Brevet FR3124001A1 — publié le 20221216

Titre : Composant optique intégré présentant un faisceau de lumière élargi L’invention porte sur un composant optique intégré caractérisé en ce qu’il comprend un pavé transparent disposé sur la face supérieure du composant optique de base, le pavé transparent comprenant un miroir plan au niveau de sa face supérieure, et le composant optique de base comprenant un miroir convergent au niveau de sa face supérieure, lesdits miroirs plan et convergent étant agencés de sorte que le faisceau lumineux se propage entre le port de lumière interne et le port de lumière externe en traversant le pavé transparent par réflexion sur le miroir plan et par réflexion sur le miroir convergent. Figure pour l’abrégé : Fig.1 Composant optique intégré présentant un faisceau de lumière élargi Le domaine de l'invention est celui de la photonique intégrée sur puce. L'invention concerne plus particulièrement le couplage optique d'une puce photonique avec un dispositif extérieur, par exemple avec une autre puce photonique, une fibre optique ou un ensemble de fibres optiques. ETAT DE LA TECHNIQUE Les composants d’optique intégrée, en particulier les composants de la photonique sur silicium, peuvent combiner de nombreuses fonctions sur une même puce, également appelée PIC, de l’acronyme anglais signifiant « photonic integrated circuit ». Dans ces composants, la lumière est conduite dans des guides optiques de petite taille, d’une largeur typiquement inférieure au micromètre, entre des blocs fonctionnels densément répartis au sein du PIC. Ces composants optiques intégrés sont destinés à communiquer avec des systèmes extérieurs en échangeant de la lumière par couplage optique. Un enjeu lié au couplage optique est de limiter les pertes optiques. Le couplage est particulièrement délicat dans le cas des faisceaux optiques monomodes, destinés par exemple à être couplés dans des fibres optiques, en raison du faible diamètre des faisceaux de lumière mis en jeu. En photonique sur silicium, la lumière transportée dans le plan du PIC peut être dirigée hors du plan par des éléments fonctionnels dédiés, comme par exemple des réseaux de diffraction, et couplée à une fibre monomode clivée ou polie faisant un angle avec la verticale, typiquement d'environ 8°. Les faisceaux lumineux monomodes issus de ces composants optiques présentent généralement un diamètre proche de la dizaine de micromètres. Le couplage direct avec une fibre optique monomode est possible, mais il est cependant délicat car il faut positionner la fibre optique avec une précision inférieure à ±2 µm pour avoir un taux de couplage suffisant et limiter les pertes optiques. Cette précision de placement est délicate à atteindre et nécessite d’utiliser des machines dédiées, coûteuses et lentes. Pour faciliter le couplage et augmenter la tolérance du positionnement, une solution consiste à élargir le diamètre du faisceau de lumière sortant du composant optique intégré jusqu’à plusieurs dizaines de microns. Par exemple, un faisceau lumineux présentant un diamètre de 50 µm permet d’augmenter la tolérance de positionnement à ±10 µm. Les contraintes d’alignement et de positionnement sont relâchées et il n’est plus nécessaire d’utiliser des machines de haute précision. L’assemblage peut dès lors être réalisé par des machines moins coûteuses et plus rapides. Le document FR3066617 A1 divulgue une solution permettant d’épanouir le faisceau en bénéficiant de l’épaisseur du substrat sur lequel le composant optique intégré est fabriqué. Le substrat est de type SOI, de l’acronyme anglais signifiant « Silicon On Insulator », et comprend une couche de silice enterrée dite BOX (acronyme anglais signifiant « Burried Oxide »). Un miroir en face arrière du substrat permet de réfléchir le faisceau lumineux en direction de la face avant où est prévu le couplage avec un connecteur optique. La diffraction naturelle du faisceau entraîne un élargissement du faisceau au fur et à mesure que celui-ci se propage au travers du substrat. La longueur du trajet du faisceau dans le substrat détermine ainsi la taille du faisceau obtenu en face avant. Le diamètre du faisceau en face avant est ainsi significativement augmenté. En pratique, cette solution présente pour inconvénient d’être complexe à fabriquer, ce qui induit un coût relativement élevé. Il existe un besoin consistant à optimiser un tel composant optique intégré. Un objectif de la présente invention est de répondre à ce besoin et de proposer un composant optique intégré qui pallie au moins en partie certains des inconvénients précédemment cités. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. En particulier, certaines caractéristiques et certains avantages du composant optique intégré peuvent s’appliquer mutatis m u tandis au système optique et/ou au procédé de fabrication de ce composant, et réciproquement. RESUME Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit un composant optique intégré configuré pour assurer une propagation d’un faisceau lumineux entre un premier port de lumière dit interne et un deuxième port de lumière dit externe. Le faisceau lumineux présente typiquement un axe optique, une première surface coupée prise transversalement à l’axe optique au niveau du premier port de lumière, et une deuxième surface coupée prise transversalement à l’axe optique au niveau du deuxième port de lumière, telles que la taille de la deuxième surface coupée est strictement supérieure, et de préférence au moins trois fois supérieure, à la taille de la première surface coupée. Ce composant optique intégré comprend un composant optique de base comprenant ledit port de lumière interne. Le composant optique de base présente une première face dite face inférieure et une deuxième face dite face supérieure, opposée à la face inférieure. Le port de lumière interne est configuré pour émettre ou recevoir le faisceau lumineux respectivement de façon divergente ou convergente, selon un trajet passant au travers de la face supérieure. Avantageusement, le composant optique intégré comprend en outre une couche transparente disposée sur la face supérieure du composant optique de base. Cette couche transparente présente une troisième face en regard de et parallèle à la face supérieure du composant optique de base. La couche transparente comprend le port de lumière externe au niveau de ladite troisième face. Avantageusement, la couche transparente comprend également un miroir plan situé sur ou au niveau de la troisième face et tourné en regard de la face supérieure du composant optique de base. Le composant optique de base comprend un miroir convergent, par exemple situé sur ou au niveau de la face supérieure, tourné en regard de ladite troisième face de la couche transparente. De façon avantageuse, les miroirs plan et convergent sont agencés de sorte que le faisceau lumineux se propage entre le port de lumière interne et le port de lumière externe en traversant la couche transparente par réflexion sur le miroir plan et par réflexion sur le miroir convergent. Ainsi, dans le cas où le port de lumière interne émet un faisceau lumineux divergent, ce faisceau lumineux se propage dans le composant optique de base en direction de la face supérieure, puis dans la couche transparente. Il est ensuite réfléchi par le miroir plan en direction du miroir convergent, puis à nouveau réfléchi par le miroir convergent en direction du port de lumière externe. Le faisceau lumineux s’élargit notamment au sein de la couche transparente lors de son trajet entre le port interne et le miroir plan, puis entre le miroir plan et le miroir convergent. Le miroir convergent peut typiquement agir ensuite comme collimateur pour former un faisceau de lumière parallèle Cela permet d’épanouir le faisceau lumineux de sorte qu’il présente une taille augmentée au niveau du port de lumière externe. Dans le cas d’un faisceau de section circulaire, cela signifie que le diamètre au niveau du port externe est significativement supérieur à son diamètre initial au niveau du port de lumière interne. Le faisceau lumineux est ainsi avantageusement élargi lors de son passage dans la couche transparente. Dans la suite, cette couche transparente est également dénommée « pavé transparent ». Le composant optique intégré fonctionne également dans le cas où le port de lumière interne est configuré pour recevoir un faisceau lumineux convergent. Selon le principe de retour inverse de la lumière, un faisceau de lumière, de préférence un faisceau parallèle, incident au niveau du port de lumière externe, se propage en direction du miroir convergent, puis est réfléchi vers le miroir plan en un faisceau convergent, puis est réfléchi par le miroir plan en direction du port de lumière interne. Le faisceau parcourant ce trajet se trouve rétréci de sorte qu’il présente un diamètre minimal au niveau du port de lumière interne, significativement inférieur à son diamètre initial au niveau du port de lumière externe. Dans le cadre du développement de la présente invention, il est apparu que la solution proposée dans le document FR3066617 A1 implique que le faisceau lumineux doit traverser à plusieurs reprises la ou les interfaces entre la silice et le silicium. Le fort contraste d’indice de réfraction entre ces matériaux a pour conséquence qu’une partie non négligeable de la lumière, environ 15%, est réfléchie et donc perdue. L’introduction d’une couche antireflet au niveau des interfaces pourrait améliorer cette solution. Cependant, pour des raisons technologiques, il apparaît délicat et coûteux de placer une telle couche antireflet au niveau des interfaces entre la silice et le silicium dans l’architecture de composant optique intégré proposée par ce document FR3066617 A1. Un autre inconvénient de cette solution connue, qui a été identifié dans le cadre du développement de la présente invention, est lié à la réalisation d’un miroir en face arrière du substrat. Cela implique en particulier de protéger la face avant lors de la fabrication de ce miroir en face arrière, puis de retirer cette protection. Cela augmente le coût de fabrication. Un autre inconvénient également identifié dans le cadre du développement de la présente invention, est que l’épaisseur du substrat, dans le composant optique intégré divulgué par le document FR3066617 A1, ne peut pas être choisie indépendamment du diamètre de faisceau souhaité. Cela entraîne des contraintes de dimensionnement supplémentaires. Dans la présente invention, le faisceau lumineux ne passe pas par un substrat, ce qui évite les réflexions parasites gênantes. Cela permet de limiter les pertes optiques. Par ailleurs, l’épaisseur du substrat peut être choisie indépendamment de l’épanouissement de faisceau souhaité, par exemple en fonction de contraintes