Brevet FR2951740A1 — publié le 20110429

-1- « Procédé de réalisation d'un cristal magnéto-photonique, cristal magnéto- photonique et composant comprenant un tel cristal » La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un cristal magnéto-photonique. Elle concerne également un cristal magnéto-photonique et un composant comprenant un tel cristal. Le domaine de l'invention est le domaine de la conception et la réalisation de composants optiques planaires, notamment d'optique guidée, à cristaux magnéto-photoniques. De nos jours, on assiste à un développement de composants à base de cristal magnéto-photonique. Plus particulièrement, les guides d'ondes à base de cristal magnéto-photonique font l'objet de nombreuses recherches du fait de leur utilisation possible pour les transmissions optiques non-réciproques, qui est le principe de base des fonctions d'isolation ou de circulation optique. Le guide d'onde à base de cristal magnéto-photonique est basé sur le principe de l'effet Kerr magnéto-optique transverse et utilise une combinaison de deux propriétés, à savoir : - une fonction optique assuré par un réseau d'indice optique généré par un réseau de trous d'air réalisé dans un grenat ou dans un oxyde magnétique, et - un effet Kerr magnéto-optique assuré par un réseau d'interfaces entre matériaux anisotrope (matériau magnéto-optique)-isotrope (trous d'air) Actuellement, les composants à base de cristal magnéto-photonique sont obtenus par gravure du cristal magnéto-photonique dans une couche de matériau magnéto-optique par des techniques de l'optoélectronique utilisant des masques de gravures. Les matériaux présentant les plus forts coefficients magnéto-optiques comprennent les grenats d'Yttrium ou de 2951740 -2- bismuth. Ces matériaux ont également pour caractéristique de ne pas présenter de perte dans le domaine de l'infrarouge ou en tout cas très peu. Néanmoins, ces matériaux magnéto-optiques présentent l'inconvénient d'être parmi les plus difficiles à graver par les techniques de 5 l'optoélectronique du fait de leur dureté supérieure à celle des masques de gravure habituellement utilisés qui sont le plus souvent en matériau diélectrique ou métallique. Ainsi, la réalisation de cristaux magnéto-photonique dans un film de grenat devient un véritable défi, en particulier dans le cas de l'utilisation de techniques de gravures à l'échelle des 10 substrats de grande dimension pour une fabrication à bas coût. Un but de la présente invention est donc de remédier aux inconvénients précités. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de réalisation 15 d'un cristal magnéto-photonique plus simple. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de réalisation d'un cristal magnéto-photonique à bas coût. Encore un autre but de l'invention est de proposer un procédé de réalisation d'un cristal magnéto-photonique plus efficace que les cristaux 20 magnéto-photoniques actuellement connus. Enfin, un but de l'invention est de proposer un procédé de réalisation d'un cristal magnéto-optique avec les techniques standard de réalisation de composants optiques planaires. 25 L'invention propose d'atteindre les buts précités par un procédé de réalisation d'un cristal magnéto photonique caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - réalisation d'un cristal photonique dans une première couche, et - réalisation d'un cristal magnéto-optique dans une deuxième 30 couche distincte de ladite première couche. L'invention permet d'éviter l'étape de gravure dans une couche de matériau magnéto-optique tout en réalisant un cristal magnéto-photonique avec les techniques standard de réalisation de composants optiques planaires. En effet, le procédé selon l'invention propose de séparer les deux -3- fonctions citées plus haut, à savoir la fonction optique et l'effet Kerr magnéto-optique assurés, dans deux couches séparées l'une de l'autre. Contrairement aux cristaux magnéto-photoniques de l'état de la technique dans lesquels le cristal photonique et le cristal magnéto-optique sont réalisés en une seule couche, le cristal photonique n'est pas réalisé dans la même couche que le cristal magnéto-optique, ce qui évite une étape de gravure d'une couche de grenat ou d'oxyde magnétique servant à réaliser le cristal magnéto-optique. Le fait de ne pas avoir à graver une couche de grenat ou d'oxyde magnétique pour réaliser le cristal photonique permet de faciliter la réalisation du cristal photonique et donc du cristal