Brevet FR3038071A1 — publié le 20161230

Guide optique La présente invention concerne un guide optique, notamment compatible avec les technologies CMOS de l'industrie microélectronique. Les différentes fonctionnalités photoniques sur puce micro-nano-électronique nécessitent un ensemble de briques de base performantes pour l'analyse et la gestion des signaux optiques comme des photo-détecteurs, des filtres, des modulateurs, des réseaux de couplage entrée/sortie (I/O), et, bien sûr, des guides optiques dans le proche infrarouge pour adresser notamment les principales bandes télécom. L'intégration à large échelle de ces dispositifs sur silicium implique des solutions 10 technologiques ouvrant la voie à la production de dispositifs très compacts, tout en préservant leur efficacité de fonctionnement, gage indispensable d'une consommation de puissance modérée combinée à une très haute vitesse d'opération. De façon traditionnelle, dans un guide optique formé par une fibre optique, un coeur de plus fort indice est entouré par une gaine de plus faible indice. Par le phénomène de la 15 réflexion totale interne, un rayon de lumière peut être guidé sur de longues distances. Plus récemment, dans le début des années 2000, un guide optique plan ou en ruban (« slot waveguide » en anglais) a été développé. Dans ce type de guide, une fine couche d'un matériau à plus faible indice de réfraction (par exemple du BaTiO3, ou du BTO), formant la « fente » ou le « slot » est placée entre deux matériaux à plus fort contraste 20 d'indice de réfraction (par exemple du silicium). Dans ce cas, la majeure partie de l'énergie lumineuse est localisée dans la fine couche du matériau à indice de réfraction plus faible. Il s'agit d'un mode particulier qui n'existe que pour une polarisation TM de la lumière du fait d'une discontinuité du champ électrique aux interfaces des deux matériaux. Le confinement latéral de la lumière de ce mode se produit sous la couche superficielle du 25 matériau à plus fort indice de réfraction. Ce guide optique permet donc de guider de la lumière dans un milieu à indice de réfraction plus faible, mais toujours sous un milieu à indice de réfraction plus fort. Un autre guide optique concerne les guides d'onde optique en antirésonance réfléchissant désigné en anglais par le terme « ARROW » pour « anti-reflecting resonant 30 optical waveguide ». Un guide ARROW est par exemple formé d'un substrat de silicium sur isolant ICG30206 3038071 2 (SOI) recouvert d'une couche de silice gravée latéralement pour former le guide d'onde.. La couche de silicium superficielle du matériau SOI doit être d'une épaisseur de X/4 pour former ainsi une cavité anti-résonnante qui réfléchit et guide la lumière. Ce guide permet un guidage de la lumière dans le matériau à indice plus faible, 5 mais uniquement pour une polarisation TE de la lumière. Il est à noter que même si l'indice de réfraction du matériau guidant est plus faible que celui du substrat, il reste néanmoins plus fort que celui du matériau environnant et sa géométrie reste la même qu'un guide d'onde conventionnel en forme de plot ou muret. La présente invention vise à proposer un guide optique différent permettant un 10 guidage de lumière au moins partiellement dans un matériau à indice de réfraction plus faible en particulier dans une géométrie non conventionnelle en forme de cuvette. A cet effet, l'invention propose un guide optique comprenant une première couche d'un matériau ayant un indice de réfraction n1, une deuxième couche d'un matériau ayant un indice de réfraction n2 et une épaisseur e2 et au moins un premier et un second murets 15 ayant un indice de réfraction n3 disposés sur la deuxième couche, possédant une largeur w, espacés d'une distance d, n4 étant l'indice de réfraction dans l'espace entre les murets et au-dessus de la deuxième couche dans lequel : - (ni - n2) > 0,1, - (n3 - n2) > 0,1, 20 - n4 3, - n2 3, - 0,4nm Les murets sont par exemple réalisés en silicium amorphe, en particulier en sili- cium amorphe hydrogéné. Pour une longueur d'onde autour des longueurs d'ondes de télécommunications, en particulier autour de X =1,55p.m, les murets possèdent une largeur w inférieure ou égale à 0,71.1m comprise entre 0,51.1m et 0,7p.m, notamment 0,61.1m en étant espacés entre 0,21.1m et 5p.m, notamment entre 1,61.1m et 2p.m, en particulier 1,75p.m. Selon encore un autre aspect, la hauteur h des murets est X/10 On peut prévoir que la substance entre les murets est un fluide liquide ou un fluide gazeux. Le guide optique peut comprendre en outre un coupleur optique guide à guide. L'invention concerne également un capteur de détection optique, caractérisé en ce qu'il comprend un guide optique tel que défini ci-dessus. L'invention concerne également un composant photonique caractérisé en ce qu'il comprend un guide optique tel que défini ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description de l'invention, ainsi que des figures suivantes parmi lesquelles : ICG30206 3038071 5 - la figure 1 est un schéma en perspective d'un mode de réalisation d'un guide optique selon l'invention, - la figure 2 est un diagramme montrant selon une vue en coupe l'indice de réfraction d'un mode de réalisation d'un guide optique selon l'invention, 5 - la figure 3 est un diagramme montrant selon une vue en coupe le profil de puis- sance d'un mode optique guidé dans le guide optique de la figure 2, - la figure 4 est un diagramme montrant selon une vue en coupe l'indice de réfraction d'un autre mode de réalisation d'un guide optique selon l'invention, - la figure 5 est un diagramme montrant selon une vue en coupe le profil de puis- 10 sance d'un mode optique guidé dans le guide optique de la figure 4, - la figure 6 est un diagramme montrant selon une vue en coupe l'indice de ré- fraction d'un mode de réalisation d'un guide optique selon l'invention avec un coupleur, - la figure 7 est une vue de dessus d'un schéma d'un guide optique de la figure 6 15 avec son coupleur. Sur les figures, les éléments identiques sont identifiés par les mêmes références. Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à 20 un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations. Dans la description on peut indexer certains éléments ou paramètres, comme par exemple premier élément ou second élément ainsi que premier paramètre et second paramètre ou encore premier critère et second critère etc. Dans ce cas, il s'agit d'un simple 25 indexage pour différencier et dénommer des éléments ou paramètres ou critères proches mais non identiques. Cette indexation n'implique pas une priorité d'un élément, paramètre ICG30206 3038071 6 ou critère par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Par indice de réfraction n, on entend dans la présente description l'indice de réfraction à la longueur d'onde X destiné à se propager dans le guide optique selon l'invention, en 5 particulier dans l'infrarouge, notamment, mais pas exclusivement à des longueurs d'onde de transmission du domaine des télécommunications aux alentours de 1,51.1m donné à titre d'exemple. La présente invention est également utilisable dans toutes autres gammes de longueurs d'onde. La figure 1 montre un mode de réalisation d'un guide optique 1 selon l'invention. 10 Ce guide optique 1 comprend une première couche 3 d'un matériau ayant un indice de réfraction n1, une deuxième couche 5 d'un matériau ayant un indice de réfraction n2 et une épaisseur e2 et au moins un premier et un second murets 7 ayant un indice de réfraction n3 disposés sur la deuxième couche 5 possédant une largeur w. Les deux murets 7 sont espacés d'une distance d et n4 est l'indice de réfraction dans l'espace E entre les murets 7 et au- 15 dessus de la deuxième couche 5. On choisit les paramètres ci-dessus de manière que : - (ni - n2) > 0,1, - (n3- n2) > 0,1, - n4 3, - n2 3, ICG30206 3038071 7 - 0,4p.m REVENDICATIONS1. Guide optique (1) comprenant une première couche (3) d'un matériau ayant un indice de réfraction n1, une deuxième couche (5) d'un matériau ayant un indice de ré- fraction n2 et une épaisseur e2 et au moins un premier et un second murets (7) ayant un indice de réfraction n3 disposés sur la deuxième couche (5), possédant une largeur w, espacés d'une distance d, n4 étant l'indice de réfraction dans l'espace (E) entre les murets (7) et au-dessus de la deuxième couche (5) dans lequel : - (ni - n2) > 0,1, - (n3- n2) > 0,1, - n4 2. Guide optique (1) selon la revendication 1, pour une longueur d'onde autour des longueurs d'ondes de télécommunications, en particulier autour de X =1,55um, dans lequel - n1 > 3, 20 - n2 3, - 0,4um 3. Guide optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que pour une longueur d'onde autour des longueurs d'ondes de télécommunications, en particulier autour de X =1,55p.m, n4 4. Guide optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce 5 que l'espace (E) entre les murets (7) et au-dessus de la deuxième couche (5) est destiné à être rempli d'une substance. 5. Guide optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première couche (3) comprend une couche de silicium déposée sur une couche d'un isolant (9). 10 6. Guide optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première couche (3) de silicium et la couche d'isolant (9) sont réalisées sous forme d'une plaquette SOI. 7. Guide optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première couche (3) possède une épaisseur niX/20 8. Guide optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la deuxième couche (5) comprend un composant diélectrique du groupe sui- vant : BTO, Ta205, SiO2, PbF2. 9. Guide optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le composant diélectrique est dopé par de l'aluminium, du gallium ou de l'indium. 10. Guide optique selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la deuxième couche (5) comprend un mélange d'au moins deux composants diélectriques choisi dans le groupe suivant : BTO, Ta205, SiO2, PbF2. 11. Guide optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que pour une longueur d'onde autour des longueurs d'ondes de télécommunications, en particulier autour de X =1,551.1m, la deuxième couche (5) possède une épaisseur e2 comprise entre 20nm et 50nm, notamment 30nm. 12. Guide optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les murets (7) sont réalisés en silicium amorphe. 13. Guide optique selon la revendication 12, caractérisé en ce que les murets (7) sont réalisés en silicium amorphe hydrogéné. ICG30206 3038071 14 14. Guide optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que pour une longueur d'onde autour des longueurs d'ondes de télécommunications, en particulier autour de X =1,551.1m, les murets (7) possèdent une largeur w inférieure ou égale à 0,71.1m comprise entre 0,51.1m et 0,71.1m, notamment 0,61.1m en 5 étant espacés entre 0,21.1m et 51.1m, notamment entre 1,61.1m et 21.1m, en particulier 1,751.1m. 15. Guide optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la hauteur h des murets (7) est X/10 16. Guide optique selon la revendication 15, caractérisé en ce que pour une longueur 10 d'onde autour des longueurs d'ondes de télécommunications, en particulier autour de X =1,551.1m, la hauteur h des murets est comprise entre 150nm inclus et 250nm inclus, en particulier 200nm. 17. Guide optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et 5 à 16 ensemble avec la revendication 4, caractérisé en ce que la substance entre les murets (7) est 15 un fluide liquide ou un fluide gazeux. 18. Guide optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que en qu'il comprend en outre un coupleur optique guide à guide (20). 19. Capteur de détection optique, caractérisé en ce qu'il comprend un guide optique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 18. 20 20. Composant photonique caractérisé en ce qu'il comprend un guide optique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 18. ICG30206