Brevet FR2839812A1 — publié le 20031121

couches de materiaux conducteurs. Procddd de fabrication collective de composants de filtrage optique et plaquette de composants L'invention concerne les filtres optiques selectifs en longueur d' onde et accordables, permettant de lai sser passer la lum iere d' une bande spectrale optique etroite, centree autour d'une longueur d'onde ajustable, et d'arreter les longueurs d'onde situees en dehors de cette bande. L'ajustement de la longueur d'onde centrale de la bande spectrale etroite se fait par des moyens electriques. Le mot lumiere est entendu au sens large et inclut notamment des bandes spectrales dans l'infrarouge comme on ie verra ci-apres, une application principale de ['invention etant le filtrage de lumiere dans les o differentes bandes de telecommunications par fibres optiques comprises entre 1,3 et 1,61 micrometres. L'interet de ces bandes de 1,3 a 1,61 micrometres resulte de ce que les fibres optiques actuelles, en verre, presentent une faible attenuation et que les signaux optiques peuvent done etre transmis sur de tres grandes distances. Dans ce qui suit, on expliquera ['invention a propos de cette bande spectrale, etant entendu que ['invention est transposable a d'autres bandes si le besoin s'en fait sentir, en utilisant les materisux adaptes a ces bandes differentes. Dans un reseau de telecommunications par fibre optique, on peut utiliser un cable de plusieurs fibres optiques pour realiser plusieurs canaux de transmission differents; on peut aussi effectuer un multiplexage temporel des informations pour atteindre le meme but; mais la tendance actuelle, pour un accroissement plus important de la capacite de debit d'informations du reseau, est de transmettre simultanement sur la meme fibre optique plusieurs longueurs d'onde lumineuses modulees independamment les unes des autres et definissant chacune un canal d'information. La norme ITU (Intemational Telecommunications Union) 692 propose de definir des canaux adjacents de largeur de bande spectrale optique 100 GHz, centres sur N frequences optiques normalisees adjacentes dont les valeurs vent 200 terahertz, 199, 9 terahertz, 199,8 terahertz, etc., correspondent a N longueurs d'onde de 1,52 micrometres jusquta 1,61 micrometres. Sur un canal de cette largeur de bande on peut effectuer une modulation de lumiere de 10 a 40 Giga bits par seconde sans trop de risque d'interference avec les canaux de bandes spectrales immediatement adjacentes (en utilisant des impulsions de modulation de forme gaussienne pour minimiser la bande passante occupee par cette modulation). Cette technique de multiplexage frequentiel est appelee DWDM, de l'anglais "Dense Wavelength Division Multiplexing". Dans un reseau de telecommunications, le probleme est done de pouvoir recueillir la lumiere correspondent a un canal determine sans perturber la lumiere des canaux voisins. Par exemple, a un ncoud de transmission du reseau, affecte a ['emission et a la reception d'informations du canal i, il faut pouvoir recueillir la lumiere a une frequence centrale F o (longueur d'onde j) sans gener la transmission de la lumiere modulant les frequences centrales F. a FN, alors que ces frequences optiques vent tres rapprochees les unes des autres. Pour cela, on a besoin de realiser des composants de filtrage optique tres selectifs en longueur d'onde lumineuse, capables de laisser passer la frequence optique centrale Fj et les frequences situees dans une bande etroite inferieure a 50 GHz de part et d'autre de cette frequence, et d'arreter les autres bandes. A la sortie d'un tel filtre, on ne recueille que la lumiere du canal i et on peut la demoduler pour recueillir ['information utile. On a deja propose de realiser des composants de filtrage fonctionnant sur le principe des interferometres de Fabry-Perot, realises par depots de couches semi-conductrices separees les unes des autres par des lames d'air d'epaisseurs calibrees en rapport avec la longueur d'onde ' a selectionner. Un interferometre comprend en pratique deux miroirs a couches dielectriques superposees (miroirs de Bragg), a fort coefficient de reflexion, separes par une lame transparente d'epaisseur optique k.112 (epaisseur reelle k. 112 si la lame est une lame d'air) ou k est un entier definissant l'ordre du filtre interferometrique. Le phosphure dtindium (InP) est bien adapte a ces realisations en raison notamment de sa transparence pour les longueurs d'onde considerees, de son indice de refraction tres eleve, et de la possibiiite de deposer des couches epitaxiales d'epaisseur bien controlee. Si