Brevet FR2815417A1 — publié le 20020419

Filtre optique, son procédé de fabrication et son utilisation pour un système multiplex --------------- La présente invention est relative à un filtre optique, à son procédé de fabrication 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 pour Wavelenght 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 multiplexeur 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 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, ladite structure et/ou ledit réseau est pluripériodique : elle (il) comporte une pluralité de premiers motifs saillants identiques, en forme de plots, qui sont 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 saillants identiques qui sont régulièrement espacés selon lesdites directions et selon ledit premier pas, qui sont disposés imbriqués avec lesdits premiers motifs saillants et qui sont de forme et/ou de dimensions différentes de celles des premiers motifs. Ainsi, lesdits premiers plots (ou motifs) forment un premier sous-réseau qui est imbriqué avec un second sous-réseau constitué par lesdits seconds plots (ou 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 le réseau pluripériodique. 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 du guide d'onde, cette inclinaison étant souhaitable pour séparer le faisceau réfléchi du faisceau incident, sans nécessiter l'usage d'une lame semi-réfléchissante 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. Le réseau de motifs peut être obtenu par gravure par un faisceau d'électrons et/ou par microlithographie (ou procédé équivalent). La réalisation d'un composant incorporant deux réseaux résonants peut être effectuée en gravant 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 une gravure 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 gravé dans une structure anti-reflet comportant au moins une couche mince. Des performances améliorées (bande étroite et réjection élevée) sont obtenues en gravant les motifs 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 circulaires et/ou dotés de faces latérales inclinées 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 Tri02, Si02, 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 1 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, tel que du verre. La gravure du réseau peut être obtenue par diverses techniques, telles que la technique de gravure sèche, de gravure humide, de gravure réactive, de gravure par faisceau ionique, le cas échéant assistée chimiquement. 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 est une vue en perspective schématique d'une ébauche de composant selon l'invention, avant sa découpe, pour former un composant de structure similaire à celle du composant illustré figure 1. La figure 5 est une vue schématique en coupe par un plan transversal aux plans des couches, qui montre un plot d'un réseau dont les flancs sont inclinés. La figure 6 est une vue en plan schématique d'un démultiplexeur à quatre voies incorporant quatre composants formant des filtres passebande en réflexion. La figure 7 illustre en vue en plan l'arrangement des plots carrés d'un réseau pluripériodique. Les figures 8 et 9 illustrent les performances d'un filtre constitué d'une couche mince déposée sur un substrat et sur laquelle est formé le réseau de la figure 7. 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 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 un capteur (tel qu'une photodiode) - non représenté - la partie 12 du faisceau incident 7 correspond à la longueur d'onde associée au canal 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. 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 une partie de l'épaisseur de laquelle ont été formés par gravure des plots 15,16 formant un réseau résonnant. Ce réseau comporte d'une part une pluralité de premiers plots 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 plots 16 de forme également cylindrique et parallèle à la normale 8 au plan 12. Les plots 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 plots 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 plots 15,16 forment ainsi un réseau bipériodique à deux dimensions qui s'étend à la surface 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 plots 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 plots 15,16 et de la couche 14 sur laquelle ces plots 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 une partie de l'épaisseur de laquelle est gravé un premier réseau résonant ; une couche 22 formant un substrat (ou écarteur spacer ) recouvre la couche 14 et est elle- même 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 4, un composant de structure similaire à celui illustré figure 1 peut être obtenu par collage ou adhésion de deux portions obtenues par découpe selon les lignes 26,27 de l'ébauche illustrée figure 4 ; cette ébauche comporte un substrat 28 recouvert de deux couches minces 29 et 30 ; dans une partie de la couche 30 (ou dans une couche la recouvrant) ont été formés une pluralité de motifs 31,32 pyramidaux de section carrée, de forme et dimension identiques ; les motifs 31 forment