Brevet FR2845775A1 — publié le 20040416

GUIDE D'ONDE OPTIQUE, A FORT CONTRASTE D'INDICE ET A PERTES PAR RUGOSITE REDUITES, ET PROCEDE DE FABRICATION DE CE GUIDE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne le domaine de l'optique intégrée et, plus particulièrement, les guides d'ondes optiques à fort écart, ou contraste, 10 d'indice de réfraction, ainsi que la fabrication de tels guides d'ondes. L'invention concerne plus précisément un guide d'onde optique à fort contraste d'indice de réfraction, ce guide d'onde ayant en outre des pertes 15 par rugosité réduites, ainsi qu'un procédé de fabrication de ce guide d'onde. L'invention s'applique notamment aux interconnexions optiques, aux connexions optiques intra-puces ("intra-chip"), aux télécommunications 20 optiques ainsi qu'aux capteurs optiques intégrés et, plus généralement, au domaine de l'optique intégrée o les différences d'indice entre coeur ("core") et gaine optique ("optical cladding") sont suffisamment grandes pour rendre les pertes optiques par rugosité non 25 négligeables. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE On se reportera aux documents suivants B 14151.3 PV [1] R.V. Ramaswamy, R. Srivastava: "Ionexchanged glass waveguides: a review", J. of Light. Tech., 6, p. 984-1002, 1988 [2] D. Marcuse: "Light Transmission 5 Optics", Bell Lab Series, Van Nostrand Reinhold Company, p. 3187-3215: "Mode concersion caused by surface imperfections of a dielectrie slab waveguide" [3] K.K. Lee & al.: "Fabrication of ultralow-loss Si/Sio2 waveguides by roughness 10 reduction", Optics Letters, vol. 26, n 23, ler décembre 2001, p. 1888-1890. Dans le domaine de l'optique intégrée comme dans celui de la microélectronique, la recherche de l'intégration maximale est extrêmement importante, car 15 les dimensions des dispositifs obtenus influent de manière directe sur leur cot de fabrication. Le domaine de l'optique intégrée a connu un premier essor avec le développement des télécommunications optiques. La priorité était alors de 20 fabriquer des dispositifs optiques intégrés qui soient compatibles avec les fibres optiques utilisées, ce qui avait une incidence directe sur le choix des matériaux employés (par exemple la silice ou le verre) et sur les géométries utilisées pour les guides d'ondes. L'inconvénient majeur de telles structures est qu'il est très difficile de faire prendre à la lumière des "virages très serrés" (ayant typiquement des rayons de courbure de l'ordre de quelques millimètres). Ceci impose la réalisation de dispositifs 30 de taille importante (plusieurs centimètres carrés). B 14151.3 PV Par exemple, les multiplexeurs/démultiplexeurs de longueurs d'ondes, fabriqués en utilisant la technologie "silice sur silicium", dépassent une dizaine de centimètres carrés, ce qui les rend onéreux. Deux grands types de guides d'ondes optiques existent dans le domaine de l'optique intégrée: - les guides à saut d'indice (voir la 10 figure lA) - les guides à gradient d'indice (voir la figure 1B). Le coeur 2 d'un guide à saut d'indice, vu en coupe transversale, est délimité par des interfaces qui 15 le séparent de deux matériaux 4 et 6 ou éventuellement de deux zones d'un même matériau, présentant des dopages différents. La répartition d'indice dans cette coupe transversale présente des discontinuités. Ces guides à saut d'indice sont 20 généralement obtenus par des dépôts et des gravures de couches minces diélectriques sur un substrat. Dans un guide à gradient d'indice, vu en coupe transversale, la fonction de répartition d'indice est continue lorsque l'on passe du coeur 8 à la gaine 10 25 du guide. Il n'existe pas de discontinuités d'indice dans de tels guides. Ces guides peuvent être par exemple formés par diffusion ionique sur un substrat de verre qui est plongé dans un sel fondu (voir le document [1]). Ces deux types de guides ont chacun leurs avantages et leurs inconvénients. B 14151.3 PV Le principal avantage des guides à gradient d'indice est qu'ils ne présentent pas d'interface donc pas de pertes par