ies epaisseurs de couches et les intervalles entre couches vent tres bien controles, et si les materiaux ont un fort indice de refraction, un tel filtre s'avere tres selectif. U ne tel le rea lisation est decrite dans [' article de A. Spisser et autres, "Highly Selective 1.55 micrometer InP/airgap micromachined Fabry- Perot filter for optical communications" dans Electronics Letters, N 34(5) , pages 453454, 1998. D'autres realisations ont ete proposees, en silicium micro-usine, et en alliages a base d'arseniure de gallium. Ces filtres vent generalement rbalises en plaquette. Plus precisement, les filtres vent realises collectivement sur un substrat transparent comme, par exemple, du phosphure d'indium. La notion de transparence est. bien entendue, appliquee aux longueurs d'onde de la o bande consideree. On peut realiser plusieurs centaines de filtres sur une meme plaquette de substrat. Les filtres formes par deux miroirs de Bragg separant une lame d'air vent extremement fragiles. Leur epaisseur ne depasse pas quelques micrometres. Leur manipulation est. en consequence, tres delicate. L'invention a pour but de pallier ce probleme en proposant un procede de fabrication collective de composants de filtrage optique, procede permettant une manipulation facilitee. A cet effet, I'invention a pour objet un procede de fabrication collective de composant de filtrage optique, consistent a realiser sur un substrat transparent une pluralite de composants de filtrage optique, caracterise en ce qutil consiste en outre a recouvrir la pluralite de composant par un capot collectif transparent, a tester optiquement chaque composant individuellement et a separer les differents composants les uns des autres. L' invention a egal ement pour objet une plaq uette de composants comportant un substrat transparent sur lequel est realisee une pluralite de composants de filtrage optique, un capot transparent recouvrant collectivement les composants, des moyens de test individual de chaque composant. En utilisant un substrat et un capot transparent, il est possible d'integrer, soit au capot, soit au substrat, et avantageusement aux deux, des moyens optiques de focalisation ou de collimation permettant de raccorder optiquement au filtre directement des fibres optiques. On peut ainsi realiser un test optique de cheque filtre avant de separer les composants realises sur une meme plaquette. On peut ainsi ne conserver que les composants ayant subi avec succes le test et eliminer les autres. L'operation de separation des composants peut se faire par decoupe par exemple par sciage. Cette operation produit de nombreuses particules susceptibles d'endommager les composants. La presence du capot avant separation des composants permet de proteger la partie active du composant, formee par les miroirs de Bragg. L' inventi on sera m ieux comprise et d'autres avantages apparatront a la lecture de la description detaillee de trots modes de realisation de ['invention, description illustree par le dessin joint dans lequel: o - la figure 1 represente un composant de filtrage optique en coupe selon un premier mode de realisation; - la figure 2 represente, en vue de dessus, le composant represente sur la figure 1; - la figure 3 represente en coupe le composant selon un second mode de realisation; - la figure 4 represente en coupe le composant selon un troisieme mode de realisation. Les figures 1 et 2 representent un composant 1 de filtrage optique realise en plaquette. II est realise sur un substrat 2 dont seule la partie portent le composant 1 est representee. Dans la pratique, on realise sur un meme substrat un grand nombre de composants, par exemple identiques et, places cote a cote sur le substrat 2. Une partie active du composant 1 comporte deux miroirs de Bragg 3 et 4 separes par une lame d'air 5. Les miroirs 3 et 4 vent relies a une partie massive 6 solidaire du substrat 2 par des bras 7 qui sont, par exemple, au nombre de 4, comme represente sur la figure 2. Les bras 7 assurent une certaine souplesse des miroirs 3 et 4 afin de regler ltepaisseur de la lame d'air 5 et, par consequent, la longueur d'onde centrale filtree par le composant 1. La partie active du composant 1 est surmontee d'un capot transparent 8. D es cal es 9 ma intiennent a di stance le capot 8 du miroir 4. La fixation du capot 8 sur la partie massive 6 est assuree par un cordon 10 de resine entourant la partie active du composant 1. On peut remplacer le cordon 10 de resine par un cordon 10 de metal mou, tel que par exemple l'indium, que lton ecrase, ou encore par un cordon 10 realise dans