Brevet FR3046853A1 — publié le 20170721

CAVITÉ OPTIQUE COUPLÉE OPTIQUEMENT À UN GUIDE D'ONDE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui du couplage optique entre une cavité optique fermée par des miroirs à cristaux photoniques, et un guide d'onde. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'article de L. Ferrier, & al., intitulé "3D integration of photonic crystal devices: vertical coupling with a silicon waveguide", OPTICS EXPRESS, Vol. 18, No. 15, 16162 (2010), décrit un exemple d'un tel couplage. Dans cet article, on étudie un couplage optique à une longueur d'onde de 1,55 um, entre une cavité Fabry-Pérot et un guide d'onde. La cavité est délimitée par deux miroirs à cristaux photoniques, constitués chacun d'un réseau unidimensionnel de barreaux en silicium (Si) noyés dans de la silice (5i02). Le guide d'onde passe sous la cavité résonante. Il est constitué d'un coeur en silicium (Si), noyé dans de la silice (5i02). Une partie de l'énergie située à l'intérieur de la cavité est transférée dans le guide d'onde, grâce à un couplage vertical par évanescence. Les miroirs à cristaux photoniques font intervenir des modes dits pseudo-guidés (car à pertes radiatives). Le mode pseudo-guidé mis en oeuvre est associé à un indice effectif, compris ici entre l'indice du silicium et celui de la silice. L'efficacité du couplage dépend de la proximité d'indice entre cet indice effectif, et l'indice effectif du mode considéré dans le guide d'onde, par exemple le mode fondamental. Cette correspondance des indices effectifs implique de fortes contraintes sur le dimensionnement de la cavité optique et/ou du guide d'onde. 3046853 2 Un objectif de la présente invention est de proposer un dispositif photonique comprenant une cavité optique couplée optiquement à un guide d'onde, de façon que le couplage n'implique pas de fortes contraintes de dimensionnement. 5 EXPOSÉ DE L'INVENTION Cet objectif est atteint avec un dispositif photonique comprenant une cavité optique délimitée par deux miroirs à cristaux photoniques, et un guide d'onde de sortie adapté à recevoir un signal émergeant de la cavité optique, dans lequel : - chaque miroir à cristaux photoniques est constitué d'un réseau central, 10 délimité sur chaque côté par des réseaux latéraux présentant chacun une valeur de la période et/ou du facteur de remplissage distincte de celle(s) du réseau central ; - l'un des réseaux latéraux, dit réseau de sortie, présente moins de motifs élémentaires que les autres réseaux latéraux ; - le guide d'onde de sortie est formé coplanaire avec le réseau de sortie ; et 15 - un élément de couplage est disposé entre le réseau de sortie et le guide d'onde, dont la largeur décroît progressivement à partir du réseau de sortie. Dans tout le texte, un miroir à cristaux photoniques ne désigne pas un miroir de Bragg, constitué d'un empilement de couches. 20 Il s'agit d'extraire une partie de l'énergie située à l'intérieur de la cavité optique, non plus verticalement, mais latéralement. Pour cela, chaque miroir à cristaux photonique présente des réseaux latéraux. Chaque réseau latéral forme une barrière, qui renvoie la lumière du mode pseudo-guidé vers les réseaux centraux. 25 Le réseau de sortie forme une barrière moins forte, car il est constitué d'un nombre plus restreint de motifs élémentaires. Une partie de l'énergie située à l'intérieur de la cavité s'échappe donc en dehors de cette cavité, par ce réseau de sortie. Cette énergie est guidée jusqu'au guide d'onde de sortie, grâce à l'élément de couplage. 3046853 3 Cette extraction de l'énergie en dehors de la cavité optique n'implique pas de fortes contraintes sur les indices effectifs respectifs du guide d'onde de sortie et des miroirs à cristaux photoniques. En particulier, l'élément de couplage permet de réaliser une adaptation d'indice effectif, en permettant une transition progressive entre l'indice 5 effectif du mode pseudo-guidé des miroirs à cristaux photoniques, en particulier au niveau des réseaux centraux, et l'indice effectif du guide d'onde de sortie. En outre, le guide d'onde de sortie étant formé coplanaire avec l'un des miroirs à cristaux photoniques, l'encombrement de l'ensemble est réduit, en