Brevet FR3051561A1 — publié le 20171124

Dispositif photonique intégré à couplage optique amélioré Des modes de réalisation de l'invention concernent les dispositifs intégrés photoniques, et notamment le couplage de ce type de dispositif avec un signal optique extérieur, issu par exemple mais non limitativement d'une fibre optique. Classiquement, pour coupler un circuit intégré photonique à un signal optique provenant par exemple d'une fibre optique, on réalise dans la couche active du circuit intégré un coupleur optique permettant de rediriger le signal lumineux dans un guide d'ondes réalisé dans la structure. Lors du couplage, une partie du signal optique d'entrée traverse le coupleur et n'est pas transmise dans le guide d'ondes. Il existe des moyens pour améliorer l'efficacité du couplage, comme par exemple optimiser l'épaisseur de la couche isolante enterrée dans le cas de substrat de type silicium sur isolant (SOI, « Silicon On Insulator selon l'acronyme anglo-saxon bien connu de l'homme du métier). Cependant, même avec une épaisseur optimale, une partie du signal est perdue. Une autre solution consiste à placer une couche réfléchissante, par exemple métallique, sous la couche enterrée, afin que les rayons qui traversent le coupleur soient réfléchis et repassent à nouveau dans le coupleur. Cependant, la réalisation d'une telle couche nécessite des étapes de procédé spécifiques. Ainsi, selon un mode de réalisation, il est proposé ici de réduire encore davantage les pertes d'un signal optique arrivant sur un coupleur optique intégré. A cet égard, il est avantageusement proposé d'utiliser non pas un seul circuit intégré mais une structure tridimensionnelle intégrée comportant plusieurs substrats empilés (formant une structure monolithique), et de réaliser un réflecteur dans un de ses substrats, sous le coupleur optique. 3051561 2 Ceci présente l'avantage de limiter les pertes du signal optique et de réaliser le réflecteur avec des procédés de fabrication existants, tels que des gravures et des dépôts de matériau diélectrique. Selon un aspect, il est proposé une structure intégrée 5 photonique tridimensionnelle comprenant un premier substrat semi- conducteur incorporant au moins un premier guide d'ondes, un deuxième substrat semi-conducteur incorporant au moins un deuxième guide d'ondes, et au moins une région intermédiaire située entre les deux substrats et comportant au moins une couche diélectrique ; le 10 deuxième substrat comporte au moins un coupleur optique configuré pour recevoir un signal lumineux, et le premier substrat et ladite au moins une couche diélectrique comportent un élément réflecteur situé en regard dudit au moins un coupleur à réseau et apte à réfléchir au moins une partie dudit signal lumineux. 15 L'élément réflecteur comporte par exemple une portion du premier substrat semi-conducteur et une portion de ladite la couche de matériau diélectrique. Ainsi, en réalisant l'élément réflecteur dans un substrat comportant d'autres composants photoniques, on s'affranchit d'une 20 étape de procédé spécifique pour l'obtention du réflecteur optique. Selon un mode de réalisation, la région intermédiaire peut comporter en outre au moins une couche semi-conductrice additionnelle enrobée dans la couche diélectrique et située en regard du coupleur optique, l'élément réflecteur comportant en outre ladite 25 couche additionnelle. Préférentiellement, le produit de l'épaisseur de la portion du premier substrat semi-conducteur par son indice de réfraction et le produit de l'épaisseur de la portion de ladite couche de matériau diélectrique par son indice de réfraction sont tous les deux environ 30 égaux au quart de la longueur d'onde du signal lumineux. Le premier substrat et le deuxième substrat peuvent être des films semi-conducteurs situés sur des couches isolantes, formant ainsi des substrats de type silicium sur isolant. Dans ce cas, la région 3051561 3 intermédiaire comprend avantageusement la couche isolante enterrée sur laquelle est situé le deuxième substrat. Selon un mode de réalisation, au moins une partie de l'élément réflecteur, par exemple ladite portion du premier substrat, a une 5 épaisseur inférieure ou égale à l'épaisseur du premier substrat. Ainsi, ladite portion peut être gravée ou laissée telle quelle. En particulier, l'épaisseur de ladite portion du premier substrat semi-conducteur peut correspondre à l'épaisseur d'autres composants photoniques réalisés dans le premier substrat semi-conducteur. 