Brevet FR3034879A1 — publié le 20161014

GUIDE D'ONDE POUR MODULATEUR ELECTRO-OPTIQUE DE TYPE CAPACITIF La présente invention a trait à un guide d'onde pour modulateur électro- optique de type capacitif, ainsi qu'à un modulateur électro-optique de type capacitif comportant un tel guide d'onde. Le guide d'onde est destiné à être couplé à au moins une source lumineuse émettant une onde électromagnétique présentant une direction de propagation, l'onde électromagnétique présentant une longueur d'onde notée À. Le couplage du guide d'onde à la ou chaque source lumineuse peut s'effectuer par divers moyens tels que des composants passifs, des composants actifs, des guides, des fibres optiques etc. Un guide d'onde pour modulateur électro-optique de type capacitif connu de l'état de la technique comporte : - un substrat, - deux régions semi-conductrices s'étendant sur le substrat suivant une direction correspondant à une direction de propagation d'une onde électromagnétique, les deux régions semi-conductrices étant électriquement dopées d'un premier type de conductivité et d'un second type de conductivité, - une couche diélectrique formée entre les deux régions semi-conductrices. Les deux régions semi-conductrices forment des portions de guidage de l'onde électromagnétique. Les deux régions semi-conductrices sont de préférence cristallines. Par «cristalline», on entend une région dans laquelle les atomes ou les molécules sont disposés régulièrement selon un motif cristallographique caractéristique, ce qui exclut donc les régions amorphes. Une région cristalline est donc avantageusement réalisée dans un matériau monocristallin ou polycristallin. Les deux régions semi-conductrices sont avantageusement électriquement dopées de manière à former une capacité avec la couche diélectrique. Lorsque les deux régions semi-conductrices sont soumises à une différence de potentiel, les porteurs de charge s'accumulent aux interfaces entre la couche diélectrique et les régions semi-conductrices. Cette variation de concentration en porteurs de charge conduit à un phénomène d'électro-réfraction, c'est-à-dire que l'indice de réfraction des régions semi-conductrices varie localement selon la 3034879 2 différence de potentiel du champ électrique appliqué. Le champ optique est essentiellement localisé dans la couche diélectrique et à son voisinage, ce qui permet d'obtenir un meilleur recouvrement entre le champ optique et la variation de concentration en porteurs de charge, augmentant ainsi l'efficacité du 5 modulateur électro-optique. Cette variation de l'indice de réfraction des régions semi-conductrices modifie l'indice effectif d'un mode optique se propageant au sein du guide d'onde, et permet d'introduire un déphasage pour une onde électromagnétique se propageant à travers les régions semi-conductrices. Pour les modulateurs électro-optiques, une structure interférométrique est 10 associée au guide d'onde pour obtenir une modulation d'intensité à partir du déphasage introduit. La structure interférométrique peut être un interféromètre de type Mach-Zehnder, Fabry-Pérot ou un anneau résonnant couplé au guide d'onde. L'amélioration des performances d'un modulateur électro-optique consiste à 15 optimiser certaines figures de mérite, notamment à réduire la valeur du produit Va La afin d'augmenter l'efficacité de modulation, où : - Va est la tension à appliquer entre les deux régions semi-conductrices pour introduire un déphasage de a à l'onde électromagnétique, - La est la longueur des portions de guidage pour la tension Va associée. 