Brevet FR2831282A1 — publié le 20030425

DISPOSITIF OPTIQUE À STRUCTURE INTÉGRÉE DE TRANSMISSION D'UNE ONDE OPTIQUE La présente invention concerne le domaine des dispositifs optiques à structure optique intégrée de transmission d'une onde optique. Le document WO 00 044 16 décrit un dispositif semiconducteur optique qui comprend, dans une couche, une région présentant une nervure de façon à constituer un guide optique ainsi que des organes résistifs de chauffage permettant de chauffer ladite région afin de faire varier les caractéristiques optiques de ce guide d'ondes. Le document WO 00/58 776 décrit un dispositif semiconducteur optique qui comprend une région présentant une nervure de façon à constituer un guide d'ondes optiques et, de part et d'autre de cette région des parties permettant de faire varier le nombre de porteurs de charge électrique dans cette région de façon à faire varier les caractéristiques optiques du guide d'ondes. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif optique à structure optique intégrée permettant d'agir sur une onde optique transmise de façon beaucoup plus avantageuse. Le dispositif optique à structure optique intégrée de transmission d'une onde optique selon l'invention comprend au moins une partie principale dans laquelle est intégré au moins un coeur de transmission optique de façon à constituer au moins un guide optique et au moins une partie secondaire présentant une surface interne longeant à distance au moins une partie de la surface périphérique dudit coeur de transmission. Selon l'invention, ladite surface interne de ladite partie secondaire est placée à une distance de la surface périphérique dudit coeur de transmission telle que l'onde optique circulant dans ledit guide optique atteint ladite surface interne de ladite partie secondaire ; ladite partie secondaire présente au moins une partie auxiliaire adjacente ou voisine de ladite surface et dont au moins une propriété optique est modulable ; et, en outre, des moyens commandables sont adaptés pour agir sur ladite partie auxiliaire de façon à moduler sa propriété optique précitée afin de modifier au moins une caractéristique de l'onde optique transmise, en particulier sa phase, lors de son passage devant ladite partie auxiliaire. Selon une variante de l'invention, ladite partie auxiliaire de ladite partie secondaire constitue au moins une partie d'une couche de ladite structure. Selon une autre variante de l'invention, ladite partie auxiliaire de ladite partie secondaire constitue au moins une paroi s'étendant latéralement audit coeur de transmission. Selon une variante de l'invention, ladite partie auxiliaire de ladite partie secondaire est en une matière dont la propriété optique précitée est modulable par des moyens commandables électriques, lumineux ou thermiques. Selon une variante de l'invention, ladite partie auxiliaire de ladite partie secondaire est en une matière dans laquelle des porteurs de charges électriques peuvent être introduits on injectés sous l'effet de moyens commandables électriques, lumineux ou thermiques. Selon une autre variante de l'invention, ladite partie auxiliaire de ladite partie secondaire est en une matière dont les contraintes sont susceptibles de varier sous l'effet de moyens commandables électriques, lumineux ou thermiques. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de dispositifs optiques à structure optique intégrée de transmission d'une onde optique, décrits à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin sur lequel : - la figure 1 représente une coupe transversale d'un premier dispositif optique à structure intégrée selon la présente invention ; - la figure 2 représente une coupe longitudinale partielle du dispositif optique de la figure 1 ; - la figure 3 représente un diagramme de la phase de l'onde optique circulant dans le dispositif optique des figures 1 et 2, en deux endroits de ce dernier ; - la figure 4 représente une coupe transversale d'un second dispositif optique à structure optique intégrée selon la présente invention ; - la figure 5 représente une coupe longitudinale partielle du dispositif optique de la figure 4 ; - la figure 6 représente un diagramme de la phase de l'onde optique transmise par le dispositif optique des figures 4 et 5, en deux endroits longitudinaux de ce dernier ; - la figure 7 représente une coupe transversale d'un troisième dispositif optique à structure optique intégrée selon la présente invention ; - la figure 8 représente une coupe longitudinale partielle du dispositif optique de la figure 7 ; - la figure 9 représente