10 Le coupleur optique peut être de type à polarisation unique, et être dans ce cas couplé à un seul guide d'ondes, ou de type à séparation de polarisation et être alors couplé à plusieurs guides d' onde. D' autres avantages et caractéristiques de l' invention 15 apparaîtront à l'examen de modes de réalisation de l'invention, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 5 représentent des modes de réalisation de l' invention. La figure 1 illustre une structure photonique monolithique SPM 20 selon un mode de réalisation de l'invention. La structure photonique SPM comporte un substrat porteur 1, sur lequel sont réalisés deux substrats de type silicium sur isolant 2 et 3 séparés par une région intermédiaire INT et dans lesquels sont réalisés plusieurs composants photoniques. 25 La structure comporte également une région d'interconnexion (BEOL, « Back End Of Line » selon l'acronyme anglo-saxon bien connu de l'homme du métier) non représentée ici à des fins de simplification. Sur la face supérieure de la structure SPM peut être fixée par 30 exemple une fibre optique, délivrant un signal optique incident L1 dont la longueur d'onde est par exemple proche de mille trois cents dix nanomètres. Ici, le signal optique d'entrée arrive sur la structure avec un angle 0 faible, par exemple compris entre huit et treize degrés. 3051561 4 Le premier substrat 2 de type SOI comporte un premier substrat proprement dit, ou film semi-conducteur 22, et une première couche isolante enterrée 21 (connue par l'homme du métier sous l'acronyme anglo-saxon « BOX », pour Buried Oxide), ici une couche de dioxyde 5 de silicium ayant classiquement une épaisseur de sept cents nanomètres. La première couche isolante enterrée 21 est située ici sous le premier film semi-conducteur 22, ayant par exemple ici une épaisseur de trois cents nanomètres. 10 Plusieurs composants photoniques sont réalisés par gravure dans le premier film de silicium 22, puis enrobés dans une première couche de matériau diélectrique 23, ici du dioxyde de silicium, de manière à ce que l'ensemble formé par le premier film de silicium 22 et la première couche de diélectrique 23 ait une épaisseur de quatre 15 cent cinquante nanomètres. Le premier substrat 22 comporte notamment un premier guide d'ondes 24 et un ensemble de composants actifs, incluant par exemple un photo-détecteur 25. Le deuxième substrat 3 de type SOI, réalisé directement au 20 dessus de la couche de matériau diélectrique 23 par collage moléculaire, comporte une deuxième couche isolante enterrée 31 d'une épaisseur par exemple égale à cent nanomètres, formant avec la couche de matériau diélectrique 23 la région intermédiaire INT, et sur laquelle se trouve le deuxième substrat proprement dit, ou deuxième film semi- 25 conducteur 32, par exemple en silicium. Le deuxième substrat 3 comporte des composants photoniques gravés dans le deuxième film semi-conducteur 32 et enrobés dans une deuxième couche de matériau diélectrique 33. Ici, les composants comportent notamment un deuxième guide d'ondes 34 optiquement 30 couplé à un coupleur à réseau 36. La structure SPM comporte également un élément réflecteur 26, ici un miroir de Bragg classiquement formé par plusieurs couches ayant des indices de réfraction différents. 3051561 5 Dans cet exemple, le miroir de Bragg 26 comprend deux couches empilées, dont une première couche formée par une portion 220 du premier film de silicium 22, et une deuxième couche formé par l'empilement d'une portion 230 de la première couche diélectrique 23 5 et d'une portion 310 de la deuxième couche isolante enterrée 31 du deuxième substrat 3. Les épaisseurs des deux couches du miroir de Bragg 26 sont choisies ici de manière à ce que le produit de l'épaisseur de chaque couche par l'indice de réfraction du matériau qui la compose soit au 10 plus proche du quart de la longueur d'onde du signal incident Ll. Cette caractéristique permet d'augmenter d'avantage l'efficacité du miroir 26. Toutefois cette valeur n'est qu'indicative, et le résultat du produit peut être adapté de manière à être plus ou moins proche de cette valeur en fonction de l'épaisseur de la première couche isolante 15 enterrée 21. Ici, l'épaisseur de la portion 220 du premier substrat 22 est la même que l'épaisseur des composants du premier substrat, notamment du premier guide d'ondes 24 et de la photodiode 25. Ainsi, la réalisation du miroir de Bragg 26 ne nécessite pas d'étape de procédé 20 spécifique. Il convient de noter que les dessins présentés ici sont des vues en