Brevet FR2831277A1 — publié le 20030425

PROCEDE DE FABRICATION D'UN DISPOSITIF OPTIQUE PAR ECHANGE D'IONS DANS UN SUBSTRAT Domaine technique La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif optique par échange d'ions dans un substrat. Elle concerne plus précisément la fabrication de réseaux de diffraction, tels que des réseaux de Bragg, la fabrication de lentilles ou microlentilles, et celle de miroirs, associés ou non à des guides optiques. L'invention trouve des applications de façon générale dans les domaines de l'optique intégrée, et en particulier dans la réalisation de multiplexeurs optiques, de filtres optiques, de miroirs laser, ou de façon plus générale à des composants destinés à la télécommunication par voie optique. Etat de la technique antérieure Les documents (1), (2) et (3) dont les références sont précisées à la fin de la description, décrivent des techniques connues pour la fabrication de composants par diffusion d'ions dans un substrat optique. Il est connu en effet de réaliser des composants dans des substrats optiques, tels que du verre, par exemple, en y introduisant des ions. Les ions sont utilisés pour modifier localement les propriétés optiques du substrat et donc affecter la propagation d'une lumière dans celui-ci. A titre d'exemple, il est possible de réaliser dans le substrat un guide optique ou guide d'onde. Celui-ci peut être un guide"à confinement latéral, sous la forme d'un ruban, ou un guide"planaire". Un guide"planaire"est formé par une couche qui s'étend sur tout ou partie du substrat. Le document (1) décrit un procédé destiné à "enterrer"un guide d'onde préalablement formé à la surface d'un substrat. Le procédé consiste à mettre en contact des faces opposées du substrat avec des bains ioniques, et à faire migrer le guide optique superficiel vers l'intérieur du substrat. Ceci a lieu en appliquant une différence de potentiel entre les bains en contact avec les faces opposées. Le document (2) concerne la fabrication d'un guide à indice de réfraction modulé périodiquement. Il propose de former à la surface d'une plaquette de verre un masque et de faire diffuser des ions dans la plaquette en utilisant le masque comme masque de diffusion. Lors de la mise en oeuvre de ce procédé, notamment avec des motifs de masque très petits, par exemple le motif d'un réseau à pas serré, on observe une migration non contrôlable d'ions qui tend à réduire, voire à effacer le motif de modulation périodique. On peut se référer à ce sujet au document (3). 1 Exposé de l'invention La présente invention a pour but de proposer un procédé de fabrication d'un dispositif optique, par échange d'ions dans un substrat, qui ne présente pas l'inconvénient d'un émoussement du motif de diffusion sous l'effet d'une migration non contrôlée des ions. Un but est également de proposer un procédé permettant de former un motif, par exemple un réseau, avec une modulation de concentration d'ions importante voire même de l'ordre de 100%, ce qui correspond à une forte modulation d'indice de réfraction. Un but est enfin de contrôler avec précision la forme et la profondeur d'un motif ionique formé dans un substrat. Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif optique dans un substrat optique contenant dans une région du substrat, au moins une première espèce ionique (A). Le procédé comprend : - a) la fabrication sur une première face du substrat d'un masque de diffusion présentant au moins une ouverture au-dessus de ladite région, et - b) la diffusion d'une deuxième espèce ionique dans le substrat par mise en contact de la première face du substrat avec un milieu contenant la deuxième espèce ionique. Conformément à l'invention, on met également en contact avec un milieu contenant une troisième espèce ionique une deuxième face du substrat opposée à la première face, et on applique un champ électrique entre les milieux respectivement en contact avec les première et deuxième faces. Selon une mise en oeuvre avantageuse de l'invention, on peut fabriquer un masque dans lequel la ou les ouvertures du masque présentent respectivement au moins une dimension supérieure à-do--L et de 10 2 préférence supérieure à-d--'-, di étant - * \ / l'épaisseur de la région contenant la première espèce et d2 étant la profondeur à laquelle est enterrée la première espèce ionique de ladite région avant l'application du champ, par rapport à la première face du substrat. On entend par ouverture