Brevet FR3053155A1 — publié le 20171229

ETAT DE L'ART Domaine technique de l'invention La présente invention concerne des procédés et systèmes de fonctionnalisation optique en profondeur d'un échantillon en matériau semi-conducteur, comprenant notamment l'inscription tridimensionnelle de guides d'onde optiques en profondeur dans l'échantillon. Etat de l'art L'émergence des sources laser femtoseconde a permis de développer des technologies bien maitrisées d'écriture laser directe en 3D dans les matériaux diélectriques transparents comme le verre, notamment pour des applications de « fonctionnalisation optique » du matériau, notamment par inscription de guides d'onde optiques. La fonctionnalisation optique est obtenue par variation contrôlée de la partie réelle de l'indice de réfraction dans les matériaux diélectriques (voir par exemple K. M. Davis et al. « Writing waveguides in glass with a femtosecond laser », Opt. Letters, Vol. 21, N°21 (1996)). Cependant à ce jour, aucune technologie de fonctionnalisation optique similaire à celles connues pour les matériaux diélectriques n'a été démontrée dans le volume des matériaux semi-conducteurs monolithiques, et notamment dans le silicium. Ceci s'explique principalement par l'émergence et la généralisation seulement très récentes des sources ultra-brèves dans l'infrarouge, que ce soit les amplificateurs paramétriques optiques (ou OPA selon l'expression anglo-saxonne « Optical Parametric Amplifier) ou les lasers à fibres. Cela s'explique aussi par l'importance des effets non-linéaires lors de la propagation et de l'absorption de la lumière dans les matériaux semiconducteurs, qui limitent intrinsèquement le dépôt d'énergie par laser femtoseconde à un niveau insuffisant pour la modification des matériaux (voir par exemple A. Mouskeftaras et al. « Self-limited underdense microplasmas in bulk silicon induced by ultrashort laser pulses », Appl. Phys. Lett. 105, 191103 (2014)). Cet effet d'auto-protection du silicium a été très récemment expliqué par une défocalisation induite des faisceaux infrarouges par le plasma formé lors de l'interaction (E. V. Zavedeev et al. « Delocalization of femtosecond laser radiation in crystalline Si in the mid-IR range », Laser Phys. 26, 016101 (2015)) Des techniques pour la fonctionnalisation optique dans les semi-conducteurs se sont développées, comme par exemple la technologie dite « Silicium sur Isolant » ou « SOI » selon l'expression anglo-saxonne « Silicon On Insulator », dans laquelle une couche de silicium 3053155 2 cristallin structurée en surface est prise en sandwich entre une couche en matériau isolant enterrée et une couche supérieure de bas indice (ou l'air). On obtient ainsi une propagation des ondes électromagnétiques dans les guides d'onde grâce à un mécanisme de réflexion totale interne (voir par exemple M. Lipson et al. «Guiding, modulating and emitting light on 5 silicon - challenges and opportunities », Journal of Lightwave Technology, Vol. 23, N°12 (2005)). Bien que la technologie SOI permette d'obtenir d'excellentes performances optiques, elle présente néanmoins des inconvénients majeurs, propres à la lithographie. Un premier inconvénient est que les guides d'onde fabriqués sont contenus dans un plan (i.e., 2D), ce qui empêche la conception d'architectures tridimensionnelles pour la fonctionnalisation optique 10 du matériau. Un deuxième inconvénient est que cette technique requiert plusieurs étapes dans un environnement propre et contrôlé afin de s'affranchir des problèmes liés à une pollution extérieure indésirable. La mise à disposition d'une technologie d'écriture laser directe permettrait de s'affranchir de ces limitations. Des travaux ont été publiés visant à l'inscription directe de guides d'ondes optiques 15 dans les matériaux semi-conducteurs (voir par exemple la demande de brevet publiée US 2012/0268939). Cependant, aucune technique ne semble avoir démontré de résultats tangibles permettant l'inscription directe de guides d'onde optiques en profondeur dans un matériau semi-conducteur, ce qui ouvrirait la porte à la fonctionnalisation optique par écriture laser directe en 3D dans les matériaux semi-conducteurs, et notamment dans le silicium. 