Brevet FR3130405A1 — publié le 20230616

La présente invention concerne un composant photonique (100) à plage de mesure d’indice de réfraction étendue. Un tel composant comprend un guide d’onde à nervure (10) apte à contraindre la transmission d’énergie d’un signal optique sous forme d’une pluralité de modes guidés le long d’un axe de propagation. Le guide d’onde (10) comprend une plaque (1) et une nervure centrale (2) s’étendant en surface de la plaque (1), la nervure définissant un réseau de motifs à longue période (LPG) le long de l’axe de propagation. Le guide d’onde comprend en outre une couche d’inhibition modale (3) s’étendant le long de la nervure centrale (2) de sorte à créer une région de guide inhibée de l’influence du milieu, empêchant le milieu d’interagir avec le ou les modes guidés se propageant dans la région de guide inhibée. Figure pour l’abrégé : Figure 1 Composant photonique à nervure du type formant un réseau à longue période pour la mesure d’indice de réfraction d’un milieu, circuit photonique et procédé de fabrication correspondants L’invention s’inscrit dans le domaine de la photonique intégrée, et plus particulièrement des capteurs réfractométriques en photonique intégrée. Plus précisément, l’invention porte sur un composant photonique à dynamique de mesure étendue, conçu pour mesurer l’indice de réfraction d’un milieu, tel qu’un gaz ou un fluide par exemple. L’invention s’applique notamment, mais non exclusivement, à la réalisation de capteurs de gaz ultra-sensibles, comme ceux utilisés à des fins de surveillance de facteurs environnementaux. Mais plus généralement, l’invention trouve des applications dans le domaine de l’instrumentation métrologique dédiée à la mesure de caractéristiques physico-chimiques (détection chimique, mesure de température ou de pression par exemple) reposant sur le principe de la réfractométrie optique. Arrière-plan technologique On s’attache plus particulièrement dans la suite de ce document à décrire la problématique existant dans le domaine des capteurs photoniques pour la détection de gaz, à laquelle ont été confrontés les inventeurs. L’invention ne se limite bien sûr pas à ce contexte particulier d’application, mais présente un intérêt pour toute technique de captation réfractométrique intégrée devant faire face à une problématique proche ou similaire. La photonique intégrée est une technologie qui vise à combiner sur un même substrat de nombreuses fonctionnalités de traitement de l’information optique basées sur le transport de photons. Insensible aux champs électromagnétiques (contrairement aux technologies issues de l’électronique), sa flexibilité de design permet une extrême versatilité d’applications et de configurations structurelles, pour des capteurs « intelligents » et potentiellement insensibles aux variations de température. Considérés comme l’une des branches la plus importante des capteurs de photonique intégrée, les capteurs réfractométriques ont vu apparaître ces dernières décennies une large diversité de structures, jouant ainsi sur le caractère versatile de la mesure d’indice de réfraction, qui peut être appliquée à la mesure de diverses caractéristiques physico-chimiques d’un milieu d’intérêt à sonder. Les différents types de réfractomètres peuvent être classés en cinq grandes familles, à savoir : les interféromètres, les résonateurs, les plasmons, les cristaux photoniques et les réseaux diffractants. Un nombre croissant d’acteurs des secteurs de la recherche et de l’industrie cherche à mettre au point des capteurs photoniques intégrés performants pour la détection de gaz. En matière de surveillance environnementale par exemple, de tels capteurs sont devenus ces dernières années une excellente alternative pour mesurer à moindre coût la concentration dans l’air de polluants atmosphériques. Ainsi, le capteur réfractométrique apparaît comme une technique non-destructive à fort potentiel qui peut être utilisée pour détecter certains gaz d’intérêt dans un milieu donné et en mesurer la concentration grâce à une mesure de son indice de réfraction. Parmi les cinq familles précitées, les capteurs réfractométriques reposant sur l’utilisation de réseaux à longue période (ou à long pas ou encore réseau LPG pour « Long Period Grating » ) représentent un potentiel de solutions innovantes pour les structures guidantes de photonique intégrée (facilité d’intégration aux circuits photoniques fibrées, capacité de couplage de modes optiques et sensibilité élevées). Traditionnellement, de tels capteurs comprennent un guide d’onde de forme globalement planaire, configuré pour contraindre et guider le signal optique incident le long d’un chemin prédéfini. Le