rugosité de surface. Leur principal inconvénient est que l'écart 5 d'indice qu'ils permettent d'atteindre reste assez faible (quelques centièmes à un dixième) et ne peut atteindre ceux que l'on observe par exemple dans les guides faits de silicium entouré de silice. Or, la manière la plus sre de réduire la 10 taille des dispositifs optiques intégrés consiste à utiliser des structures à très fort écart d'indice entre le coeur et la gaine. Dans ce cas, les rayons de courbure possibles passent de quelques millimètres à quelques micromètres. On peut alors espérer fabriquer 15 des puces optiques occupant une surface de l'ordre du millimètre carré. Cependant, les guides optiques à très fort écart d'indice ont un inconvénient majeur: ils présentent beaucoup de pertes par diffusion optique du 20 fait de la rugosité des interfaces entre le coeur et la gaine de tels guides. A titre indicatif, on sait que les pertes P par rugosité à une interface d'un guide plan sont notamment proportionnelles au carré de la différence 25 des carrés des indices de réfraction respectifs n1 et n2 des matériaux situés de part et d'utre de cette interface (voir le document [2]): P=K(n2 _n)2 Dans le cas d'une fibre optique ou d'un 30 guide intégré en silice dopée ou en verre, ni et n2 valent respectivement 1,46 et 1,45. B 14151.3 PV En conséquence (n-n72)2 est peu différent de 8, 5x10 4. Au contraire, dans le cas d'un guide en silicium entouré de silice, ni et n2 valent respectivement 3,45 et 1,45. En conséquence (n2-n2)2 est peu différent de 96. Par rapport au cas précédent, les pertes augmentent donc d'environ 5 ordres de grandeurs. Cet exemple met en évidence le gros 10 inconvénient des guides à fort écart d'indice. Des recherches ont bien entendu été menées pour réduire cette rugosité, en améliorant sans cesse les procédés de fabrication, notamment les procédés de photolithographie et de gravure des guides. Par exemple, d'après le document [3], des guides en silicium sont fabriqués par photolithographie et gravure puis subissent une étape d'oxydation puis une étape de désoxydation (en fait une étape de gravure d'oxyde généralement dans un bain de FH/FHN4), ce qui a 20 pour effet de réduire la rugosité. Cependant cette réduction a lieu au détriment des dimensions du guide. Une autre manière connue de réduire les pertes par rugosité consiste à former les guides par gravure chimique selon les plans cristallins du 25 matériau constitutif de ces guides. On peut par exemple utiliser du NH40H pour graver le silicium. Cependant, on est alors grandement limité par le fait que, d'une part, le matériau doit être cristallin et que, d'autre part, les guides doivent 30 être dessinés dans la direction des plans cristallins. B 14151.3 PV Il n'est alors plus possible d'envisager des parties courbes pour ces guides. Le problème principal lié à la réduction de la rugosité par oxydation/désoxydation du silicium est 5 double. D'une part, cette solution ne s'applique qu'au silicium et donc pas aux autres matériaux à fort écart d'indice comme les matériaux III-V. D'autre part, cette solution entraîne une importante perte de cote pour les guides. D'après le 10 document [31, l'épaisseur d'un guide passe de 0, 35Lm à 0,05gm. Une légère perte de cote pourrait être facilement prise en compte lors de la conception du guide, mais une perte de cote de cette ampleur rend 15 très délicate, voire impossible, la fabrication de certains dispositifs, par exemple des coupleurs de proximité dans lesquels on doit former deux guides colinéaires et très proches l'un de l'autre. La solution préconisée dans le document [31 20 ne s'applique donc qu'à certains dispositifs. Dans le cas de la réduction des pertes par rugosité au moyen d'une gravure chimique, on est grandement limité par le fait que les guides doivent s'étendre suivant quelques directions privilégiées, 25 sans qu'il soit possible de former des parties courbes. EXPOS DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents. B 14151.3 PV Elle propose un guide d'onde optique à