20 Un objet de l'invention est de proposer des procédés et systèmes de fonctionnalisation optique par inscription laser directe en profondeur dans un échantillon en matériau semiconducteur qui soit fiable et reproductible. RESUME DE L'INVENTION Selon un premier aspect, la présente description concerne un procédé de 25 fonctionnalisation optique en profondeur d'un échantillon en matériau semi-conducteur, comprenant : - l'émission d'un faisceau laser formé d'impulsions de durées effectives comprises entre 1 ps et 100 ns, présentant une longueur d'onde dans la bande spectrale de transparence du matériau; 30 - la focalisation en profondeur dans l'échantillon du faisceau laser, selon un motif prédéterminé, l'intensité lumineuse par impulsion dans un volume de focalisation du faisceau laser étant adaptée à la génération d'une absorption multi-photonique; - la mesure de la partie réelle de l'indice de réfraction de l'échantillon en chaque point du motif ; 3053155 3 - le contrôle du nombre d'impulsions reçues par point du motif, ou « nombre de tirs », en fonction de ladite mesure de la partie réelle de l'indice de réfraction de telle sorte à obtenir, en chaque point du motif, une modification progressive de la partie réelle de l'indice de réfraction du matériau jusqu'à une variation relative de la partie réelle de 5 l'indice de réfraction supérieure à 101 en valeur absolue. La fonctionnalisation optique s'entend, dans la présente description, comme l'inscription au sein du matériau de fonctions optiques résultant d'une variation locale de la partie réelle de l'indice de réfraction, avec modification faible ou nulle de la partie imaginaire (variation relative inférieure à 101). Les fonctions optiques inscrites sont aptes de façon 10 générale à modifier au sein du matériau des propriétés spatiales, temporelles ou spectrales de la lumière, et comprennent, de façon non-limitative, le guidage d'une onde lumineuse, la modification de la polarisation d'une onde lumineuse, la modification du front d'une onde lumineuse (notamment par inscription d'une ou plusieurs microlentilles), le filtrage spectral (notamment par inscription de réseaux de diffraction, par exemple des réseaux de Bragg). 15 Ainsi, selon l'un ou plusieurs exemples de réalisation, le motif est déterminé pour la formation d'au moins l'un des éléments optiques suivants : guide d'onde, microlentille, réseau de diffraction, lame séparatrice, filtre optique, lame d'onde et plus généralement tout micro-dispositif optique basé sur une distribution d'indice maitrisée dans le volume du matériau. Les déposants ont montré que le procédé ainsi décrit permet, grâce au contrôle de la 20 variation de la partie réelle (n) de l'indice de réfraction, de ne pas dépasser des variations relatives (An/n) de la partie réelle de l'indice de réfraction au-delà desquelles on considère qu'il y a endommagement du matériau, notamment par formation de microcavités, et non plus inscription d'une fonction optique. Typiquement, on cherchera à limiter la variation relative An/n de la partie réelle de l'indice de réfraction à une valeur inférieure à 0,1 en valeur 25 absolue. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le contrôle du nombre de tirs permet d'obtenir une variation relative positive de la partie réelle de l'indice de réfraction. Une variation relative positive de la partie réelle de l'indice de réfraction résulte d'une modification structurelle de la matière (densification, amorphisation,...) et permet notamment 30 la formation des guides d'ondes, réseaux de diffraction, microlentilles et tout autre élément optique défini par une variation positive de l'indice de réfraction. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le contrôle du nombre de tirs permet d'obtenir une variation relative négative de la partie réelle de l'indice de réfraction, sans que cette variation ne dépasse 0,1 en valeur absolue, avantageusement 0,01. Une variation relative négative de la partie réelle de l'indice de réfraction peut résulter d'un changement de l'état 3053155 4 cristallin, ou de la formation de nano-cavités ou « nanocracks », de dimensions inférieures au dixième de la longueur d'onde pour ne pas introduire de défauts optiques, et permet notamment la formation de lentilles, lames d'onde, guides d'ondes définis par une couronne d'indice de réfraction inférieur à une partie centrale, et tout autre élément optique défini par 5 une variation négative de l'indice de réfraction. Les déposants ont par ailleurs montré que le procédé ainsi décrit permet, grâce au contrôle de la variation de la partie réelle de l'indice de réfraction le long du motif, d'obtenir une fonctionnalisation optique avec d'excellentes performances optiques, grâce à une limitation des défauts optiques qui résulterait d'inhomogénéités spatiales de la partie réelle ou 10 de la partie imaginaire de l'indice de réfraction. Des inhomogénéités spatiales de la partie réelle ou de la partie imaginaire de l'indice de réfraction peuvent être définies comme des inhomogénéités susceptibles d'introduire des phénomènes de diffusion de la lumière. Typiquement, elles résultent de variations locales de l'indice de réfraction (partie réelle ou partie imaginaire) supérieures à 101 en valeur absolue, dans des volumes dont une dimension 15 au moins est supérieure au dixième de la longueur d'onde (longueur d'onde à laquelle le matériau fonctionnalisé est destiné à être utilisé). La bande spectrale de transparence du matériau semi-conducteur est définie en fonction de l'énergie de bande interdite. Plus précisément, on considère dans la présente description qu'une longueur d'onde X appartient à la bande spectrale de transparence si la longueur 20 d'onde vérifie 2> 0,8 hcl 4 où h est la constante de Planck, c est la vitesse de la lumière dans le vide et 4 est l'énergie de bande interdite du matériau (ou « band gap », ou plus simplement « gap » selon l'expression anglo-saxonne); le facteur 0,8 permet d'assurer dans tous les cas une pénétration optique nécessaire pour travailler sous la surface. Le précédé décrit s'applique à tous les semi-conducteurs à bandes interdites (ou 25 « gaps ») directes ou indirectes, amorphes ou cristallins, en ajustant la longueur d'onde des impulsions pour satisfaire la relation précédemment donnée. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, chaque impulsion est formée d'une impulsion unique de durée comprise entre 1 ps et 100 ns. Selon d'autres exemples de réalisation, chaque impulsion est formée d'un train d'impulsions ultra-brèves (c'est-à-dire 30 strictement inférieures à 1 ps), la durée du train d'impulsions correspondant à la somme des durées de toutes les impulsions ultra-brèves dans le train et étant comprise entre 1 ps et 100 ns. Dans la suite de la description, on parlera simplement d' « impulsion », que l'impulsion soit formée d'une impulsion unique ou d'un train d'impulsions ultra-brèves. 3053155 5 L'intensité I d'une impulsion est définie par / = 2E2 où E est l'énergie de l'impulsion, 71Wc, r la largeur temporelle à mi-hauteur et w0 le rayon de la tache focale, mesurée à 1/e2 de la courbe de répartition spatiale de l'énergie, dans le cas d'un faisceau gaussien. Lorsque l'impulsion est formée d'un train d'impulsions ultra-brèves, la largeur 5 temporelle considérée est égale à la somme des largeurs temporelles à mi-hauteur des impulsions ultra-brèves formant le train d'impulsions et l'énergie considérée est égale à la somme des énergies des impulsions ultra-brèves formant le train d'impulsions. Dans la suite de la description, on pourra parler indifféremment d'énergie ou d'intensité lumineuse de l'impulsion à partir du moment où sont fixées la durée des impulsions et la 10 géométrie du faisceau. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les impulsions sont émises avec un taux de répétition donné inférieur à 100 kHz, avantageusement inférieur à 10 kHz. Avec un taux de répétition des impulsions suffisamment faible, on s'assure de limiter l'accumulation de chaleur en un point du motif et on limite les risques d'endommagement du matériau se 15 traduisant par des microcavités. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé comprend en outre le déplacement relatif du faisceau laser et de l'échantillon, le long dudit motif, à une vitesse de balayage donnée. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les impulsions sont émises avec un taux 20 de répétition encore inférieur, par exemple entre 100 Hz et 5 kHz, compatible avec des vitesses de déplacement relatif du faisceau et de l'échantillon obtenues par des moyens de déplacement courant. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le contrôle du nombre d'impulsions reçues par point du motif comprend le contrôle d'un taux de répétition des impulsions et/ou le 25 contrôle d'une vitesse de balayage du faisceau laser dans l'échantillon et/ou le contrôle d'une dimension du volume de focalisation. En pratique, cette dimension peut être la longueur de focalisation ou « distance de Rayleigh », dans le cas d'une inscription faite par déplacement relatif du faisceau optique selon un axe parallèle à l'axe optique du faisceau laser (« écriture longitudinale »). La longueur de focalisation est généralement définie comme la longueur de 30 la zone dans laquelle le rayon du faisceau est inférieur à-N/iwo . Cette dimension peut être égale à 2 fois le rayon de la tache focale (2w0) dans le cas d'une inscription faite par déplacement relatif du faisceau optique selon un axe perpendiculaire à l'axe optique du faisceau laser (« écriture transversale »). 3053155 6 Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé comprend en outre le contrôle de l'intensité lumineuse par impulsion dans le volume de focalisation pour obtenir la modification progressive de la partie réelle de l'indice réfraction du matériau. Par rapport à un contrôle direct du nombre de tirs en un point du motif, le balayage à 5 vitesse donnée d'impulsions émises à un taux de répétition donné permet d'obtenir une meilleure homogénéité de la variation de la partie réelle de l'indice. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le contrôle du nombre d'impulsions comprend : une première étape de contrôle du nombre d'impulsions reçues par point du 10 motif pour atteindre une première variation relative de la partie réelle de l'indice de réfraction; au moins une deuxième étape de contrôle du nombre d'impulsions reçues par point du motif pour atteindre une deuxième variation relative de la partie réelle de l'indice de réfraction; 15 une itération de ladite deuxième étape jusqu'à l'obtention d'une variation relative de la partie réelle de l'indice de réfraction supérieure ou égale à une valeur prédéterminée, ladite valeur prédéterminée étant supérieure à 101 en valeur absolue. Les déposants ont montré qu'un procédé par itération permet un contrôle très fin de la variation de la partie réelle de l'indice de réfraction, garantissant une très bonne homogénéité 20 des variations d'indice et de ce fait d'excellentes performances dans les fonctions optiques réalisées. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la première et la deuxième variation relative de la partie réelle de l'indice de réfraction correspondent à la plus petite variation mesurable de la partie réelle de l'indice de réfraction. En choisissant le seuil de détectabilité 25 de la variation de la partie réelle de l'indice comme valeurs des première et deuxième variations relatives de la partie réelle de l'indice de réfraction, on évite de devoir faire une étude préalable du matériau. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé comprend en outre une augmentation progressive de l'intensité lumineuse par impulsion dans le volume de 30 focalisation, à partir d'une valeur minimale prédéterminée, au cours de chaque étape. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé comprend en outre une augmentation de l'intensité lumineuse par impulsion dans le volume de focalisation, à partir d'une valeur minimale prédéterminée, lors du passage d'une étape à une étape ultérieure. Dans l'un et l'autre de ces exemples de réalisation, la modification progressive de 35 l'intensité lumineuse par impulsion permet d'accéder à une plus grande finesse dans la 3053155 7 variation de la partie réelle de l'indice de réfraction et de limiter ainsi tout risque d'endommagement. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé comprend en outre une phase préalable d'étalonnage. 5 Cette phase préalable d'étalonnage permet de déterminer, pour un matériau en semi- conducteur donné, des plages de paramètres à l'intérieur desquelles le procédé peut être mis en oeuvre en fonction des conditions opérationnelles. Par exemple, pour des impulsions de durée effective donnée, émises à un taux de répétition donné, et pour une géométrie de faisceau donnée, on pourra déterminer des plages de valeurs pour des vitesses de balayage 10 et/ou des énergies par impulsion. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la phase préalable détalonnage comprend également la détermination de la polarisation du faisceau laser l'illumination en fonction de la ou des fonctions optiques recherchée(s). Ainsi pour la fonctionnalisation optique notamment du silicium, les déposants ont mis 15 en évidence des plages de paramètres optimales pour l'inscription de fonctions optiques telles que les guides d'onde, ces paramètres pouvant être combinés indifféremment les uns avec les autres: - durée d'impulsion comprise entre 1 et 10 ns ; - longueur d'onde des impulsions supérieure à 1,1 lm, par exemple autour de 1, 55 i_tm 20 - diamètre du faisceau inférieur à 10 i_tm ; - taux de répétition compris entre 100 Hz et 5 kHz, par exemple autour de 1 kHz ; - vitesse de balayage du déplacement relatif du faisceau laser entre 0,01 et 0,5 mm/s, par exemple autour de 0,1 mm/s ; - Intensité lumineuse d'une impulsion laser dans le volume de focalisation supérieure à 25 4 GW/cm2, ce qui correspond à une énergie par impulsion supérieure à 0,5 µJ pour un diamètre du faisceau de 2,3 i_tm et une durée d'impulsion de 5 ns. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé comprend en outre une mesure de la partie imaginaire de l'indice de réfraction, permettant de vérifier que la valeur de la variation relative de la partie imaginaire de l'indice de réfraction reste inférieure à 101 en 30 valeur absolue. Selon un deuxième aspect, la présente description concerne des dispositifs pour la mise en oeuvre des procédés selon le premier aspect. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la présente description concerne un système pour la fonctionnalisation optique en profondeur d'un échantillon en matériau semi- 35 conducteur, comprenant : 3053155 8 - une source d'émission d'un faisceau laser formé d'impulsions de durées effectives comprises entre 1 ps et 100 ns, présentant une longueur d'onde dans la bande spectrale de transparence du matériau; - un objectif de microscope pour la focalisation en profondeur dans l'échantillon du 5 faisceau laser selon un motif prédéterminé, l'intensité lumineuse par impulsion dans un volume de focalisation du faisceau laser étant adaptée pour la génération d'une absorption multi-photonique dans le matériau semi-conducteur; - un dispositif de mesure de la partie réelle de l'indice de réfraction de l'échantillon en chaque point du motif ; 10 - une unité de contrôle du nombre d'impulsions reçues par point du motif, ou « nombre de tirs », en fonction de ladite mesure de la partie réelle de l'indice de réfraction de telle sorte à obtenir, en chaque point du motif, une modification progressive de la partie réelle de l'indice de réfraction du matériau jusqu'à une variation relative de la partie réelle de l'indice de réfraction supérieure à 101 en valeur absolue. 