guide d’onde comprend en surface un réseau de motifs à longue période (LPG) conformé pour permettre un couplage des modes guidés du signal dans la direction de propagation de la lumière. Ce réseau LPG est un élément optique dont la géométrie (ou parfois le profil d’indice de réfraction) est modulée périodiquement le long de l’axe de propagation de la lumière pour assurer un échange progressif d’énergie entre les modes guidés satisfaisant des conditions de résonance prédéfinies. On parle généralement de réseau à longue période lorsque la valeur de la période du réseau est un multiple de la longueur d’onde utilisée. En sélectionnant de manière appropriée la période du réseau LPG, il est possible d’induire des modes optiques couplés fonctionnant à un point de retournement optimal ( « turn around point » ). Cette méthode d’optimisation est appelée « phase matching turning point » en anglais (PMTP) ou « dispersion turning point » (DTP). Ce type de configuration LPG est devenu de plus en plus populaire du fait de son potentiel de sensibilité élevée, une propriété recherchée pour les capteurs réfractométriques notamment. Les capteurs de gaz connus basés sur ce type configuration LPG offrent certes une sensibilité élevée à l’indice de réfraction du gaz analysé, mais sur une plage de mesure relativement étroite. En effet, en dehors de cette plage de mesure, la sensibilité du capteur chute drastiquement, ce qui n’est pas optimal. En effet, selon les applications visées, le capteur réfractométrique doit présenter une sensibilité maximisée sur une plage de mesure le plus grand possible. Ceci n’est pas possible avec les solutions proposées actuellement. Dans ce contexte, il est donc particulièrement intéressant de pouvoir disposer d’un composant réfractométrique de photonique ultra-sensible et à dynamique de mesure étendue, qui soit compact et dont la mise en œuvre s’avérerait peu coûteuse. L’invention a été conçue en conservant les problématiques de l’art antérieur à l’esprit. Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, il est proposé un composant photonique destiné à la mesure d’indice de réfraction d’un milieu, ledit composant comprenant un guide d’onde à nervure s’étendant sur une face d’un substrat semi-conducteur, le guide d’onde ayant un profil opto-géométrique pour contraindre la transmission d’énergie d’un signal optique sous forme d’une pluralité de modes guidés le long d’un axe de propagation. Le composant est caractérisé en ce que : - le guide d’onde comprend une plaque et une nervure centrale s’étendant en surface de ladite plaque, la nervure présentant une dimension géométrique périodiquement variable le long de l’axe de propagation pour définir un réseau de motifs à longue période, - le guide d’onde comprend en outre une couche d’inhibition modale s’étendant le long de la nervure centrale de sorte à créer une région de guide inhibée de l’influence du milieu, ladite couche d’inhibition modale étant conformée pour empêcher le milieu d’interagir avec au moins un des modes guidés se propageant dans la région de guide inhibée. Le principe de l’invention, dans ce mode de réalisation particulier, repose sur une nouvelle structure guidante de photonique intégrée dont le profil opto-géométrique permet de réaliser des mesures d’indice de réfraction avec une sensibilité élevée et stables sur une bande spectrale étendue. Un tel composant repose sur la présence d’un guide d’onde à nervure centrale intégrant un réseau de motifs à longue période et d’une couche d’inhibition modale. Cette couche d’inhibition modale est disposée le long de la nervure centrale pour inhiber sélectivement l’interaction du milieu avec au moins un des modes guidés se propageant dans le guide d’onde. Une telle structure guidante permet de favoriser une transmission de modes guidés aux comportements spectraux et préparatifs similaires, ce qui permet de stabiliser la sensibilité sur le spectre de mesure, et d’augmenter ainsi la gamme d'indices de réfraction mesurables. Une telle approche facilite la réalisation de composants photoniques ultra-sensibles (puisque les erreurs systématiques de fabrications (imprécisions structurales) affectent pareillement les modes couplés). Par ailleurs, en limitant sélectivement l’interaction modal de la lumière avec le milieu à mesurer, on confère au composant photonique la possibilité de conserver une haute sensibilité sur tout l’étendue du spectre de mesure. Selon une caractéristique particulière, les modes guidés de ladite pluralité comprennent un mode fondamental confiné dans une région centrale du guide et au moins un mode d’ordre supérieur confiné dans des régions latérales du guide. Ainsi, en