Brevet FR2816062A1 — publié le 20020503

Filtre optique, son procédé de fabrication par dopage ionique et son utilisation pour un système multiplex La présente invention est relative à un filtre optique, à son procédé de fabrication par dopage ionique et à son utilisation pour un système multiplex optique à division de longueur d'onde. Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication de systèmes de télécommunications par fibres optiques. Afin d'accroître la capacité de transport de réseaux câblés à fibre optique, il est connu de multiplexer plusieurs canaux pour les faire transiter simultanément dans une fibre, puis de les démultiplexer ; lorsque le multiplexage est effectué par division de la bande de transmission (en longueur d'onde) de la fibre, on parle généralement de système WDM v) pour Wavetength Division Multiplex ; afin d'augmenter le nombre de canaux susceptibles d'être multiplexés pour accroître la capacité d'une fibre en restant dans une plage de longueur d'onde déterminée, il faut disposer d'un multiplexer (et d'un démultiplexeur) susceptible de traiter (mélanger ou séparer) plusieurs faisceaux dont les longueurs d'onde sont très voisines ; on a donc besoin de composants optiques de filtration ayant une bande passante très étroite (de l'ordre de 10-9 mètres) et un taux de réjection très élevé. Il a été proposé dans le brevet US 5, 355, 237 un dispositif multiplexer comportant plusieurs guides d'onde d'entrée, un réseau diffractant s'étendant le long d'une courbe concave, et un guide d'onde de sortie dont une face est couplée à une fibre optique ; le dispositif comporte des diodes laser, qui s'étendent orthogonalement à l'axe de la fibre, et à chacune desquelles est associé un réseau de diffraction de surface adapté à la longueur d'onde de la diode ; dans le cas d'un démultiplexeur, les diodes laser et leurs réseaux de diffraction associés sont remplacés par des photodiodes ; le réseau diffractant courbe est réalisé par lithographie à faisceau d'électrons, sous la forme d'un chenal étroit s'étendant en dent de scie le long d'un contour courbe ; les inconvénients de ce type de dispositif sont leur coût élevé, leur rendement médiocre et leur forte sensibilité à la température et à la polarisation du faisceau incident. Le brevet US 5,216, 680 expose une méthode mathématique d'analyse de phénomènes de résonance dans un guide d'onde et suggère d'en appliquer les résultats à la conception d'un filtre optique résonnant pour laser, sans toutefois décrire le filtre ; le brevet US 6,035, 089 expose que cette méthode peut être utilisée pour concevoir un filtre constitué de bandes creusées dans un guide d'onde supporté par un substrat, puis rempli d'un matériau propre à obtenir une structure résonante, en particulier à 533,4 nm. Il est par ailleurs connu de réaliser des filtres optiques (passebande en transmission) par empilement de nombreuses couches minces d'épaisseur et d'indice de réfraction déterminé, pour transmettre une longueur d'onde déterminée. Il est également connu de réaliser des filtres de Bragg photoinscrits dans une fibre ; ces filtres fonctionnent en réflexion. La présente invention a pour objet de proposer un filtre optique amélioré, un multiplexer (et un démultiplexeur) incorporant ce filtre, et son procédé de fabrication. Selon l'invention, on utilise des structures résonantes à une longueur d'onde déterminée et sous une incidence déterminée ; une résonance est obtenue par la construction d'un réseau de motifs à la surface et le cas échéant dans l'épaisseur d'au moins un guide d'onde constitué par une couche mince ou un empilement de couches minces ; la résonance résulte d'un couplage électromagnétique par le réseau entre une onde incidente sensiblement selon la normale à la surface du guide d'onde et/ou des couches minces, et un mode guidé du guide d'onde : la résonance est observée lorsque des fréquences temporelle et spatiale de l'onde incidente sont sensiblement égales à celles correspondant à un mode propre de la structure ; à cet effet, on prévoit généralement des motifs dont les dimensions sont voisines de la longueur d'onde désirée, et généralement inférieures à celles-ci. Selon l'invention, chacun des motifs est constitué d'une région de couche mince dont l'indice est modifié localement par l'implantation d'ions dans la couche mince ; cette implantation est obtenue en soumettant la couche mince à un bombardement ionique, par un faisceau d'ions délivré par un accélérateur de particules, un canon à ions et/ou un implanteur ionique. Cette opération d'implantation fait appel à une technique connue notamment