particulier son épaisseur totale. Cela permet également de fabriquer le guide d'onde de sortie en même 10 temps que l'un des miroirs à cristaux photoniques, ce qui simplifie la fabrication de l'ensemble. De préférence, chaque miroir à cristaux photoniques est constitué d'un réseau central unidimensionnel du type réseau de traits, entouré sur deux côtés par deux 15 réseaux latéraux unidimensionnels, chacun du type réseau de traits, les traits du réseau central et des réseaux latéraux étant parallèles entre eux. En variante, chaque miroir à cristaux photoniques peut être constitué d'un réseau central bidimensionnel du type réseau de plots, entouré sur quatre côtés par quatre réseaux latéraux bidimensionnels, chacun du type réseau de plots, les plots du réseau 20 central et des réseaux latéraux étant parallèles entre eux. Avantageusement, l'élément de couplage, le coeur du guide d'onde de sortie, et l'un parmi deux matériaux constituant les miroirs à cristaux photoniques, sont formés d'un même matériau. En particulier, l'élément de couplage, le coeur du guide d'onde de sortie, et l'un 25 parmi deux matériaux constituant les miroirs à cristaux photoniques, peuvent être en silicium, notamment du silicium amorphe. De préférence, la gaine du guide d'onde de sortie, et l'autre parmi les deux matériaux constituant les miroirs à cristaux photoniques, sont formés d'un même matériau. 3046853 4 En particulier, la gaine du guide d'onde de sortie, et l'autre parmi les deux matériaux constituant les miroirs à cristaux photoniques peuvent être en silice. Le réseau central de chaque miroir à cristaux photoniques peut présenter un indice effectif distinct de celui du guide d'onde de sortie. 5 Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif photonique selon l'invention comprend en outre un guide d'onde dit terminal, et un coupleur optique destiné à coupler optiquement le guide d'onde de sortie et le guide d'onde terminal, le coupleur optique s'étendant notamment sous le guide d'onde de sortie, et comprenant : un élément externe, présentant une base à partir de laquelle s'étendent deux 10 bras séparés par une encoche, ladite encoche étant délimitée latéralement par deux premières parois d'écartement décroissant en direction du fond de l'encoche ; - un élément central, situé dans l'encoche, délimité latéralement par deux deuxièmes parois, et présentant une première région où lesdites deux deuxièmes parois sont en contact direct avec lesdites deux premières parois jusqu'au fond de l'encoche, le 15 coeur du guide d'onde terminal s'étendant dans le prolongement de cet élément central et étant constitué d'un même matériau ; et - un élément intermédiaire, s'étendant entre l'élément externe et l'élément central, directement entre une première paroi et une deuxième paroi là où une première paroi n'est pas en contact direct avec une deuxième paroi, la gaine du guide d'onde 20 terminal s'étendant dans le prolongement de cet élément intermédiaire et étant formé d'un même matériau, l'indice optique de l'élément central étant supérieur à l'indice optique de l'élément intermédiaire, lui-même supérieur à l'indice optique de la base de l'élément externe. Le guide d'onde terminal peut être adapté à propager un rayonnement dans le 25 moyen infrarouge, à une longueur d'onde comprise entre 2 et 10 um. De préférence, l'élément central et le coeur du guide d'onde terminal sont en germanium, ou un alliage de germanium et de silicium. Avantageusement, l'élément intermédiaire et la gaine du guide d'onde terminal sont en silicium, ou un alliage de germanium et de silicium. 3046853 5 L'élément externe peut comprendre de la silice, de l'oxyde d'aluminium, du nitrure d'aluminium, un gaz ou un vide. Une distance minimale entre les deux deuxièmes parois de l'élément central peut être strictement supérieure à 0,2 um 5 Un milieu à gain peut être disposé à l'intérieur de la cavité optique, de façon à former une source laser de type VCSEL. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples 10 de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 illustre de manière schématique un premier mode de réalisation d'un dispositif photonique selon l'invention, selon une vue en perspective ; la figure 2 illustre de manière schématique le dispositif photonique de la 15 figure 1, selon une vue de côté ; la figure 3A illustre de manière schématique un deuxième mode de réalisation d'un dispositif photonique selon l'invention, selon une vue de côté ; la figure 3B illustre un couplage optique mise en oeuvre dans le dispositif photonique de la figure 3A; 20 la figure 4 illustre de manière schématique un troisième mode de réalisation d'un dispositif photonique selon l'invention, selon une vue de dessous ; la figure 5 illustre de manière schématique un quatrième mode de réalisation d'un dispositif photonique selon l'invention, selon une vue en perspective ; la figure 6 illustre de manière schématique le dispositif photonique de la 25 figure 5, selon une vue en coupe selon un plan orthogonal aux miroirs du dispositif ; la figure 7 illustre de manière schématique le dispositif photonique de la figure 5, selon une vue en coupe selon un plan parallèle aux miroirs du dispositif ; les figures 8A à 8C illustrent de manière schématique d'autres vues en coupe du dispositif photonique de la figure 5 ; 3046853 6 - la figure 9 illustre une première série d'étapes pour fabriquer le dispositif photonique de la figure 5 ; et - la figure 10 illustre une seconde série d'étapes pour fabriquer le dispositif photonique de la figure 5. 5 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 illustre un premier mode de réalisation d'un dispositif photonique 100 selon l'invention. On définit à la figure 1 un repère orthonormé (Oxyz). 10 Le dispositif photonique 100 est constitué ici d'une cavité résonante 110, d'un guide d'onde 130 et d'un élément de couplage 120. La cavité résonante est formée par deux miroirs à cristaux photoniques 110A, 1106 superposés, et espacés l'un de l'autre. L'un forme un miroir à cristaux photoniques dit supérieur 110A, l'autre forme un miroir à cristaux photoniques dit inférieur 1106. L'axe 15 (Oz) relie ces deux miroirs, c'est pourquoi on peut parler de cavité verticale. Le miroir à cristaux photoniques supérieur 110A (respectivement inférieur 1106) est constitué par un réseau central supérieur 111A (respectivement inférieur 111B), entouré sur deux côtés opposés par des réseaux latéraux supérieurs 112A, 113A (respectivement inférieurs 112B, 113B). 20 Ici, chaque réseau central 111A, 111B, est un réseau unidimensionnel constitué de barreaux 1110A, 11106 parallèles entre eux en silicium amorphe, noyés dans une matrice de silice (Si02). On peut considérer ainsi que chaque réseau est constitué de deux réseaux mono-matériau imbriqués, ici un réseau en silicium et un réseau en silice. Les barreaux sont orientés selon l'axe (Oy). 25 Les réseaux latéraux 112A, 113A, 112B, 113B présentent le même nombre de dimension(s) que les réseaux centraux. Ici, ce sont donc des réseaux unidimensionnels. En outre, les réseaux latéraux sont orientés de la même façon que les réseaux centraux. Ainsi, chaque réseau latéral est constitué de barreaux 1120A, 1120B, 1130A, 1130B parallèles entre eux, et parallèles aux barreaux formant les réseaux centraux. 3046853 7 Deux réseaux latéraux entourent un réseau central sur deux côtés opposés, de façon que les barreaux des réseaux latéraux et du réseau central soient alignés les uns à la suite des autres, selon un axe parallèle à (Ox). Les réseaux latéraux 112A, 113A, 112B, 113B et les réseaux centraux 111A, 111B 5 sont constitués des mêmes matériaux. Ici, chaque réseau latéral 112A, 113A, 112B, 113B est donc constitué de barreaux en silicium amorphe, noyés dans une matrice de silice (SiO2). Chaque réseau latéral présente une étendue selon (Ox) inférieure à l'étendue du réseau central selon cet axe. 10 Dans l'exemple illustré ici, les réseaux centraux 111A et 111B sont identiques, et présentent notamment une même épaisseur (selon Oz), une même période Pc, et un même facteur de remplissage Fc (rapport entre la largeur d'un barreau selon (Ox) et la période Pc). Selon une variante non représentée, les réseaux centraux 111A et 111B ne sont pas 15 identiques, tant qu'ils forment des réflecteurs à une même longueur d'onde d'intérêt (longueur d'onde de résonance de la cavité 110). Il peut exister notamment plusieurs triplets