Brevet FR2849217A1 — publié le 20040625

ATTENUATEUR OPTIQUE VARIABLE Domaine technique L'invention se rattache au domaine de la microélectronique, et plus 5 particulièrement au secteur des composants optiques réalisés à partir de structures microélectromécaniques, également appelées MEMS L'invention vise plus spécifiquement des atténuateurs optiques variables, composants également connus sous l'abréviation VOA pour "Variable Optical Attenuator". L'invention concerne plus particulièrement une nouvelle structure d'atténuateur optique variable, conçue en vue d'améliorer les pertes fonctions de la polarisation (ou PDL) généralement observées dans les atténuateurs optiques variables. Techniques antérieures De façon générale, un atténuateur optique variable est un composant optique utilisé dans les réseaux de communication par fibres optiques, dont le but est d'adapter la puissance optique transmise, en particulier pour éviter les phénomènes de saturation ou bien encore pour égaliser les gains obtenus en sortie 20 d'amplificateurs optiques. De multiples architectures ont déjà été proposées pour réaliser des atténuateurs optiques variables, notamment en utilisant des technologies MEMS. De façon classique un atténuateur optique comprend deux canaux, destinés chacun à recevoir une fibre optique, dont l'une sert de fibre optique d'entrée, l'autre étant la fibre optique de sortie L'atténuateur comprend également une paroi mobile, formant un obturateur, qui est déplacé par l'intermédiaire d'un actionneur, entre la fibre optique d'entrée et la fibre optique de sortie. En fonction de son déplacement, cet obturateur permet la transmission d'une partie variable d'une énergie lumineuse issue de la fibre optique d'entrée, à destination de la fibre optique de sortie. Des phénomènes de diffraction sont générés lorsque les faisceaux lumineux sont interceptés par l'arête de la paroi métallique formant l'obturateur Ces phénomènes de diffraction, ainsi que le blocage d'une partie de rayons par le paroi métallique, sont la source de pertes optiques On observe généralement que les pertes varient selon la longueur d'ondes aussi bien que la polarisation des champs 10 optiques La dépendance des pertes vis-à-vis de ces deux paramètres n'est pas souhaitable, car elle introduit des perturbations des systèmes optiques de transmission La dépendance des pertes vis-à-vis de la longueur d'onde est généralement appelée WDL pour "Wavelength Dependant Losses" On observe également une dépendance des pertes vis-à-vis la polarisation des rayons 15 lumineux Ces pertes sont généralement appelées PDL pour "Polarization Dependant Losses" Ces pertes sont particulièrement sensibles aux phénomènes de diffraction qui apparaissent lors de l'interception des rayons lumineux par une arête métallique de l'obturateur. Pour réduire ces pertes dépendantes de la polarisation, on a proposé dans le document US 6 246 826 de donner à l'arête de la paroi interceptant les rayons une forme particulière, présentant soit une encoche, soit encore une excroissance triangulaire. En pratique, la réalisation de ces arêtes de forme complexe rend le procédé de fabrication délicat, et notamment en ce qui concerne la "répétabilité" du procédé Le même type d'encoche a également été décrit dans les publications Dans la publication US 2002/00 9256 il a également été prévu de combiner deux parois présentant chacune une encoche triangulaire Les mêmes inconvénients que ceux déjà évoqués se présentent en ce qui concerne la fabrication de tels atténuateurs. Un problème que se propose de résoudre l'invention est celui de diminuer la 5 dépendance des pertes vis à vis de la polarisation, tout en conservant un procédé de fabrication simple, compatible avec les procédés de réalisation des structures MEMS, et notamment à base de substrats de silicium. Exposé de l'invention L'invention concerne donc un atténuateur optique variable, réalisé à base de structures microélectromécaniques Un tel atténuateur comporte deux parois mobiles, aptes à se déplacer de façon controlée entre deux fibres optiques ou guide d'ondes, de manière à intercepter tout ou partie des rayons lumineux transmis entre ces deux fibres optiques ou ces guides d'ondes. 