liées à la dissipation thermique ou aux connections électriques. La réflexion sur le miroir plan n’est pas affectée par une translation latérale du miroir plan, c’est-à-dire une translation dans le plan du miroir plan. Le positionnement latéral du pavé transparent sur le composant optique de base tolère ainsi une imprécision de positionnement supérieure à 2 µm, voire supérieure à 5 µm, voire supérieure à 10 µm. Le pavé transparent peut ainsi être assemblé au composant optique de base en utilisant un équipement de placement de puces (équipement dit de « pick-and-place » en anglais) industriel standard, offrant typiquement une précision de ±10 µm. Cela permet de limiter les coûts de fabrication d’un tel composant optique intégré. Par ailleurs, le port de lumière externe est typiquement non spécifique et peut être couplé à différents connecteurs optiques standards. Le port de lumière externe se présente typiquement sous forme d’une portion de préférence plane de la troisième face. Le composant optique intégré selon la présente invention peut ainsi se coupler avec différents connecteurs optiques à faisceau élargi. La compatibilité du composant optique intégré avec différents connecteurs optiques est ainsi améliorée. Un autre aspect de l’invention concerne un système comprenant au moins un composant optique intégré tel que décrit ci-dessus et un connecteur optique couplé au port de lumière externe. Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un composant optique intégré comprenant une formation du composant optique de base sur un premier substrat et une formation de la couche transparente et du miroir plan sur un deuxième substrat, et comprenant un report et un assemblage de ladite couche transparente sur le composant optique de base, ledit assemblage étant effectué à l’aide d’une couche intercalaire polymère. L’architecture du composant optique intégré permet une tolérance de positionnement du pavé transparent sur le composant optique de base suffisamment élevée. Pour des enjeux de coûts et de production industrielle, il est ainsi avantageux de fabriquer séparément des composants optiques de base, par exemple au sein d’une première ligne de production, et une couche ou des pavés transparents comprenant chacun un miroir plan, par exemple au sein d’une deuxième ligne de production, puis de les assembler, typiquement à l’aide d’une couche polymère adhésive. De tels composants optiques intégrés peuvent également être facilement couplés à des connecteurs optiques issus d’une troisième ligne de production. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée de modes de réalisation de cette dernière qui sont illustrés par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : La illustre schématiquement un composant optique intégré selon un mode de réalisation de la présente invention. La illustre schématiquement la propagation d’un faisceau lumineux selon un mode de réalisation de la présente invention. La illustre schématiquement un composant optique de base selon un mode de réalisation de la présente invention. La illustre schématiquement un composant optique intégré selon un autre mode de réalisation de la présente invention. La illustre schématiquement un composant optique intégré selon un autre mode de réalisation de la présente invention. La illustre schématiquement un composant optique intégré selon un autre mode de réalisation de la présente invention. La illustre schématiquement un système d’interconnexion optique selon un mode de réalisation de la présente invention. La illustre schématiquement un système d’interconnexion optique selon un autre mode de réalisation de la présente invention. La illustre schématiquement un système d’interconnexion optique selon un autre mode de réalisation de la présente invention. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, sur les schémas de principe, les dimensions des différents éléments (composants, pavé, miroirs, connecteurs…) ne sont pas nécessairement représentatives de la réalité. Composant optique intégré (1) configuré pour assurer une propagation d’un faisceau lumineux (F) entre un premier port de lumière (21) dit interne et un deuxième port de lumière (31) dit externe, le faisceau lumineux (F) présentant un axe optique, une première surface (S 1 ) prise transversalement à l’axe optique du faisceau (F) pris au niveau du premier port de lumière (21), et une deuxième surface (S’) prise transversalement à l’axe optique du faisceau (F) pris au niveau du deuxième port de lumière (31), telles que la deuxième surface (S’) est de taille strictement supérieure, et de préférence au moins trois fois supérieure, à la première surface (S 1 ), ledit composant optique intégré (1) comprenant un composant optique de base (20) comprenant ledit port de lumière interne (21, 21a, 21b, 21c), le composant optique de base (20) présentant une première face (201) dite face inférieure, et une deuxième face (202) dite face supérieure, opposée à la face inférieure (201), le port de lumière interne (21) étant configuré pour émettre ou recevoir le faisceau lumineux (F) respectivement de façon divergente ou convergente, selon un trajet passant au travers de la face supérieure (202) du composant optique de base (20), le composant optique intégré (1) étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre une couche transparente (30) disposée sur la face supérieure (202) du