un alliage de brasure tendre fondu par un echauffement modere du composant 1 dans son ensemble. Le trajet d'un rayonnement lumineux traversant le filtre est symbolise par la fleche 11. Ce trajet est perpendiculaire au plan des miroirs 3 et 4. Avantageusement, on dispose sur le capot 8 des moyens de traitement optique 12 permettant par exemple la focalisation ou la collimation d'un rayonnement entrant dans le filtre par la face exterieure 13 du capot 8. Avantageusement, I' accord du composant 1 est obtenu par variation de l'epaisseur de la lame d'air 5 separant les deux miroirs 3 et 4. Les miroirs 3 et 4 peuvent etre realises par des couches semiconductrices. La lame d'air 5, definissant la cavite resonnante de Fabry-Perot, est delimitee o par deux couches semi-conductrices en vis-a-vis dont l'espacement est defini tres precisement lors de la fabrication; en prenant un contact electrique sur chacune d'elles (les couches etant supposees suffisamment conductrices ou revetues d'un materiau conducteur), on peut appliquer une tension continue creant entre l es couches en vi sa-vis des forces electrostatiques tendant a modifier cet espacement d'une maniere controlee. Le reglage de la tension permet de modifier ces forces electrostatiques et, par consequent, de regler ['accord du composant 1. Les bras 7 assurent une raideur suffisante pour s'opposer aux forces electrostatiques et maintenir les deux couches dans une position stable. Des contacts electriques 14 et 15 permettent d'assurer la liaison electrique entre les miroirs 3 et 4 et une source de tension extbrieure non representee. Lors du procede de fabrication du composant 1, on realise tout d'abord sur le substrat 2 plusieurs composants 1. L'ensemble des composants 1 est alors recouvert par le capot collectif transparent 8. On realise alors un test optique de cheque composant avant de les separer. Avantageusement, on peut realiser, lors du test optique du composant 1, un test de ses moyens d'accord. Plus precisement, on peut appliquer une tension electrique entre les deux plots 14 et 15 et faire varier cette tension a l'interieur d'une plage utile afin de verifier si ['accord du composant se fait dans des conditions acceptables. Afin de permettre ['application de la tension electrique entre les plots 14 et 15, on peut predecouper le composant 1 en eliminant une partie 16 du capot 8, partie 16 extbrieure aux pointilles 17. nsi, les plots 14 et 15 deviennent accessibles par l'exterieur et on peut appliquer la tension par exemple au moyen d'aiguilles dont les pointes s'appuient sur les plots 14 et 15. La figure 3 represente un second mode de realisation dans lequel on retrouve ['ensemble des elements precedemment decrits. A la difference du mode de realisation precedemment decrit, on ne decoupe pas le capot 8 mais le substrat 2 pour appliquer aux plots 14 et 15 la tension necessaire pour realiser ['accord du composant 1. Pour faciliter ['application de la tension en traversant le substrat, les plots 14 et 15 vent respectivement raccordes a des plages 18 et 19 par exemple realisees par des moyens de photogravure 0 sur la face interne 20 du capot 8. Le plot 14 est raccorde electriquement a la plage 18 par l'intermediaire d'une colonne 21 realisee en materisu conducteur. ll en est de meme pour le plot 15 qui est relic a la plage 18 par l'intermediaire d'une colonne 22. Sur la figure 3, on a egalement represente des traitements antireflets 23, 24 et 30 que l'on realise avantageusement sur le trajet du rayonnement traversant le composant 1. Le traitement antireflet 23 est applique sur les moyens de traitement optique 12, le traitement antireflet 24 est applique sur la face interne du capot 8 et le traitement 30 est applique sur une face 31 du substrat 2. La face 31 est opposee a celle portent les miroirs 3 et 4. Ces traitements anti refl ets peuvent etre m is en ceuvre pour tou s l es modes de realisation de ['invention. La figure 4 reprbsente un troisieme mode de realisation dans lequel on retrouve encore les elements decrits dans le premier mode de realisation. Cette fois, pour appliquer la tension aux plots 14 et 15, aucune decoupe n'est necessaire. En revanche, on realise dans le capot 8, des vies et 26 permettant d'appliquer la tension necessaire a ['accord du composant 1 par la face externe 13 du capot 8. Les vies 25 et 26 peuvent etre realises en per,cant le capot 8 au droit des plages 18 et 19. Les per, cages ainsi realises vent ensuite combles par un materieu conducteur comme par exemple une resine conductrice epoxy ou un alliage metallique compatible avec le materiau