20 A titre d'exemple, pour une longueur La de 1 cm et un modulateur électro- optique ayant un produit Va La de 1 V.cm, il est nécessaire d'appliquer 1 V pour obtenir un déphasage de a de l'onde électromagnétique. Comparé à l'état de l'art des modulateurs électro-optiques en silicium, les performances d'un modulateur électro-optique en termes d'efficacité de modulation peuvent être jugées très 25 satisfaisantes lorsque Va La Csho , où Cs est une valeur prédéterminée représentative d'une capacité surfacique, et Eo est la permittivité du vide. 3034879 6 Pour augmenter l'efficacité du modulateur électro-optique, on recherchera à maximiser la capacité surfacique du guide d'onde, et donc maximiser le rapport Er / Io. 5 Selon une forme d'exécution, la longueur suivant la direction de propagation de la couche diélectrique de chaque structure élémentaire vérifie la relation 5 nm 3. Selon une forme d'exécution, la couche diélectrique de chaque structure élémentaire présente : 15 - une épaisseur, notée eo, et - une longueur, notée lo, suivant la direction de propagation, et vérifiant la relation 6 Csho, où Cs est une valeur 15 prédéterminée représentative d'une capacité surfacique, et Eo est la permittivité du vide. A titre d'exemple, il a été constaté des performances satisfaisantes du modulateur électro-optique en termes d'efficacité de modulation à partir d'une capacité surfacique Cs supérieure à 2 fFign2 lorsque la couche diélectrique 4 de chaque structure élémentaire 5a, 5b est à base de Si02. Avantageusement, eo et 20 I, vérifient la relation 6 si comme indiqué ci-avant. Dans le cas de structures plus Eo,- complexes, 3D par exemple, la détermination de la relation neff=f(À,10,L) se fait à l'aide de simulations numériques connues de l'homme du métier. La figure 5 10 illustre la deuxième partie de la méthode précédente, qui consiste pour une longueur lo fixée à déterminer la longueur L d'une région semi-conductrice 3a, 3b d'une structure élémentaire 5a, 5b nécessaire pour obtenir un réseau dans lequel la lumière peut se propager sans effet de diffraction. La figure 5 est un résultat de simulation qui permet d'obtenir le nombre d'onde k associé au réseau à partir de 15 la relation neff=f(À,10,L) établie précédemment. La figure 5 est un exemple d'abaque que l'on peut obtenir en fonction de k/K (axe des abscisses) et ko/K (axe des ordonnées) où K = -2/r. Cet abaque permet de définir plusieurs zones de L-Fio propagation du mode optique dans le réseau, chacun des points de la courbe correspondant à un couple (10, L) donnée. Les zones H1 et H2 correspondent aux 20 bandes interdites photoniques (délimitées par les courbes E) où la lumière ne se propage pas dans le réseau, et où la relation Agi = in.À. est vérifiée, où : 2neff - Agi est une période spatiale du réseau, - m est un entier naturel non nul, - nef est une partie réelle d'un indice effectif d'un mode optique se propageant 25 suivant la direction de propagation X'-X. La zone H1 correspond à m=1 et la zone H2 correspond à m=2. La courbe F trace la relation ko=k/n'v (la courbe F est appelée ligne de lumière) et permet de définir la zone G pour laquelle ko/k>1/n'v (la zone G est appelée cône de lumière), c'est-à-dire la zone où la lumière se propage dans le réseau avec des 30 effets de diffraction. Dans ces conditions, les valeurs L qui permettent d'obtenir la propagation de la lumière dans le réseau 1-périodique sans effet de diffraction correspondent aux couples (10, L) associés aux valeurs de la courbe A situées sous la zone C. 3034879 14 Dans le mode de réalisation illustré à la figure 2, chaque région semiconductrice 3a, 3b présente une section transversale à la direction de propagation X'-X de forme rectangulaire. Le guide d'onde 1 ainsi obtenu est un 5 guide d'onde rectangulaire. Selon une variante de réalisation illustrée à la figure 3, chaque région semiconductrice 3a, 3b présente une section transversale à la direction de propagation X'-X, la section comprenant une embase 60 munie d'une partie saillante 61. Le guide d'onde 1 ainsi obtenu est un guide d'onde nervuré. 