Brevet FR2840689A1 — publié le 20031212

possede une entretoise n 4 support du bras de rglage n 4 cette entretoise est articulee en rotation. t Guide d'onde comportant un canal et une couche d'adaptation La presente invention concerne un guide d'onde comportant un canal et une couche d'adaptation. Le domaine de ['invention est celui des dispositifs optiques integres sur substrat, domaine dans lequel un element essentiel est le guide d'onde qui assure la fonction de transport de l'energie lumineuse necessaire a l'acheminement d'un signal optique. Par reference a la demande de brevet FR 2 818 390, un tel guide est realise en creant un canal par implantation ionique du substrat a travers un masque, puis en deposant une couche guidante o sur le canal. Le guide n'etant pas limite au seul canal mais plutot constitue par ['association de ce canal et de la couche guidante, il presente alors des dimensions en adequation avec celle du coeur d'une fibre optique. En effet, les dispositifs integres vent souvent interconnectes avec des fibres optiques. La structure geometrique du guide fait que celui-ci est susceptible de presenter un comportement qui differe selon l'etat de polarisation de la lumiere. Cette sensibilite a la polarisation est d'autant plus forte que la dose d'implantation est elevee. L'ecart entre les indices effectifs de refraction en mode transverse electrique (TE) et en mode transverse magnetique (TM) augmente a mesure que l'indice de refraction du canal augmente. La sensibilite a la polarisation est un parametre critique pour tout dispositif raccorde a une fibre optique. En effet, lorsque la fibre est contrainte, notamment lorsqu'elle est courbee, cette courbure conduit a une modification de la polarisation de la lumiere qui y circule. II n'est done pas possible de conna^'tre I'etat de polarisation de la lumiere entrant dans le dispositif. II s'ensuit que ce d ispos itif d o it presenter u ne sensib il ite a la polarisation qu i so it la pl u s red u ite possible de sorte que l'integrite du signal optique soit preservee au mieux. En particulier, les pertes radiatives dans les courbures dependent du contraste d'indice lateral ANeff, contraste qui se definit comme l'ecart entre I'indice effectif de refraction defini au niveau du canal et celui defini en dehors de ce canal. Ce contraste depend lui-meme du mode de polarisation. II est souhaitable que le contraste lateral ANeffTE en mode TE soit le plus proche possible du contraste lateral ANeffTM en mode TM pour que le rayon de courbure minimum admissible par le guide soit le meme en mode TE qu'en mode TM. 3 A titre d'exemple, on considere un guide caracterise comme suit: longueur d'onde: 1 550 nm, - indice de refraction du substrat: 1,444, indice de refraction de la couche guidante: 1,45, - epaisseur de la couche guidante: 5,lm. Si l'on veut que l'ecart entre le contraste lateral NeffTE en mode TE et le contraste lateral ANeffTM en mode TM soit inferieur a 0,001, les contrastes optiques que l'on peut obtenir vent assez falbles. Pour une epaisseur du canal de 0,05pm,1'indice de refraction du canal doit etre inferieur a 1,70, ce qui conduit a un contraste lateral ANeffTE en mode TE de 0,003 et a un contraste lateral ANeffTM en mode TM de 0,002, le rayon de o courbure minimum etant alors estime entre 20 et 25 mm. Pour une epaisseur du canal de O,10m,1'indice de refraction du canal doit etre inferieur a 1,60, ce qui conduit a un contraste lateral ANeffTE en mode TE de 0,004 et a un contraste lateral ANeffTM en mode TM de 0,003, le rayon de courbure minimum etant alors estime entre 15 et 20 mm. Pour une epaisseur du canal de 0,20,lm,1'indice de refraction du canal doit etre inferieur a 1,55, ce qui conduit a un contraste lateral ANeffTE en mode TE de 0,006 et a un contraste lateral ANeffTM en mode TM de 0,005, le rayon de courbure minimum etant alors estime entre 10 et 15 mm. La presente invention a ainsi pour objet un guide d'onde optique presentant une sensibilite reduite a la polarisation et un contraste d'indice lateral eleve. Selon ['invention, un guide d'onde comporte un canal sur un substrat optique, I'indice de refraction de ce canal etant superieur a celui du substrat, comporte aussi au moins une couche guidante agencee sur ce canal, l'indice de s cette couche guidante etant superieur a celui du substrat; de plus, le guide d'onde comporte une couche d'adaptation s'etendant lateralement de part et d'autre du canal. Cette couche d'adaptation a en effet pour but de reduire la sensibilite du guide a la polarisation. o De preference, I'epaisseur de la couche d'adaptation est inferieure a celle du canal. Par exemple, elle est