Brevet FR3052562A1 — publié le 20171215

DISPOSITIF OPTIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un procédé de fabrication d'un filtre pour guide d'onde. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé destiné à modifier le coefficient de transmission d'un rayonnement quasi monochromatique par un guide d'onde. L'invention concerne également un dispositif optique comprenant un guide d'onde et une lame filtre destinée à modifier le coefficient de transmission dudit guide d'onde. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Un guide d'onde 1, connu de l'état de la technique, et illustré à la figure 1, comprend un coeur 2, d'indice de réfraction nc, intercalé entre deux couches gaines 3 et 4 d'indice de réfraction ng inférieur à nc. En fonctionnement, le guide d'onde 1 guide un rayonnement lumineux, de longueur d'onde centrale quasi monochromatique X, selon une première direction A et au travers d'une facette de sortie 5 du guide d'onde 1. Cependant le passage du rayonnement lumineux au travers de la facette de sortie 5 vers l'environnement extérieur (dans le cas présent l'air) n'est que partiel (la quantité de rayonnement lumineux effectivement transmis vers l'environnement extérieur est caractérisée par un coefficient de transmission T), et ledit rayonnement lumineux est en partie réfléchi par la facette de sortie 5. Cette réflexion du rayonnement lumineux sur la facette de sortie 5 du guide d'onde 1 est imposée par la différence entre l'indice de réfraction effectif du mode (noté neff) se propageant dans le guide d'onde 1 et l'indice de réfraction de l'environnement extérieur. (A cet égard, l'homme du métier trouvera une description détaillée du concept « d'indice de réfraction effectif du mode » dans le document [1]). Autrement dit, le coefficient de transmission T du guide d'onde est imposé 3052562 2 par la différence entre l'indice de réfraction effectif du mode et l'indice de réfraction de l'environnement extérieur. Ce phénomène de réflexion sur la facette de sortie 5 est dans de nombreux cas de figure qualifié de réflexion parasite, et par conséquent non contrôlé. 5 Aussi, il est des circonstances pour lesquelles ce phénomène peut être la source de pertes du signal optique, générant ainsi une dégradation des performances des dispositifs optiques comprenant de tels guides d'ondes, et plus particulièrement les dispositifs à circuits photoniques intégrés. Le document [2] propose donc une méthode permettant de contrôler le 10 coefficient de transmission du guide d'onde par formation d'une couche filtre 6 sur la facette de sortie 5. Plus particulièrement, l'objectif technique visé dans le document [2], est de réduire le phénomène de réflexion indésirable. Selon le document [2], la couche filtre 6 comprend au moins un matériau diélectrique ou semi-conducteur (dit « matériau filtre »), et présente un indice de réfraction nfiltre et une épaisseur Efiltre, dite « épaisseur 15 quart d'onde », définie par les relations suivantes (1) et (2) : nfiltre .'inef f no (1) Efiltre = (2) 4Vneffno Dans les relations (1) et (2), X est la longueur d'onde du rayonnement lumineux, neff l'indice de réfraction effectif du mode, et no l'indice de réfraction de 2 0 l'environnement extérieur (par exemple l'indice de réfraction de l'air). Cette solution permet, en théorie, d'adapter le coefficient de transmission du guide d'onde 1. Plus particulièrement, dès lors qu'elle vérifie les relations (1) et (2), la couche filtre 6 constitue un filtre antireflet, et permet de réduire les réflexions indésirables au niveau de la facette de sortie 5 et d'augmenter la transmission T. 25 Un matériau filtre à base de nitrure de silicium est généralement utilisé dès lors que le guide d'onde est à base de semi-conducteur. En effet, le nitrure de silicium présente un indice de réfraction proche de 2. Par ailleurs le nitrure de silicium est relativement transparent dans le visible et le proche infrarouge (à savoir pour des longueurs d'ondes comprises entre 0.3 et 7 um). 3052562 3 Bien que le document [2] n'adresse que les problèmes associés aux réflexions parasites, il s'inscrit dans une problématique plus large qui est celle du contrôle et/ou de la modification du coefficient de transmission T d'un guide d'onde 1. Cependant, cette méthode proposée dans le document [2] n'est pas 5 satisfaisante. En effet, cette méthode impose de trouver un matériau filtre présentant un indice de réfraction vérifiant la relation (1), par exemple, à la longueur d'onde du rayonnement lumineux. Par ailleurs, les matériaux filtres peuvent présenter un coefficient 10 d'absorption non nul à la longueur d'onde du rayonnement lumineux guidé par le guide d'onde. Notamment dans les gammes de longueurs d'onde de l'infra-rouge moyen (entre 3 et 8 um), et de l'infra-rouge lointain (entre 8 et 14 um), les matériaux filtres susceptibles