Brevet FR2933780A1 — publié le 20100115

Circuit à cristal photonique comportant un adaptateur de modes guidés et système optique comportant ledit circuit couplé avec une fibre optique Le domaine de l'invention est celui des circuits à cristaux photoniques qui apportent des fonctions originales dans le domaine de la photonique : traitement tout-optique du signal, échantillonnage optique, ligne à retard, filtrage, capteur chimique, source de photons uniques. II s'agit de dispositifs optiques de très petite taille et de très faible ~o consommation, particulièrement recherchés pour des applications dans le domaine des communications quantiques (cryptographie, calcul,..) ou pour l'intégration dite � extrême �. De manière générale, les cristaux photoniques sont des structures dont l'indice diélectrique varie de manière périodique à l'échelle de la 15 longueur d'onde, sur une ou plusieurs directions de l'espace. La figure 1 illustre l'intensité du champ électrique d'une onde électromagnétique se propageant dans ce type de structure et montre le diagramme de dispersion d'une structure de période a dans la première zone de Brillouin ; le vecteur d'onde k est compris dans l'intervalle 0 On crée au sein de ces membranes un guide d'onde avec une forte variation d'indice optique comme illustré en figure 2. On peut notamment régler la vitesse de propagation des ondes et la dispersion des modes guidés en faisant varier la taille des motifs. En outre, ces dispositifs sont extrêmement compacts et peuvent être facilement intégrés. Cela implique une faible consommation, un poids et un volume très réduits, ce qui les rend très attrayants pour les applications embarquées. Cependant, la connexion avec une fibre est un point délicat et il n'existe pas à l'heure actuelle de solution simple et peu coûteuse permettant de répondre à ce problème majeur. En effet il convient de réaliser une adaptation entre le mode guidé d'une fibre optique, dont la taille est typiquement de l'ordre de quelques centaines de microns carré (typiquement de l'ordre de 10pm de diamètre), avec celui d'un guide d'onde réalisé au sein d'un cristal photonique capable de confiner des modes dans des sections d'environ 0,2 *0,3 pm2. II a notamment été proposé par des chercheurs d'IBM : Sharee J.McNab, Nikolaj Moll and Yurii A.Vlasov � Ultra-low loss photonic integrated circuit with membrane-type photonic crystal waveguides �, OPTICS EXPRESS 2927, 3 November 2003/Vol 11, No.22, une technologie définissant un élément adjacent au cristal photonique et de section variable. Cet élément en silicium Si est réalisé à la surface d'une couche d'oxyde SiO2 et noyé dans du polymère référencé Poly. Il est ainsi possible de l'utiliser en tant qu'adaptateur. Les figures 3a et 3b illustrent cet élément adaptateur et la figure 4 représente la solution préconisée dans cet article qui consiste à faire une adaptation à trois étages entre les modes guidés des fibres F et ceux issus du cristal photonique PhC. Selon cette technologie, un premier élément AI couple le mode du cristal photonique à celui d'un guide ruban suspendu. Une transition s'effectue alors vers un guide ruban reposant sur la couche sacrificielle à basse indice. Enfin un dernier élément A2 adapte le mode optique de ce dernier à celui de la fibre optique F. Les inconvénients d'une telle solution résident notamment dans : la complexité de la conception (deux adaptateurs de mode), - la complexité de la réalisation (addition de plusieurs étapes 15 technologiques et inclusion d'un matériau supplémentaire : polymère), les réflexions parasites pouvant apparaître à la transition entre le ruban suspendu et le ruban reposant sur le diélectrique (en particulier si celui-ci n'est pas bas indice), 20 - les réflexions parasites sur le substrat pouvant apparaître et dues à la divergence, même faible, du faisceau, - la précision de clivage nécessaire pour éviter les précédentes réflexions, - les effets de proximité durant la lithographie électronique 25 provoqués par le changement de géométrie. Par ailleurs, cette solution est réalisable sur un substrat de SiO2 mais est difficilement applicable sur d'autres matériaux car la partie du guide en ruban doit être maintenue par un substrat à faible indice. L'élément adaptateur à la surface de la couche de SiO2 se trouve 30 alors dans un environnement hétérogène. II repose sur un substrat alors que sa surface supérieure n'est pas en contact avec le même type de matériau. Cette propriété crée une dissymétrie au niveau du confinement des modes optiques. Il a été aussi proposé par une équipe d'université Japonaise : N. Ikeda, H. Kawashima, Y. Sugimoto, T. Hasama, K. Asakawa, H. Ishikawa � Coupling characteristic of micro planar Zens for 2D photonic crystal waveguides � Conference Proceedings of IPRM (International Conference on Indium Phosphide and Related Materials) May 2007, une technologie définissant une lentille planaire placée à la terminaison d'un guide d'onde en cristal photonique. Cet élément, réalisé en GaAIAs est utilisé pour diminuer les pertes de couplage et les tolérances d'alignement tout en réduisant les réflexions parasites Fabry-Perot. Le problème principal de cette solution réside dans le fait que le faisceau rayonné n'est pas circulaire de part les facteurs