du capot 8. On peut egalement realiser sur la face exterieure 13 du capot 8 des plages 27 et 28 en regard des vies, respectivement 25 et 26 afin d'augmenter la surface de contact pour appliquer la tension, par exemple au moyen d'aiguilles. Le composant 1 de filtrage optique est accorde de fagon a ce que la longueur d'onde centrale qu'il laisse passer soit centree sur une des longueurs d'onde definie dans la norme ITU 692. Neanmoins, la rejection des canaux voisins par le composant 1 de filtrage seul peut se reveler insuffisante. Le capot 8 peut participer lui-meme aux moyens de traitement optique pour ameliorer cette rejection. Plus precisement, la technique de multiplexage frequentiel DWDM impose des debits de 40 Gbits par seconde dans des canaux distants de 100 GHz. II est done necessaire d'obtenir une bonne rejection au-dela de 50 GHz de part et d'autre de la longueur d'onde o centrale d'un canal afin d'eviter le melange des signaux. La forme de la reponse d'un fiitre fonctionnant sur le principe des interferometres de Fabry-Perot, dit filtre de Fabry-Perot, est une fonction d'Airy, c'est-a-dire que le rapport entre la largeur a mihauteur et la largeur a 1% du maximum de transmission est independent de la largeur. On est done conduit soit a realiser un filtre trop etroit si on privilegie la rejection, soit a une rejection insuffisante si on privilegie la bande passante. De fagon generale, on peut ameliorer la transmission d'un filtre interferentiel tel que le filtre de Fabry-Perot en couplant d'autres cavites resonnantes au filtre. La courbe de transmission ntest plus une fonction d'Airy et se rapproche alors de la bande passante parfaite, c'est-a-dire une bande passante a forte transmission autour de la longueur d'onde centraie associee a une extinction forte en dehors du domaine d'interet. Plus precisement, il est avantageux de coupler la cavite accordable ou lame d'air 5 du composant 1 de filtrage avec une autre cavite dont l'epaisseur est telle que la courbe de transmission de la cavite en fonction de la longueur d'onde ait la forme d'un peigne dont les frequences de haute transmission co ncident avec l es freq uences definies dans la norme ITU 692. L'epaisseur optique a ne >> de la cavite est donnee par ne = c/2Av ou c represente la vitesse de la lumiere et ou Av represente l'ecart entre deux frequences voisines dans la norme ITU 692. Cette epaisseur dans l'air serait de l'ordre de 1,5 mm et on peut la realiser au moyen d'un capot en saphir d'epaisseur 862,um ou en phosphure d'indium InP d'epaisseur 475 m. D'autres materiaux sont, bien entendu, possibles. 11 est important de controler le couplage electromagnetique du capot 8 et du composant 1. Le controle de ce coupiage impose de matriser, avec une precision meilleure que la longueur d'onde, la position du capot 8 par rapport au composant 1. Pour atteindre cet objectif, on peut realiser les cales 9 au moyen de billes ou de fibres calibrees. On peut, par exemple, utiliser des billes de verre de dimension extremement precise utilisbes par ailleurs dans la realisation d'ecrans a cristaux liquides. Les cales 9 peuvent egalement etre realisees au moyen d'une couche de materieu grave dans le capot 8 ou dans le substrat 2. On peut, o par exemple, realiser cette couche au moyen d'une couche epitaxiale en In Ga As realisee sur un substrat 2 ou un capot 8 en InP. Cette couche supplementaire sera gravee selectivement pour realiser les cales 9 a des emplacements appropries. On peut egalement realiser cette couche supplementaire par exemple en Si 02 en aluminium ou en or, ce qui lui permet egalement de remplir la fonction assuree par les plots 14 et 15. Avantageusement, la plaquette de composant comporte des moyens d'ajustement de l'epaisseur optique ne du capot 8. En effet, pour realiser un bon couplage electromagnetique du capot 8 et du composant 1, il est important de maltriser l'epaisseur optique ne du capot 8. Sans ces moyens d'ajustement, I'epaisseur optique ne du capot 8 devrait etre maltrisee avec une precision de l'ordre du centieme de micron, ce qui semble peu realiste. On peut realiser un ajustement de l'epaisseur optique ne du capot 8 avec des moyens d'ajustement de sa temperature T. Plus precisement, ia plupart des materisux volent leurs dimensions, notamment leur epaisseur e, evoluer en fonction de la temperature T. De plus, des materiaux transparents volent egalement leur indice optique n evoluer en fonction de la temperature T. Par exemple, pour le saphir on a: dT =+l5.10-6K' et: de =5.10-6K-, e.dT Par ailleurs, il est connu que: dv 1 dn 1 de -=-v n