fort écart d'indice de réfraction, dont les pertes par rugosité sont toutefois plus faibles que celles des guides à fort écart d'indice connus. L'invention propose aussi un procédé de fabrication d'un tel guide. De façon précise, la présente invention a pour objet un guide d'onde optique comprenant: - un coeur qui a un indice de réfraction Na, 10 ce coeur ayant des flancs, et - des première et deuxième couches de confinement entre lesquelles se trouve le coeur et qui ont respectivement des indices de réfraction Ni et N2, ces indices de réfraction Ni et N2 étant inférieurs à 15 l'indice de réfraction Nc du coeur, ce guide d'onde optique étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une couche intermédiaire qui s'étend au moins le long des flancs du coeur, entre ce coeur et la première couche de 20 confinement, et qui a un indice de réfraction N3, cet indice de réfraction N3 étant inférieur à Nc et supérieur à Ni. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le coeur est formé sur la deuxième couche 25 de confinement, ce guide d'onde optique étant ainsi un guide d'onde optique à saut d'indice. Selon un premier mode de réalisation particulier du guide d'onde optique objet de l'invention, la couche intermédiaire s'étend le long du 30 coeur, entre ce coeur et la première couche de B 14151.3 PV confinement, et sépare ainsi totalement le coeur de la première couche de confinement. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, la couche intermédiaire s'étend seulement 5 le long des flancs du coeur, entre ce coeur et la première couche de confinement. Le guide d'onde optique objet de l'invention peut comprendre une pluralité de couches intermédiaires dont les indices de réfraction 10 respectifs vont en décroissant à partir du coeur. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un guide d'onde optique, ce guide d'onde optique comprenant: - un coeur qui a un indice de réfraction Nc, 15 ce coeur ayant des flancs, et - des première et deuxième couches de confinement entre lesquelles se trouve le coeur et qui ont respectivement des indices de réfraction NI et N2, ces indices de réfraction NI et N2 étant inférieurs à 20 l'indice de réfraction Nc du coeur, ce procédé étant caractérisé en ce que - on forme le coeur, - on forme au moins une couche intermédiaire sur le coeur, cette couche intermédiaire 25 s'étendant au moins le long des flancs du coeur et ayant un indice de réfraction N3, cet indice de réfraction N3 étant inférieur à Nc et supérieur à NI, et - on forme la première couche de confinement. Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, on forme le coeur sur la B 14151.3 PV deuxième couche de confinement, le guide d'onde optique étant ainsi un guide d'onde optique à saut d'indice. Selon un premier mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, on forme 5 la couche intermédiaire le long du coeur, entre ce coeur et la première couche de confinement, de manière à séparer totalement le coeur de la première couche de confinement. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre 10 particulier, on forme la couche intermédiaire seulement le long des flancs du coeur, entre ce coeur et la première couche de confinement. Dans le procédé objet de l'invention, on peut former une pluralité de couches intermédiaires 15 dont les indices de réfraction respectifs vont en décroissant à partir du coeur. BR VE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à 20 la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure lA est une vue en coupe 25 transversale schématique d'un guide d'onde optique connu, à saut d'indice, et a déjà été décrite, - la figure 1B est une vue en coupe transversale schématique d'un guide d'onde optique connu, à gradient d'indice, et a déjà été décrite, - la figure 2 est une vue en coupe transversale schématique d'un mode de réalisation B 14151.3 PV particulier du guide d'onde optique objet de l'invention, comprenant une seule couche intermédiaire, - la figure. 