15 Conformément à l'invention, cet atténuateur optique variable se caractérise en ce que les arêtes des parois qui interceptent les rayons lumineux sont inclinées par rapport à la direction du déplacement des parois, de manière à former une encoche en forme de V lorsque les parois se chevauchent En outre, les épaisseurs des deux 20 parois, mesurées parallèlement à la direction de propagation des rayons lumineux, sont différentes. Autrement dit, les deux parois ou obturateurs coopèrent en étant déplacés simultanément, pour intercepter chacune une partie des rayons lumineux Les 25 arêtes des deux parois forment un angle voisin de la perpendiculaire, de sorte que la dépendance des phénomènes de diffraction générés par l'arête de la première paroi vis-à-vis de la polarisation est compensé en partie par l'arête de la seconde paroi On a constaté que les pertes fonction de la longueur d'onde sont également réduites par rapport à une configuration dans laquelle l'atténuateur optique ne 30 comporte qu'une seule paroi ou obturateur. En pratique, les arêtes inclinées des deux parois peuvent être symétriques par rapport à un plan perpendiculaire à la direction de déplacement des parois, de manière à former une encoche en V, elle-même symétrique par rapport au même plan perpendiculaire. Avantageusement en pratique, ce plan de symétrie des deux arêtes passe préférentiellement par l'axe longitudinal des fibres optiques, ou des guides d'ondes. De la sorte, chaque paroi intercepte une même proportion du faisceau lumineux. En pratique, les arêtes inclinées peuvent former un angle voisin de 55 par rapport à la direction de déplacement des parois, lorsque l'atténuateur optique est réalisé sur un substrat de silicium présentant une orientation cristalline du type ( 100) Ainsi, les arêtes inclinées des parois peuvent être obtenues par gravure chimique anisotropique, ces arêtes étant alors perpendiculaires à la direction l 111 l. 15 En pratique, dans le but de réduire les pertes dues aux réflexions sur les obturateurs, les faces des parois interceptant les rayons lumineux peuvent former un angle différent de 90 par rapport aux rayons lumineux Cet angle peut être de l'ordre typiquement de quelques degrés. 20 Description sommaire des figures La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suivent, à l'appui des figures annexées dans lesquelles: La figure 1 est une vue en perspective sommaire schématique d'un atténuateur variable conforme à l'invention. La figure 2 est une vue de dessus de la zone centrale de l'atténuateur de la figure 1. La figure 3 est une vue selon la direction des rayons lumineux de la zone o 30 se chevauchent les parois de l'atténuateur variable. Les figures 4, 6 et 8 sont des vues de dessus d'un substrat dans lequel est réalisé un atténuateur ouvert au repos, au fur et à mesure des étapes de réalisation. Les figures 5, 7, et 9, sont des vues en coupe selon les plans de coupe indiqués respectivement aux figures 4, 6 et 8. La figure 10 est une vue selon la direction des rayons lumineux de la structure de la figure 8, après libération des parois. Les figures 11, 13, 15 et 17 sont des vues de dessus d'un substrat dans lequel est réalisé un atténuateur optique variable fermé au repos, au fur et à mesure des étapes de réalisation. Les figures 12, 14, 16 et 18 sont des vues en coupe selon les plans de coupe indiqués respectivement aux figures 11, 13, 15 et 17. 10 Manière de réaliser l'invention Comme déjà évoqué, l'invention concerne un atténuateur optique variable réalisé comme illustré à la figure 1 sur un substrat qui peut typiquement être un substrat de silicium, et préférentiellement un substrat de silicium sur isolant (SOI). 15 Un tel atténuateur comprend deux canaux ( 1, 2) destinés à recevoir des fibres optiques ( 3, 4) disposés en regard l'une de l'autre Ces fibres optiques ( 3, 4) peuvent également être remplacées par des guides d'onde ou tout moyen équivalent permettant de transmettre un signal sous forme d'un faisceau lumineux. 20 Dans la zone séparant les deux extrémités des fibres optiques ( 3, 4), l'atténuateur optique comporte deux parois ( 5, 6) mobiles, et déplacées par l'intermédiaire d'un actionneur non représenté Cet actionneur peut être de types très variés, et notamment électrostatique à base de peignes interdigités. 