magnéto-photonique. De plus, en évitant une telle étape de gravure, le procédé selon l'invention rend possible une fabrication à bas coûts de cristaux magnéto-photonique à l'échelle des substrats de grande dimension. Par ailleurs, la réalisation du cristal photonique dans une couche séparée de la couche dans laquelle est réalisé le cristal magnéto-optique permet de réaliser un cristal photonique de meilleure qualité, notamment parce que le cristal photonique peut alors être réalisé avec des interfaces présentant moins de rugosité, les trous d'air étant plus facile à réaliser. Enfin, la réalisation du cristal photonique dans une couche séparée de la couche dans laquelle est réalisé le cristal magnéto-optique permet de jouir de plus de liberté de conception d'un composant intégrant un cristal photonique car les trous d'air composant le cristal photonique peuvent présenter une profondeur plus importante comparée aux cristaux de l'état de la technique. Selon l'invention, le cristal photonique peut être réalisé par réalisation de trous dans ladite première couche. Le réseau de trous d'air assurant le guidage du mode dans le cristal magnéto-optique, peut être réalisé par les techniques de gravure connues, par exemple en utilisant un masque de gravure aussi appelé masque de cristal périodique. Dans un mode de réalisation préféré, les trous d'air sont réalisés sur toute l'épaisseur de la première couche. Cette configuration est optimale 2951740 -4- pour une influence plus forte du cristal photonique, et un alignement plus précis avec le cristal magnéto-optique. Le cristal magnéto-optique peut être réalisé en détruisant localement 5 les propriétés magnétiques de la deuxième couche par implantation d'ions, sans graver la couche de grenat ou d'oxyde magnétique. L'implantation d'ions peut être réalisée en utilisant un masque de cristal périodique. Dans un mode de réalisation préféré, les propriétés magnétiques de la deuxième couche sont détruites sur toute son épaisseur. Cette configuration 10 permet d'augmenter l'efficacité du cristal obtenu. Avantageusement, un même masque de cristal périodique peut être utilisé pour la réalisation dudit cristal photonique et dudit cristal magnéto-optique. L'utilisation d'un même masque de cristal périodique pour la 15 réalisation du cristal photonique et du cristal magnéto-optique permet de faciliter l'alignement des cristaux photonique et magnéto-optique, et permet en particulier un auto-alignement des cristaux. Ce qui facilite encore plus la fabrication du cristal magnéto-photonique. En effet, l'alignement du cristal photonique et du cristal magnéto-optique est indispensable à la réalisation 20 du cristal magnéto-photonique constitué des deux cristaux séparés. Sans l'alignement l'effet visé est amoindri et éventuellement perdu. L'auto alignement des deux cristaux est d'autant plus avantageux vu l'échelle de grandeur des cristaux. 25 Le masque de cristal périodique utilisé peut être un masque métallique épais. La première couche peut être une couche de matière diélectrique, par exemple une couche de SiO2 ou du Si3N4. Avantageusement, le cristal magnéto-photonique peut être réalisé dans une structure multicouche dans laquelle la deuxième couche est disposée entre la première couche et une couche de substrat. Une telle configuration du cristal magnéto-photonique permet de positionner le cristal 30 2951740 -5- magnéto-optique, c'est-à-dire la deuxième couche, entre deux couches d'indices optiques semblables, à savoir la première couche de diélectrique dans laquelle est réalisée le cristal photonique et la couche de substrat. La structure multicouche ainsi obtenue présente une symétrie conduisant à un 5 seuil de coupure de guidage des modes très faible, voire inexistant. Selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé un cristal magnéto-photonique réalisé selon le procédé selon l'invention. 