Brevet FR2844887A1 — publié le 20040326

La présente invention concerne les composants électro-optiques et leurs procédés de fabrication. Il est connu de réaliser un guide d'onde dans un substrat de LiNbO3 par diffusion de titane ou par échange protonique. Il a été proposé dans l'article " Integration of Bragg gratings on LiNbO3 channel waveguides using laser ablation ", Electron. Lett, vol. 37, n0 5 pp. 312-314, 2001, de fabriquer un réseau de Bragg au moyen d'un faisceau laser après formation du guide d'onde par échange protonique. L'ablation par laser n'est pas jugée complètement satisfaisante car il est relativement difficile d'obtenir avec cette technique une gravure 10 uniforme du substrat. L'article " Fabrication and characterization of titanium - indiffused protonexchanged optical waveguides in Y - LiNbO3 " Applied Optics, vol. 25, n0 9, 1986, décrit la fabrication d'un guide d'onde par diffusion de titane puis échange protonique. L'article tout aussi ancien " Proton - exchanged Fresnel Lenses in Ti: LiNbO3 15 waveguides " Applied Optics, vol. 25, n0 19, 1986, décrit la fabrication de lentilles de Fresnel par échange protonique dans un substrat de LiNbO3 dans lequel du titane a diffusé, au travers d'un masque de Si - N. Il existe un besoin pour disposer d'un procédé permettant de réaliser un réseau sur un guide d'onde en un matériau tel que par exemple du niobate de lithium ou du 20 tantalate de lithium, dans lequel on a fait diffuser un composé tel que du titane pour créer un gradient d'indice. L'invention a ainsi pour objet un procédé de fabrication d'un réseau de Bragg sur un guide d'onde en un matériau électro-optique, comportant les étapes suivantes: - réaliser un masque à la surface du guide, - effectuer un échange protonique au travers du masque pour former le reseau. Un tel procédé permet de réaliser avec flexibilité, simplicité et précision un réseau de Bragg. En particulier, l'invention peut permettre de réaliser le réseau en contrôlant entre autres, d'une manière relativement fine, la profondeur et la largeur des 30 traits du réseau et sa période, éventuellement variable. En effet, selon la durée de l'échange protonique et la température à laquelle il a lieu, on peut réaliser dans le guide d'onde des variations locales de l'indice de réfraction plus ou moins importantes et sur la profondeur souhaitée. Le guide d'onde peut être réalisé dans un matériau électro-optique tel que le niobate de lithium (LiNbO3) ou le tantalate de lithium (LiTaO3) ou dans d'autres matériaux électro-optiques encore, présentant les propriétés requises. Pour former le guide d'onde, on procède avantageusement à la diffusion d'un élément dans le matériau électro-optique de façon à former le gradient d'indice souhaité. L'élément que l'on fait diffuser peut être du titane, par exemple. L'échange protonique peut s'effectuer par exemple en exposant le guide, à 10 travers le masque, à un bain d'acide benzoque pur ou à une solution d'acide benzoque et de benzoate de lithium. L'utilisation d'une solution d'acide benzoque et de benzoate de lithium est préférée, car elle permet d'éviter une étape ultérieure de recuit du guide d'onde. Le masque peut être détruit après l'échange protonique. De préférence, le masque est réalisé en silice (SiO2), car ce matériau résiste bien à l'environnement utilisé pour l'échange protonique tout en pouvant être facilement gravé avec le motif souhaité. Pour réaliser le masque, on peut effectuer une photolithographie classique, c'est-à-dire qu'on recouvre le masque d'une couche de résine photosensible que l'on insole 20 au travers d'un autre masque comportant les ajours correspondant au motif à réaliser, cet autre masque étant par exemple un masque de chrome. L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un composant électro-optique caractérisé par le fait qu'il comporte un guide d'onde en un matériau électro-optique incorporant un réseau de Bragg, ce dernier comportant une succession de 25 traits ayant des indices de réfraction différents, certains de ces traits ayant subi un échange protonique. Comme indiqué plus haut, le guide d'onde peut avoir été réalisé par diffusion d'un élément dans le matériau électro-optique, par exemple par diffusion de titane dans du niobate de lithium ou du tantalate de lithium. Le composant électro-optique peut être par exemple un filtre ou un réflecteur de Bragg. Le composant électro-optique peut être utilisé, entre autres, dans un dispositif d'insertion ou d'extraction d'une longueur d'onde. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, d'un exemple non limitatif de mise en oeuvre, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel: - les figures 1 à 6 illustrent différentes étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'un réseau de Bragg selon l'invention, - la figure 7 représente de manière schématique un dispositif d'extraction d'une longueur d'onde, et - la figure 8 représente de manière schématique un dispositif d'insertion d'une longueur d'onde. Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre sur un guide d'onde réalisé dans un matériau électro-optique, c'est-à-dire un matériau dont les propriétés optiques peuvent être modifiées par application d'un champ électrique. Parmi les matériaux électro-optiques largement utilisés à l'heure actuelle et convenant à l'invention, on peut citer le niobate de lithium (LiNbO3) et le tantalate de lithium (LiTaO3). Pour former le guide d'onde 1, on peut faire diffuser du titane dans le matériau électro-optique, de façon conventionnelle. La diffusion peut s'effectuer selon z, la propagation de la lumière s'effectuant selon l'axe y, comme illustré sur la figure 1. On va maintenant décrire en référence aux figures 2 à 6 les différentes étapes de fabrication du réseau sur le guide d'onde ainsi formé (Ti: LiNbO3). Une couche 3 de SiO2, d'épaisseur 2000 , est déposée comme illustré sur la 25 figure 2 sur le guide d'onde 1 en vue de la formation d'un masque par photolithographie. Le SiO2 est choisi pour ses excellentes propriétés de blocage de la diffusion des protons, sa bonne adhérence au matériau électro-optique et sa facilité de dépôt et de gravure. De plus, ce masque transparent permet une mesure approximative des propriétés optiques du réseau avant son enlèvement. Une couche de résine photosensible 4 est ensuite déposée sur la couche 3 de SiO2, comme représenté à la figure 3, et cette couche de résine est insolée par exposition à une source UV au travers d'un masque 5 comportant des ajours correspondant au motif à réaliser, comme illustré à la figure 4. Dans l'exemple considéré, le masque 5 est un masque de chrome. On peut réaliser sur le masque 5 des fentes ayant un pas constant ou non, de l'ordre de 1,4 ptm par exemple. Après insolation, le masque de chrome 5 est retiré et la résine insolée éliminée. La couche 3 de SiO2 est alors gravée au travers de la résine résiduelle par attaque chimique. La résine est ensuite totalement éliminée et l'on obtient un masque 3 de SiO2 10 comme illustré sur la figure 5. On expose alors les parties du guide d'onde 1 non recouvertes par la matière du masque 3 à un bain approprié pour réaliser l'échange protonique, par exemple un bain d'acide benzoque mélangé à du benzoate de lithium. Lors de l'échange protonique, l'indice de réfraction des régions non masquées 15 du guide d'onde 1 est modifié suite au remplacement des ions lithium Li+ par des protons H+ issus de la solution d'acide benzoque et de benzoate de lithium. Ensuite, le masque 3 de SiO2 est éliminé. Eventuellement, avant l'élimination du masque 3, on peut tester les propriétés optiques du guide d'onde et, le cas échéant, procéder à un nouvel échange protonique. On peut remplacer le mélange d'acide benzoque et de benzoate de lithium par de l'acide benzoque seul, le cas échéant, à condition de procéder ensuite à un recuit en présence d'air humide. L'échange protonique dans le cas de l'utilisation d'acide benzoque seul peut avoir lieu par exemple à une température comprise entre 150 et 230 'C pendant une durée 25 comprise entre une et quatre heures. Le recuit peut avoir lieu à des températures comprises entre 250 et 400 'C pendant une durée comprise entre dix minutes et trois heures. On peut réaliser, par exemple, un réseau qui s'étend sur une longueur 1, mesurée dans le sens de la propagation de la lumière, comprise entre 200 jim et 3 mm. La profondeur h des traits 7 du réseau ayant subi l'échange protonique peut 30 être par exemple de l'ordre de 1,5 jim. Exemples On a réalisé, avec le procédé précité, des réseaux de Bragg, dans un guide monomode, avec des périodes de 7,9 jim et 8,1 jtm. L'échange protonique a été réalisé dans de l'acide benzoque pendant deux heures à 210 'C, et suivi d'un recuit à 400 'C 5 pendant vingt minutes. On a recueilli le spectre de transmission d'un réseau ainsi réalisé de 2 mm de long, formant un réflecteur de Bragg d'ordre élevé. L'accès aux réponses spectrales de ces réseaux de Bragg est obtenu au moyen d'une diode laser accordable en longueur d'onde polarisée linéairement et émettant dans une gamme comprise