3 est une vue en coupe transversale schématique d'un mode de réalisation 5 particulier du guide d'onde optique objet de l'invention, comprenant deux couches intermédiaires, - les figures 4 à 6 illustrent schématiquement des étapes d'un mode de mise en òuvre particulier du procédé objet de l'invention, la figure 7 illustre schématiquement une variante du procédé illustré par les figures 4 à 6, et - les figures 8 à 10 illustrent schématiquement des étapes d'un autre mode de réalisation particulier du procédé objet de 15 l'invention. EXPOS D TAILL DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS Comme on l'a vu, l'invention a pour but de diminuer les pertes par rugosité des guides à fort 20 écart d'indice. Selon un aspect de l'invention, on enrobe le coeur d'un tel guide, après gravure, d'une ou plusieurs couches très minces, faites de matériaux diélectriques dont les indices de réfraction optiques 25 sont intermédiaires entre l'indice Nc du coeur et l'indice Ni de la couche de confinement dont on recouvre ensuite le coeur. Ceci est schématiquement illustré par l'exemple de la figure 2 o l'on voit, en coupe 30 transversale, un guide à saut d1indice conforme à l'invention, comportant un coeur 12 entre une couche de B 14151.3 PV il confinement supérieure 14, dont l'indice optique est noté Ni, et une couche de confinement inférieure 16, dont l'indice optique est noté N2, ainsi qu'une couche supplémentaire continue 18, dont l'indice optique est 5 noté N3 et qui s'étend entre les couches 14 et 16 et entre la couche 14 et le coeur 12. Les pertes P par rugosité, pour un guide plan incluant une seule couche mince supplémentaire, dont l'indice est noté N3, sont approximativement 10 données par la formule suivante: P=K1 (NW2-N32) 2+K2 (N32-N12) 2 o K1 et K2 sont des facteurs de proportionnalité. Dans ce cas, il est facile de montrer que 15 les pertes sont minimales pour une valeur de N3 qui est donnée par la formule suivante N32 = KNc2 + K2N12 K.+K2 Ces calculs sont approchés et la valeur de l'indice de réfraction de la couche supplémentaire, ou couche intermédiaire, peut être affinée à l'aide de logiciels commercialement disponibles, permettant le calcul numérique de la propagation optique dans le 25 guide, ces logiciels mettant en oeuvre la méthode BPM (pour "Beam Propagation Method") ou même la méthode FDTD (pour "Finite Difference Time Domain"). Il est possible d'améliorer ce résultat en augmentant le nombre de couches intermédiaires comme le 30 montre la figure 3. B 14151.3 PV L'exemple que l'on voit sur cette figure 3 résulte simplement de l'ajout d'une autre couche intermédiaire continue 20 à l'exemple de la figure 2, cette autre couche 20 s'étendant entre la couche intermédiaire 18 et la couche 14. On précise que l'indice optique N'3 de cette autre couche 20 est inférieur à N3 et supérieur à Nl. L'idée générale est toujours de diminuer 10 l'écart d'indice à chacune des interfaces afin de diminuer les pertes par rugosité en ces interfaces. Dans ce cas, il convient d'utiliser des logiciels de calcul numérique pour optimiser les indices des couches que l'on ajoute. Des avantages de l'invention sont donnés ci-après. L'invention permet de réduire les pertes par rugosité des guides à fort écart d'indice que l'on forme par photolithographie et gravure, à l'aide d'une 20 étape technologique très peu coteuse, et permet ainsi d'envisager des dispositifs optiques intégrés de très petite taille, conservant tout de même de bonnes performances optiques. L'invention est compatible avec tous les 25 matériaux à fort écart d'indice et peut très bien être combinée à d'autres méthodes de réduction de la rugosité elle-même. Par exemple, dans le cas particulier du silicium o il est possible de réduire la rugosité des 30 flancs des guides par une technique d'oxydation/désoxydation du silicium, comme cela est B 14151.3 PV décrit dans le document [3], on peut mettre en oeuvre à la fois cette technique et la présente invention. On donne maintenant des exemples de procédés de fabrication de guides d'ondes optiques conformes à l'invention. Dans