composant optique de base (20), ladite couche transparente (30) présentant une troisième face (302) en regard de et parallèle à la face supérieure (202) du composant optique de base (20), ladite couche transparente (30) comprenant le port de lumière externe (31) au niveau de ladite troisième face (302), et en ce que la couche transparente (30) comprend un miroir plan (32) situé au niveau de la troisième face (302) et tourné en regard de la face supérieure (202) du composant optique de base (20), et le composant optique de base (20) comprend un miroir convergent (22, 22a, 22b) tourné en regard de la troisième face (302) de la couche transparente (30), lesdits miroirs plan (32) et convergent (22) étant agencés de sorte que le faisceau lumineux (F) se propage entre le port de lumière interne (21) et le port de lumière externe (31) en traversant la couche transparente (30) par réflexion sur le miroir plan (32) et par réflexion sur le miroir convergent (22). Composant selon la revendication précédente dans lequel le miroir plan (32) est interposé sur le trajet du faisceau lumineux (F) entre le port de lumière interne (21) et le miroir convergent (22), et dans lequel le miroir convergent (22) est interposé sur le trajet du faisceau lumineux entre le port de lumière externe (31) et le miroir plan (32). Composant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le port de lumière interne (21) est configuré pour que le faisceau lumineux (F) présente des rayons lumineux non parallèles entre eux entre le port de lumière interne (21) et le miroir plan (32), et entre le miroir plan (32) et le miroir convergent (22). Composant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le miroir convergent (22) est configuré pour que le faisceau lumineux (F) présente des rayons lumineux parallèles entre eux entre le port de lumière externe (31) et ledit miroir convergent (22). Composant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le miroir convergent (22) présente une distance focale f comprise entre 0,8.L et 1,2.L, L étant la longueur du trajet du faisceau lumineux (F) se propageant entre le port de lumière interne (21) et ledit miroir convergent. Composant selon l’une quelconque des revendications précédentes configuré de sorte à ce que le trajet du faisceau lumineux (F) entre le port de lumière interne (21) et le miroir plan (32) traverse la deuxième face (202) en périphérie du miroir convergent (22). Composant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le port de lumière externe (31) est situé en périphérie du miroir plan (32). Composant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le port de lumière interne (21) est configuré pour émettre ou recevoir le faisceau lumineux (F) selon un axe optique présentant un angle θ compris entre 5° et 20°, typiquement 8°, vis-à-vis d’une direction normale aux deuxième et troisième faces (202, 302). Composant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le miroir convergent (22) est choisi parmi un miroir à courbure sphérique ou parabolique (22a), un miroir de Fresnel, un miroir diffractif (22b). Composant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le port de lumière interne (21) est choisi parmi un réseau de diffraction (21a), un miroir de renvoi associé à une extrémité d’un guide d’onde (21b), un photodétecteur (21c), un laser à cavité verticale. Composant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la couche transparente (30) présente une hauteur h prise selon une direction normale à la troisième face (302), comprise entre 50 µm et 300 µm. Composant selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la deuxième surface (S’) du faisceau lumineux est de taille au moins trois fois supérieure, et de préférence au moins cinq fois supérieure, à la première surface (S 1 ). Composant selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant une couche intercalaire polymère (203) entre la couche transparente (30) et le composant optique de base (20). Composant selon la revendication précédente dans lequel la couche transparente (30) et le composant optique de base (20) sont à base de silice présentant un indice de réfraction n et dans lequel la couche intercalaire polymère (203) est à base d’un polymère transparent présentant un indice de réfraction n p tel que 0,9.n ≤ n p ≤ 1,1.n. Composant selon l’une quelconque des deux revendications précédentes dans lequel la couche intercalaire polymère (203) remplit un espace (E) entre le miroir convergent (22) du composant optique de base (20) et la couche transparente (30). Composant selon l’une quelconque des revendications 1 à 12 dans lequel la couche transparente (30) est directement au contact du composant optique de base (20) et du miroir convergent (22). Système comprenant au moins un composant optique intégré (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes et un connecteur optique (2) couplé au port de lumière externe (31). Procédé de fabrication d’un composant selon l’une quelconque des revendications 13 à 15 comprenant une formation du composant optique de base (20) sur un premier substrat et une formation de la couche transparente (30) et du miroir plan (32) sur un deuxième substrat, et comprenant un report et un assemblage de ladite couche transparente (30) sur le composant optique de base (20), ledit assemblage étant effectué à l’aide de la couche intercalaire polymère (203).