coupe simplifiées de modes de réalisation de l'invention. Ainsi, bien que le deuxième guide d'ondes 34 et le coupleur optique 36 soient représentés dans un même plan de coupe, ils peuvent en réalité se 25 trouver dans des plans distincts et/ou être orientés selon des directions différentes. Comme illustré sur la figure 2, le coupleur à réseau 36 est un coupleur de type à polarisation unique, c'est-à-dire qu'un signal lumineux L2 issu du coupleur et entrant dans le deuxième guide 30 d'ondes 34 est polarisé selon un seul état de polarisation, par exemple ici une polarisation transverse électrique, c'est-à-dire une polarisation dans laquelle la composante du champ électrique de l'onde lumineuse est perpendiculaire au plan d'incidence (également connue par l'homme du métier sous l'appellation « polarisation s »). 3051561 6 Le coupleur à réseau 36 est réalisé au dessus du miroir de Bragg 26. De ce fait, une grande partie des rayons incidents traversant le coupleur 36 arrivent sur le miroir 26 afin d'être réfléchis vers le coupleur 36 et couplés au guide d'ondes 34. Ainsi, les pertes de signal 5 dues au couplage sont diminuées. Pour une longueur d'onde proche de mille trois cents dix nanomètres, un tel miroir présente une réflectivité de 90%, pour une onde incidente L 1 en mode transverse électrique (TE, selon l'acronyme bien connu de l'homme du métier), arrivant sous un angle un angle 0 de 13°. 10 Le deuxième guide d'ondes 34 possède une portion réalisée au dessus du premier guide d'ondes 24, et ayant les même dimensions. Ainsi, ces deux portions parallèles des premier et deuxième guides d'ondes forment un coupleur adiabatique permettant un transfert de lumière du deuxième guide d'ondes vers le premier guide d'ondes. 15 La figure 3 illustre un mode de réalisation dans lequel la première portion 220 du premier film de semi-conducteur 22 a subi une gravure supplémentaire de manière à la rendre moins épaisse. Cette épaisseur peut, par exemple et avantageusement, correspondre à l'épaisseur de silicium de certaines portions semi-conductrices de 20 composants photoniques gravés dans le premier film semi-conducteur 22, de telle sorte que la même étape de gravure peut servir à former ces composants photoniques et le miroir de Bragg 26. Ainsi, le miroir de Bragg est ici formé par la première portion 220 du premier film de silicium 22 ayant dans cet exemple une 25 épaisseur de cent-cinquante nanomètres, par la première portion 230 de la couche de matériau diélectrique 23, ayant donc une épaisseur de trois cents nanomètres, et d'une portion 310 de la couche isolante enterrée 31 du deuxième substrat 3, d'une épaisseur de cent nanomètres. 30 Ainsi, le miroir de Bragg est optimisé pour réfléchir un signal incident L l' ayant ici une longueur d'onde proche de mille cinq cent cinquante nanomètres. Pour cette longueur d'onde, un tel miroir présente une réflectivité de 80%, pour une onde incidente L l' en mode transverse électrique, arrivant sous un angle un angle 0 de 13°. 3051561 7 La figure 4 illustre un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel la région intermédiaire INT comporte une couche de silicium additionnelle 27, par exemple en silicium polycristallin ou en silicium amorphe, d'une épaisseur de cent cinquante nanomètres, 5 réalisée au dessus du premier film de silicium 22 afin d'améliorer encore d'avantage la réflectivité du miroir de Bragg 26. Ici, la portion 220 de la première couche de silicium a été gravée de manière à avoir une épaisseur de cent cinquante nanomètres. Elle a été recouverte d'une première portion 231 de la première couche 10 de matériau diélectrique 23, qui a été aplanie avant le dépôt et gravure de la couche de silicium additionnelle 27, laquelle a elle-même été recouverte d'une deuxième portion 232 de la première couche de matériau diélectrique 23. Ainsi, le miroir de Bragg comporte dans cet exemple quatre 15 couches : - la première portion 220 du premier film de silicium 22, d'une épaisseur de cent cinquante nanomètres, une première portion 231 de la première couche de matériau diélectrique 23, ici d'une épaisseur de cent 20 cinquante nanomètres, - la couche de silicium additionnelle 27, et l'empilement d'une deuxième portion 232 de la première couche de matériau diélectrique 23, d'une épaisseur de cinquante nanomètres et d'une portion 310 de la couche 25 isolante enterrée 31 du deuxième substrat 3, d'une épaisseur de cent nanomètres. Ainsi, il est particulièrement avantageux que les deux épaisseurs des paires de couches de silicium et de dioxyde de silicium soient identiques, ce qui permet d'avoir une réflectivité améliorée. 