25 Conformément à l'invention, chaque paroi ( 5, 6) comporte une arête ( 7, 8) qui est inclinée par rapport à la direction D de déplacement des parois. Comme illustré à la figure 2, cette direction D peut être légèrement inclinée 30 par rapport à l'axe longitudinal ( 10) des fibres optiques, correspondant à la direction des rayons lumineux Cette inclinaison est telle que les faces ( 11, 12) des parois ( 5, 6) sont écartées de la perpendiculaire à l'axe longitudinal ( 10) d'un angle ô voisin de 8 . Conformément à l'invention, les épaisseurs des deux parois ( 5, 6) sont 5 différentes Ainsi, l'épaisseur (el) de la paroi la plus fine peut être de l'ordre de 3 micromètres, tandis que l'épaisseur (e 2) de la paroi la plus épaisse est de l'ordre de micromètres au plus. Lorsque les parois ( 5, 6) sont dans une position escamotée, telle qu'illustrée à 10 la figure 1, elles laissent passer les rayons en provenance de la fibre optique d'entrée ( 3) à destination de la fibre optique de sortie ( 4) En revanche, dans la configuration illustrée à la figure 3, une partie des rayons est interceptée par les deux parois, le reste des rayons passant au-dessus de l'encoche en V formée par les parois inclinées ( 7, 8). Différents procédés de réalisation peuvent être mis en oeuvre, selon que l'on souhaite obtenir des atténuateurs optiques variables dont les parois sont soit écartées, soit se chevauchent à leur état de repos, c'est-àdire lorsque les actionneurs ( 15, 16) qui les déplacent sont inactifs. 20 Ainsi, comme illustré aux figures 4 à 10, un tel atténuateur peut être réalisé à partir d'un substrat de silicium sur isolant Typiquement, la galette ou "wafer" ( 20) de silicium sur isolant (SOI), présente typiquement une couche ( 21) de silicium d'une épaisseur de l'ordre de 75 à 100 micromètres, au-dessus d'une couche 25 d'oxyde d'une épaisseur de l'ordre de quelques micromètres. La direction cristallographique l 110 l est orientée selon la flèche Pf de la figure 4, perpendiculaire à la direction de déplacement D des futures parois mobiles. Ainsi, dans une première étape, on procède à une étape de croissance d'une couche ( 23) d'oxyde thermique sur laquelle est ensuite réalisée une ouverture ( 24) de forme générale rectangulaire, laissant apparaître la couche de silicium ( 21). Comme illustré ensuite aux figures 6 et 7, la couche de silicium ( 21) subit ensuite une étape de gravure chimique anisotropique, par exemple à base d'une attaque d'hydroxyde de potassium (KOH), de manière à former les pans inclinés ( 26-29), correspondant aux plans cristallins de la famille { 111} La gravure chimique a lieu 5 jusqu'à ce que la couche intermédiaire de dioxyde de silicium ( 22) apparaisse entre les pans inclinés ( 26-29) C'est sur deux de ces pans inclinés ( 28, 29) que seront réalisées les arêtes ( 7, 8) des obturateurs caractéristiques. Par la suite, la couche de dioxyde de silicium ( 23) est éliminée, par exemple 10 par gravure réactive ionique ou RIE pour "Reactive Ion Etching". Par la suite, comme illustré aux figures 8 et 9, la couche de silicium ( 21) reçoit un masque de photolithographie qui est ensuite éliminé pour ne subsister qu'au niveau des deux futures parois mobiles ( 5, 6) On procède par la suite à une 15 étape de gravure ionique réactive profonde (DRIE) permettant d'éliminer l'essentiel de la couche de silicium ( 21) à l'exception des deux parois mobiles ( 5, 6) Par cette même étape de gravure profonde, il est également possible de définir la structure des actionneurs, notamment lorsqu'il s'agit de peignes interdigités, ainsi que les rainures d'alignement des fibres optiques (non représentés). 20 Par la suite, la couche de résine photo résistive présente au-dessus des parois ( 5, 6) est éliminée. Par la suite, comme illustré à la figure 10, on procède à l'élimination de la 25 couche intermédiaire de dioxyde de silicium ( 22), par une gravure chimique utilisant notamment le fluorure d'hydrogène (HF) Cette étape de gravure permet de libérer les parois mobiles ( 5, 6), ainsi que les parties mobiles des actionneurs (non représentés). Par la suite, on procède à une étape de métallisation des faces ( 11, 12) des parois mobiles, par un dépôt notamment à base d'or L'atténuateur variable ainsi obtenu présente donc des parois mobiles ( 5, 6) qui sont décalées à l'état de repos Il est donc nécessaire d'agir sous les actionneurs pour augmenter le taux d'atténuation. On peut également réaliser un autre type d'atténuateur optique variable, en 5 utilisant le même "wafer" ( 30) de SOI, comme illustré aux figures 11 à 18 Ainsi, dans ce cas, la couche de silicium ( 31) subit une croissance d'oxyde thermique permettant de définir la couche supérieure ( 33) illustrée à la figure 12 Cette couche supérieure d'oxyde ( 33) est ensuite gravée pour réaliser deux ouvertures ( 34, 35) décalées dans les sens longitudinaux et transversaux Ces deux ouvertures 10 ( 34, 35) laissent apparaître la couche de silicium ( 31) On préférera que les deux