un premier réseau s'étendant dans la première portion 33 de l'ébauche, tandis que les motifs 32 forment un deuxième réseau (de caractéristiques identiques au premier) dans une deuxième portion 34 de l'ébauche de composant. Les deux portions 33,34 sont séparables par une coupe selon le plan défini par les lignes 26,27, et sont ensuite solidarisées par la face 35 de leur substrat 28 respectivement, pour former une structure (symétrique par rapport à cette face 35) similaire à celle du composant illustré figure 1. Par référence à la figure 5, les faces latérales (ou flancs) 36,37 du plot 38 d'un réseau formé à 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 7, 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 plots de section carrée : - deux premiers plots 631. 632 dont la section carrée a un côté de largeur 64, - un second plot 65 dont la section carrée a un côté de largeur 66, - un troisième plot 67 dont la section carrée a un côté de largeur 68, les valeurs desdites largeurs étant différentes tout en étant voisines. Les plots 63, sont régulièrement espacés d'un pas dont la valeur est égale à la largeur 62 de la maille ; les plots 632 sont également espacés entre eux du même pas, ainsi que les plots 65 entre eux d'une part et de même que les plots 67 entre eux d'autre part. Les quatre plots 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. En gravant le réseau illustré figure 7 dans une couche de Ta2 05 d'indice n= 2,023 (à 1550 nm), et en choisissant les dimensions des plots suivantes : côté 62 = 1010 nm, côté 64 = 202 nm, côté 66 = 236 nm, côté 68 = 337 nm hauteur de chaque plot = 770 nm, épaisseur de la couche subsistante de Ta2 05 = 335 nm, on a obtenu un filtre dont la courbe de réflexion en fonction de l'angle d'incidence du faisceau est illustré figure 8, et dont la courbe de réflexion en fonction de la longueur d'onde est illustrée figure 9. 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 plots (15,16, 31,32, 38,63, 65, 67) ou motifs régulièrement espacés selon deux directions, la structure ou réseau étant gravé (e) dans au moins une couche mince, de façon à former un filtre passe-bande dont la bande passante est centrée sur la longueur d'onde correspondant à la résonance de ladite structure résonante. 2. Composant selon la revendication 1, dans lequel la structure ou réseau (60) résonant (e) comporte : - une pluralité de premiers plots (15) ou motifs ayant une première forme commune à tous lesdits premiers plots ou motifs, - une pluralité de deuxièmes plots (16) ou motifs ayant une deuxième forme commune à tous lesdits deuxièmes plots ou motifs, ladite deuxième forme étant différente de ladite première forme. 3. Composant selon la revendication 1 ou 2, qui comporte : - un premier réseau (15,16, 31,32, 38) résonant pluripériodique gravé dans au moins une première couche mince, - un deuxième réseau résonant pluripériodique gravé 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 plots ou motifs ont une section sensiblement circulaire ou carrée. 7. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les plots ou motifs du réseau sont formés 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 plots (38) dont les faces (36,37) latérales sont inclinées. 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. 10. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, qui comporte moins de dix couches minces, en particulier une, deux ou trois couches minces associée (s) à chaque structure résonante, et dont la bande passante est centrée sur une longueur d'onde voisine de 1,5 micron. 11. 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 10. 12. Multiplexeur ou démultiplexeur selon la revendication 11, dans lequel lesdits composants (3,4) sont mécaniquement solidaires les uns des autres, dont les longueurs d'onde centrale respectives sont différentes, qui s'étendent sensiblement parallèlement les uns aux autres, et qui comporte en outre un collimateur (11) associé à chaque composant (3,4), et le cas échéant un collimateur (5) ou guide d'onde adapté pour le couplage optique du multiplexer ou démultiplexeur avec l'embout d'une fibre (6) optique. 13. Multiplexer ou démultiplexeur selon la revendication 11 ou 12, dans lequel lesdits composants formant des filtres en réflexion sont disposés alignés selon un axe (50) commun à tous les composants. 14. Multiplexer ou démultiplexeur selon la revendication 11 ou 12, dans lequel lesdits composants formant des filtres en transmission sont disposés selon au moins deux plans (12b, 12c) sensiblement parallèles entre eux. 15. Procédé de fabrication d'un composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel on dépose de 1 à 10 couches minces sur un substrat, et dans lequel on grave un réseau sur une couche mince par faisceau d'électrons ou par lithographie. 16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel on empile et on assemble au moins deux composants dont les réseaux sont identiques. 17. Procédé selon la revendication 15 ou 16, dans lequel on ajuste la longueur d'onde centrale du filtre par dépôt d'une couche mince sur le réseau, ou par gravure.