du masque, un motif du masque apte à permettre la diffusion de la deuxième espèce ionique. La deuxième espèce et la troisième espèce peuvent être identiques ou différentes. On entend par dispositif optique un composant optique, ou une partie seulement d'un composant optique. Les dispositifs optiques sont susceptibles d'êtres combinés entre eux et intégrés dans un substrat optique commun. Le substrat optique est, par exemple, une plaquette de verre ou un substrat de cristal. Il peut être monolithique ou multicouche. Les inventeurs ont découvert que lorsqu'une des dimensions des ouvertures du masque est telle qu'indiquée, ci-dessus, l'application du champ électrique induit des lignes de courant divergentes au voisinage des ouvertures du masque, dans la région contenant la première espèce ionique. Dans le cas d'un masque à au moins deux ouvertures, les lignes de courant sont divergentes au voisinage des ouvertures et convergentes entre lesdites ouvertures dans la région contenant la première espèce. Cet effet de convergence renforce ainsi l'effet de forte modulation. Cet effet de convergence est d'autant plus important que la distance entre les deux ouvertures est grande par rapport à d2--) eut par exemple \ / supérieure à 10 (d2-2) et de préférence supérieure à 10 2 5 2 J 5 2 Ainsi, le fait d'appliquer un champ électrique pendant la diffusion des ions de la deuxième espèce permet non seulement de respecter le motif de diffusion imposé par le masque, mais aussi de concentrer les ions de la première espèce ionique dans les régions sous les parties masquées. Dans le cas de la formation de réseaux, cette caractéristique permet d'obtenir une modulation forte, en dépit d'un pas de réseau serré. Préalablement à l'étape a), le procédé peut comporter une diffusion dans le substrat de la première espèce ionique (A) avec une concentration suffisante pour former au moins la région de fabrication du dispositif optique. Cette région peut être, par exemple, une lentille, un guide optique,... etc. Le guide optique peut être de type planaire, c'est-à-dire sous la forme d'une couche s'étendant sur tout ou partie de la surface du substrat ou de type à confinement latéral. La diffusion peut aussi avoir lieu selon un masque de diffusion qui délimite l'extension du guide optique. Le masque permet alors de réaliser un guide"à confinement latéral"sous la forme d'un ruban. Lorsque la région contenant la première espèce est obtenue par échange d'ions, le substrat comporte initialement une quatrième espèce ionique qui peut être la même que la deuxième espèce. Le masque formé lors de l'étape a) du procédé peut être un masque mécanique réalisé selon des techniques usuelles de lithographie et éventuellement de gravure. Il s'agit, par exemple, d'un masque diélectrique ou conducteur, mis en forme par gravure, ou d'un masque de résine mis en forme par insolation puis révélation. Le masque formé à l'étape a) du procédé peut aussi être un masque ionique diffusé dans le substrat optique ou dans une couche superficielle additionnelle. La formation d'un masque ionique comprend, par exemple, la réalisation sur le substrat d'un masque de diffusion préliminaire présentant un motif complémentaire au motif souhaité pour le masque ionique, et la diffusion dans le substrat d'une cinquième espèce ionique (C) présentant de préférence une mobilité inférieure à une mobilité des première et deuxième espèces ioniques. La plus faible mobilité des ions du masque ionique permet d'éviter que les ions du masque n'interfèrent dans les processus de diffusion et d'échange des ions des première et deuxième espèces. Dans des applications particulières de l'invention, le masque fabriqué lors de l'étape a) peut présenter un motif régulier ou non, périodique ou non, un motif de réseau de Bragg, ou tout autre motif, tel qu'un motif de lentille par exemple. Le choix particulier des paramètres de réseau permet également de constituer un miroir pour des longueurs d'onde déterminées. On entend par motif de lentille un motif de diffusion'ionique susceptible de former dans le substrat optique une région présentant des propriétés optiques comparables à celles d'une lentille. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Brève description des figures La figure 1 est une coupe schématique longitudinale d'un substrat optique et illustre la formation d'un guide optique. La figure 2 est une coupe schématique longitudinale du substrat de la figure 1 et illustre la fabrication d'un masque de diffusion. La figure 3 est une coupe schématique longitudinale du substrat de la figure 2 et illustre la réalisation d'un réseau optique. La figure 4 est une vue schématique en perspective semi-transparente du dispositif de la figure 2, juste au début la réalisation du réseau. La figure 5 est une vue schématique de dessus à plus grande échelle d'un substrat comparable au substrat de la figure 2. La figure 6 est une coupe schématique d'un substrat optique et illustre la formation d'un masque ionique à la surface de ce substrat. La figure 7 est une coupe schématique du substrat de la figure 6 et illustre la formation d'un guide optique. La figure 8 est une coupe schématique du substrat de la figure 7 et illustre la formation d'un réseau. Les figures 9,10 et 11 illustrent des motifs particuliers de réseaux monodimensionnels. La figure 12 illustre un motif particulier de réseau bidimensionnel. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention. Dans la description qui suit, des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures sont repérées par les mêmes signes de référence pour faciliter le report entre les figures. Par ailleurs, et dans un souci de clarté des figures, tous les éléments ne sont pas représentés selon une échelle uniforme. La référence 10 sur la figure 1 indique un substrat optique, par exemple sous la forme d'une plaque de verre. Dans le cas où la région contenant la première espèce est obtenue par échange d'ions, le substrat 10 contient initialement une espèce ionique qui peut être l'espèce ionique B. Pour des raisons de simplification de la description les espèces ioniques intervenant dans le procédé décrit sont simplement indiquées par les lettres A et B. A et B désignent des espèces ioniques susceptibles de faire'l'objet d'un échange d'ions mutuel. En d'autres termes, l'espèce A a tendance à diffuser vers un milieu contenant l'espèce B, et réciproquement. La mise en oeuvre de l'invention peut faire appel à différents couples d'espèces ioniques A/B tels que, par exemple, Ag+/Na+ et Tf/K+. L'espèce ionique A est notamment choisie dans cet exemple pour créer une zone de plus grand indice optique susceptible de constituer un guide d'onde. Une première face du substrat 12 est mise en contact avec un bain 20 contenant une espèce ionique A, par exemple sous forme de sels fondus. L'espèce ionique A, encore désignée par "première espèce ionique Il diffuse dans le substrat. La diffusion peut éventuellement être assistée par un traitement thermique, par exemple, à une température de l'ordre de 350 C. Lors de la diffusion, des ions de l'espèce A pénètrent dans le substrat et des ions de l'espèce B en sont chassés. Il se forme sous la première face 12 du substrat 10 une région riche en ions de l'espèce A. Cette région, plus ou moins enterrée, constitue un guide d'onde 14. Le guide d'onde 14 peut s'étendre sur l'ensemble de la première face (guide planaire) ou être limité par un masque de diffusion. Un tel masque de diffusion n'est pas visible sur la figure car situé à l'extérieur du plan de coupe. Le guide d'onde 14 peut éventuellement subir ultérieurement, ou pendant la diffusion, un champ électrique pour le faire migrer. Il peut aussi subir un traitement thermique pour favoriser la diffusion des ions de l'espèce A. La figure 2 illustre une étape de formation, sur la première face du substrat, d'un autre masque 24 de diffusion. (Cette étape correspond à l'étape a) du procédé. ) Dans l'exemple illustré, le masque de diffusion 24 est formé par dépôt d'une couche de masque puis par la mise en forme de la couche de masque par lithographie et gravure. Le masque 24 est réalisé par exemple en un matériau diélectrique tel que de la silice ou de l'alumine, ou en un matériau métallique tel que de l'aluminium, de l'or, du titane ou du chrome, par exemple. La figure 2 indique également les paramètres de profondeur dl et d2, une dimension D des motifs du masque, une dimension d des ouvertures et une période A=D+d dans le cas d'un masque périodique régulier. La figure 3 montre la formation d'un réseau coïncidant avec une partie du guide d'onde 14 précédemment réalisé. La première face 12, mais aussi une deuxième face 16 du substrat, opposée à la première face 12, sont mises en contact avec des bains contenant respectivement une deuxième et une troisième espèces ioniques. A titre d'exemple, on peut utiliser