épaisseur, période, facteur de remplissage, offrant une forte réflectivité à la longueur d'onde d'intérêt. De la même façon, les réseaux latéraux 112A, 113A, 112B, 113B présentent ici une 20 même épaisseur (selon Oz), une même période Pi, et un même facteur de remplissage Fi (rapport entre la largeur d'un barreau selon (Ox) et la période Pi). Selon une variante non représentée, tous les réseaux latéraux 112A, 113A, 112B, 113B ne présentent pas les mêmes épaisseurs, périodes et facteurs de remplissage. C'est notamment le cas lorsque les réseaux centraux 111A et 111B ne sont pas identiques. Au 25 contraire, lorsque les réseaux centraux 111A et 111B sont identiques, les réseaux latéraux 112A, 113A, 112B, 113B présentent de préférence les mêmes épaisseurs, périodes et facteurs de remplissage. En tout état de cause, chaque réseau central est encadré par des réseaux latéraux présentant chacun une valeur différente de la période et/ou du facteur de remplissage. 3046853 8 L'épaisseur de deux réseaux latéraux est avantageusement la même que l'épaisseur du réseau central qu'ils encadrent. Dans la suite, on décrit le cas particulier dans lequel les réseaux centraux 111A présentent la même période Pc, et le même facteur de remplissage Fc, et dans lequel les 5 réseaux latéraux 112A, 113A, 112B, 113B présentent la même période Pi, et le même facteur de remplissage Fi. La période Pi et/ou le facteur de remplissage Fi diffère(nt) respectivement de la période Pc et/ou du facteur de remplissage Fc. Ici, les facteurs de remplissage Fc et Fi sont égaux, et la période Pc est supérieure à 10 la période Pi. Les barreaux sont donc plus étroits dans les réseaux latéraux. Une faible différence entre ces deux périodes suffit, par exemple Pi REVENDICATIONS1. Dispositif photonique (100; 300; 400; 600) comprenant une cavité optique (110 ; 310 ; 610) délimitée par deux miroirs à cristaux photoniques (110A, 1106 ; 310A, 310B ; 4106 ; 610A, 610B), et un guide d'onde de sortie (130 ; 430 ; 630) adapté à recevoir un signal émergeant de la cavité optique, caractérisé en ce que : chaque miroir à cristaux photoniques (110A ; 1106 ; 310A ; 3106 ; 4106 ; 610A ; 6106 ; 1110A ; 11106) est constitué d'un réseau central (111A ; 1116 ; 411B), délimité sur chaque côté par des réseaux latéraux (112A, 113A ; 112B, 1136 ; 412B, 413B, 414B, 415B) présentant chacun une valeur de la période et/ou du facteur de remplissage distincte de celle(s) du réseau central ; l'un des réseaux latéraux (113B ; 413B), dit réseau de sortie, présente moins de motifs élémentaires que les autres réseaux latéraux ; le guide d'onde de sortie (130 ; 430 ; 630 ; 1130) est formé coplanaire avec le réseau de sortie ; et un élément de couplage (120 ; 420 ; 620 ; 1120) est disposé entre le réseau de sortie et le guide d'onde, dont la largeur décroît progressivement en se rapprochant du guide d'onde. 2. Dispositif photonique (100 ; 300 ; 600) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque miroir à cristaux photoniques est constitué d'un réseau central unidimensionnel (111A; 111B) du type réseau de traits, entouré sur deux côtés par deux réseaux latéraux unidimensionnels (112A, 113A; 112B, 113B), chacun du type réseau de traits, les traits du réseau central et des réseaux latéraux étant parallèles entre eux. 3. Dispositif photonique (400) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque miroir à cristaux photoniques est constitué d'un réseau central bidimensionnel (411B) du type réseau de plots, entouré sur quatre côtés par quatre réseaux latéraux 3046853 26 bidimensionnels (412B, 413B, 414B, 415B), chacun du type réseau de plots, les plots du réseau central et des réseaux latéraux étant parallèles entre eux. 4. Dispositif photonique (100 ; 300 ; 400 ; 600) selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de couplage (120 ; 420 ; 620 ; 1120), le coeur (131) du guide d'onde de sortie, et l'un parmi deux matériaux constituant les miroirs à cristaux photoniques (110A ; 1106 ; 310A ; 3106 ; 4106 ; 610A ; 6106 ; 1110A ; 1110B), sont formés d'un même matériau. 