dT e dT En appliquant cette formule au saphir, on obtient: -= 2.7 GHz/K dT Cet exemple numerique montre qutil est possible d'accorder la cavite optique realisee au moyen du capot 8 a la frequence attendue en stabilisant la temperature du capot 8 avec une precision de quelques dixiemes de degree. Cette precision est facilement atteinte par exemple avec un module a effet Peltier associe a un capteur de temperature permettant d'asservir le fonctionnement du module. Avantageusement, le module a effet Peltier peut itre remplace par une resistance chauffante qui peut etre deposee sur le capot lui-meme, si la temperature recherchee est toujours superieure a la temperature ambiante. Avantageusement, dans le mode de realisation represente figure 4, le cordon de resine 10 entoure les colonnes 21 et 22 ainsi que la partie active du composant 1. On peut ainsi proteger les colonnes 21 et 22 ainsi que la partie active du composant 1 vis a vis d'agressions exterieures en les enfermant dans une enveloppe etanche qui peut etre remplie d'un gaz neutre tel que l'azote par exemple. REVENDICATIONS 1. Procede de fabrication collective de composant (1) de filtrage optique, consistent a realiser sur un substrat (2) transparent une pluralite de composants (1) de filtrage optique, caracterise en ce qu'il consiste en outre a recouvrir la pluralite de composant par un capot (8) collectif transparent, a tester optiquement chaque composant (1) individuellement et a separer les differents composants (1) les uns des autres. 2. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce qu'au cours du test optique d'un composant, on teste des moyens pour accorder le o composant (1). 3. P rocede se lo n la reven dication 2, caracterise en ce q ue pour tester les moyens pour accorder le composant (1), on applique entre deux miroirs (3, 4) du composant (1) une tension electrique destinee a faire varier I'epaisseur d'une lame d'air (5) situee entre les deux miroirs (3, 4). 4. Procede selon la revendication 3, caracterise en ce qu'on decoupe une partie 16 du capot (8) pour appliquer la tension a des plots (14, ), chacun relic a un des miroirs (3, 4) realises en materisu semi- conducteur. 5. Procede selon la revendication 3, caracterise en ce qu'on decoupe une partie du substrat (2), pour appiiquer la tension a des plots (14, ), chacun relic a un des miroirs (3, 4) realises en materiau semi- conducteur. 6. Procede selon la revendication 3, caracterise en ce qu'on realise dans le capot (8) des vies permettant d'appliquer par une face externe (13) du capot (8) la tension a des plots (14, 15), chacun relic a un des miroirs (3, 4) realises en materiau semi-conducteur. 7. Plaquette de composants comportant un substrat transparent (2) sur lequel est realisee une pluralite de composants (1) de filtrage optique, un capot transparent (8) recouvrant collectivement les composants (1), caracterise en ce qu'elle comporte en outre des moyens de test individual de chaque composant (1). 8. Plaquette selon la revendication 7, caracterisee en ce que le capot comporte des moyens de traitement optique (12). o 9. Plaquette selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caracterisee en ce que les moyens de test comportent des vies (25, 26) traversant le capot (8) et raccordes au composant (1). 10. Plaquette selon l'une quelconque des revendications 7 a 9, caracterisee en ce que le capot transparent (8) a, au moins autour d'un trajet lumineux (11) traversant le composant (1), une epaisseur optique (ne) constante de fa,con a former une cavite accordable avec le composant (1). 11. Plaquette selon la revendication 10, caracterisee en ce qu'elle comporte des moyens (9) de positionnement du capot (8) par rapport au composant (1) permettant d'obtenir une precision meilleure qu'une longueur d'onde filtree par le composant (l). 12. Plaquette selon la revendication 11, caracterisee en ce que les moyens (9) de positionnement du capot (8) comportent des billes calibrees. 13. Plaquette selon la revendication 11, caracterisee en ce qu'elle comporte des moyens (9) de positionnement du capot (8) par rapport au substrat (2), les moyens (9) de positionnement comportant une couche d'un materiau grave realise dans le capot (8) ou dans le substrat (2). 14. Plaquette selon l'une quelconque des revendications 10 a 13, caracterisee en ce que le capot (8) comporte des moyens d'ajustement de son epaisseur optique (ne). 5. PlaqueUe scion la revendIton 4, cara6dsde en ce qua les moyens d'ustement de [Apaseur opaque (ne) du capo1 (8) composed des moyens d'ustement de la temperature (T) du capot (8\