étapes suivantes : - réalisation d'un masque (16) sur ledit substrat (15) pour définir le motif d'un canal (17), - implantation ionique du substrat masqué, - retrait dudit masque, caractérisé en ce qu'elle comprend de plus une étape de dépôt d'au moins une couche guidante (18) sur le substrat, l'indice de réfraction de cette couche guidante étant supérieur à celui du substrat. 10) Méthode de fabrication d'un guide d'onde sur un substrat optique comprenant les étapes suivantes : - implantation ionique du substrat (20), - réalisation d'un masque (21) sur ledit substrat pour définir le motif d'un canal (25), - gravure du substrat sur une profondeur au moins égale à la profondeur d'implantation, - retrait dudit masque, caractérisé en ce qu'elle comprend de plus une étape de dépôt d'au moins une couche guidante (22) sur le substrat, l'indice de réfraction de cette couche guidante étant supérieur à celui du substrat. 11) Méthode selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce qu'elle comprend une étape de recuit du substrat (15,20) qui fait suite à l'étape d'implantation ionique. 12) Méthode selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce qu'elle comprend une étape de dépôt d'une couche de recouvrement (19,23) sur ladite couche guidante (18,22), l'indice de cette couche de recouvrement étant inférieur à celui de la couche guidante et à celui du canal (17,25). 13) Méthode selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que l'indice de ladite couche guidante (18,22) vaut celui du substrat (15,20) multiplié par un facteur supérieur à 1,001. 14) Méthode selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que l'épaisseur de l'ensemble des couches guidantes (18,22) est comprise entre 1 et 20 microns. 15) Méthode selon t'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que la face (15,20) du substrat sur laquelle est réalisée l'implantation ionique est en dioxyde de silicium.