30 Cependant il serait possible d'envisager un miroir présentant des épaisseurs de couches différentes. Comme illustré sur la figure 5, le coupleur à réseau est dans cet exemple un coupleur de type à séparation de polarisation (PSGC, « Polarization Splitter Grating Coupler ») selon l'acronyme anglo- 3051561 8 saxon bien connu de l'homme du métier). Cela étant, ce mode de réalisation est compatible avec un coupleur à polarisation unique. Ainsi, un signal lumineux Ll passant dans le coupleur 36 sera séparé en deux sous-signaux de polarisations distinctes. Par exemple, 5 un premier sous-signal L3 sera ici polarisé de façon transverse électrique et dirigé dans le deuxième guide d'ondes 34, et un deuxième sous-signal L4 sera dirigé dans un troisième guide d'ondes 37 et polarisé de manière transverse magnétique (ou polarisation p), c'est-à-dire une polarisation dans laquelle la composante du champ 10 magnétique de l'onde lumineuse est perpendiculaire au plan d'incidence. Il convient de noter que les modes de réalisation présentée ici ne sont nullement limitatifs. Notamment, bien qu'il ait été présenté un réflecteur de Bragg d'une épaisseur de cinq cent cinquante 15 nanomètres, il est tout à fait possible d'envisager un réflecteur ayant une épaisseur différente, préférentiellement mais non limitativement avec des couches dont le produit de l'épaisseur par l'indice de réfraction soit proche du quart de la longueur d'onde du signal incident. Il en est de même pour le nombre de couches du miroir qui 20 peut varier par rapport aux exemples illustrés aux figures 1, 3 et 4. REVENDICATIONS1. Structure intégrée photonique tridimensionnelle comprenant un premier substrat semi-conducteur (22) incorporant au moins un premier guide d'ondes (24), un deuxième substrat semi-conducteur (32) incorporant au moins un deuxième guide d'ondes (34), et au moins une région intermédiaire (INT) située entre les deux substrats (22, 32) et comportant au moins une couche diélectrique (23), le deuxième substrat (32) comportant au moins un coupleur optique (36) configuré pour recevoir un signal lumineux (L1), et le premier substrat (22) et ladite au moins une couche diélectrique (23) comportant un élément réflecteur (26) situé en dessous et en regard dudit au moins un coupleur à réseau (36) et apte à réfléchir au moins une partie dudit signal lumineux (L1). 2. Structure selon la revendication 1, dans laquelle l'élément réflecteur (26) comporte une portion (220) du premier substrat semi- conducteur (22) et une portion (230) de ladite couche (23) de matériau diélectrique. 3. Structure selon la revendication 2, dans laquelle le produit de l'épaisseur de la portion du premier substrat semi-conducteur (220) par son indice de réfraction et le produit de l'épaisseur de la portion (230) de ladite couche de matériau diélectrique par son indice de réfraction sont tous les deux environ égaux au quart de la longueur d'onde du signal lumineux (L1) 4. Structure selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la région intermédiaire (INT) comporte en outre au moins une couche semi-conductrice additionnelle (27) enrobée dans la couche diélectrique (23) et située en regard du coupleur optique (36), l'élément réflecteur (26) comportant en outre ladite couche additionnelle (27). 5. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le premier substrat (22) et le deuxième substrat (32) sont des films semi-conducteurs situés sur des couches isolantes, et la 3051561 10 région intermédiaire (INT) comprend la couche isolante (31) sur laquelle est situé le deuxième film semi-conducteur (32). 6. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans laquelle au moins une partie de l'élément réflecteur (26) a une 5 épaisseur inférieure ou égale à l'épaisseur du premier substrat (22). 7. Structure selon la revendication 6, dans laquelle l'épaisseur de ladite portion (220) du premier substrat semi-conducteur (22) correspond à l'épaisseur d'autres composants photoniques réalisés dans le premier substrat semi-conducteur. 10 8. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le coupleur optique (36) est un coupleur à réseau à polarisation unique et est couplé à un seul guide d'ondes (34). 9. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle le coupleur optique (36) est un coupleur à réseau à 15 séparation de polarisation et est couplé à plusieurs guides d'ondes (34, 37).