de présenter un indice de réfraction vérifiant la relation (1) sont généralement très absorbants. En effet, la partie imaginaire de l'indice de réfraction (la partie imaginaire de 15 l'indice de réfraction est proportionnelle au coefficient d'absorption) du nitrure de silicium est supérieure à 1 dans l'infra-rouge moyen et lointain. Par conséquent, dès lors qu'un guide d'onde 1 doit être utilisé dans l'infra-rouge moyen ou l'infra-rouge lointain, le filtre proposé dans le document [2] devient trop absorbant, et est donc inutilisable. En outre, cette méthode est basée sur une technique de formation de 2 0 couches minces de matériaux diélectriques et/ou semi-conducteurs sur des flancs du guide d'onde ou du dispositif optique. Or, lesdits flancs constituent des surfaces chimiquement hétérogènes (du fait de la présence du coeur et de la gaine du guide d'onde), et rendent donc la formation de couches minces difficilement contrôlable en termes d'épaisseur et d'homogénéité chimique. 25 Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif optique comprenant un guide d'onde pourvu d'un filtre dont l'indice de réfraction n'est pas imposé par l'indice de réfraction effectif du mode guidé par ledit guide d'onde. Un autre but de l'invention est également de proposer un dispositif optique comprenant un guide d'onde pourvu d'un filtre présentant une meilleure homogénéité chimique. 3052562 4 Un autre but de l'invention est également de proposer un dispositif optique comprenant un guide d'onde pourvu d'un filtre également compatible avec des applications dans les gammes de l'infra-rouge moyen et de l'infra-rouge lointain. EXPOSÉ DE L'INVENTION 5 Les buts de l'invention sont au moins en partie atteints par un dispositif optique comprenant : - un guide d'onde (10), comprenant un coeur (20) d'indice de réfraction nc, destiné à guider un rayonnement lumineux quasi monochromatique, d'une longueur d'onde centrale X, selon une première direction A et à transmettre ledit rayonnement au 10 travers d'une facette de sortie (50) du guide d'onde (10) vers l'environnement extérieur selon un coefficient de transmission T, la facette de sortie (50) étant essentiellement perpendiculaire à la première direction A, - une lame filtre (60), avantageusement une lame d'air, disposée dans le guide d'onde (10), parallèlement à la facette de sortie (50) et à une première distance 15 non nulle esiab de ladite facette de sortie (50), la lame filtre (60) présentant, selon la première direction A, une première épaisseur esht, la première distance esiab et la première épaisseur esht étant adaptées pour que le coefficient de transmission T du guide d'onde (10) soit égal à un premier coefficient de transmission T1 à la longueur d'onde centrale X. Ainsi, le dispositif selon l'invention permet de simplifier la fabrication de 20 la lame filtre au regard de l'art antérieur. En effet, le dispositif selon l'invention ne nécessite pas un dépôt de couche mince. Par conséquent, le problème d'inhomogénéité d'épaisseur ou de composition chimique des couches minces ne sont plus rencontrés dans le cadre de la présente invention. Par ailleurs, la lame filtre peut être faite d'air ou de vide et peut convenir 25 pour conférer au guide d'onde, en fonction des grandeurs esht et esiab, toute la plage de coefficient de transmission T compris entre 100 % et des valeurs proches de 0 % (par exemple 1 %). Autrement dit pour chaque valeur de coefficient de transmission T compris entre 100 % et des valeurs proches de 0 %, il existe un couple de valeurs esht et esaib associé 3052562 5 à la lame filtre. Le problème de trouver un matériau avec un indice de réfraction particulier pour une application à une longueur d'onde donnée ne se pose plus. En outre, l'utilisation d'une lame filtre faite d'air ou de vide ouvre la voie à des applications dans l'infrarouge moyen et l'infrarouge lointain. 5 Selon un mode de réalisation, le guide d'onde est un guide d'onde planaire dont le coeur est une couche intercalée entre deux couches gaines comprenant, chacune, un matériau gaine d'indice de réfraction ng inférieur à nc. Selon un mode de réalisation, le coeur comprend une première section transversale Sc,. selon un plan orthogonal à la première direction A, la lame filtre étant, 10 essentiellement, parallèle à la première section transversale Sci, et couvrant au moins ladite première section transversale Sci, avantageusement la lame filtre s'étend également dans les deux couches gaines. Selon un mode de réalisation, le coeur s'étend sur une longueur L parallèle à la première direction A, et présente une seconde section transversale Sc2 de forme 15 rectangulaire, le coeur étant entouré d'un matériau gaine d'indice de réfraction ng inférieur à nc. Selon un mode de réalisation, la lame filtre est, essentiellement, parallèle à la seconde section transversale Sc2, et couvre au moins ladite seconde section transversale Sc2, avantageusement la lame filtre s'étend également dans le matériau gaine. 