comprise entre 20% et 60% de l'epaisseur du canal. La couche d'adaptation se decomposant en deux bandes jouxtant chacune un bord lateral du canal, la largeur de chacune de ces bandes est au moins egale a celle du canal. D'autre part, I'indice de refraction de la couche d'adaptation est superieur a celui du canal. Avantageusement, le guide d'onde comporte au moins une couche de recouvrement disposee sur la couche guidante, I'indice de cette couche de recouvrement etant inferieur a celui de la couche guidante et a celui du canal. Selon un mode de realisation privilegie, le canal est integre dans le substrat. De meme, la couche d'adaptation est elle aussi integree dans le substrat. o Alternativement, le canal fait saillie sur le substrat et, par consequent la couche d'adaptation peut elle aussi etre disposee en saillie sur le substrat. II est preferable que l'indice de la couche guidante vaille celui du substrat multiplie par un facteur superieur a 1,001. Selon une caracteristique additionnelle du guide d'onde, I'epaisseur de I'ensemble des couches guidantes est comprise entre 1 et 20 microns. De preference, le canal et eventuellement la couche d'adaptation resultent d'une implantation ionique dans le substrat. A titre indicatif, la face du substrat sur laquelle est realisee ['implantation ionique est en dioxyde de silicium. 2 o L'invention vise egalement une methode de fabrication d'un guide d'onde sur un substrat optique comprenant: - une etape de definition d'un canal consistent en la realisation d'un masque de canal sur le substrat, suivie d' - une etape d'implantation ionique du substrat comportant ce masque de canal, suivie d' - une etape de retrait du masque de canal, une etape de depot d'au moins une couche guidante sur le substrat, I'indice de refraction de cette couche guidante etant superieur a celui du substrat; cette methode comprend de plus, precedent lietape de depot: une etape de definition d'une couche d'adaptation consistent en la realisation diun masque d'adaptation sur le substrat, la couche d'adaptation s'etendant lateralement de part et d'autre du canal, cette etape etant suivie d' - une etape d'implantation ionique du substrat comportant le masque d'adaptation, suivie d' 3 5 - une etape de retrait du masque d'adaptation. Selon une premiere variante, cette methode de fabrication d'un guide d'onde sur un substrat optique comprend: - une premiere etape d'implantation ionique du substrat, - une etape de depot d'au moins une couche guidante sur le substrat, I'indice de refraction de cette couche guidante etant superieur a celui du substrat; et elle comprend de plus, suite a cette premiere etape: - une etape de definition d'une couche d'adaptation par application d'un masque d'adaptation sur le substrat et gravure de ce substrat, suivie d' - une deuxieme etape d'implantation ionique du substrat comportant ce masque o d'adaptation pour obtenir un canal, suivie d' - une etape de retrait du masque d'adaptation. Selon une deuxieme variante, la methode comprend: - une premiere etape d'implantation ionique du substrat, - une etape de definition d'un canal par application d'un masque d'adaptation sur le substrat et gravure de ce substrat, - une etape de depot d'au moins une couche guidante sur le substrat, I'indice de refraction de cette couche guidante etant superieur a celui du substrat; et elle comprend de plus, suite a l'etape de definition du canal: - une deuxieme etape d'implantation ionique du substrat comportant ce masque o d'adaptation pour obtenir une couche d'adaptation, suivie d' - une etape de retrait du masque d'adaptation. De preference, la methode comprend une etape de recuit du substrat qui fait suite a l'une des etapes d'implantation ionique. Cette methode est d'autre part adaptee a la realisation des differentes caracteristiques du guide d'onde mentionnees ci-dessus. La presente invention appara^'tra maintenant avec plus de details dans le cadre de la description qui suit d'exemples de realisation donnes a titre illustratif en se referent aux figures annexees qui representent: - la figure 1, un schema d'un guide d'onde, - la figure 2, la fabrication d'un guide d'onde selon une premiere methode, - la figure 3, une premiere variante de cette methode, - la figure 4, une deuxieme variante de cette methode, et - la figure 5, un guide d'onde fabrique selon une autre methode. En reference a la figure 1, le substrat est en silice ou bien il est en silicium sur lequel, soit on a fait cro^'tre un oxyde thermique, soit on a depose une couche de dioxyde de silicium ou d'un autre materiau. II presente ainsi une face superieure ou substrat optique 11, couramment en dioxyde