géométriques de la micro-lentille ; cette technique ne permet pas de réduire la divergence dans le plan vertical. Pour résoudre ce type de problème, la présente invention propose un adaptateur de mode qui transforme le mode du cristal photonique en un mode propagatif dans l'espace libre de type Gaussien avec une ouverture numérique telle qu'elle permette un couplage efficace avec une fibre optique au travers d'une optique adaptée standard (micro-lentille, fibre lentillée, lentille GRIN, micro-sphère). Plus précisément l'invention a pour objet un circuit à cristal photonique comportant un guide réalisé dans une membrane de matériau diélectrique et un adaptateur de mode couplé audit guide caractérisé en ce que la membrane comporte une pointe centrale constitutive de l'adaptateur de mode présentant un gradient de section en terminaison dudit guide, ladite pointe étant suspendue de manière à permettre la propagation de modes de manière symétrique. Selon une variante la pointe dépasse du plan de clivage du substrat afin d'éviter les réflexions parasites sur celui-ci. Selon une variante de l'invention, la membrane est en silicium. Selon une variante de l'invention, la membrane est en matériau de type III-V tel que GaAs, GaAIAs, GalnP, InP, GaInAsP. Selon une variante de l'invention, l'épaisseur de la membrane est comprise entre environ 100 nanomètres et 300 nanomètres pour des 35 applications dans le domaine de 900nm à 1600nm. Selon une variante de l'invention, le cristal photonique comporte des motifs présentant une périodicité de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. Selon une variante de l'invention, les motifs du cristal photonique 5 sont des trous présentant des rayons de l'ordre de 120 à 130 nanomètres suivant la longueur d'onde de fonctionnement visée. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un circuit à cristal photonique selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : 10 la réalisation d'un sillon à la surface de la membrane simultanément à la définition du cristal photonique; - une opération d'attaque chimique de la couche sacrificielle sous-gravant à la fois la pointe de couplage et les structures en cristal photonique ; 15 une opération de clivage permettant de libérer la pointe constitutive de l'adaptateur au niveau du sillon préalablement réalisé. Selon une variante de l'invention, l'opération de réalisation d'un sillon est effectuée sur une largeur de l'ordre d'une centaine de nanomètres. L'invention a encore pour objet un système optique comportant un 20 circuit à cristal photonique selon l'invention, une optique adaptative et une fibre optique. Selon une variante de l'invention, l'optique adaptative est de type micro-lentille ou lentille de type GRIN (graded index). 25 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : la figure 1 illustre l'intensité du champ électrique d'une onde électromagnétique se propageant dans ce type de structure et 30 montre le diagramme de dispersion d'une structure de période a dans la première zone de Brillouin pour laquelle le vecteur d'onde k est compris dans l'intervalle 0 REVENDICATIONS1. Circuit à cristal photonique comportant un guide (12) réalisé dans une membrane (11) de cristal photonique à la surface d'un substrat (10a) et un adaptateur (13) de mode couplé audit guide caractérisé en ce que la membrane comporte une pointe centrale constitutive de l'adaptateur de mode présentant un gradient de section en terminaison dudit guide, ladite pointe étant suspendue de manière à permettre la propagation de modes de manière symétrique. 2. Circuit à cristal photonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane est en silicium. 3. Circuit à cristal photonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane est en matériau de type III-V tel que GaAs, GaAIAs, GaInP, ou InP, GaInAsP. 4. Circuit à cristal photonique selon l'une des revendications 1 à 3, 20 caractérisé en ce que l'épaisseur de la membrane est comprise entre environ 100 nanomètres et 300 nanomètres. 5. Circuit à cristal photonique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le cristal photonique comporte des motifs présentant 25 une périodicité de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. 6. Circuit à cristal photonique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les motifs du cristal photoniques sont des trous présentant des rayons de l'ordre de 120 à 130 nanomètres. 30 7. Procédé de fabrication d'un circuit à cristal photonique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : la réalisation d'un sillon à la surface de la membrane ; 35 - une opération d'attaque de la couche sacrificielle (10b)11 - une opération de clivage permettant de dégager la pointe constitutive de l'adaptateur à partir du sillon préalablement réalisé ; 8. Procédé de fabrication d'un circuit photonique selon la 5 revendication 7, caractérisé en ce que l'opération de réalisation d'un sillon est effectuée sur une largeur de l'ordre d'une centaine de nanomètres. 9. Système optique comportant un circuit photonique selon l'une des revendications 1 à 6, une optique adaptative et une fibre optique. 10. Système optique selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'optique adaptative est de type micro-lentille ou lentille de type GRIN. 15