10 Dans le mode de réalisation illustré à la figure 6, la direction de propagation X'-X de l'onde électromagnétique est curviligne, et LA et LB sont des abscisses curvilignes calculés à partir d'une zone centrale du guide d'onde 1. A titre d'exemple, dans le cas d'un guide d'onde circulaire de rayon R, les abscisses 15 curvilignes LA et LB sont définies à partir des angles (DA et OB, tels que LA =R (DA et LB =R OB. Les structures élémentaires 5a, 5b sont définies de manière radiale. Un procédé de fabrication d'un guide d'onde 1 conforme à l'invention comporte les étapes : 20 a) prévoir un substrat 2 comportant successivement une couche d'isolant électrique 20 et une couche semi-conductrice, la couche semi-conductrice étant de préférence cristalline, b) former une pluralité de tranchées dans la couche semi-conductrice de manière à mettre à nu la couche d'isolant électrique 20 et délimiter un ensemble 25 de régions semi-conductrices 3a, 3b s'étendant consécutivement sur le substrat 2 suivant une direction de propagation X'-X d'une onde électromagnétique présentant une longueur d'onde notée ?\., c) former une couche diélectrique 4 entre deux régions semi-conductrices 3a, 3b consécutives, 30 d) doper électriquement l'ensemble de régions semi-conductrices 3a, 3b selon un premier type de conductivité et un second type de conductivité de manière alternée suivant la direction de propagation X'-X. L'ensemble de régions semi-conductrices 3a, 3b et les couches diélectriques 4 forment un réseau de structures élémentaires 5a, 5b consécutives comprenant : 3034879 15 - une première structure élémentaire 5a formée par une région semiconductrice 3a du premier type de conductivité et une couche diélectrique 4 adjacente, la première structure élémentaire 5a présentant une première dimension, notée LA, suivant la direction de propagation X'-X, et 5 - une seconde structure élémentaire 5b formée par une région semi- conductrice 3b du second type de conductivité et une couche diélectrique 4 adjacente, la seconde structure élémentaire 5b présentant une seconde dimension, notée LB, suivant la direction de propagation X'-X. Le réseau est environné par un milieu présentant une ligne de lumière. Le 10 milieu comporte notamment la couche d'isolant électrique 20. Le milieu présente une partie réelle n'v d'un indice effectif. L'onde électromagnétique se propageant dans le vide présente un nombre d'onde ko. La pluralité de tranchées formées lors de l'étape b) est dimensionnée de sorte 15 que les premières dimensions LA et les secondes dimensions LB des structures élémentaires 5a, 5b sont adaptées à ?\. afin que le réseau autorise des modes optiques se propageant suivant la direction de propagation X'-X, et que les modes optiques autorisés par le réseau sont situés sous la ligne de lumière. Les modes optiques autorisés par le réseau présentent un nombre d'onde k vérifiant 20 kcik REVENDICATIONS1. Guide d'onde (1) pour modulateur électro-optique de type capacitif, le guide d'onde (1) étant destiné à être couplé à au moins une source lumineuse émettant une onde électromagnétique suivant une direction de propagation (X'-X), l'onde électromagnétique présentant une longueur d'onde notée ?\., le guide d'onde (1) comportant : - un substrat (2, 20) ; - un ensemble de régions semi-conductrices (3a, 3b) s'étendant consécutivement sur le substrat (2, 20) suivant la direction de propagation (X'-X) de l'onde électromagnétique, les régions semi-conductrices (3a, 3b) étant électriquement dopées d'un premier type de conductivité et d'un second type de conductivité de manière alternée suivant la direction de propagation (X'-X) ; - un ensemble de couches diélectriques (4), chaque couche diélectrique (4) étant 15 formée entre deux régions semi-conductrices (3a, 3b) consécutives ; l'ensemble de régions semi-conductrices (3a, 3b) et l'ensemble de couches diélectriques (4) formant un réseau de structures élémentaires (5a, 5b) comprenant consécutivement une première structure élémentaire (5a) formée par une région semi-conductrice (3a) du premier type de conductivité et une couche 20 diélectrique (4) adjacente, et une seconde structure élémentaire (5b) formée par une région semi-conductrice (3b) du second type de conductivité et une couche diélectrique (4) adjacente ; les première et seconde structures élémentaires (5a, 5b) présentant respectivement des première et seconde dimensions LA, LB suivant la direction de propagation (X'-X), 25 - un milieu environnant le réseau, le milieu présentant une ligne de lumière ; les premières dimensions LA et les secondes dimensions LB des structures élémentaires (5a, 5b) étant adaptées à ?