15 Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le système comprend en outre des moyens de déplacement relatifs du volume de focalisation et de l'échantillon pour la focalisation du faisceau laser selon le motif prédéterminé. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif de mesure est un microscope de phase. 20 Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif de mesure permet en outre une mesure de la partie imaginaire de l'indice de réfraction. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrés par les figures suivantes : 25 - FIG. 1, un schéma illustrant un exemple de système d'inscription laser pour la fonctionnalisation optique en profondeur dans un matériau semi-conducteur, selon la présente description; - FIG. 2, un schéma illustrant selon un exemple un premier sous-système d'un système d'inscription laser selon la présente description, pour la modification de la partie réelle 30 de l'indice de réfraction dans le matériau semi-conducteur; - FIG. 3, un schéma illustrant selon un exemple un deuxième sous-système d'un système d'inscription laser selon la présente description, pour la mesure de la partie réelle de l'indice de réfraction dans le matériau semi-conducteur; 3053155 9 - FIGS. 4A à 4C, des résultats expérimentaux montrant l'influence de l'énergie par impulsion pour différences vitesses de balayage du faisceau laser et FIG. 4D une courbe expérimentale illustrant la largeur d'un guide d'onde obtenu en fonction de l'énergie par impulsion; 5 - FIGS. 5A à 5J, des résultats expérimentaux montrant l'influence de la vitesse de balayage du faisceau laser ; - FIG. 6, des résultats expérimentaux montrant la variation de phase induite pour différentes vitesses de balayage du faisceau laser ; - FIG. 7A, un exemple de procédure expérimentale avec rétroaction sur le dispositif 10 permettant d'irradier le matériau jusqu'à obtenir une modification nécessaire et suffisante au guidage de la lumière, et FIG. 7B, des résultats expérimentaux montrant la variation d'indice induite à vitesse de balayage constante, et pour différents cycles d'augmentation de l'énergie par impulsion; - FIGS. 8A et 8B, des résultats expérimentaux montrant la propagation de la lumière 15 dans un guide d'onde élémentaire obtenu par un procédé selon la présente description, dans le silicium, la lumière étant injectée dans la direction du guide d'onde; - FIGS. 9A et 9B, des résultats expérimentaux montrant la propagation de la lumière dans un guide d'onde élémentaire obtenu par un procédé selon la présente description, dans le silicium, la lumière étant injectée avec un angle non-nul par rapport à la 20 direction du guide d'onde; - FIGS. 10A et 10B, des résultats expérimentaux montrant la propagation de la lumière dans des coupleurs en Y obtenus par un procédé selon la présente description, dans le silicium, pour différents angles du coupleur. DESCRIPTION DETAILLEE 25 La FIG 1 illustre un premier exemple d'un système d'inscription laser 100 pour la fonctionnalisation optique en profondeur dans un échantillon 10 en matériau semi-conducteur, selon la présente description. Le système d'inscription laser 100 comprend notamment une source d'émission 20 d'un faisceau laser 203 formé d'impulsions et un système de focalisation 40 pour la focalisation en 30 profondeur dans l'échantillon du faisceau laser (par exemple un objectif de microscope, une lentille convergente, un miroir parabolique, etc.). Le volume de focalisation ainsi formé peut être déplacé en profondeur dans l'échantillon selon un motif 101 grâce à des moyens de 3053155 10 déplacement relatifs 50 du faisceau laser et de l'échantillon. Dans l'exemple de la FIG. 1, les moyens de déplacement relatifs 50 comprennent une platine de déplacement de l'échantillon selon les 3 axes X, Y, Z. Chacune des translations peut cependant être remplacée par un dispositif optique adapté au déplacement du faisceau, par exemple une lentille dite « lentille f- 5 thêta ». Le système 100 comprend par ailleurs un dispositif de mesure 30 de la partie réelle de l'indice de réfraction dans l'échantillon et une unité de contrôle 60 du nombre d'impulsions reçues par point du motif, ou « nombre de tirs », en fonction de la mesure de la partie réelle de l'indice de réfraction. Plus précisément, dans l'exemple de la FIG. 1, la source d'émission 20 comprend une 10 source laser impulsionnelle 21 adaptée à émettre des premières impulsions 201 de longueur d'onde comprise dans la bande spectrale de transparence du matériau, un module 22 (optionnel) de mise en forme des impulsions délivrées par la source impulsionnelle 21 et un module 23 de contrôle de