ouvertures soient séparées pour éviter des risques de chevauchement inopiné dus à des problèmes de mauvais alignement. Par la suite, et comme illustré aux figures 13 et 14, on procède à une gravure 15 anisotropique chimique, à base d'hydroxyde de potassium, de manière à former les pans inclinés ( 36-39) selon les plans cristallins de la famille { 111} On remarque que du fait des petites dimensions des ouvertures ( 34, 35) en comparaison avec celles ( 24) de la figure 4, les pans inclinés ( 36-39) se rejoignent au niveau d'une arête ( 40) située au sein de la couche de silicium ( 31), sans laisser apparaître la 20 couche intermédiaire de dioxyde de silicium ( 32). Sur un de ces pans inclinés ( 36) seront définies les arêtes ( 48) de la paroi ( 45). Par la suite, on élimine par gravure à base de fluorure d'hydrogène (HF) la 25 couche supérieure d'oxyde de silicium ( 33). Par la suite, comme illustré aux figures 15 et 16, on procède au dépôt d'un masque de résine photo-résistive ( 42) qui est ensuite éliminé à l'exception de l'aplomb des futures parois mobiles ( 45, 46) Ces parois mobiles sont ensuite 30 définies par une gravure réactive ionique profonde, qui permet également de réaliser les structures des actionneurs ainsi que les rainures d'alignement des fibres optiques (non représentées) . La couche de résine photo-résistive ( 42) est ensuite éliminée Par la suite, comme illustré à la figure 18, on procède à l'élimination de la couche intermédiaire de dioxyde de silicium ( 32), par gravure chimique à base de fluorure d'hydrogène 5 (HF) L'élimination de cette couche sacrificielle d'oxyde ( 32) libère les parois mobiles ( 45, 46) ainsi que les zones mobiles des actionneurs Une même étape de métallisation des faces des parois ( 45, 46) est ensuite effectuée. On observe à la figure 17, que l'atténuateur optique variable ainsi réalisé 10 présente des parois ( 45, 46) qui se chevauchent à l'état de repos Ainsi, lorsque les actionneurs ne sont pas alimentés, les deux parois se chevauchent, conduisant à un taux d'atténuation maximum Les parois ( 45, 46) peuvent alors être écartées l'une de l'autre pour permettre le passage des rayons lumineux, correspondant à un taux d'atténuation moindre. Il ressort de ce qui précède que les atténuateurs variables conformes à l'invention présentent de multiples avantages, et notamment: * une réduction importante de la dépendance des pertes optiques vis-à-vis de la polarisation ainsi que de la longueur d'onde, du fait de la 20 configuration d'une encoche en V, et de la différence d'épaisseur des deux parois obturatrices; * la possibilité de diminuer également les pertes de réflexion par une inclinaison non mais strictement perpendiculaire des faces des parois vis à vis de la direction de propagation du faisceau lumineux; * la possibilité de réaliser selon deux procédés similaires des atténuateurs ouverts ou fermés à l'état de repos. REVENDICATIONS 1/ Atténuateur optique variable ( 1), réalisé à base de structures microélectromécaniques, comportant deux parois mobiles ( 5, 6), aptes à se 5 déplacer de façon contrôlée entre deux fibres optiques ( 3, 4) ou guide d'onde, de manière à intercepter tout ou partie des rayons lumineux transmis entre les deux fibres optiques ou guide d'onde, caractérisé en ce que les arêtes ( 7, 8) des parois ( 5, 6) qui interceptent les rayons lumineux sont inclinées par rapport à la direction D de déplacement des parois ( 5, 6), de manière à former une encoche en forme de 10 V lorsque les parois ( 5, 6) se chevauchent, et en ce que les épaisseurs (el, e 2) des deux parois, mesurées parallèlement à la direction des rayons lumineux, sont différentes. 2/ Atténuateur optique variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que les 15 arêtes ( 7, 8) inclinées des deux parois ( 5, 6) sont symétriques par rapport à un plan perpendiculaire à la direction de déplacement D des parois ( 5, 6). 3/ Atténuateur optique variable selon la revendication 2, caractérisé en ce que le plan de symétrie des deux arêtes passe par l'axe longitudinal ( 10) des fibres 20 optiques ( 3, 4) ou guide d'onde. 4/ Atténuateur optique variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que les arêtes ( 7, 8) inclinées forment un angle voisin de 55 par rapport à la direction de déplacement D des parois. 5/ Atténuateur optique variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces ( 11, 12) des parois interceptant les rayons lumineux forment un angle O différent de 90 par rapport au rayon lumineux.