le cas de guides à fort écart d'indice en silicium, la fabrication de tels guides a lieu bien souvent en partant d'un substrat SOI (pour "Silicon On Insulator") dont la structure est représentée sur la 10 figure 4. Ce substrat SOI comprend un substrat monocristallin 22 dans lequel est enterrée une couche de silice 24, cette dernière étant ainsi surmontée d'une couche de silicium monocristallin 26. Afin de former une structure qui soit monomode aux longueurs d'onde utilisées dans les télécommunications (de l'ordre de 1,55Rtm), la couche de silice enterrée peut avoir une épaisseur comprise entre 0,7gm et lrm et la couche supérieure en silicium peut 20 avoir une épaisseur comprise entre 0,2gm et 0,5gm. Le coeur 28 du guide est ensuite formé par photolithographie et gravure à partir de la couche 26, et l'on obtient alors, en coupe transversale, la structure de la figure 5. La largeur du coeur 28 peut aller de 0,411m, si l'on désire avoir un guide monomode, jusqu'à plusieurs micromètres si l'on désire avoir un guide multimode. En reprenant la formule mentionnée plus 30 haut et en supposant que le champ électromagnétique B 14151.3 PV varie peu entre les deux interfaces de la couche mince intermédiaire que l'on veut ajouter, on a N,=3,45 N1=1,45 K1=K.2 N3 peu différent de 2,64. Un matériau présentant un indice de réfraction se rapprochant de cette valeur (2,64) peut par exemple être du carbure de silicium, du carbone 10 diamant, du dioxyde de titane, ou encore du nitrure de silicium (non stoechiométrique). Si l'on dépose une très fine couche d'un matériau ayant un tel indice, on diminue les pertes d'un facteur ax peu différent de 15 (N 2 _N12)2 (N2 -N32)2 +(N32 -N2)2 c'est à dire peu différent de 2. Si l'on utilise du nitrure de silicium stoechiométrique dont l'indice est approximativement égal à 2, on obtient une diminution des pertes d'un 20 facteur environ égal à 1,5. On peut donc former une fine couche de nitrure de silicium de quelques dizaines de manomètres d'épaisseur, par exemple par LPCVD, avant de recouvrir la structure d'une couche de silice (couche de 25 confinement supérieure) par exemple par PECVD. On obtient alors la structure de la figure 6 o l'on voit la couche de nitrure de silicium 30, qui recouvre la couche 24 et le coeur 28, et la couche de silice 32 qui recouvre cette couche 30. B 14151.3 PV Au lieu de déposer une seule couche (couche ), on peut déposer successivement deux couches minces 34 et 36 de matériaux différents comme le montre la figure 7. Les matériaux doivent avoir des indices compris entre l'indice du silicium et celui de la silice, l'indice de la première couche 34, qui recouvre la couche 24 et le coeur 28, devant être supérieur à l'indice de la deuxième couche 36 qui recouvre la 10 couche 34. A titre d'exemple, on utilise du TiO2 d'indice environ égal à 2,4 pour la couche 34 et du Si3N4 d'indice environ égal à 2 pour la couche 36. On obtient alors une diminution des pertes par rugosité 15 d'un facteur environ égal à 2. La couche de Tio2 peut être déposée par évaporation ou pulvérisation et la couche de Si3N4 par LPCVD. Dans bien des cas, la rugosité sur les 20 flancs 38 et 40 du coeur 28 (figure 8), rugosité qui est due à la photolithographie et à la gravure, est bien supérieure à la rugosité sur les bords inférieur et supérieur 42 et 44 du coeur. Il est possible de ne réaliser les couches 25 intermédiaires que sur les flancs 38 et 40 (bords latéraux) du coeur si on le désire. Pour cela, on part du coeur formé par gravure sur son subtrat. La figure 5 montre un tel coeur 28 dans le cas du silicium sur silice. Ensuite, on dépose une fine couche 46 en Si3N4 selon l'invention par LPCVD et l'on obtient alors B 14151.3 PV la structure de la figure 8. On voit que la couche 46 recouvre la couche 24 et le coeur 28. Ensuite, on effectue une gravure anisotrope de la couche 46, par exemple par la technique de 5 gravure ionique réactive ("reactive ion etching") pleine plaque (sans étape de photolithographie) et l'on obtient la structure de la figure 