20 Selon un mode de réalisation, le guide d'onde est monomode Selon un mode de réalisation, le guide d'onde est un laser. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif optique comprenant les étapes : - la formation d'un guide d'onde, le guide d'onde comprenant un coeur 25 d'indice de réfraction nc, destiné à guider un rayonnement lumineux quasi monochromatique, d'une longueur d'onde centrale X, selon une première direction A et à transmettre ledit rayonnement au travers d'une facette de sortie du guide d'onde vers l'environnement extérieur selon un coefficient de transmission T, la facette de sortie étant essentiellement perpendiculaire à la première direction A, 3052562 6 - la formation d'une lame filtre, avantageusement une lame d'air, dans le guide d'onde, parallèlement à la facette de sortie et à une première distance eslab non nulle de ladite facette de sortie, la lame filtre présentant, selon la première direction A, une première épaisseur esht, la première distance esiab et la première épaisseur esht étant 5 adaptées pour que le coefficient de transmission T du guide d'onde soit égal à un premier coefficient de transmission T1 à la longueur d'onde centrale X. Ainsi, le procédé selon l'invention permet de simplifier la fabrication de la lame filtre au regard de l'art antérieur. En effet, le procédé selon l'invention ne nécessite pas un dépôt de couche mince. Par conséquent, le problème d'inhomogénéité d'épaisseur 10 ou de composition chimique des couches minces ne sont plus rencontrés dans le cadre de la présente invention. Par ailleurs, la lame filtre peut être faite d'air ou de vide et peut convenir pour conférer au guide d'onde, en fonction des grandeurs esht et esiab, toute la plage de coefficient de transmission T compris entre 100 % et des valeurs proches de 0 % (par 15 exemple 1 %). Autrement dit pour chaque valeur de coefficient de transmission T compris entre 100 % des valeurs proches de 0 %, il existe un couple de valeurs esht et esaib associé à la lame filtre. Le problème de trouver un matériau avec un indice de réfraction particulier pour une application à une longueur d'onde donnée ne se pose plus. En outre, l'utilisation d'une lame filtre faite d'air ou de vide ouvre la voie 20 à des applications dans l'infrarouge moyen et l'infrarouge lointain. Selon un mode de réalisation, la formation de la lame filtre est précédée d'une étape de sélection du premier coefficient de transmission T1 parmi un premier ensemble de valeurs de coefficients de transmission T, le premier ensemble de valeurs de coefficients de transmission T étant déterminé selon un ensemble de valeurs de premières 25 épaisseurs esht de la lame filtre et un ensemble de première distances esiab de la lame filtre par rapport à la facette de sortie, le premier ensemble de valeurs de coefficients de transmission T étant avantageusement déterminé par un calcul. Selon un mode de réalisation, le coeur comprend une première section transversale Sc selon un plan orthogonal à la première direction A, la lame filtre étant, 3052562 7 essentiellement, parallèle à la section transversale Sc, et couvrant au moins ladite section transversale Sc. Selon un mode de réalisation, le premier coefficient de transmission T1 est supérieur à un coefficient de transmission Td du guide d'onde dépourvu de lame filtre. 5 Selon un mode de réalisation, le premier coefficient de transmission T1 est supérieur à 80 %, de préférence supérieur à 90 %. Selon un mode de réalisation, le guide d'onde est un guide d'onde planaire dont le coeur est une couche intercalée entre deux couches gaines comprenant, chacune, un matériau gaine d'indice de réfraction ng inférieur à nc. 10 Selon un mode de réalisation, le coeur comprend une première section transversale Sc1 selon un plan orthogonal à la première direction A, la lame filtre étant, essentiellement, parallèle à la première section transversale Sc', et couvrant au moins ladite première section transversale Sc', avantageusement la lame filtre s'étend également dans les deux couches gaines. 15 Selon un mode de réalisation, avant la formation de la lame filtre, le coeur s'étend sur une longueur L parallèle à la première direction A, et présente une seconde section transversale Sc2 de forme rectangulaire, le coeur étant entouré d'un matériau gaine d'indice de réfraction ng inférieur à nc. Selon un mode de réalisation, la lame filtre est, essentiellement, parallèle 20 à la seconde section transversale Sc2, et couvre au moins ladite seconde section transversale Sc2, avantageusement la lame filtre s'étend également dans le matériau gaine. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels: 25 - la figure 1 est un schéma représentatif en perspective d'un guide d'onde pourvu d'un filtre antireflet connu de l'état de la technique, - la figure 2 est un schéma représentatif en perspective d'un guide d'onde planaire, comprenant une couche coeur intercalée entre deux couches gaines et connu de l'état de la technique, 3052562 8 - la figure 3 est un schéma représentatif en perspective d'un guide d'onde canal, comprenant un coeur (en forme de canal) et entouré d'un matériau gaine et connu de l'état de la technique, - la figure 4 est un schéma représentatif en perspective d'un guide 5 d'onde canal, mettant en oeuvre une lame filtre selon la présente invention, la lame filtre est disposée dans le guide d'onde, sur le trajet d'un rayonnement susceptible d'être guidé par ledit guide d'onde, - les figures 5a et 5b représentent une cartographie du coefficient de transmission d'un guide d'onde pourvu d'une lame filtre, pour une longueur d'onde X, 10 selon l'invention, la cartographie étant calculée selon la méthode numérique (« Finite Difference Time Domain Method » ou « FDTD » (figure 5a) et selon le modèle analytique (figure 5b), les nuances de gris indiquent l'amplitude du coefficient de transmission du guide d'onde en fonction de l'épaisseur esht (représentée sur l'axe vertical) de la lame filtre et de la distance esiab (représentée sur l'axe horizontal) entre ladite lame et la facette de 15 sortie du guide d'onde, - les figures 6, 7 et 8 représentent chacune une cartographie du coefficient de transmission d'un guide d'onde pourvu d'une lame filtre, pour une longueur d'onde X, selon un mode de réalisation de l'invention, les nuances de gris indiquent l'amplitude du coefficient de transmission du guide d'onde en fonction de l'épaisseur esht 20 (représentée sur l'axe vertical) de la lame filtre et de la distance esiab (représentée sur l'axe horizontal) entre ladite lame et la facette de sortie du guide d'onde. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention décrite de manière détaillée ci-dessous met en oeuvre la formation d'un filtre comprenant une lame filtre dans un guide d'onde. La lame filtre est 25 disposée sur le trajet d'un rayonnement lumineux guidé par le guide d'onde, et est destinée à modifier le coefficient de transmission du guide d'onde. A cet égard, il apparaîtra plus clairement dans la description que tant l'épaisseur de la lame filtre que sa disposition dans le guide d'onde permettent d'ajuster le coefficient de transmission du guide pour un rayonnement d'une longueur donnée. 3052562 9 Pour les différents modes de mise en oeuvre, les mêmes références seront utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction, par souci de simplification de la description. Sur les figures 4 à 8, on peut voir des exemples de mise en oeuvre d'un 5 procédé de fabrication d'un filtre pour un guide d'onde. Le procédé de fabrication d'un filtre pour un guide d'onde 10 comprend une première étape de fourniture d'un guide d'onde 10. Le guide d'onde 10 peut être un guide d'onde 10 planaire (« Planar waveguide » selon la terminologie Anglo-Saxonne) ou un guide d'onde 10 canal (« Ridge 10 waveguide » selon la terminologie Anglo-Saxonne). Le guide d'onde 10, planaire ou canal, est destiné à guider un rayonnement lumineux quasi monochromatique, d'une longueur d'onde centrale X, selon une première direction A. Nous notons que la première direction A n'est pas nécessairement rectiligne. 15 Par rayonnement lumineux quasi monochromatique, nous entendons un rayonnement lumineux comprenant une bande spectrale d'étendue 4X REVENDICATIONS1. Dispositif optique comprenant : - un guide d'onde (10), comprenant un coeur (20) d'indice de réfraction nc, destiné à guider un rayonnement lumineux quasi monochromatique, d'une longueur d'onde centrale X, selon une première direction A et à transmettre ledit rayonnement au travers d'une facette de sortie (50) du guide d'onde (10) vers l'environnement extérieur selon un coefficient de transmission T, la facette de sortie (50) étant essentiellement perpendiculaire à la première direction A, - une lame filtre (60), avantageusement une lame d'air, disposée dans le guide d'onde (10), parallèlement à la facette de sortie (50) et à une première distance non nulle esiab de ladite facette de sortie (50), la lame filtre (60) présentant, selon la première direction A, une première épaisseur esht, la première distance esiab et la première épaisseur esht étant adaptées pour que le coefficient de transmission T du guide d'onde (10) soit égal à un premier coefficient de transmission T1 à la longueur d'onde centrale X. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le guide d'onde (10) est un guide d'onde planaire dont le coeur (20) est une couche intercalée entre deux couches gaines (30 et 40) comprenant, chacune, un matériau gaine d'indice de réfraction ng inférieur à nc. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le coeur (20) comprend une première section transversale Sc,. selon un plan orthogonal à la première direction A, la lame filtre (60) étant, essentiellement, parallèle à la première section transversale Sn, et couvrant au moins ladite première section transversale Sn, la lame filtre (60) s'étendant avantageusement également dans les deux couches gaines (30 et 40). 4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le coeur (20) s'étend sur une longueur L parallèle à la première direction A, et présente une seconde section 3052562 22 transversale Sc2 de forme rectangulaire, le coeur (20) étant entouré d'un matériau gaine d'indice de réfraction ng inférieur à nc. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la lame filtre (60) est, 5 essentiellement, parallèle à la seconde section transversale Sc2, et couvre au moins ladite seconde section transversale Sc2, la lame filtre (60) s'étendant avantageusement également dans le matériau gaine. 6. Dispositif selon l'une de revendications 1 à 5, dans lequel le guide 10 d'onde (10) est monomode. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le guide d'onde (10) est un guide laser. 15 8. Procédé de fabrication d'un dispositif optique comprenant les étapes : - la formation d'un guide d'onde (10), le guide d'onde (10) comprenant un coeur (20) d'indice de réfraction nc, destiné à guider un rayonnement lumineux quasi monochromatique, d'une longueur d'onde centrale X, selon une première direction A et à 2 0 transmettre ledit rayonnement au travers d'une facette de sortie (50) du guide d'onde (10) vers l'environnement extérieur selon un coefficient de transmission T, la facette de sortie (50) étant essentiellement perpendiculaire à la première direction A, - la formation d'une lame filtre (60), avantageusement une lame d'air, dans le guide d'onde (10), parallèlement à la facette de sortie (50) et à une première 25 distance esiab non nulle de ladite facette de sortie (50), la lame filtre (60) présentant, selon la première direction A, une première épaisseur esht, la première distance esiab et la première épaisseur esht étant adaptées pour que le coefficient de transmission T du guide d'onde (10) soit égal à un premier coefficient de transmission T1 à la longueur d'onde centrale X. 30 3052562 23 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la formation de la lame filtre (60) est précédée d'une étape de sélection du coefficient de transmission T1 parmi un premier ensemble de valeurs de coefficients de transmission T, le premier ensemble de valeurs de coefficients de transmission T étant déterminé selon un ensemble 5 de valeurs de premières épaisseurs esht de la lame filtre (60) et un ensemble de premières distances esiab de la lame filtre (60) par rapport à la facette de sortie (50), le premier ensemble de valeurs de coefficients de transmission T étant avantageusement déterminé par un calcul. 10 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel la formation de la lame filtre (60) comprend une étape de gravure du guide d'onde (10), cette étape de gravure comprenant avantageusement une gravure sèche. 11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, dans lequel le 15 premier coefficient de transmission T1 est supérieur à un coefficient de transmission Td du guide d'onde (10) dépourvu de lame filtre (60). 12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, dans lequel, le premier coefficient de transmission T1 est supérieur à 80 %, de préférence supérieur 2 0 à 90 %. 13. Procédé selon l'une des revendications 8 à 12, dans lequel le guide d'onde (10) est un guide d'onde planaire dont le coeur (20) est une couche intercalée entre deux couches gaines (30 et 40) comprenant, chacune, un matériau gaine d'indice de 25 réfraction ng inférieur à nc. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel le coeur (20) comprend une première section transversale Sci selon un plan orthogonal à la première direction A, la lame filtre (60) étant formée, essentiellement, parallèlement à la première 30 section transversale Sn, et couvrant au moins ladite première section transversale Sn, la 3052562 24 lame filtre (60) s'étendant avantageusement également dans les deux couches gaines (30 et 40). 15. Procédé selon l'une des revendications 8 à 12, dans lequel, avant la 5 formation de la lame filtre, le coeur (20) s'étend sur une longueur L parallèle à la première direction A, et présente une seconde section transversale Sc2 de forme rectangulaire, le coeur (20) étant entouré d'un matériau gaine d'indice de réfraction ng inférieur à nc. 16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel la lame filtre (60) est, 10 essentiellement, parallèle à la seconde section transversale Sc2, et couvre au moins ladite seconde section transversale Sc2, la lame filtre s'étendant avantageusement également dans le matériau gaine.