Brevet FR2818755A1 — publié le 20020628

Dispositif optiquement actif comportant un canal sur un substrat optique La présente invention concerne un dispositif optiquement actif comportant un canal sur un substrat optique. Le domaine de l'invention est celui de l'optique intégrée sur substrat, domaine auquel appartiennent notamment les dispositifs actifs qui assurent essentiellement une fonction d'amplification, de modulation ou de commutation d'un signal lumineux. De tels dispositifs comportent un guide d'onde actif et un élément de commande qui module une des caractéristiques de ce signal véhiculé par le guide d'onde, cette caractéristique étant généralement soit l'amplitude, soit la phase. Un tel guide comporte un coeur qui est réalisé sur le substrat, ce coeur ayant un indice de réfraction plus élevé que celui du milieu environnant. Plusieurs méthodes ont été proposées pour fabriquer le coeur du guide d'onde actif. 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. Lorsqu'il s'agit de réaliser un amplificateur, cette couche est souvent du dioxyde de silicium dopé avec une terre rare telle que l'erbium (longueur d'onde du signal de 1,55 microns) ou le néodyme (longueur d'onde du signal de 1,3 microns). Si par contre il est envisagé de produire un modulateur ou un commutateur, la couche est souvent constituée d'un matériau présentant des propriétés électro-optiques ce qui est notamment le cas de certains polymères. Cette couche peut également présenter des propriétés thermo-optiques, ce qui est par exemple le cas du dioxyde de silicium. Un masque définissant le coeur est alors appliqué sur la couche déposée au moyen d'une technique de photolithographie. Ensuite, le coeur 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 coeur. Cette couche de recouvrement dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du coeur 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 coeur. Ainsi, la gravure du dioxyde de silicium dopé à l'erbium au moyen d'un gaz réactif fluoré tel que le CHF3 produit du fluorure d'erbium, composé qui augmente sensiblement la rugosité de la surface gravée. Or l'état de surface et la géométrie du coeur conditionnent directement les pertes à la propagation du guide d'onde actif. 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. Le substrat est là aussi pourvu d'un masque et il est ensuite immergé dans un bain contenant des ions actifs, des ions d'erbium par exemple. Le coeur est ainsi réalisé par augmentation de l'indice de réfraction consécutive à l'échange des ions actifs du bain avec les ions mobiles du substrat. Puis, généralement, le coeur 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 actifs, la résolution spatiale est ici aussi sérieusement limitée. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif optiquement actif présentant une résolution spatiale convenable et un bon état de surface. Selon l'invention, ce dispositif comporte un coeur sur un substrat optique et un élément de commande, le coeur comprenant un canal et au moins une couche active agencée sur ce canal, l'indice de réfraction du canal et celui de la couche active étant supérieurs à celui du substrat. La définition géométrique du coeur dépend seulement de celle du canal car la couche active n'est pas gravée. De préférence, le dispositif comporte au moins une couche de recouvrement disposée sur la couche active, l'indice de cette couche de recouvrement étant inférieur à celui de la couche active 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 active vaut celui du substrat multiplié par un facteur supérieur à 1,001. A titre d'exemple, l'épaisseur de l'ensemble des couches actives 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. La couche active est par exemple en dioxyde de silicium dopé avec une terre rare, ou bien dans un matériau qui présente des propriétés soit électrooptiques, soit thermo-optiques, ceci selon la fonction du dispositif. L'invention vise également une méthode de fabrication d'un dispositif actif 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, - dépôt d'au moins une couche active sur le substrat, l'indice de réfraction de cette couche active 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, - dépôt d'au moins une couche active sur le substrat, l'indice de réfraction de cette couche active 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 dispositif 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 en coupe d'un coeur de guide d'onde actif, - la figure 2, la fabrication du coeur selon une première variante, - la figure 3, la fabrication du coeur selon une deuxième variante, et - la figure 4, un ensemble de dispositifs actifs vus de dessus. Dans un premier temps, afin de simplifier la présentation de l'invention, seule la réalisation du coeur du guide d'onde actif sera exposée. En référence à la figure 1 a, 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 active 13. L'indice de réfraction du canal est naturellement plus élevé que celui du dioxyde de silicium. La couche active de 5 microns d'épaisseur, par exemple, est en dioxyde de silicium dopé à l'erbium 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 active 13. Cette couche de recouvrement, de 5 microns d'épaisseur également, a un indice inférieur à celui de la couche active et à celui du canal ; dans le cas présent elle est en dioxyde de silicium non dopé. Le coeur formé par l'association du canal 12 et de la couche active 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 1b, lorsque l'indice de réfraction du canal est relativement faible, 1,56 par exemple, le mode de propagation étendu GM s'étend largement dans la couche active 13. La largeur du canal, 7,5 microns par exemple, et l'épaisseur de cette couche active 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 active 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 lc, il faut noter que le coeur peut également supporter un mode de propagation réduit PM qui s'étend beaucoup moins dans la couche active 13. 