des bains contenant comme deuxième et troisième espèces ioniques, une espèce ionique B du même couple ionique A/B, c'est-à-dire l'espèce ionique B initialement présente dans le substrat. Bien entendu, les bains peuvent contenir une espèce ionique différente de celle présente initialement dans le substrat. Les bains en contact avec les première et deuxième faces du substrat sont repérés avec les références 22 et 26, respectivement. Ceci n'exclut pas l'immersion du substrat dans un seul et même bain contenant l'espèce ionique B. La mise en contact des faces 12,16 avec les bains 22,26 peut avoir lieu par immersion ou par simple mouillage. Bien entendu, tout matériau permettant la diffusion d'ions dans le substrat peut être utilisé. La mise en contact de la première face 12 avec le bain 22, provoque une nouvelle diffusion d'ions de l'espèce B dans le substrat. Cette diffusion n'est toutefois pas une diffusion libre (i. e. sans champ) comme la diffusion des ions de l'espèce A évoquée en référence à la figure 1. En effet, comme le montre la figure 3, un champ électrique est appliqué entre les bains 22 et 26 respectivement en contact avec les première et deuxième faces 12 et 16 du substrat. L'application du champ est symbolisée par un générateur de tension 30 dont les bornes sont trempées dans les bains respectifs. De façon avantageuse, le potentiel du bain 22 est supérieur au potentiel du bain 26. Le champ est polarisé en fonction du caractère anionique ou cationique des espèces ioniques à diffuser, de façon à favoriser l'échange et la pénétration des ions de l'espèce B par la première face. L'intensité de l'effet recherché par l'application du champ peut être ajustée en modifiant l'intensité du champ. A titre tout à fait indicatif, l'intensité du champ est par exemple de 1V/m. Il ne s'agit cependant pas là de l'unique fonction du champ électrique. Le champ électrique permet de réduire également la sortie des ions de l'espèce A par la première face et favorise la concentration des ions de l'espèce A sous les parties du substrat recouvertes par le masque. Le champ électrique, en partie défléchi par le masque, permet en quelque sorte aux ions de l'espèce B qui entrent par la première face de "repousser"les ions de l'espèce A dans les régions protégées par le masque. Dans les régions où aucun masque n'est formé, qui correspondent sur la figure aux régions d'extrémité, le champ électrique n'est pas défléchi, il permet simplement la concentration des ions de l'espèce A dans le guide 14 et évite leur rétro-diffusion dans le bain 22 en contact avec la première face 12. On obtient ainsi une modulation périodique de la concentration des ions de l'espèce A le long du guide 14 selon le motif du masque. Le guide présente des régions 14a avec une forte concentration d'ions de l'espèce A et des régions 14b avec une concentration faible. Dans les régions 14b, les ions de l'espèce A sont remplacés par des ions de l'espèce B. Pour obtenir une bonne modulation de concentration, on choisit les dimensions des parties 1 r \ masquées D s-telles que D > -d--L. On peut que D > - d2 - -. prendre, par exemple, dans le cas d'ouvertures infinies : - D = 5 {. Lm, - d2 = 3m, - dal = 3 jam. L'effet est renforcé si les dimensions d des ouvertures du masque sont telles que d > -d--'-. 10 2 On prendra par exemple : - D = 0, 25 Mm, - d = 0, 25 hum, - d2 = 1, 75 jam, - di = 3 hum. On peut observer en outre que sous l'effet du champ, le guide d'onde, c'est-à-dire la région où se concentrent les ions de l'espèce A, migre vers l'intérieur du substrat. Des traitements ultérieurs peuvent être éventuellement prévus pour davantage faire migrer le guide optique, pour faire rediffuser les ions etc. Il s'agit de traitements thermiques ou de traitements consistant à soumettre encore le substrat à un champ électrique dans un bain contenant des ions de l'espèce B, mais après avoir retiré le masque. Au cours de ce traitement, le masque peut éventuellement être conservé. La figure 4 montre en perspective le dispositif de la figure 2 juste au début de la mise en contact des faces du substrat 10 avec les bains ioniques 22,26, et juste au début de l'établissement du champ électrique. La figure 4 permet de mieux voir la forme en ruban du guide optique 14 préalablement formé dans le substrat 10 et la disposition du masque 24 sur la première face 12 du substrat. Dans cet exemple, le masque présente un motif répétitif régulier