10 Selon un troisième aspect de l'invention il est proposé un cristal magnéto-photonique comprenant le cristal photonique séparé du cristal magnéto-optique. Avantageusement, l'épaisseur de la couche dans laquelle est réalisé le 15 cristal magnéto-optique est comprise entre 200nm et 500nm. Avantageusement, l'épaisseur de la couche dans laquelle est réalisé le cristal photonique est comprise entre 100nm et 500nm. Dans un mode de réalisation particulier, le cristal photonique peut 20 être une couche de diélectrique comportant un réseau de trous. Le cristal magnéto-optique peut être une couche consistant en un réseau d'interfaces isotrope-anisotrope. Selon un exemple de réalisation particulier, le réseau d'interfaces isotrope-anisotrope consiste en une couche 25 de grenat ou d'oxyde magnétique dont les propriétés magnétiques ont été détruites localement, par exemple sur toute l'épaisseur de la couche. Selon un mode de réalisation particulier du cristal magnéto-photonique selon l'invention, le cristal magnéto-optique peut être disposé 30 entre le cristal photonique et une couche de substrat. Une telle disposition apporte une symétrie au niveau des indices optiques permettant un seuil de coupure de guidage des modes très faible voire inexistant. 2951740 -6- Selon un quatrième aspect de l'invention, il est proposé un composant optique comprenant au moins un cristal magnéto-photonique selon l'invention. Le cristal magnéto-photonique peut être intégré dans le composant. Dans un tel composant, le cristal magnéto-photonique peut être agencé pour réaliser un isolateur optique, un circulateur optique ou un miroir non réciproque. 10 L'invention est particulièrement utile dans le domaine des circuits photoniques (PIC) complexes. Elle permet d'augmenter leur degré d'intégration. Une des applications concerne les récepteurs Tx/Rx multi-longueurs d'onde utilisés dans les noeuds de routage des réseaux de 15 télécommunication. De nombreuses autres applications pourraient tirer profit des circuits photoniques avec laser intégrés comprenant au moins un cristal magnéto-photonique, telles que la bio photonique, par exemple dans un but de miniaturisation. 20 D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique en coupe du principe 25 du cristal magnéto-photonique selon l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un miroir non réciproque comprenant un cristal magnéto-photonique ; - la figure 3 est une représentation schématique en coupe du cristal magnéto-photonique mis en oeuvre dans le miroir non réciproque de 30 la figure 2 ; - la figure 4 est une représentation schématique d'un circulateur optique comprenant un cristal magnéto-photonique ; - la figure 5 est une représentation schématique détaillée d'une partie du circulateur optique de la figure 4 ; et 5 2951740 -7- la figure 6 est une représentation schématique en coupe du cristal magnéto-photonique mis en oeuvre dans le circulateur optique de la figure 4. 5 Sur les figures et dans la suite de la description, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence. La figure 1 est une représentation schématique, en coupe, du principe d'un cristal magnéto-photonique 100 selon l'invention. 10 Le cristal magnéto-photonique 100 comporte une première couche 102 de matière diélectrique dans laquelle est réalisé un cristal photonique assurant la fonction optique. La première couche peut être une couche de SiO2 ou Si3N4. Le cristal magnéto-photonique 100 comporte une deuxième couche 15 104 dans laquelle est réalisé un cristal magnéto-optique assurant l'effet Kerr magnéto-optique. La deuxième couche 104 est composée d'un matériau anisotrope et peut être par exemple une couche de grenat ou d'oxyde magnétique. Cette deuxième couche peut par exemple être une couche de BIG: Bi3Fe5O12 ou de YIG: Y3Fe5O12. 20 La deuxième couche 104 est disposée entre la première couche 102 et une couche de substrat 106. Ainsi, le cristal magnéto-optique est disposé entre le cristal photonique et une couche de substrat ayant des indices optiques du même ordre. 25 Le cristal photonique est obtenu en réalisant un réseau d'indices optiques. Un tel réseau est obtenu en réalisant un réseau de trous 108 périodique dans la première couche 102. Le réseau de trous peut être réalisé par les techniques de gravures connues en utilisant un masque de cristal périodique ou de gravure de diélectrique, par exemple un masque 30 métallique épais. Les zones de diélectriques sont notées 110 Les trous 108 sont réalisés, dans le présent exemple, sur toute l'épaisseur de la première couche. -8- Le cristal magnéto-optique est obtenu en réalisant un réseau d'interfaces entre matériau anisotrope et matériau isotrope dans la deuxième couche 104. Un tel réseau est obtenu en détruisant localement, et sur toute l'épaisseur de la deuxième couche 104, les propriétés magnétiques du matériau constituant la deuxième couche 104. Un tel réseau d'interfaces peut être réalisé par implantation d'ions dans la deuxième couche 104 de façon périodique, cette implantation d'ions