pour doper un matériau semi-conducteur avec des matériaux dopants. Pour l'application de cette technique à l'invention, on utilisera généralement comme matériau dopant un matériau choisi parmi l'erbium, le niobium, le titane, le silicium, le phosphore ou le germanium. Afin de doper seulement certaines régions de la couche mince pour former les motifs dopés, on utilise de préférence une technique de masquage de la couche mince telle que celle utilisée pour la gravure : on recouvre la couche mince à doper d'un masque"perforé"de forme complémentaire à celle du réseau de motifs à former ; le masque empêche ainsi que les parties de la couche mince qu'il recouvre ne soient soumises au flux ionique ; il permet donc la préservation, dans la couche mince qu'il recouvre, de zones non dopées entourant les régions dopées. Par ailleurs, en faisant varier l'intensité et/ou la durée d'exposition des parties non masquées de la couche mince au faisceau d'ions, on peut faire varier la configuration ionique des motifs dopés, en particulier la densité volumique d'ions implantés et/ou la profondeur d'implantation, afin d'obtenir une configuration de forme (profil) et/ou d'indice déterminé. On peut en outre procéder à un recuit de structure après dopage pour modifier, de façon contrôlée, par migration des ions dans la couche mince, le gradient d'indice et/ou de population ionique dans les motifs dopés. Selon un autre aspect de l'invention, ladite structure et/ou ledit réseau est bipériodique ou pluripériodique : elle (il) comporte une pluralité de premiers motifs identiques, régulièrement espacés selon deux directions parallèles au guide d'onde, et selon un premier pas ; elle (il) comporte en outre une pluralité de deuxièmes motifs identiques régulièrement espacés selon lesdites directions et selon ledit premier pas, qui sont disposés imbriqués avec lesdits premiers motifs et qui sont de configuration et/ou de dimensions différentes de celles des premiers motifs. Ainsi, lesdits premiers motifs forment un premier sousréseau qui est imbriqué avec un second sous-réseau constitué par lesdits seconds motifs. Généralement, et en conséquence de cette imbrication, un premier motif et un second motif adjacent au premier motif seront séparés d'une distance égale à la moitié dudit pas ; dans un mode préféré de réalisation, le réseau résonnant peut comporter plus de deux sous-réseaux, en particulier 3 ou 4 sous-réseaux imbriqués pour former un réseau multipériodique. Une telle structure permet d'assurer un filtrage passe-bande en réflexion, qui est doté d'un taux de réjection élevé et qui permet une inclinaison (de faible valeur) de l'onde incidente par rapport à la normale à la surface des couches minces du guide d'onde, cette inclinaison étant souhaitable pour séparer le faisceau réfléchi du faisceau incident, sans nécessiter l'usage d'une lame semiréfléchissante ou d'un système interférentiel. Une telle structure permet d'obtenir des performances améliorées pour des variations de l'angle d'incidence, de l'angle d'ouverture, ou de polarisation du faisceau incident. Selon un autre aspect de l'invention, on utilise un composant optique comportant plusieurs couches minces superposées sur un substrat et incorporant deux telles structures résonantes, qui sont de préférence disposées symétriquement par rapport à un plan médian, et qui sont identiques et/ou résonantes à la même longueur d'onde ; on obtient ainsi un filtre passif passe-bande en transmission qui est doté d'un taux de réjection élevé, et qui est simple à fabriquer. La réalisation d'un composant incorporant deux réseaux résonants peut être effectuée en implantant les deux réseaux sur deux portions d'une couche mince reposant sur un substrat commun ; le substrat peut ensuite être coupé en deux parties qui peuvent être assemblées pour former le composant ; l'assemblage peut être effectué par mise en contact des deux parties par la face sur laquelle est prévu le réseau ; cet assemblage peut être obtenu par adhésion moléculaire, alternativement les deux parties peuvent être assemblées par leurs portions respectives du substrat, le cas échéant par collage. Selon une variante de réalisation, on peut réaliser un dopage à la surface de chacun de deux empilements de couches minces prévues sur chacune des deux faces d'un substrat commun aux deux empilements. De préférence le réseau est implanté dans une structure antireflet comportant au moins une couche mince. Des performances améliorées (bande étroite et réjection élevée) sont obtenues en implantat les motifs dopés de chaque réseau dans une couche (dite externe) d'indice (par exemple voisin de 1,5) inférieur à celui (par exemple voisin de 2) de la couche sur laquelle la couche externe est déposée, ce qui conduit à une structure anti-reflet. En outre, l'utilisation de motifs de contour circulaire et/ou dotés d'un profil d'implantation incliné par rapport à la normale aux couches minces, améliore la tenue à l'ouverture. Pour augmenter le taux de réjection du filtre optique obtenu, on peut également prévoir plusieurs réseaux résonants superposés. Les composants selon l'invention présentent l'avantage de nécessiter un nombre réduit de couches minces, par comparaison avec des filtres à couches minces habituels. En outre, ils permettent d'obtenir des filtres plus étroits qui sont donc mieux adaptés à la division d'une bande de transmission en un grand nombre de canaux. En pratique deux ou trois couches minces peuvent suffire pour construire un filtre passe-bande ayant un taux de réjection élevé pour les longueurs d'onde éloignées de la longueur d'onde sur laquelle est centré le filtre, ayant une largeur spectrale inférieure à un nanomètre et réfléchissant ou transmettant environ 100 % du faisceau incident-en dehors de la bande passante-, même lorsque le faisceau incident est doté d'une incidence (par rapport à la normale) pouvant atteindre plusieurs degrés et/ou d'une ouverture de quelques mrd, en particulier de 5 à 20 mrd. Du fait que la position de la longueur d'onde centrale est essentiellement déterminée par la géométrie du réseau qui s'étend sur la (les) face (s) externe (s) du composant, il est facile de décaler et/ou d'ajuster la longueur d'onde centrale après réalisation du réseau : ce décalage peut en particulier être obtenu en recouvrant le réseau d'une couche mince d'indice et d'épaisseur adaptés, ou bien en modifiant la géométrie du réseau, par exemple par une étape postérieure de gravure par faisceau d'électrons. Les couches minces peuvent être réalisées par dépôt d'un matériau choisi parmi des métaux tels que AI, Ni, Ag, Au, des oxydes tels que TiO2, Sei02, Ta205, des fluorures (tels que MgF2), des sulfures (tels que ZnS) ou des nitrures ; chaque couche mince a une épaisseur allant généralement de 10 nm à 10um ; l'épaisseur de la couche mince recouvrant le réseau pour décaler la longueur d'onde centrale pourra être inférieure à ces valeurs : elle peut aller de 1 à 10 nm (nanomètre). Par comparaison, le substrat a une épaisseur plus élevée, par exemple de l'ordre de 0,5 mm ; il est constitué d'un matériau transparent pour les longueurs d'ondes considérées, en particulier les longueurs d'ondes voisines de 1, 5 um, te) que de la silice. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention. La figure 1 est une vue schématique en perspective d'une partie d'un composant selon un premier mode de réalisation. La figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'une partie d'un composant selon un deuxième mode de réalisation. La figure 3 est une vue en plan schématique d'un démultiplexeur huit voies intégrant des filtres passe-bande en transmission selon l'invention. La figure 4 illustre en vue en plan l'arrangement des motifs dopés de contour carré d'un réseau pluripériodique. La figure 5 est une vue schématique en coupe par un plan transversal aux plans des couches, qui montre un motif dopé d'un réseau dont le profil transversal d'indice est incliné et incurvé. La figure 6 est une vue en plan schématique d'un démultiplexeur à quatre voies incorporant quatre composants formant des filtres passebande en réflexion. Par référence aux figures 3 et 6, le démultiplexeur 1,2 comporte huit filtres 3 (respectivement quatre filtres 4) passe-bande centrés sur huit (respectivement quatre) longueurs d'ondes différentes correspondant aux huit (respectivement quatre) canaux à séparer. Le démultiplexeur comporte une interface 5 de couplage optique avec une fibre optique 6 transportant le rayonnement à diviser ; le faisceau incident 7 délivré par la fibre 6 forme avec la normale 8 à la face 9 du filtre un angle 10 d'incidence, dont la valeur est la plus faible possible afin de limiter les perturbations susceptibles d'en résulter. Le démultiplexeur 2 figure 6 comporte quatre collimateurs 11 de sortie respectivement associés aux quatre filtres 4, qui servent à diriger vers une fibre optique 110 de sortie la partie du faisceau incident 7 qui correspond à la longueur d'onde associée au canal correspondant, et qui a été réfléchie par le filtre 4 correspondant. De façon similaire, le démultiplexeur 1 figure 3 comporte huit collimateurs 11 de sortie ; chaque démultiplexeur 1,2 peut comporter un collimateur d'entrée