une coupe transversale d'un quatrième dispositif optique à structure optique intégrée selon la présente invention ; - et la figure 10 représente une coupe transversale d'un quatrième dispositif optique à structure optique intégrée selon la présente invention. En se reportant aux figures 1 et 2, on voit qu'on a représenté une structure optique intégrée 1 qui comprend une partie principale avant 2 et une partie secondaire arrière 3. La partie secondaire 3 comprend une couche de base 4 en un matériau tel que du silicium. La partie principale 2, qui est formée sur la surface 5 de la couche 4 de la partie secondaire 3, comprend une couche 6, par exemple en silice non dopée, dans laquelle est intégré longitudinalement un coeur longitudinal 7a de transmission optique de section carrée ou rectangulaire, par exemple en silice dopée, de façon à constituer un micro-guide d'onde optique 7. Comme on le voit sur la figure 2, une courbe 8 en forme de cloche représente l'amplitude d'une onde optique transportée par le micro-guide optique 7, dont la partie d'amplitude maximum se situe dans la zone du coeur de transmission optique 7a. La distance e séparant la surface interne avant 5 de la couche 4 de la partie secondaire 3, sur laquelle est formée la partie principale 2 et la face arrière du coeur de transmission optique 7a est telle que l'onde optique circulant dans le micro-guide optique 7 telle que représentée par la courbe 8 atteint cette surface interne 5. De part et d'autre de la projection du coeur de transmission optique 7a sur la surface 5 de la partie secondaire 3 et en vis-à-vis, la couche de base 4 constituant cette partie présente une région longitudinale 9 dopée, par exemple à l'arsenic, de façon à constituer une région n+, et une région longitudinale 10, par exemple dopée au bore, de façon à constituer une région p+, ces régions 9 et 10 étant adjacentes à la surface interne 5 et présentant une distance d les séparant et une longueur 1. Dans la couche de base 4 est ainsi formé un dispositif bipolaire 4a du type diode. La couche 6 de la partie principale 2 présente, au-dessus des régions longitudinales 9 et 10, des puits ou évidements 11 et 12 dans lesquels est déposé un matériau conducteur de l'électricité de façon à constituer des métallisations de connexion électrique 13 et 14. Ces métallisations 13 et 14 sont reliées électriquement à un circuit 15 d'alimentation en énergie électrique et de contrôle. Les régions longitudinales 9 et 10 déterminent entre elles une partie auxiliaire 16 de la couche 4 de la partie secondaire 3, adjacente ou voisine de la surface interne 5, qui longe à distance le coeur longitudinal de transmission 7a. En l'absence d'alimentation du système bipolaire 4a, la partie auxiliaire 16 comporte une densité de porteurs de charges électriques dont la valeur dépend sensiblement du dopage du matériau constituant la couche de base 4. Il en résulte que, lorsque les régions longitudinales 9 et 10 ne sont pas alimentées en énergie électrique, la propagation de l'onde optique transportée par le micro-guide optique 7 n'est sensiblement pas affectée par la présence du système bipolaire 4a lors de son passage devant la partie auxiliaire 16 de la partie secondaire 3. En présence d'une alimentation du système bipolaire 4a, la densité de porteurs de charges électriques dans la partie auxiliaire 16 est modifiée. Il en résulte que, lorsque les régions longitudinales 9 et 10 sont alimentées en énergie électrique par le circuit 15, les propriétés optiques, en particulier l'indice de réfraction, de la partie auxiliaire 16 de la partie secondaire 3 sont modifiées. Cette modification ou variation est fonction de la quantité de porteurs de charges électriques qu'elle contient et donc de la valeur de l'énergie électrique délivrée au système bipolaire 4a par le circuit 15. La modification des propriétés optiques de la partie auxiliaire 16 de la partie secondaire 3, distante du coeur de transmission 7a, engendre une modification des caractéristiques de l'onde optique, en particulier de sa phase, lors de son passage devant cette partie auxiliaire 16. Plus particulièrement, comme on le voit sur le diagramme 17 de la figure 3, la phase d'une onde optique prise après son passage devant la région auxiliaire 16, en fonction de l'écart par rapport au plan médian du micro-guide optique 7 perpendiculaire à la surface interne 5 et dans le cas d'une polarisation d'une onde optique en mode TE, passe d'une courbe légèrement arquée 18 à une courbe légèrement arquée 19 décalée. Dans un exemple de réalisation, le coeur de transmission