orienté perpendiculairement au guide 14. La figure 5, montre une variante de la disposition relative du masque 24 et du guide 14 formé dans le substrat. Les orientations de chacune de ces parties, indiquées en trait discontinu, peuvent former entre elles un angle 0 non nul. Sur le figure 5 l'emplacement du guide 14 correspond également celui d'une ouverture d'un masque de diffusion utilisé pour sa formation. Il convient de préciser à ce sujet que la formation du réseau avec le masque 24 et la formation du guide optique peuvent être chronologiquement inversées. Par ailleurs, un même masque peut servir à la formation d'un réseau commun à plusieurs guides optiques. Les figures 6 à 8 montrent une variante de mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. La figure 6 montre une étape préliminaire de formation d'un masque ionique. Cette étape comprend la formation d'un masque de diffusion 25 sur la première face 12 du substrat dont le motif est complémentaire au motif de la modulation de concentration ionique que l'on veut former dans le substrat. La première face 12 du substrat est ensuite mise en contact avec un bain 21 contenant une espèce ionique C présentant une mobilité réduite par rapport à celle des espèces A et B. Il s'agit par exemple d'ions K+. Les ions de l'espèce C diffusent superficiellement dans le substrat et y forment un masque ionique 27 dont le motif est complémentaire à celui du masque de diffusion 25. Les ions de l'espèce C du masque ionique 27 évitent, par la suite, la diffusion des ions de l'espèce B dans les régions situées sous ce masque. Une température du bain et/ou du substrat et le temps de diffusion peuvent être ajustés de sorte que les ions de l'espèce C ne diffusent qu'au voisinage des ouvertures du masque de diffusion 25. Après l'élimination du masque de diffusion 25, et éventuellement la formation d'un autre masque, non représenté, définissant l'emplacement d'un ou de plusieurs guides optiques, la première face 12 du substrat est mise en contact avec un bain 20 contenant une solution concentrée des ions de la première espèce A. Cette opération, illustrée par la figure 7, s'apparente à celle déjà décrite en référence à la figure 1. Dans une partie superficielle du substrat, éventuellement délimitée latéralement par un masque non visible et retiré par la suite, les ions de l'espèce B sont partiellement ou totalement remplacés par des ions de l'espèce A pour former le guide 14. Une rediffusion thermique (comme décrit précédemment) des ions de l'espèce A peut être provoquée pour homogénéiser le guide d'onde 14. Dans ce cas également l'ordre des étapes de formation du masque ionique 27 et de formation du guide 14, peut être inversé. La figure 8 montre une étape de formation d'un réseau par diffusion d'ions de l'espèce B sous l'application d'un champ électrique, et à travers le masque ionique 27. Lors de cette étape qui correspond à l'étape précédemment décrite en référence à la figure 3, le masque ionique 27 joue exactement le même rôle que le masque mécanique 24 des figures 2 et 3. On obtient finalement un guide modulé périodiquement en concentration de l'espèce A, avec des régions 14a et 14b alternées. La modulation périodique de la concentration des ions de l'espèce A constitue un réseau. Les propriétés de ce réseau (réflecteur, dissipateur, etc...) sont dictées par ses paramètres optogéométriques. Dans une application particulière de l'invention au domaine des télécommunications optiques, une longueur d'onde k caractéristique des signaux susceptibles d'être véhiculés par le guide optique 14 est de 1,5 Mm et l'indice de réfraction du substrat de verre est de l'ordre de 1,5. Dans ces conditions, pour former un réseau de Bragg, un réseau doit présenter une période A telle que A= pÀ/2neff où neff est l'indice effectif du guide d'onde fabriqué et p l'ordre d'utilisation prévue du réseau (ordre impair). Ceci donne, par exemple, A=O, 5 Mm environ pour p=l et A=1, 5 Mm pour p=3 Les figures 9,10 et 11 donnent à titre d'illustration plusieurs motifs qu'il est possible de retenir pour la formation d'un dispositif optique tel qu'un réseau (associé ou non à un guide optique). Les motifs représentés correspondent aux motifs de modulation des espèces ioniques du dispositif, et donc à ceux des bandes opaques des masques. La figure 9 montre un motif de réseau régulier à une dimension, de période A et de facteur de remplissage f constants (f=/A). Les