de silicium, d'une epaisseur de 5 a 20 microns, par exemple. Le canal 12 realise par implantation ionique, de titane par exemple, est ici integre dans le substrat optique. La couche d'adaptation prend ici la forme de deux bandes 13, 14 egalement realisees par im plantation ion ique et done elles au ssi integ rees da n s le su bstrat optique. Ces deux bandes stetendent lateralement depuis chacun des flans du canal 12. Wiles presentent toutes deux une epaisseur inferieure a celle du canal, de preference comprise entre 20% et 60% de celle-ci. Ensuite le substrat 11 est recouvert d'une couche guidante 15 en dioxyde de silicium dope qui est realisee par o exemple au moyen d'un depBt chimique en phase vapeur (PECVD pour > en anglais). L'indice de refraction du canal 12 est naturellement plus eleve que celui du dioxyde de silicium. L'indice de refraction de la couche d'adaptation 13, 14 est quant a lui plus eleve que celui du canal 12. La couche guidante 15 de 5 microns s d'epaisseur, par exemple, presente un indice de refraction superieur a celui du substrat optique 11, de 0,3% par exemple. Wile peut eventuellement resulter d'un empilement de couches minces. De preference, une couche de recouvrement 16 qui peut egalement consister en un empilement de couches minces est prevue sur la couche guidante 15. Cette couche de recouvrement, de 5 microns o d'epaisseur egalement, a un indice inferieur a celui de la couche guidante 15 et a celui du canal 12; dans le cas present elle est en dioxyde de silicium non dope. En reference a la figure 2a, une premiere methode de fabrication du guide d'onde comporte une premiere etape qui consiste a realiser un masque 22 sur le substrat optique 21 pour definir le canal 23, ceci au moyen d'un procede s classique de photolithographie. Le masque 22 est en resine, en metal ou en tout autre materiau susceptible de constituer une barriere infranchissable pour les ions lors de ['implantation. Eventuellement, le masque peut etre obtenu par un procede d'ecriture directe. Le canal 23 est produit par implantation ionique du substrat masque. A o titre d'exemple, pour une implantation de titane, la dose d'implantation est comprise entre 1016/cm2 et 1048/cm2 et l'energie est comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de Key. En reference a la figure 2b, le masque est retire, par exemple au moyen d'un procede de gravure chimique. En reference a la figure 2c, les deux bandes 24, 25 de la couche d'adaptation vent obtenues par masquage et implantation, tout comme le canal 23. II convient de noter que ces deux bandes auraient pu etre realisees avant le canal. Le substrat est ensuite soumis a un recuit pour reduire les pertes a la propagation au sein du canal 23. A titre d'exemple, la temperature est comprise entre 400 et 500 C, I'atmosphere est contrBlee ou bien il s'agit de l'air libre, tandis que la duree est de l'ordre de quelques dizaines d'heures. o En reference a la figure 2d, la couche guidante 26 est alors deposee sur le substrat 21 au moyen de l'une quelconque des techniques connues pourvu que celle-ci conduise a un materiau a faibles pertes dont l'indice de refraction peut etre aisement contrBle. Enfin, la couche de recouvrement 27 est eventuellement deposee sur la couche guidante 26. En reference a la figure 3a, une premiere variante de cette methode de fabrication comporte une premiere etape qui consiste a implanter la totalite du substrat optique 31. En reference a la figure 3b, une deuxieme etape consiste a definir les deux bandes 34, 35 de la couche d'adaptation, ceci par masquage et gravure du 2 o substrat 31. En reference a la figure 3c, le canal 33 est obtenu par implantation au travers du masque utilise pour la gravure des deux bandes 34, 35 de la couche d'adaptation. Ensuite, le masque est retire. Le substrat est eventuellement soumis a un recuit. En reference a la figure 3d, vent enfin successivement deposees la couche guidante 36 et la couche de recouvrement 37. En reference a la figure 4a, une deuxieme variante de la premiere methode de fabrication comporte une premiere etape qui consiste a implanter la totalite du substrat optique 41, tout comme dans la premiere variante. En reference a la figure 4b, une deuxieme etape consiste a definir le canal 43, ceci par masquage et gravure du substrat 41. En reference a la figure 4c, les deux bandes 34, 35 de la couche d'adaptation vent obtenues par implantation au travers du masque utilise pour la gravure du canal 43. Ensuite, le masque est retire, puis le substrat est soumis a un recuit. En reference a la figure 4d, vent enfin successivement deposees la couche guidante 46 et la couche de recouvrement 