détruisant localement les propriétés magnétiques du matériau magnétique dans lequel est réalisée la deuxième couche 104. Le cristal magnéto-optique peut être réalisé selon le même schéma périodique utilisé pour la réalisation des trous dans la première couche 102. Ainsi, pour l'implantation des ions il est possible d'utiliser le masque périodique utilisé pour la réalisation des trous dans la première couche 102. Après implantation on obtient donc un réseau périodique de matériau magnétique implanté 112. Les zones de matériaux non implantées sont notées 114 La réalisation du cristal magnéto-optique selon l'invention peut utiliser des procédés connus pour réaliser les étapes suivantes, et par exemple dans cet ordre : - une croissance de la deuxième couche 104 sur un substrat 106 ; puis - une croissance de la première couche 102 au dessus de la deuxième couche 104 ; puis - réalisation d'une couche de masque de cristal au dessus de la première couche 102 - une gravure du réseau de trous 108 dans la première couche 102 à l'aide du masque de cristal, puis ; - à travers le même masque, une implantation de la deuxième couche 104. Dans le cristal magnéto-photonique 100 obtenu l'onde 117 est guidée dans le sens de la flèche 116, la flèche 118 indiquant l'orientation de l'aimantation dans le matériau. Ainsi, le procédé selon l'invention permet une simplification de la fabrication d'un cristal magnéto-photonique en évitant une opération -9- complexe et difficile de gravure d'une couche matériau magnétique telle qu'une couche de grenat, surtout à l'échelle des substrats de grande dimension. Par ailleurs, selon l'invention, le cristal photonique est obtenu par réalisation de trous dans une couche de diélectrique, c'est-à-dire la première couche, ce qui est plus facile à réaliser et permet une plus grande liberté sur la profondeur des trous à réaliser. Une telle liberté permet d'augmenter les libertés de conception des composants comportant au moins un cristal magnéto-photonique. De plus, la réalisation des trous dans une couche de diélectrique permet de diminuer la rugosité des interfaces obtenus, et donc un cristal photonique de meilleure qualité. En outre, l'invention permet de faciliter la conception d'un composant à base de cristal magnéto-photonique en assurant le guidage du mode dans la deuxième couche 104 entourée de la première couche 102 et de la couche de substrat 106 qui présentent des indices optiques semblables. En effet, la structure du cristal magnéto-photonique 100 obtenu présente une symétrie verticale qui conduit à un seuil de coupure de guidage des modes très faible voire inexistant. La couche de substrat présente un indice optique de 1,97 à la longueur d'onde 1,3pm. Dans le cas particulier où la première couche est en SiO2, l'indice optique de cette première couche est de 1,5 à 1,3pm. Dans le cas particulier où la première couche est en Si3N4 l'indice optique de cette première couche est de 1,7 à 1,3pm. La figure 2 est une représentation schématique d'un composant comprenant un cristal magnéto-photonique selon l'invention. Le composant 200 représenté sur la figure 2 selon une vue isométrique est un miroir non réciproque. La première couche 102 est une couche de SiO2, et la deuxième couche 104 est une couche de grenat. La zone du cristal magnéto-photonique est référencée 202 sur la figure 2. Les trous 108 réalisés pour obtenir le cristal photonique ont une forme de trèfle. Dans le prolongement des trous 108, des ions sont 2951740 - 10 - implantés dans l'épaisseur du grenat pour supprimer les propriétés magnétiques du grenat. Le profil du mode guidé est référencé 204. La réalisation des trous 108 et l'implantation d'ions est réalisée en utilisant un même masque de cristal périodique. 5 La figure 3 donne une représentation en coupe de la zone du cristal magnéto-photonique mis en oeuvre dans le miroir non réciproque 200 de la figure 2. Dans le cas du miroir non réciproque 200, le réseau de trous 108 10 réalise une fonction de filtre. Le miroir non réciproque est réalisé avec un réseau de trous sur une surface d'environ 50x50 pm2. L'épaisseur des différentes couches est listée ci-dessous : - première couche : -200nm 15 - deuxième couche : -300 nm - couche de substrat : >= 50pm La figure 4 est une représentation schématique d'un autre composant comprenant un cristal magnéto-photonique selon l'invention. Le composant 20 400 représenté la figure 4 selon une vue isométrique est un circulateur optique à cristal magnéto-photonique. Dans le composant 400, la première couche 102 du cristal magnéto-photonique est une couche de SiO2, et la deuxième couche 104 est une couche de grenat. 