entre 1510 nm et 1590 nm. En avant du réseau, un polariseur est 10 placé de manière à sélectionner le mode TM. Les mesures de la puissance de la lumière sont effectuées en transmission. On en déduit une réflectivité de 25 % à la longueur d'onde de Bragg. Une bande passante à 3 dB d'approximativement 9 nm à la longueur d'onde de 1558 nm a été obtenue. Un autre réseau de 7,9 jim de période réalisé dans un guide d'onde Ti: 15 LiNbO3, obtenu par un échange protonique de trois heures à 230 'C et recuit à 400 'C pendant une heure et dix minutes, présente une réflectivité aussi élevée que 94 % à la longueur d'onde de 1546 nm. L'invention permet de fabriquer aisément un réseau de Bragg en vue de réaliser un filtre ou un réflecteur de Bragg, lesquels peuvent être utilisés par exemple dans un 20 dispositif d'extraction d'une longueur d'onde, représenté schématiquement sur la figure 7 ou d'insertion d'une longueur d'onde, représenté schématiquement à la figure 8. Pour extraire une longueur d'onde XI d'un faisceau de lumière ayant différentes longueurs d'ondes XI, 12,.... X,, on envoie le faisceau dans un guide d'onde 10 comportant un réseau de Bragg 11 réalisé conformément à l'invention, configuré pour 25 réfléchir la longueur d'onde SI. Le faisceau de longueur d'onde XI est extrait du faisceau initial. Pour insérer une longueur d'onde Il dans un faisceau de lumière ayant des longueurs d'onde X2,..., In, on envoie ce faisceau sur le guide d'onde 13 au travers du réseau de Bragg 14. D'autre part, on envoie sur le réseau 14 le faisceau de longueur d'onde 30 Il. Le faisceau résultant comporte les longueurs d'onde XI, X2,..., Xn des deux faisceaux entrants. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. En particulier, parmi les applications des composants électro- optiques réalisés grâce à l'invention, on peut citer les filtres reconfigurables à bande-passante étroite et 5 étendue, la compensation de la dispersion dans les réseaux de télécommunications longue distance, les analyseurs de spectre, les lasers spéciaux à bande étroite, les capteurs optiques de contraintes, cette liste n'étant pas limitative. L'échange protonique peut être réalisé autrement encore que ce qui a été décrit plus haut, en utilisant d'autres acides. Le masque de SiO2 peut être remplacé par un masque réalisé dans tout autre matériau approprié. Dans toute la description, y compris les revendications, l'expression " comportant un " doit être comprise comme étant synonyme de " comportant au moins un ", sauf si le contraire est spécifié. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un réseau de Bragg sur un guide d'onde (1) en un matériau électro-optique, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes suivantes: - réaliser un masque (3) à la surface du guide (1), effectuer un échange protonique au travers du masque (3) pour former le réseau. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le guide d'onde est réalisé par diffusion d'un élément dans le matériau électro-optique. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le matériau électro-optique est du niobate de lithium ou du tantalate de lithium. 4. Procédé selon l'une des deux revendications immédiatement précédentes, caractérisé par le fait que l'élément que l'on fait diffuser dans le matériau électro-optique est du titane. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'échange protonique est réalisé dans un bain d'acide benzoque pur. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'échange protonique a lieu dans une solution d'acide benzoque et de benzoate de lithium. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le masque (3) est réalisé en silice (SiO2). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le masque (3) est réalisé par une technique de photolithographie. 9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que le 25 masque (3) est réalisé par insolation d'une couche de résine (4) photosensible le recouvrant, au travers d'un autre masque (5). 10. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que l'autre masque (5) est un masque de chrome. 11. Composant électro-optique, caractérisé par le fait qu'il comporte un guide 30 d'onde (1) en un matériau électro-optique incorporant un réseau de Bragg, ce dernier comportant une succession de traits ayant des indices de réfraction différents, certains de ces traits ayant subi un échange protonique. 12. Composant selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que le guide d'onde (1) est réalisé par diffusion de titane dans du LiNbO3 ou du LiTaO3.