optique 7a peut présenter une épaisseur d'environ 4,5 microns et une largeur d'environ 6,5 microns, la distance e séparant la partie auxiliaire 16 et le coeur de transmission 7a peut être égale à environ 12 microns, la largeur d de la partie auxiliaire 16 séparant les régions longitudinales dopées 9 et 10 peut être comprise entre 10 et 30 microns et la longueur 1 de ces régions peut être comprise entre 10 et 3000 microns. En se reportant aux figures 4 et 5, on voit qu'on a représenté un dispositif optique à structure optique intégrée 20 qui comprend une couche de base arrière 21, par exemple en silicium, sur laquelle est formée une partie principale avant 22 qui comprend une couche 23, par exemple en silice non dopée, dans laquelle est formé un coeur longitudinal de transmission optique 24a de façon à constituer un micro-guide optique 24. La structure optique 20 comprend en outre une partie secondaire 25 qui comprend une bande longitudinale 26 située en avant du coeur de transmission optique 7a et intégrée dans la couche 23 de la partie principale 22. Cette bande longitudinale rectangulaire 26 s'étend parallèlement à l'interface 27 entre les couches 21 et 22 et présente une face interne arrière 28 qui longe la face avant du coeur longitudinal de transmission optique 24a, à une distance e telle que, comme dans l'exemple précédent, l'onde optique transportée par le micro-guide optique 24 atteint cette face interne 28. La bande longitudinale 26 est rectangulaire et présente une largeur d et une longueur 1. La face frontale 29 de la couche 23 porte deux bandes longitudinales 30 et 31 qui s'étendent au-dessus et à distance des bords longitudinaux de la bande intégrée 26 et qui constituent des électrodes. Ces électrodes 30 et 31 sont reliées à un circuit d'alimentation en énergie électrique et de contrôle 32. Lorsque les électrodes 30 et 31 sont alimentées en énergie électrique par le circuit 32, il s'établit un champ électrique auquel est soumise la bande longitudinale 26 qui constitue une partie auxiliaire. Sous l'effet de ce champ électrique, les propriétés optiques, en particulier son indice de réfraction, de la bande longitudinale 26 changent. Il s'ensuit que lorsqu'une onde optique transportée par le micro-guide optique 24 passe devant la bande longitudinale 26, ses caractéristiques optiques, en particulier sa phase, sont modifiées en conséquence. En se reportant à la figure 6, on peut voir que l'on a représenté un diagramme 33 de la phase d'une onde optique après son passage devant la bande longitudinale 26. Ce diagramme montre, en fonction de la distance par rapport au plan médian du guide optique 24 perpendiculaire à la face interne 28 de la bande longitudinale 26 et dans le cas d'une polarisation en mode TE, une courbe 34 de la phase de l'onde optique en l'absence de champ électrique dans la bande longitudinale 26 et une courbe 35 décalée de la phase de l'onde optique en présence d'un champ électrique dans la bande longitudinale 26. A titre d'exemple, la bande longitudinale 26 peut être en une matière dont les propriétés optiques sont modulables par application d'un champ électrique ou magnétique, en particulier en tantalate de lithium, en niobate de lithium ou en quartz. Dans un exemple de réalisation, le coeur de transmission 24a peut présenter une largeur et une épaisseur d'environ 4,5 microns, la bande longitudinale 26 peut présenter une épaisseur d'environ 0,7 microns, sa largeur d peut être comprise entre 2 et 25 microns et sa longueur l peut être comprise entre 10 et 3000 microns. La distance e entre le coeur de transmission 24a et la bande auxiliaire 26 peut être comprise entre 6 et 12 microns. La distance entre le coeur de transmission 24a et la couche de base 24 peut être comprise entre 6 et 12 microns et la distance entre la bande longitudinale 26 et la face frontale 29 peut être comprise entre zéro et 4 microns. En se reportant aux figures 7 et 8, on voit qu'on a représenté un dispositif optique à structure optique intégrée 36 qui comprend une couche arrière de base 37, par exemple en silicium, et une partie principale avant 38 qui comprend une couche 38a, par exemple en silice non dopée, et un coeur longitudinal de transmission 39a, par exemple en silice dopée, intégrée dans la couche 38a de façon à constituer un micro-guide optique 39. La structure optique 36 comprend une partie secondaire 40 qui comprend un puits ou évidement longitudinal 41 ménagé par l'arrière dans la couche de base 37 et jusqu'à une profondeur déterminée telle qu'il subsiste une bande longitudinale 43 entre le fond du puits 41 et