intégré pour limiter l'ouverture du faisceau incident 7 en provenance de la fibre. Les filtres 3 et 4 ont une structure de plaque telle que celle respectivement illustrée figures 1 et 2. Chaque collimateur 11 de sortie peut être constitué par l'extrémité dopée de la fibre 110 de sortie correspondante ; l'extrémité de la fibre d'entrée 6 peut également être dopée pour former un collimateur 5. Chaque démultiplexeur 1,2 comporte un guide d'onde d'entrée 100 qui est formé dans une couche déposée sur un substrat, et qui est prolongé par d'autres guides 101 ; cette couche est munie de rainures sensiblement transversales à l'axe longitudinal des guides 100,101, chaque rainure recevant un filtre disposé transversalement aux portions de guide d'onde 100,101 ; ainsi la composante spectrale du faisceau 7 se propageant dans les guides 100,101, qui correspond à la longueur d'onde sur laquelle est centré le filtre, traverse celui-ci dans le cas de la figure 3 ou au contraire est réfléchie par le filtre dans le cas de la figure 6. Cette composante filtrée est transmise par un guide d'onde 102 de sortie à la fibre 110 de sortie ; dans le cas de la figure 6, l'extrémité du guide 102 est dopée pour former le collimateur 11 de sortie. Le filtre 3 figure 1 s'étend selon une symétrie par rapport à son plan 12 médian : il comporte, de part et d'autre de ce plan, un substrat 13 recouvert d'une couche mince 14 dans l'épaisseur de laquelle ont été formés, par implantation ionique, des motifs dopés 15,16 formant un réseau résonnant. Ce réseau comporte d'une part une pluralité de premiers motifs 15, de forme cylindrique selon des axes parallèles à la normale 8 à la face externe supérieure 9 et à la face externe inférieure 17 du composant 3, et de section transversale (ou contour) circulaire ; le réseau comporte d'autre part une pluralité de deuxième motifs 16 de forme également cylindrique et parallèle à la normale 8 au plan 12. Les motifs 15 sont de forme et de dimension identiques et sont régulièrement espacés selon deux directions orthogonales perpendiculaires à la normale 8 pour former un premier maillage carré. Les motifs 16 sont également de forme et de dimension identiques et sont espacés selon lesdites directions orthogonales perpendiculaires à la normale 8 pour former un deuxième maillage carré, qui est imbriqué avec le premier maillage carré. Les motifs 15,16 forment ainsi un réseau bipériodique à deux dimensions qui s'étend à l'intérieur de la couche 14. A cet effet, les pas longitudinaux 21 et transversaux 18 des deux maillages sont identiques, mais le diamètre 19,20 et/ou la hauteur respective des motifs 15,16 est (sont) différent (s). Le composant 3 comporte ainsi deux réseaux identiques respectivement prévus sur sa face supérieure 9 externe et sur sa face inférieure 17 externe, de façon à former un filtre passe-bande en transmission ; la fréquence (la longueur d'onde) centrale de ce filtre se calcule par les méthodes habituelles en la matière, en fonction des caractéristiques optiques et géométriques des motifs 15,16 et de la couche 14 dans laquelle ces motifs sont formés ; cette couche constitue un guide d'ondes doté de ses propres fréquences (temporelle et spatiale) de résonance. Selon la variante de réalisation illustrée figure 2, le filtre 4 passebande en réflexion peut être constitué par plusieurs structures résonantes empilées selon l'axe 8 (d'incidence normale) qui est perpendiculaire aux faces des couches : ce filtre comporte un substrat 13 recouvert d'une couche mince 14 dans l'épaisseur de laquelle est implanté un premier réseau résonant ; une couche 22 formant un substrat (ou écarteur spacer ) recouvre la couche 14 et est ellemême revêtue d'une couche mince 23 comportant un deuxième réseau résonant ; une couche 24 similaire à la couche 22 recouvre la couche 23 et est revêtue d'une couche mince 25 comportant un troisième réseau résonant. Par référence à la figure 5, les faces latérales (ou flancs) 36, 37 du motif 38 d'un réseau formé sous la surface 9 de la couche mince 40, sont inclinées, par rapport à une normale 8a à la surface 9, d'un angle 41. Dans le cas d'un démultiplexeur 2 utilisant des filtres 4 réfléchissants (figure 6), les filtres peuvent être alignés selon l'axe 50, leurs plans 12a respectifs étant disposés parallèlement les uns aux autres et régulièrement espacés d'un pas 51. Dans le démultiplexeur 1 illustré figure 3, les filtres transmetteurs 3 s'étendent dans deux plans 12b, 12c parallèles et sont régulièrement espacés d'un pas 52. Par référence à la figure 4, le réseau 60 comporte une pluralité de mailles carrées 61 de largeur 