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 active et inférieur à celui du canal. Le confinement latéral du mode réduit PM est très important. La technique de l'implantation ionique a été retenue car elle permet de définir précisément un canal de très faible épaisseur, de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. Par ailleurs, cette technique bénéficie maintenant d'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 1016/cm2 17 2-4 respectivement 10/cm, la précision sur l'indice de réfraction atteint 10 3 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 coeur 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 coeur. Le recuit permet notamment d'éliminer les défauts de la structure cristalline et les centres colorés absorbants, de stabiliser les nouveaux composés chimiques et de restituer la stoechiométrie du canal. A titre d'exemple, la température est comprise entre 400 et 500"C, 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 active 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 active 18. On remarque que cette première méthode présente l'avantage de définir un guide d'onde actif dont la structure est parfaitement plane puisqu'elle ne comprend pas d'étape de gravure. En référence à la figure 3a, une deuxième méthode de fabrication du coeur 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. En référence à la figure 3d, le masque est retiré puis le substrat est ici aussi soumis à un recuit. La couche active 22 et éventuellement la couche de recouvrement 23 sont alors déposées conformément à la première méthode. Selon cette deuxième méthode, les inconvénients liés à la gravure sont considérablement limités car le canal présente une faible épaisseur. Il convient maintenant d'exposer comment l'invention permet de réaliser des dispositifs optiquement actifs. En référence à la figure 4a, un amplificateur comporte un premier canal rectiligne 31 qui, associé à la couche active, constitue le coeur du guide d'onde actif. L'élément de commande prend ici la forme d'un deuxième canal 32 incurvé présentant une section de couplage 33 rectiligne disposée à proximité immédiate du premier canal 31 et parallèle à celui-ci. Le second canal 32 est prévu pour véhiculer un signal de pompage optique. Il est réalisé en même temps que le premier canal au moyen du masque qui définit de fait les deux canaux. En référence à la figure 4b, un modulateur consiste en un interféromètre dit de"Mach Zehnder". Le masque délimite maintenant un guide 34 qui se subdivise en un premier 35 et un second 36 canaux, ces deux canaux se rejoignant pour reformer un guide unique. Une section du second canal 36 est ceinte d'une paire d'électrodes 37 longilignes dont les connexions ne sont pas représentées dans la figure. Ces électrodes sont par exemple déposées au moyen d'une technologie couches minces sur la couche active. Cette couche est ici en un matériau pourvu de propriétés électo-optiques, c'est à dire un matériau dont l'indice de réfraction est fonction d'un champ électrique qui lui est appliqué. L'élément de commande consiste dans la combinaison du second canal 36 et de la paire d'électrodes 37. En référence à la figure 4c, un commutateur consiste en un coupleur comportant un premier 38 et un second 39 canaux parallèles qui se rapprochent dans une section de couplage pour s'éloigner à nouveau. Ces deux canaux réalisés avec un même masque sont revêtus de la couche active. A titre d'exemple, cette couche est en un matériau pourvu de propriétés thermooptiques, c'est à dire un matériau dont l'indice de réfraction est fonction de la température. Au niveau de la section de couplage, au dessus du second canal 39, une électrode 40 est déposée sur la couche active, électrode dont la fonction est le chauffage local de cette couche. L'électrode 40 constitue l'élément de commande. 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) Dispositif optiquement actif comportant un coeur sur un substrat optique (11,15, 20) et un élément de commande (32-33,37, 40), caractérisé en ce que ledit coeur comprend un canal (12,17, 25,31, 35-36,38- 39) et au moins une couche active (13,18, 22) agencée sur ledit canal, l'indice de réfraction de ce canal et celui de la couche active étant supérieurs à celui du substrat. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche de recouvrement (14,19, 23) disposée sur ladite couche active (13,18, 22), l'indice de cette couche de recouvrement étant inférieur à celui de la couche active et à celui du canal (12,17, 25,31, 35-36,38-39). 3) Dispositif 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) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit canal (25) fait saillie sur ledit substrat (20). 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'indice de ladite couche active (13,18, 22) vaut celui du substrat (11,15, 20) multiplié par un facteur supérieur à 1,001. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'ensemble des couches actives (13,18, 22) est comprise entre 1 et 20 microns. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit canal (12,17, 25,31, 35-36,38-39) résulte d'une implantation ionique dans ledit substrat (11,15, 20). 8) Dispositif 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) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche active (13,18, 22) est en dioxyde de silicium dopé avec une terre rare. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche active (13,18, 22) présente des propriétés électro-optiques. 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche active (13,18, 22) présente des propriétés thermo-optiques. 12) Méthode de fabrication d'un dispositif actif sur un substrat optique comprenant une étape de réalisation d'au moins un élément de commande (32- 33,37, 40), caractérisée en ce qu'elle comprend de plus 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, - dépôt d'au moins une couche active (18) sur le substrat, l'indice de réfraction de cette couche active étant supérieur à celui du substrat. 13) Méthode de fabrication d'un dispositif actif sur un substrat optique comprenant une étape de réalisation d'au moins un élément de commande (32- 33,37, 40), caractérisée en ce qu'elle comprend de plus 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, - dépôt d'au moins une couche active (22) sur le substrat, l'indice de réfraction de cette couche active étant supérieur à celui du substrat. 14) Méthode selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisée en ce qu'elle comprend une étape de recuit du substrat (15,20) qui fait suite à l'étape d'implantation ionique. 15) Méthode selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisée en ce qu'elle comprend une étape de dépôt d'une couche de recouvrement (19,23) sur ladite couche active (18,22), l'indice de cette couche de recouvrement étant inférieur à celui de la couche active et à celui du canal (17,25). 16) Méthode selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisée en ce que l'indice de ladite couche active (18,22) vaut celui du substrat (15,20) multiplié par un facteur supérieur à 1,001. 17) Méthode selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisée en ce que l'épaisseur de l'ensemble des couches actives (18,22) est comprise entre 1 et 20 microns. 18) Méthode selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisée en ce que la face (15, 20) du substrat sur laquelle est réalisée l'implantation ionique est en dioxyde de silicium. 19) Méthode selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisée en ce que le matériau de ladite couche active (18,22) est du dioxyde de silicium dopé avec une terre rare. 20) Méthode selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisée en ce que le matériau de ladite couche active (18,22) présente des propriétés électro-optiques. 21) Méthode selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisée en ce que le matériau de ladite couche active (18,22) présente des propriétés thermo-optiques.