l'interface 42 entre la couche de base 37 et la couche 38a de la partie principale 38, le puits 41 s'étendant longitudinalement en vis-à-vis du coeur de transmission 39a de telle sorte que la bande longitudinale 43 présente une largeur d et une longueur 1. Les parois du puits 41 et la face arrière de la couche de base 37 sont recouvertes d'une couche isolante 44. Une couche 45 en un matériau conducteur de l'électricité, tel que de l'aluminium, recouvre, dans le puits 41, la couche isolante 44 et présente, de part et d'autre du puits 41, des parties longitudinales de connexion électrique 45a et 45b sur sa face arrière. Ces parties de connexion 45a et 45b sont reliées à un circuit 48 d'alimentation en énergie électrique et de contrôle. Comme dans les exemples précédents, la distance e séparant la surface interne avant 42 de la couche 43 de la partie secondaire 40, sur laquelle est formée la partie principale 38, et la face arrière du coeur de transmission optique 39a est telle que l'onde optique circulant dans le micro-guide optique 39 telle que représentée par la courbe 49 atteint cette surface interne 42. Lorsque la couche 44 est alimentée en énergie électrique par le circuit 48 d'alimentation et de contrôle, il se produit une élévation de la température de la couche auxiliaire 43. Cette élévation de température a pour effet de modifier les propriétés optiques, plus particulièrement son indice de réfraction, de la couche auxiliaire 43 de telle sorte que, lorsqu'une onde optique circule dans le guide optique 39, les caratéristiques optique de cette onde optique, en particulier sa phase, sont modifiées. En particulier, la modification de la phase de l'onde optique peut correspondre à celle de l'une des figures 3 et 6. A titre d'exemple de réalisation, le coeur de transmission 39a peut présenter une largeur et une épaisseur d'environ 4,5 microns, la couche auxiliaire 43 peut présenter une épaisseur comprise entre 1 et 10 microns, sa largeur d peut être comprise entre 10 et 50 microns et une longueur 1 peut être comprise entre 100 et 3000 microns. La distance e entre le coeur de transmission 39a et la couche auxiliaire 43 peut être comprise entre 8 et 20 microns. En se reportant aux figures 9 et 10, on voit qu'on a représenté un dispositif optique à structure optique intégrée 50 qui comprend une couche de base 51, par exemple en silicium, sur laquelle est formée une partie principale 52 qui comprend une couche 53, par exemple en silice non dopée, dans laquelle est intégré un coeur longitudinal de transmission optique 54a, par exemple en silice dopée, de façon à former un guide optique 54. La structure 50 comprend en outre une partie secondaire 55 qui comprend de préférence une couche de masquage 56 déposée sur la face frontale 57 de la couche 53 et dans laquelle est ménagée une ouverture 58 qui longe à distance la face supérieure du coeur longitudinal de transmission 52a. La partie secondaire 55 comprend en outre, à distance de l'ouverture 58 de la couche 56, un émetteur laser 59 relié à un circuit 60 d'alimentation en énergie électrique et de contrôle et fixé par exemple par une couche de colle 56a L'émetteur 59 est disposé et adapté de façon à provoquer une photo-excitation d'une région auxiliaire 61 de la couche de base 51 au travers de la partie principale 50 transparente à l'émission. Cette excitation de la région auxiliaire 61 a pour effet de modifier ses propriétés optiques et plus particulièrement son indice de réfraction. Comme dans les exemples précédents, la distance e séparant la surface interne 62 de la couche 51, longeant à distance le coeur de transmission optique 54a, et la face arrière du coeur de transmission optique 54a est telle que l'onde optique transportée par le micro-guide optique 54 telle que représentée par la courbe 63 atteint cette surface interne 62. Comme dans les exemples précédents, lorsque la région auxiliaire 61 de la couche de base 51 est excitée par l'émetteur 59, les caractéristiques optiques, en particulier sa phase, d'une onde optique transportée par le guide optique 54 sont modifiées lors de son passage devant cette région auxiliaire 61. En particulier, la modification de la phase de l'onde optique peut correspondre à celle de l'une des figures 3 et 6. A titre d'exemple de réalisation, le coeur de transmission 39a peut présenter une largeur et une épaisseur d'environ 4,5 microns, la région auxiliaire 61 peut présenter une largeur d comprise entre 10 et 50 microns et une longueur 1 comprise entre 100 et 3000 microns. La distance e entre le coeur de transmission 39a et la région