9 o l'on voit que les flancs du coeur 28 sont recouverts de zones en Si3N4, constituées des portions de la couche 46 qui subsistent 10 après la gravure anisotrope. Il ne reste plus alors qu'à recouvrir entièrement la structure obtenue d'une couche 48 en SiO2, par exemple par PECVD, pour obtenir le guide d'onde optique à saut d'indice de la figure 10. Comme précédemment, au lieu d'une seule couche intermédiaire (couche 46), on peut en former une pluralité de sorte que les flancs du coeur sont alors recouverts de portions de cette pluralité de couches. B 14151.3 PV REVENDICATIONS 1. Guide d'onde optique comprenant - un coeur (12, 28) qui a un indice de réfraction Nc, ce coeur ayant des flancs (38, 40), et - des première et deuxième couches de confinement (14-16, 32-24, 48-24) entre lesquelles se trouve le coeur et qui ont respectivement des indices de réfraction Ni et N2, ces indices de réfraction Ni et N2 10 étant inférieurs à l'indice de réfraction Nc du coeur, ce guide d'onde optique étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une couche intermédiaire (18, 18-20, 30, 34-36, 46) qui s'étend au moins le long des flancs du coeur, entre ce coeur et la 15 première couche de confinement (14, 32, 48), et qui a un indice de réfraction N3, cet indice de réfraction N3 étant inférieur à Nc et supérieur à NM. 2. Guide d'onde optique selon la revendication 1, dans lequel le coeur (28) est formé sur 20 la deuxième couche de confinement (24), ce guide d'onde optique étant ainsi un guide d'onde optique à saut d'indice. 3. Guide d'onde optique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la 25 couche intermédiaire (18, 18-20, 30, 34-36) s'étend le long du coeur (28), entre ce coeur et la première couche de confinement (32), et sépare ainsi totalement le coeur de la première couche de confinement. 4. Guide d'onde optique selon l'une 30 quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la couche intermédiaire (46) s'étend seulement le long des B 14151.3 PV flancs (38, 40) du coeur, entre ce coeur et la première couche de confinement (48). 5. Guide d'onde optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant une 5 pluralité de couches intermédiaires (18-20, 34-36) dont les indices de réfraction respectifs vont en décroissant à partir du coeur (28). 6. Procédé de fabrication d'un guide d'onde optique, ce guide d'onde optique comprenant: - un coeur (28) qui a un indice de réfraction Nc, ce coeur ayant des flancs (38, 40), et - des première et deuxième couches de confinement (32-24, 48-24) entre lesquelles se trouve le coeur et qui ont respectivement des indices de 15 réfraction NI et N2, ces indices de réfraction Ni et N2 étant inférieurs à l'indice de réfraction Nc du coeur, ce procédé étant caractérisé en ce que - on forme le coeur (28), - on forme au moins une couche 20 intermédiaire (30, 34-36, 46) sur le coeur, cette couche intermédiaire s'étendant au moins le long des flancs du coeur et ayant un indice de réfraction N3, cet indice de réfraction N3 étant inférieur à Nc et supérieur à Ni, et - on forme la première couche de confinement (32, 48). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on forme le coeur (28) sur la deuxième couche de confinement (24), le guide d'onde optique étant ainsi 30 un guide d'onde optique à saut d'indice. B 14151.3 PV 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, dans lequel on forme la couche intermédiaire (30, 34-36) le long du coeur (28), entre ce coeur et la première couche de confinement (32, 48), 5 de manière à séparer totalement le coeur de la première couche de confinement. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, dans lequel on forme la couche intermédiaire (46) seulement le long des flancs (38, 10 40) du coeur (28), entre ce coeur et la première couche de confinement (48). 10.. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel on forme une pluralité de couches intermédiaires (34, 36) dont les 15 indices de réfraction respectifs vont en décroissant à partir du coeur (28). B 14151.3 PV