\. de sorte que le réseau autorise des modes optiques se propageant suivant la direction de propagation (X'-X), et de sorte que les modes optiques autorisés par le réseau sont situés sous la ligne de 30 lumière. 2. Guide d'onde (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau comporte des bandes interdites photoniques définies pour Agi = , OÙ : 2neff 3034879 19 - AB' est une période spatiale du réseau, - m est un entier naturel non nul, - nef est une partie réelle d'un indice effectif d'un mode optique se propageant suivant la direction de propagation (X'-X) ; 5 et en ce que les structures élémentaires (5a, 5b) forment des motifs périodiques présentant une période spatiale Ap adaptée de sorte que les modes optiques autorisés par le réseau sont en dehors des bandes interdites photoniques. 3. Guide d'onde (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les structures 10 élémentaires (5a, 5b) forment des motifs p-périodiques vérifiant : p-1 i+p = Li ; et Ap = i=0 où Li est une dimension d'une i-ème structure élémentaire (5a, 5b) suivant la direction de propagation (X'-X). 4. Guide d'onde (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les structures 15 élémentaires (5a, 5b) forment des motifs bi-périodiques vérifiant Li+2 - Li ; et A2 - LA + LB. 5. Guide d'onde (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la période spatiale A2 vérifie A2 6. Guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le milieu présente une partie réelle n'v d'un indice effectif, en ce que l'onde électromagnétique se propageant dans le vide présente un nombre d'onde ko, et en ce que les modes optiques autorisés par le réseau présentent un nombre 25 d'onde k vérifiant 1c11 7. Guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque couche diélectrique (4) présente : - une permittivité relative, notée Er, et 30 - une longueur, notée Io, suivant la direction de propagation (X'-X), 3034879 20 et en ce que lo et Er vérifient la relation > Csho , où Cs est une valeur prédéterminée représentative d'une capacité surfacique, et Eo est la permittivité du vide. 5 8. Guide d'onde (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la longueur suivant la direction de propagation (X'-X) de la couche diélectrique (4) de chaque structure élémentaire (5a, 5b) vérifie la relation 5 nm 9. Guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la couche diélectrique (4) de chaque structure élémentaire (5a, 5b) présente : - une épaisseur, notée eo, et - une longueur, notée lo, suivant la direction de propagation (X'-X), et vérifiant la relation 6 10. Guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la couche diélectrique (4) de chaque structure élémentaire (5a, 5b) est à base d'un matériau sélectionné dans le groupe comportant Si02, Si3N4, Hf02. 11. Guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les régions semi-conductrices (3a, 3b) sont monocristallines, de préférence à base de silicium monocristallin. 12. Guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les régions semi-conductrices (3a, 3b) présentent un niveau de dopage du premier type de conductivité et du second type de conductivité compris entre 1016 cm-3 et 1019 cm-3, de préférence compris entre 5x1016 cm-3 et 5 x1018 cm-3, plus préférentiellement compris entre 1017 cm-3 et 1018 cm-3. 13. Guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que chaque région semi-conductrice (3a, 3b) présente une section transversale à la 3034879 21 direction de propagation (X'-X), la section comprenant une embase (60) munie d'une partie saillante (61). 14. Guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que 5 la direction de propagation (X'-X) de l'onde électromagnétique est curviligne, et en ce que LA et LB sont des abscisses curvilignes calculés à partir d'une zone centrale du guide d'onde (1). 15. Modulateur électro-optique de type capacitif comportant un guide d'onde (1) 10 selon l'une des revendications 1 à 14.