auxiliaire 61 peut être comprise entre 8 et 20 microns. Dans une variante, l'émetteur 59 pourrait être placé à l'arrière et agir sur la partie auxiliaire 61 qui serait ménagée au fond d'un puits. D'une manière générale, il résulte des exemples ci-dessus que la modification d'au moins une caractéristique de l'onde optique transportée par le guide optique des structures optiques décrites se produit sans modification des propriétés optiques de leur partie principale et plus particulièrement sans modification des propriétés optiques de leur coeur de transmission optique. La variation d'au moins une caractéristique de l'onde optique transportée par le guide optique des structures optiques décrites dans les exemples qui précèdent dépend ou est fonction du positionnement de la partie auxiliaire de leur partie secondaire, distante de leur coeur de transmission optique, du dimensionnement de cette partie auxiliaire, de la variation des propriétés optiques de cette partie auxiliaire qui peut être commandée ou contrôlée par leur circuit d'alimentation et de contrôle. Les exemples ont été décrits en considérant que seule la phase de l'onde optique transportée est modifiée. Cependant, la partie secondaire des structures optiques décrites pourrait aussi être utilisée pour provoquer une atténuation ou une amplification de l'onde optique transportée. Les exemples décrits mettent en oeuvre des caractéristiques électriques, thermiques et électroniques des parties auxiliaires précitées afin de modifier les propriétés optiques de ces dernières. Des utilisations combinées de ces caractériques ou la mise en oeuvre d'autres caractéristiques sont immédiatement envisageables. A titre d'exemples d'applications, les structures optiques décrites peuvent être utilisées dans des interféromètres de Mach- Zehnder, connus en soi, de façon à constituer des atténuateurs variables d'onde optique, des interrupteurs d'onde optique ou des préleveurs ou extracteurs d'onde optique ou des dispositifs servant de compensateurs de dispersions de modes ou de compensateurs de biréfringence. La présente invention ne se limite pas aux exemples décrits ci-dessus. Bien de variantes de réalisation sont possibles sans sortir du cadre défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique à structure optique intégrée de transmission d'une onde optique, comprenant au moins une partie principale dans laquelle est intégré au moins un coeur de transmission optique de façon à constituer au moins un guide optique et au moins une partie secondaire présentant une surface interne longeant à distance au moins une partie de la surface périphérique dudit coeur de transmission, caractérisé par le fait que ladite surface interne (5,28, 42,62) de ladite partie secondaire (3,25, 40,61) est placée à une distance de la surface périphérique dudit coeur de transmission telle que l'onde optique circulant dans ledit guide optique atteint ladite surface interne de ladite partie secondaire, que ladite partie secondaire présente au moins une partie auxiliaire (16,26, 43,61) adjacente ou voisine de ladite surface et dont au moins une propriété optique est modulable, et qu'il comprend en outre des moyens commandables (9, 10,15 ; 30,31, 32 ; 45,48 ; 59,60) adaptés pour agir sur ladite partie auxiliaire de façon à moduler sa propriété optique précitée afin de modifier au moins une caractéristique de l'onde optique transmise, en particulier sa phase, lors de son passage devant ladite partie auxiliaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite partie auxiliaire de ladite partie secondaire constitue au moins une partie d'une couche de ladite structure. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que ladite partie auxiliaire de ladite partie secondaire constitue au moins une paroi s'étendant latéralement audit coeur de transmission. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite partie auxiliaire de ladite partie secondaire est en une matière dont la propriété optique précitée est modulable par des moyens commandables électriques, lumineux ou thermiques. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite partie auxiliaire de ladite partie secondaire est en une matière dans laquelle des porteurs de charges électriques peuvent être introduits on injectés sous l'effet de moyens commandables électriques, lumineux ou thermiques. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite partie auxiliaire de ladite partie secondaire est en une matière dont les contraintes sont susceptibles de varier sous l'effet de moyens commandables électriques, lumineux ou thermiques.