fonction de l’emplacement de la couche d’inhibition modale dans le guide d’onde, le mode optique qui est inhibé correspond soit au mode fondamental, soit au(x) mode(s) d’ordre supérieur. Selon une première mise en œuvre, la couche d’inhibition modale s’étend en surface de la nervure centrale. Dans cette configuration particulière, c’est le mode fondamental confiné dans le cœur du guide qui se trouve inhibé. La couche d’inhibition modale est conformée ici pour limiter l’interaction du mode fondamental avec le milieu extérieur tout en laissant ledit au moins mode d’ordre supérieur interagir avec le milieu extérieur. Cette configuration est particulièrement bien adaptée aux applications de photonique intégrée nécessitant une sensibilité de mesure à la fois élevée et stable sur l’ensemble du spectre optique. Elle permet, en outre, de simplifier le procédé de fabrication selon l’invention. En effet, comme détaillé plus loin en relation avec le procédé selon l’invention, cette couche d’inhibition modale peut être utilisée en tant que résine de masquage à la gravure au cours du procédé de fabrication selon l’invention. Cette couche d’inhibition modale est donc utile à la fois pour les performances du composant mais également pour la fabrication du composant photonique. C’est approche est donc particulièrement astucieuse. Selon une variante de cette première mise en œuvre, la couche d’inhibition modale s’étend non seulement en surface de la nervure centrale, mais recouvre également les parois latérales de la nervure centrale, afin de diminuer les pertes optiques au niveau de l’interface nervure/plaque/milieu . Selon une deuxième mise en œuvre, la couche d’inhibition modale s’étend en surface libre de la plaque, de part et d’autre de la nervure centrale. On entend par « surface libre » la surface de la plaque non recouverte par la nervure centrale. Dans cette configuration particulière, c’est ledit au moins un mode d’ordre supérieur confiné dans les régions latérales du guide qui se trouve inhibé. La couche d’inhibition modale est conformée ici pour limiter l’interaction du milieu extérieur avec le ou les modes d’ordre supérieur induits latéralement dans le guide, et laisser le mode fondamental interagir avec le milieu extérieur. Selon une caractéristique particulière du composant, la couche d’inhibition modale a un indice de réfraction inférieur à l’indice de réfraction de la plaque et de la nervure centrale. Tout matériau apte à inhiber localement l’influence du milieu sur le ou les modes guidés concernés peut être utilisé. Le dioxyde de silicium par exemple constitue un matériau de choix pour assurer cette fonction d’inhibition modale dans un guide d’onde. De plus, ce composé présente une grande stabilité chimique, ce qui le rend facile d’utilisation pour la fabrication du composant. La couche d’inhibition modale se présente typiquement sous la forme d’une couche mince d’épaisseur comprise entre 200 et 600 nm. Selon un aspect particulier de l’invention, chaque mode guidé de ladite pluralité étant caractérisé par un indice de réfraction de groupe (n g ) à une longueur d’onde de référence du signal optique, le profil opto-géométrique du guide d’onde est défini pour que la différence entre l’indice de groupe du mode fondamental et l’indice de groupe dudit au moins un mode d’ordre supérieur soit inférieure à 0,01. Une telle caractéristique permet une mesure d’indice de réfraction hautement sensibles . Selon un autre aspect particulier de l’invention, chaque mode guidé de ladite pluralité étant caractérisé par un indice de réfraction effectif (n eff ) à la longueur d’onde de référence, ledit profil opto-géométrique du guide d’onde est défini pour que la différence entre l’indice effectif du mode fondamental et l’indice effectif dudit au moins un mode d’ordre supérieur soit inférieure à 0,02. Une telle caractéristique permet de conférer au composant une capacité de résonance optique optimale, tout en restant conforme aux tolérances de fabrication. Il a été démontré dans le cadre la présente invention qu’une minimisation de l’écart entre les constantes de propagation des modes guidés (indices de réfraction de groupe et indices de réfraction effectif) favorise la faisabilité de mesures réfractométriques ultra-sensibles sur une plage de mesure étendue. Selon une caractéristique particulière du composant, la dimension géométrique périodiquement variable de la nervure est la largeur et/ou la hauteur de la nervure centrale. Différentes configurations de modulation périodique de la nervure centrale sont donc possibles, ce qui permet la création de composants photoniques à distribution spectrale de modes variée. Par ailleurs, le réseau de motifs à longue période est défini par une modulation de forme appartenant au groupe comprenant : sinusoïdale, carrée, rectangulaire, triangulaire, gaussienne. Un grand choix de profils opto-géométriques conditionnant le comportement propagatif des modes guidés du composant photonique est donc possible. Selon d’autres aspects particuliers du composant, la période du réseau à longue période est comprise entre 10 et 100 fois la longueur d’onde de référence, et le nombre de périodes est compris entre 10 et 500. De cette façon, le composant est assuré de présenter des résultats optimaux en matière de comportements spectraux et propagatifs des modes guidés aux fins précitées. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un circuit photonique destiné à la mesure d’indice de réfraction d’un milieu, comprenant, en série : une source de lumière, un coupleur d’entrée, au moins un composant photonique défini selon les caractéristiques précitées (dans l’un quelconque de ses mises en œuvre), un coupleur de sortie et un détecteur de lumière. Diverses utilisations du circuit photonique sont possibles, et notamment (mais non exclusivement) : pour la réalisation d’un réfractomètre photonique. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication d’un composant photonique destiné à la mesure d’indice de réfraction d’un milieu, ledit composant photonique comprenant un guide d’onde à nervure, le procédé comprenant les étapes ordonnées suivantes : - dépôt d’une couche photonique sur un substrat semi-conducteur ; - création d’une couche d’inhibition modale sur la couche photonique, la couche d’inhibition modale définissant un motif de masquage surfacique prédéfini ; - dépôt d’une résine de masquage électro-sensible ; - structuration d’une plaque par lithographie, puis gravure via la résine de masquage électro-sensible ; - structuration d’une nervure centrale par gravure en utilisant la couche d’inhibition modale en tant que masque de protection à la gravure, de manière à former un réseau de motifs à longue période prédéfini. Ainsi, le procédé selon l’invention repose sur l’utilisation astucieuse de la couche d’inhibition modale à la fois en tant qu’élément fonctionnel du composant lui-même et résine de masquage intervenant au cours de la fabrication du composant. En conséquence, l’invention permet de réaliser des composants photoniques haute performance avec un processus de fabrication simple et peu coûteux. A noter que le motif de masquage surfacique prédéfini est choisi pour permettre la structuration de la nervure centrale avec un réseau de motifs à longue période correspondant au motif de masquage. Selon une caractéristique particulière du procédé, l’étape de structuration comprend une étape d’estimation de hauteur de gravure en fonction d’une plage de longueurs d’onde de résonance donnée. La dynamique de mesure du composant photonique peut donc être aisément ajusté en cours de fabrication. Un processus de gravure intégrant un suivi interférométrique peut être réalisé par exemple pour permettre un contrôle en temps réel de la hauteur de gravure. Liste des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels : présente un exemple de structure d’un composant photonique selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; représente sur une vue en coupe du composant photonique illustré à la ; illustre les résultats de simulation de la distribution modale des modes optiques guidés apparaissant dans le plan transverse A-A du composant photonique de la ; présente un organigramme d’un mode de réalisation particulier du procédé de fabrication selon l’invention ; est une représentation synoptique illustrant de manière simplifiée les étapes du procédé de fabrication selon l’invention ; illustre un premier exemple de guide d’onde nervuré selon l’invention ; illustre un deuxième exemple de guide d’onde nervuré selon l’invention ; représente la structure simplifiée d’un capteur réfractométrique intégré selon un mode de réalisation particulier de l’invention. Composant photonique (100) destiné à la mesure d’indice de réfraction d’un milieu, ledit composant comprenant un guide d’onde à nervure (10) s’étendant sur une face d’un substrat semi-conducteur, le guide d’onde ayant un profil opto-géométrique pour contraindre la transmission d’énergie d’un signal optique sous forme d’une pluralité de modes guidés le long d’un axe de propagation, ledit composant étant caractérisé en ce que : - le guide d’onde comprend une plaque (1) et une nervure centrale (2) s’étendant en surface de ladite plaque (1), la nervure présentant une dimension géométrique périodiquement variable le long de l’axe de propagation pour