l'énergie. Le module 22 de mise en forme des impulsions comprend par exemple un dispositif 15 mécanique (par exemple un obturateur), électro-optique (par exemple une cellule de Pockels et un polariseur), ou acousto-optique pour « découper » une succession d'impulsions ultra-brèves en trains d'impulsions. Inversement, le module de mise en forme peut comprendre un dispositif optique permettant de transformer une impulsion unique femtoseconde en un train d'impulsions ultra-brèves, de durée effective supérieure à 1 ps. 20 Ainsi, la source laser impulsionnelle 21 peut comprendre tout type de laser impulsionnel à impulsions longues (> ps) (e.g. OPO, laser fibre, etc.), ou tout type de laser à impulsions courtes ( 1 MHz en "découpant" ensuite les impulsions émises, grâce au module de mise en forme 23, pour former des trains d'impulsions de durée supérieure à lps, ou tout type de laser à impulsions courtes ( 1 MHz (chaque train jouant alors le rôle d'une impulsion longue de durée > 1 ps). En sortie de la source d'émission 20, le faisceau laser 203 est ainsi formé d'impulsions de durées effectives comprises entre 1 ps et 100 ns, qu'il s'agisse d'impulsions uniques ou de trains d'impulsions ultra-brèves, la durée d'un train d'impulsions étant comprise entre 1 ps et 30 100 ns. Le module 23 de contrôle de l'énergie comprend par exemple la combinaison d'une lame demi-onde et d'un polariseur ou un jeu de filtres atténuateurs. Le motif 101 parcouru par le volume de focalisation du faisceau 203 est déterminé en fonction de la fonction optique que l'on cherche à réaliser dans l'échantillon. 3053155 11 Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le volume de focalisation du faisceau laser parcourt une ou plusieurs lignes simples et/ou avec des embranchements, permettant de former des « canaux » avec un changement d'indice positif ; les éléments optiques ainsi réalisés sont des guides d'onde simples ou de type coupleurs, permettant de réaliser une 5 circuiterie optique en 3D dans l'échantillon. Le changement d'indice positif résulte d'une modification structurelle de la matière (densification, amorphisation,...) ; par exemple, le silicium amorphe a une masse volumique plus faible que sa phase cristalline. On peut donc éventuellement changer sa cristallinité pour le densifier. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, une irradiation peut être répétée en un 10 point, le changement d'indice prend alors spontanément une forme biconvexe (la forme de la tache focale) et de ce fait forme un élément de type microlentille. Dans ce cas, on opère un déplacement relatif du faisceau laser et de l'échantillon seulement dans les cas où l'on cherche à former des microlentilles de dimensions supérieures à celles du volume de focalisation. 15 Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, une irradiation contrôlée du matériau peut être opérée pour former des "nanocracks" dans le matériau, de dimensions inférieures au dixième de la longueur d'onde. L'inclusion du "vide" permet alors d'avoir un changement d'indice négatif jusqu'à environ 10-2 sans perte ; par ailleurs, les « nanocracks » sont perpendiculaires à la polarisation, ce qui induit une biréfringence de forme permettant de faire 20 des lames d'onde. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, un réseau de diffraction peut être inscrit par inscription de guides d'ondes agencés parallèlement les uns à côté des autres, séparés d'un pas régulier préalablement défini. De manière générale une forme arbitraire peut être donnée au motif parcouru par le 25 faisceau laser, de telle sorte que tout micro-dispositif optique basé sur une distribution d'indice maitrisée dans le volume du matériau puisse être réalisé. Comme cela sera décrit plus en détails par la suite, le dispositif de mesure 30 de la partie réelle n de l'indice de réfraction de l'échantillon est relié à l'unité de contrôle 60. L'unité de contrôle 60 permet de contrôler le nombre d'impulsions reçu par point du motif en 30 fonction de la mesure de la partie réelle de l'indice de réfraction de telle sorte à obtenir, en chaque point du motif, une modification progressive de la partie réelle de l'indice de réfraction du matériau jusqu'à une variation relative An/n de la valeur de l'indice supérieure à 101. Ainsi, dans l'exemple de la FIG. 1, l'unité de contrôle est reliée à l'un et/ou l'autre des 35 modules 21 - 23 formant la source d'émission 20 pour le contrôle des paramètres laser (taux 3053155 12 de répétition, durée d'impulsion, longueur d'onde, géométrie du faisceau, énergie par impulsion, polarisation, forme spatiale du faisceau) et/ou aux moyens de déplacement relatifs 50 du faisceau laser et de l'échantillon (par exemple vitesse de balayage, nombre de passages sur un point donné du motif). 