25 Le circulateur 400 comporte trois entrées-sorties 402, 404 et 406. La zone du cristal magnéto-photonique est référencée 408 sur la figure 4. Les trous 108 réalisés pour obtenir le cristal photonique ont une forme circulaire. Dans le prolongement des trous 108, des ions sont implantés dans l'épaisseur du grenat pour supprimer les propriétés 30 magnétiques du grenat. Dans le cas du circulateur 400, les zones de trous 108 dans la première couche 102 et les zones non implantées 114 dans la deuxième couche sont de diamètre différent selon leur positionnement dans la structure. La partie plus large au centre étant un trou 108. 2951740 - 11 - La figure 5 donne une représentation schématique détaillée de la zone référencée 410 du circulateur optique 400 de la figure 4. 5 La figure 6 est une représentation en coupe du cristal magnéto-photonique mis en oeuvre dans le circulateur optique 400 de la figure 2. La partie centrale du circulateur est d'environ 10pm de diamètre et le total (avec les trois guides d'accès) de 100 à 200pm de côté. L'épaisseur des 10 différentes couches est listée ci-dessous : - première couche : -200 nm - deuxième couche : -300 nm - couche de substrat : >=50 dam Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. 15 REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'un cristal magnéto photonique (100) caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - réalisation d'un cristal photonique dans une première couche (102), - réalisation d'un cristal magnéto-optique dans une deuxième couche (104) distincte de ladite première couche (102). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal photonique est réalisé par réalisation de trous (108) dans ladite première couche 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les trous (108) sont réalisés sur toute l'épaisseur de la première couche. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cristal magnéto-optique est réalisé en détruisant localement les propriétés magnétiques de la deuxième couche par implantation d'ions. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les propriétés magnétiques sont localement détruites sur toute l'épaisseur de la deuxième couche (104). 6. Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que un même masque de cristal est utilisé pour la réalisation dudit cristal photonique et dudit cristal magnéto-optique. 30 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cristal magnéto-photonique (100) est réalisé dans une structure multicouche dans laquelle la deuxième couche (104) est disposée entre la première couche (102) et une couche de substrat (106). 2951740 - 13 - 8. Cristal magnéto-photonique (100) réalisé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Cristal magnéto-photonique (100) comprenant le cristal photonique 5 séparé du cristal magnéto-optique. 10. Cristal magnéto-photonique (100) selon la revendication 9, caractérisé en ce que le cristal photonique consiste en une couche (102) de diélectrique comportant un réseau de trous (108). 11. Cristal magnéto-photonique (100) selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que le cristal magnéto-optique consiste en une couche (104) consistant en un réseau d'interfaces isotrope-anisotrope (112,114). 12. Cristal magnéto-photonique (100) selon la revendication 11, caractérisé en ce que le réseau d'interfaces isotrope-anisotrope (112,114) consiste en un grenat ou un oxyde magnétique dont les propriétés magnétiques ont été détruites localement. 13. Cristal magnéto-photonique (100) selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le cristal magnéto-optique est disposé entre le cristal photonique et une couche de substrat (106). 25 14. Composant optique (200,400) comprenant au moins un cristal magnétophotonique selon l'une quelconque des revendications 8 à 13. 15. Composant selon la revendication 14, caractérisé en ce que le cristal magnétophotonique est agencé pour réaliser un isolateur optique. 16. Composant selon la revendication 14, caractérisé en ce que le cristal magnétophotonique est agencé pour réaliser un circulateur optique (400). 10 15 20 2951740 - 14 - 17. Composant selon la revendication 14, caractérisé en ce que le cristal magnétophotonique est agencé pour réaliser un miroir non réciproque (200). 5