définir un réseau de motifs à longue période (LPG), - le guide d’onde comprend en outre une couche d’inhibition modale (3) s’étendant le long de la nervure centrale (2) de sorte à créer une région de guide inhibée de l’influence du milieu, ladite couche d’inhibition modale (3) étant conformée pour empêcher le milieu d’interagir avec au moins un des modes guidés se propageant dans la région de guide inhibée. Composant photonique selon la revendication 1, dans lequel les modes guidés de ladite pluralité comprennent un mode fondamental confiné dans une région centrale du guide et au moins un mode d’ordre supérieur confiné dans des régions latérales du guide. Composant photonique selon la revendication 2, dans lequel la couche d’inhibition modale (3) s’étend en surface de la nervure centrale (2). Composant photonique selon la revendication 2, dans lequel la couche d’inhibition modale (3) s’étend en surface de la nervure centrale (2) et recouvre les parois latérales de la nervure centrale (2). Composant photonique selon la revendication 2, dans lequel la couche d’inhibition modale (3) s’étend en surface libre de la plaque, de part et d’autre de la nervure centrale (2). Composant photonique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la couche d’inhibition modale (3) a un indice de réfraction inférieur à l’indice de réfraction de la plaque (1) et de la nervure centrale (2). Composant photonique selon la revendication 5, dans lequel, chaque mode guidé de ladite pluralité étant caractérisé par un indice de réfraction de groupe (n g ) à une longueur d’onde de référence du signal optique, ledit profil opto-géométrique du guide d’onde étant défini pour que : - la différence entre l’indice de groupe du mode fondamental et l’indice de groupe dudit au moins un mode d’ordre supérieur soit inférieure à 0,01. Composant photonique selon la revendication 7, dans lequel, chaque mode guidé de ladite pluralité étant caractérisé par un indice de réfraction effectif (n eff ) à la longueur d’onde de référence, ledit profil opto-géométrique du guide d’onde étant défini pour que : - la différence entre l’indice effectif du mode fondamental et l’indice effectif dudit au moins un mode d’ordre supérieur soit inférieure à 0,02. Composant photonique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la dimension géométrique périodiquement variable de la nervure (2) est la largeur et/ou la hauteur de la nervure centrale (2). Composant photonique selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le réseau de motifs à longue période est défini par une modulation de forme appartenant au groupe comprenant : sinusoïdale, carrée, rectangulaire, triangulaire, gaussienne. Composant photonique selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la période du réseau à longue période est comprise entre 10 et 100 fois la longueur d’onde de référence, et le nombre de périodes est compris entre 10 et 500. Circuit photonique destiné à la mesure d’indice de réfraction d’un milieu, caractérisé en ce qu’il comprend, disposés en série, une source de lumière, un coupleur d’entrée, au moins un composant photonique (100) défini selon les revendications 1 à 11, un coupleur de sortie et un détecteur de lumière. Procédé de fabrication d’un composant photonique (100) destiné à la mesure d’indice de réfraction d’un milieu, ledit composant photonique comprenant un guide d’onde à nervure (10) le guide d’onde ayant un profil opto-géométrique pour contraindre la transmission d’énergie d’un signal optique sous forme d’une pluralité de modes guidés le long d’un axe de propagation, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend les étapes ordonnées suivantes : - dépôt (S1) d’une couche photonique sur un substrat semi-conducteur ; - création (S2) d’une couche d’inhibition modale (3) sur la couche photonique, la couche d’inhibition modale définissant un motif de masquage surfacique prédéfini, ladite couche d'inhibition modale étant conformée pour empêcher le milieu d'interagir avec au moins un des modes guidés se propageant dans la région de guide inhibée ; - dépôt (S3) d’une résine de masquage électro-sensible ; - structuration (S4) d’une plaque (1) par lithographie, puis gravure via la résine de masquage électro-sensible ; - structuration (S5) d’une nervure centrale (2) par gravure en utilisant la couche d’inhibition modale en tant que masque de protection à la gravure, de manière à former un réseau de motifs à longue période prédéfini. Procédé de fabrication selon la revendication 13, dans lequel l’étape de structuration (S4) comprend une étape d’estimation de hauteur de gravure en fonction d’une plage de longueurs d’onde de résonance donnée.