5 Notamment, le contrôle du type de polarisation (circulaire, linéaire, autre) peut être adapté en fonction de la fonction optique recherchée. De la même manière, le type de géométrie de faisceau (gaussien, Bessel, vortex, tophat, etc.) peut également être adapté en fonction de la fonction optique recherchée. La FIG. 2 illustre dans un exemple de réalisation un premier sous-système d'un système 10 d'inscription laser selon la présente description, qui permet la modification de la partie réelle de l'indice de réfraction dans le matériau semi-conducteur. Ainsi, le dispositif de mesure de la partie réelle de l'indice de réfraction n'est pas représenté sur la FIG. 2. Le premier sous-système comprend une source d'émission 20 d'un faisceau laser 203 formé d'impulsions ; dans cet exemple, la source d'émission 20 comprend une source laser 15 impulsionnelle 21 produisant des impulsions à une longueur d'onde donnée, par exemple à une longueur d'onde de 1550 nm pour la fonctionnalisation optique du silicium. Les impulsions sont par exemple des impulsions simples, de durée d'impulsion comprise entre 1 ps et 100 ns, avantageusement supérieure à 1 ns, émises avec un taux de répétition compris entre 100 Hz et 5 kHz. Dans l'exemple de la FIG. 2, la source d'émission 20 comprend un 20 module 23 de contrôle de l'énergie par impulsion, formé par exemple d'une lame demi-onde et d'un polariseur, l'énergie pouvant être contrôlée par la rotation de la lame demi-onde. Le faisceau est ensuite transporté par des miroirs 24, 25, les miroirs permettant une réflexion supérieure à 95% à la longueur d'onde d'émission de la source impulsionnelle 21, par exemple des miroirs en or. Le faisceau laser est focalisé dans l'échantillon 10 par un système 25 de focalisation 40, par exemple un objectif de microscope dont l'ouverture numérique définit la dimension du volume de focalisation. Dans l'exemple de la FIG. 2, des platines motorisées permettent le positionnement et le déplacement de l'échantillon dans le plan (X, Z) perpendiculaire à l'axe optique Y. Ainsi dans l'exemple de la FIG. 2, le procédé peut être mis en oeuvre en travaillant à 30 géométrie de faisceau fixe, durée d'impulsion et taux de répétition fixes. Les paramètres qui pourront être contrôlés pour obtenir la variation progressive de l'indice de réfraction seront l'énergie par impulsion, et la vitesse de balayage et le nombre de passage pour le contrôle du nombre de tirs. Bien entendu, des alternatives sont possibles. Notamment, on peut envisager de faire varier la géométrie du faisceau par l'utilisation de plusieurs objectifs, ou l'on peut 35 dans d'autres exemples faire varier la durée de l'impulsion et/ou le taux de répétition. 3053155 13 Par ailleurs, dans l'exemple de la FIG. 2, un microscope infrarouge en réflexion 70 est implémenté sur le dispositif afin de positionner l'échantillon et visualiser la zone irradiée. Il comprend une source démission 71, par exemple une diode électroluminescente (LED en anglais pour « Light-Emitting Diode »), produisant une lumière continue 701 à une longueur 5 d'onde appartenant à la bande spectrale de transparence du matériau mais différente de la longueur d'onde d'émission de la source impulsionnelle 21, par exemple une source à 1200 nm. La lumière incidente 701 passe tout d'abord par une lame semi-réfléchissante 73, par exemple une lame 50/50. Cette lumière est ensuite envoyée dans l'objectif de microscope 40 par un miroir dichroïque 26, transparent à la longueur d'onde d'émission de la source 21 et 10 réfléchissant à la longueur d'onde d'émission de la source 71. La lumière est ainsi focalisée puis réfléchie sur l'échantillon 10. Après réflexion, la lumière suit le chemin inverse 702, et passe à nouveau par la lame semi-réfléchissante 73. La lumière transmise est enfin collectée par une caméra 72 qui permet de visualiser la zone de focalisation. La FIG. 3 représente un schéma illustrant un exemple de microscope de phase 300 pour 15 la mesure de la partie réelle de l'indice de réfraction dans le matériau semi-conducteur. Le microscope de phase 300 comprend une source d'illumination 301, par exemple un laser impulsionnel adapté pour l'émission d'impulsions ultra-brèves ( 101 contrôlé 25 avec une résolution micrométrique en 3D à l'intérieur du silicium et autres semi-conducteurs. Bien que décrits à travers un certain nombre d'exemples de réalisation détaillés, les procédés et systèmes de fonctionnalisation optique en profondeur d'un échantillon en matériau semi-conducteur comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que 30 ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention, telle que définie par les revendications qui suivent. REVENDICATIONS1. Procédé de fonctionnalisation optique en profondeur d'un échantillon (10) en matériau semi-conducteur, comprenant : - l'émission d'un faisceau laser formé d'impulsions de durées effectives comprises entre 1 ps et 100 ns, présentant une longueur d'onde dans la bande spectrale de transparence du matériau; - la focalisation en profondeur dans l'échantillon du faisceau laser, selon un motif prédéterminé, l'intensité lumineuse par impulsion dans un volume de focalisation du faisceau laser étant adaptée à la génération d'une absorption multi-photonique; - la mesure de la partie réelle de l'indice de réfraction de l'échantillon en chaque point du motif ; - le contrôle du nombre d'impulsions reçues par point du motif en fonction de ladite mesure de la partie réelle de l'indice de réfraction de telle sorte à obtenir, en chaque point du motif, une modification progressive de la partie réelle de l'indice de réfraction du matériau jusqu'à une variation relative de la partie réelle de l'indice de réfraction supérieure à 101 en valeur absolue. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les impulsions sont émises avec un taux de répétition donné, inférieur à 100 kHz. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre le déplacement relatif du faisceau laser et de l'échantillon, le long dudit motif, à une vitesse de balayage donnée. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le contrôle du nombre d'impulsions reçues par point du motif comprend le contrôle d'un taux de répétition des impulsions et/ou le contrôle d'une vitesse de balayage du faisceau laser dans l'échantillon et/ou le contrôle d'une dimension du volume de focalisation. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre le contrôle de l'intensité lumineuse par impulsion dans le volume de focalisation pour obtenir la modification progressive de la partie réelle de l'indice réfraction du matériau. 3053155 20 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le contrôle du nombre d'impulsions comprend : une première étape de contrôle du nombre d'impulsions reçues par point du motif pour atteindre une première variation relative de la partie réelle de l'indice de 5 réfraction; au moins une deuxième étape de contrôle du nombre d'impulsions reçues par point du motif pour atteindre une deuxième variation relative de la partie réelle de l'indice de réfraction; une itération de ladite deuxième étape jusqu'à l'obtention variation relative de 10 la partie réelle de l'indice de réfraction supérieure ou égale à une valeur prédéterminée. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la première et la deuxième variation relative de la partie réelle de l'indice de réfraction correspondent à la plus petite variation mesurable de la partie réelle de l'indice de réfraction. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, comprenant une 15 augmentation progressive de l'intensité lumineuse par impulsion dans le volume de focalisation, à partir d'une valeur minimale prédéterminée, au cours de chaque étape. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, comprenant une augmentation de l'intensité lumineuse par impulsion dans le volume de focalisation, à partir d'une valeur minimale prédéterminée, lors du passage d'une étape à une étape 20 ultérieure. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une phase préalable d'étalonnage. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chacune des impulsions est formée d'un train d'impulsions ultra-brèves de durée 25 inférieure à 1 ps. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le motif est déterminée pour la formation d'au moins l'un des éléments optiques suivants : guide d'ondes, microlentille, réseau de diffraction, lame séparatrices, filtre optiques, lame d' onde. 3053155 21 13. Système (100) pour la fonctionnalisation optique en profondeur d'un échantillon (10) en matériau semi-conducteur, comprenant : - une source d'émission (20) d'un faisceau laser formé d'impulsions de durées effectives comprises entre 1 ps et 100 ns, présentant une longueur d'onde dans la 5 bande spectrale de transparence du matériau; - un objectif de microscope (40) pour la focalisation en profondeur dans l'échantillon du faisceau laser selon un motif prédéterminé, l'intensité lumineuse par impulsion dans un volume de focalisation du faisceau laser étant adaptée pour la génération d'une absorption multi-photonique dans le matériau semi-conducteur; 10 - un dispositif de mesure (30) de la partie réelle de l'indice de réfraction de l'échantillon en chaque point du motif ; - une unité de contrôle (60) du nombre d'impulsions reçues par point du motif en fonction de ladite mesure de la partie réelle de l'indice de réfraction de telle sorte à obtenir, en chaque point du motif, une modification progressive de la partie réelle de 15 l'indice de réfraction du matériau jusqu'à une variation relative de la partie réelle de l'indice de réfraction supérieure à 101 en valeur absolue. 14. Système selon la revendication 13, comprenant en outre des moyens de déplacement relatifs (50) du volume de focalisation et de l'échantillon pour la focalisation du faisceau laser selon le motif prédéterminé. 20 15. Système selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14, dans lequel le dispositif de mesure (30) est un microscope de phase.