10 5. Dispositif photonique (100 ; 300 ; 400 ; 600) selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément de couplage (120 ; 420 ; 620 ; 1120), le coeur (131) du guide d'onde de sortie, et l'un parmi deux matériaux constituant les miroirs à cristaux photoniques (110A ; 1106 ; 310A ; 3106 ; 4106 ; 610A ; 6106 ; 1110A ; 1110B), sont en silicium, notamment du silicium amorphe. 15 6. Dispositif photonique (100 ; 300 ; 400 ; 600) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la gaine du guide d'onde de sortie (130 ; 430 ; 630 ; 1130), et l'autre parmi les deux matériaux constituant les miroirs à cristaux photoniques (110A; 1106; 310A ; 310B ; 4106 ; 610A ; 6106 ; 1110A ; 1110B), sont formés d'un même matériau. 7. Dispositif photonique (100 ; 300 ; 400 ; 600) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la gaine du guide d'onde de sortie (130 ; 430 ; 630 ; 1130), et l'autre parmi les deux matériaux constituant les miroirs à cristaux photoniques (110A; 1106; 310A ; 310B ; 4106 ; 610A ; 6106 ; 1110A ; 1110B), sont en silice. 8. Dispositif photonique (100 ; 300 ; 400 ; 600) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le réseau central (111A ; 1116 ; 411B) de chaque miroir à cristaux photoniques présente un indice effectif distinct de celui du guide d'onde de sortie (130 ; 430 ; 630 ; 1130). 20 25 3046853 27 9. Dispositif photonique (600) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un guide d'onde dit terminal (650), et un coupleur optique (640) destiné à coupler optiquement le guide d'onde de sortie (630 ; 1130) et le guide d'onde terminal (650), le coupleur optique (640) s'étendant notamment 5 sous le guide d'onde de sortie (630), et comprenant : un élément externe (641), présentant une base (641A) à partir de laquelle s'étendent deux bras (641B) séparés par une encoche, ladite encoche étant délimitée latéralement par deux premières parois (641C) d'écartement décroissant en direction du fond de l'encoche ; 10 un élément central (643), situé dans l'encoche, délimité latéralement par deux deuxièmes parois (643C), et présentant une première région où lesdites deux deuxièmes parois (643C) sont en contact direct avec lesdites deux premières parois (641C) jusqu'au fond de l'encoche, le coeur (651) du guide d'onde terminal s'étendant dans le prolongement de cet élément central (643) et étant constitué d'un même matériau ; et 15 un élément intermédiaire (642), s'étendant entre l'élément externe (641) et l'élément central (643), directement entre une première paroi (641C) et une deuxième paroi (643C) là où une première paroi n'est pas en contact direct avec une deuxième paroi, la gaine du guide d'onde terminal (650) s'étendant dans le prolongement de cet élément intermédiaire (642) et étant formé d'un même matériau, 20 l'indice optique de l'élément central (643) étant supérieur à l'indice optique de l'élément intermédiaire (642), lui-même supérieur à l'indice optique de la base (641A) de l'élément externe. 10. Dispositif photonique (600) selon la revendication 9, caractérisé en ce que le 25 guide d'onde terminal (650) est adapté à propager un rayonnement dans le moyen infrarouge, à une longueur d'onde comprise entre 2 et 10 um. 11. Dispositif photonique(600) selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'élément central (643) et le coeur (651) du guide d'onde terminal sont en 30 germanium, ou un alliage de germanium et de silicium. 3046853 28 12. Dispositif photonique (600) selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que l'élément intermédiaire (642) et la gaine du guide d'onde terminal (650) sont en silicium, ou un alliage de germanium et de silicium. 5 13. Dispositif photonique (600) selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que l'élément externe (641) comprend de la silice, de l'oxyde d'aluminium, du nitrure d'aluminium, un gaz ou un vide. 10 14. Dispositif photonique (600) selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce qu'une distance minimale entre les deux deuxièmes parois (643C) de l'élément central (643), est strictement supérieure à 0,2 um 15. Dispositif photonique (300 ; 600) selon l'une quelconque des revendications 9 15 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend un milieu à gain (319 ; 619) disposé à l'intérieur de la cavité optique (310 ; 610), de façon à former une source laser de type VCSEL.