62 qui sont disposées côte à côte et s'étendent selon deux directions orthogonales contenues dans le plan de la figure. Dans chaque maille sont prévus quatre motifs dopés délimités par des contours de section carrée : - deux premiers motifs 631, 632 dont la section carrée a un côté de largeur 64, - un second motif 65 dont la section carrée a un côté de largeur 66, - un troisième motif 67 dont la section carrée a un côté de largeur 68, les valeurs desdites largeurs étant différentes tout en étant voisines. Les motifs 63, sont régulièrement espacés d'un pas dont la valeur est égale à la largeur 62 de la maille ; les motifs 632 sont également espacés entre eux du même pas, ainsi que les motifs 65 entre eux d'une part et de même que les motifs 67 entre eux d'autre part. Les quatre motifs dopés de chaque maille sont disposés de façon à ce que leurs centres respectifs soient disposés au sommet d'un carré dont le côté 70 correspond à la moitié du côté 62 de la maille 61. REVENDICATIONS 1. Composant optique (3,4) comportant au moins une couche (14,23, 25,29, 30,40) mince déposée sur un substrat (13,28), caractérisé en ce qu'il comporte au moins une structure ou un réseau résonant (e) pluripériodique comportant une pluralité de motifs (15,16, 31,32, 38,63, 65,67) ou régions dopé (e) s régulièrement espacé (e) s selon deux directions, de façon à former un filtre passebande sous incidence proche de la normale aux couches minces. 2. Composant selon la revendication 1, dans lequel la structure ou réseau (60) résonant (e) comporte : - une pluralité de premiers motifs ou régions (15) dopé (e) s ayant une première configuration ionique commune à tous lesdits premiers motifs ou régions, - une pluralité de deuxièmes motifs ou régions (16) dopé (e) s ayant une deuxième configuration ionique commune à tous lesdits deuxièmes motifs ou régions, ladite deuxième configuration ionique étant différente de ladite première configuration ionique. 3. Composant selon la revendication 1 ou 2, qui comporte : - un premier réseau (15,16, 31,32, 38) résonant pluripériodique implanté dans au moins une première couche mince, - un deuxième réseau résonant pluripériodique implanté dans au moins une deuxième couche mince, - au moins une troisième couche mince formant une première région de couplage et découplage associée au premier réseau. 4. Composant selon la revendication 3, qui comporte en outre : - au moins une quatrième couche mince formant une deuxième région de couplage et découplage associée au deuxième réseau, - au moins une couche épaisse formant ledit substrat. 5. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 qui comporte deux structures ou réseaux résonants disposés symétriquement par rapport au plan (12,12b, 12c) médian du composant, de façon à former un filtre (3) passe-bande en transmission. 6. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel lesdits motifs ou régions ont une section sensiblement circulaire ou carrée. 7. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les motifs ou régions du réseau sont implantés dans une couche mince externe dont l'indice est inférieur à celui de la couche supportant ladite couche mince externe. 8. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dont la structure résonante comporte un réseau de motifs (38) dont les profils transversaux d'indice (36,37) sont inclinés. 9. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, qui comporte au moins trois réseaux résonants prévus dans trois couches minces (14,23, 25) superposées, qui comporte moins de dix couches minces, et dont la bande passante est centrée sur une longueur d'onde voisine de 1,5 micron. 10. Multiplexer ou démultiplexeur (1,2) optique à division de longueur d'onde, qui comporte une pluralité de composants, en particulier de 8 ou 16 à 256 composants (3,4) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, de préférence dans lequel lesdits composants (3,4) sont mécaniquement solidaires les uns des autres, dont les longueurs d'onde centrale respectives sont de préférence différentes, et s'étendent sensiblement parallèlement les uns aux autres, et qui comporte en outre un moyen de collimation (11) associé à chaque composant (3,4), et le cas échéant un moyen de collimation (5) ou guide d'onde adapté pour le couplage optique du multiplexer ou démultiplexeur avec l'embout d'une fibre (6) optique. 11. Procédé de fabrication d'un composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel on dépose de 1 à 10 couches minces sur un substrat, et dans lequel on implante un réseau sur une couche mince par un faisceau d'ions délivré par un implanteur ionique.