bandes, de largeur f. A, correspondent à des régions recouvertes par le masque de diffusion (24 ou 27). La figure 10 montre un motif de réseau à une dimension, de période A variable et de largeur de bande f. A constante. La figure 11 montre un motif de réseau à une dimension, de période A constante et de facteur de remplissage f variable. La figure 12 montre un motif de réseau à deux dimensions, de périodes Ax et Ay et de facteurs de remplissage fx et fy constants. Le motif de la figure 12 correspond, par exemple, à la fabrication d'un dispositif optique tel qu'un réseau bidimensionnel de micro-lentilles. Les micro-lentilles sont définies par des diffusions locales d'ions, conformément au procédé décrit précédemment. Documents cités. (1) EP-B-0 728 318. (2) US-A-5 080 503 (3) Introduction to glass Integrated Optics de S. Iraj Najafi, chap. 6, Edition Artech House, Boston, London REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un dispositif optique dans un substrat optique (10) contenant dans une région du substrat au moins une première espèce ionique (A), le procédé comprenant : a) la fabrication sur une première face (12) du substrat d'un masque de diffusion (24,27) présentant au moins une ouverture au-dessus de ladite région, et b) la diffusion d'une deuxième espèce ionique dans le substrat par mise en contact de la première face du substrat avec un milieu (22) contenant la deuxième espèce ionique (B), caractérisé en ce que - on met également en contact avec le milieu contenant une troisième espèce ionique (B) une deuxième face (16) du substrat opposée à la première face, et on applique un champ électrique entre des régions dudit milieu respectivement en contact avec les première et deuxième faces. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la ou les ouvertures du masque présentent respectivement au moins une dimension supérieure à - d ?--'-et de préférence supérieure à-d--'-, 10 2 10 2 dl étant l'épaisseur de la région contenant la première espèce et d2 étant la profondeur à laquelle est enterrée la première espèce ionique de ladite région avant l'application du champ, par rapport à la première face du substrat. 3. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre, avant ou après l'étape a), une diffusion dans le substrat (10) de la première espèce ionique (A) avec une concentration suffisante pour former ladite région du substrat contenant la première espèce ionique. 4. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre, avant ou après l'étape a), une diffusion dans le substrat (10) de la première espèce ionique (A) avec une concentration suffisante pour former ladite région du substrat sous la forme d'au moins un guide optique. 5. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la diffusion de la première espèce ionique a lieu selon un masque de diffusion délimitant le guide optique. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on forme la région du substrat contenant une première espèce ionique par échange d'ions, et dans lequel le substrat contient initialement une quatrième espèce ionique. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la quatrième espèce ionique est identique à la deuxième espèce ionique. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape a) comporte la formation par lithographie d'un masque mécanique (24). 9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape a) comprend la formation d'un masque ionique (27). 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la formation du masque ionique (27) comprend la réalisation sur le substrat d'un masque de diffusion préliminaire (25) selon un motif complémentaire à un motif souhaité du masque ionique et la diffusion dans le substrat d'une cinquième espèce ionique (C). 11. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de l'étape a) on fabrique un masque selon un motif de réseau régulier. 12. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de l'étape a) on fabrique un masque selon un motif de réseau de Bragg. 13. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de l'étape a) on fabrique un masque selon un motif de lentille optique. 14. Procédé selon la revendication 1 dans lequel les première et deuxième espèces ioniques sont choisies parmi les couples Ag+/Na+ et T/K+. 15. Utilisation du Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, pour la fabrication d'un dispositif choisi parmi une lentille, et un réseau de Bragg, un miroir.