47. Une deuxieme methode met en cauvre la technologie d'echange d'ions. Dans ce cas, le substrat est un verre contenant des ions mobiles a temperature relativement basse, un verre de silicates contenant de l'oxyde de sodium par exemple. Cette methode est tres similaire a la premiere methode si ce n'est que les etapes diimplantation vent remplacees par des etapes diimmersion dans un bain contenant des ions polarisables tel que argent ou potassium. Le motif est ainsi realise par augmentation de l'indice de refraction consecutive a l'echange o des ions polarisables avec les ions mobiles du substrat. Puis, generalement, le canal et la couche d'adaptation vent enterres par application d'un champ electrique perpendiculaire a la face du substrat. En reference a la figure 5, une troisieme methode met en ceuvre la technologie des couches minces. Generalement, la face superieure du substrat 50 est en dioxyde de silicium. Une premiere couche d'indice superieur a celui du dioxyde de silicium est deposee sur le substrat optique au moyen d'une quelconque technique connue telle que depot par hydrolyse a la flamme ( > en terminologie anglo-saxonne) depot chimique en phase vapeur haute ou basse pression et assiste ou non par plasma, o evaporation sous vice, pulverisation cathodique ou depot par centrifugation. Cette couche est souvent du dioxyde de silicium dope, de l'oxy-nitrure de silicium, du nitrure de silicium et l'on peut aussi employer des polymeres ou des sole-gels. Un masque definissant le canal est alors applique sur la couche deposee. Ensuite, ce canal 51 est realise par un procede de gravure chimique ou de gravure seche tel que gravure plasma, gravure ionique reactive ou gravure par faisceau d'ions. Le masque est retire apres la gravure et, une deuxieme couche est deposee. Un autre masque definissant les deux bandes 53, 54 de la couche d'adaptation est ensuite applique sur la deuxieme couche avant une nouvelle 3 o etape de gravure. Ensuite, vent deposees la couche guidante 55 puis eventuellement la couche de recouvrement 56. Bien entendu, il est envisageable de realiser d'abord les deux bandes 53, 54 de la couche d'adaptation et ensuite le canal 51. Cette methode requiert une operation de gravure qu'il est difficile de ma^triser tent sur le plan de la resolution spatiale que sur l'etat de surface des flancs du canal 51 et des bandes 53, 54, caracteristiques qui conditionnent directement les pertes a la propagation du guide d'onde. Les exemples de realisation de ['invention presentes ci-dessus ont ete choisis pour leur caractere concret. II ne serait cependant pas possible de repertorier de maniere exhaustive tous les modes de realisation que recouvre cette invention. En particulier, toute etape ou tout moyen decrit peutetre remplace par une etape ou un moyen equivalent sans sortir du cadre de la presente invention. REVENDICATIONS 1) Guide d'onde comportant un canal 12, 23, 31 sur un substrat optique 11, 21, 30, I'indice de refraction de ce canal etant superieur a celui du substrat, comportant aussi au moins une couche guidante 15, 26, 35 agencee sur ledit canal, l'indice de cette couche guidante etant superieur a celui du substrat, caracterise en ce qu'il comporte une couche d'adaptation 13-14, 24-25, 33-34 s'etendant lateralement de part et d'autre audit canal 12, 23, 31. 2) Guide d'onde selon la revendication 1, caracterise en ce que ltepaisseur de ladite couche d'adaptation 13-14, 24-25, 33-34 est inferieure a l'epaisseur o audit canal 12,23, 31. 3) Guide d'onde selon la revendication 2, caracterise en ce que l'epaisseur de ladite couche d'adaptation 13-14, 24-25, 33-34 est comprise entre 20% et % de l'epaisseur audit canal 12, 23, 31. 4) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications precedentes caracterise en ce que, ladite couche d'adaptation se decomposant en deux bandes 13-14, 24-25, 33-34 jouxtant chacune un bord lateral audit canal 12, 23, 31, la largeur de chacune de ces bandes est au moins egale a celle du canal. ) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que l'indice de refraction de ladite couche d'adaptation 13-14, o 24-25, 33-34 est superieur a celui du canal 12, 23, 31. 6) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce qu'il comporte au moins une couche de recouvrement 16, 27, 36 disposee sur ladite couche guidante 15, 26, 35, I'indice de cette couche de recouvrement etant inferieur a celui de la couche guidante et a celui du canal. s 7) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que ledit canal 12, 23 est integre dans ledit substrat 11, 21. 8) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que ladite couche d'adaptation 13-14, 24-25 est integree dans ledit substrat 11. o 9) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications 1 a 6, caracterise en ce que ledit canal 3 1 fait saillie sur led it su bstrat 30. ) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications 1 a 6 ou 9, caracterise en ce que ladite couche d'adaptation 33-34 fait saillie sur ledit substrat 30. 11) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que l'indice de refraction de ladite couche guidante 15, 26, 35 vaut celui du substrat 11, 21, 30 multiplie par un facteur superieur a 1, 001. 12) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que l'epaisseur de ['ensemble des couches guidantes 15, 26, est comprise entre 1 et 20 microns. 13) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que ledit canal 12, 23 resulte d'une implantation ionique dans ledit substrat 11, 21. o 14) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que ladite couche d'adaptation 33-34 resulte d'une implantation ionique dans ledit substrat 11, 21. ) Guide d'onde selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que la face du substrat 11, 21, 30 sur laquelle est realisee I'implantation ionique est en dioxyde de silicium. 16) Methode de fabrication d'un guide d'onde sur un substrat optique comprenant: - une etape de definition d'un canal consistent en la realisation d'un masque de canal 22 sur ledit substrat 21, suivie d' - une etape d'implantation ionique du substrat comportant ledit masque de canal 22, suivie d' - une etape de retrait audit masque de canal 22, - une etape de depot d'au moins une couche guidante 26 sur le substrat, I'indice de refraction de cette couche guidante etant superieur a celui du substrat; caracterisee en ce qu'elle comprend de plus, precedent ladite etape de depot: - une etape de definition d'une couche d'adaptation consistent en la realisation d'un masque d'adaptation sur ledit substrat 21, ladite couche d'adaptation s'etendant lateralement de part et d'autre audit canal 22, etape suivie d' 3 0 - une etape d'implantation ionique du substrat comportant ledit masque d'adaptation, suivie d' - une etape de retrait audit masque d'adaptation. 17) Methode de fabrication d'un guide d'onde sur un substrat optique comprenant: s - une premiere etape d'implantation ionique du substrat 31, - une etape de depot d'au moins une couche guidante 36 sur le substrat, I'indice de refraction de cette couche guidante etant superieur a celui du substrat; caracterisee en ce qu'elle comprend de plus, suite a ladite premiere etape: - une etape de definition d'une couche d'adaptation 34, 35 par application d'un masque d'adaptation sur le substrat 31 et gravure de ce substrat, suivie d' - une deuxieme etape d'implantation ionique du substrat comportant ledit masque d'adaptation pour obtenir un canal 33, suivie d' - une etape de retrait audit masque d'adaptation. o 18) Methode de fabrication d'un guide d'onde sur un substrat optique comprenant: - une premiere etape d'implantation ionique du substrat 41, une etape de definition d'un canal 43 par application d'un masque d'adaptation sur le substrat 41 et gravure de ce substrat, - une etape de depot d'au moins une couche guidante 46 sur le substrat, I'indice de refraction de cette couche guidante etant superieur a celui du substrat; caracterisee en ce qu'elle comprend de plus, suite a ladite etape de definition du canal: o - une deuxieme etape d'implantation ionique du substrat comportant ledit masque d'adaptation pour obtenir une couche d'adaptation 44, 45, suivie d' - une etape de retrait audit masque d'adaptation. 19) Methode selon l'une quelconque des revendications 16 a 18, caracterisee en ce qu'elle comprend une etape de recuit du substrat 21, 31, 41, qui fait suite a l'une des etapes d'implantation ionique. ) Methode selon l'une quelconque des revendications 16 ou 19, caracterisee en ce qu'elle comprend une etape de depot d'une couche de recouvrement 27, 37, 47, 56 sur ladite couche guidante 26, 36, 46, 55, I'indice de cette couche de recouvrement etant inferieur a celui de la couche guidante et a celui du canal 23, 31, 41, 50. 21) Methode selon l'une quelconque des revendications 16 a 20, caracterisee en ce que l'indice de ladite couche guidante 26, 36, 46, 55 vaut celui du substrat 21, 31, 41, 50 multiplie par un facteur superieur a 1, 001. 22) Methode selon l'une quelconque des revendications 16 a 21, caracterisee en ce que l'epaisseur de ['ensemble des couches guidantes 26, 36, 46, 55 est comprise entre 1 et 20 microns. 23) Methode selon rune quelconque des revendications 16 a 22, caracterisee en ce que la face 21, 31, 41, 50 du substrat sur laquelle est realisee