WO2005012959A1

WO2005012959A1 - Filtre en longueur d’onde comportant plusieurs cellules composees du meme materiau

Info

Publication number: WO2005012959A1
Application number: PCT/FR2004/001709
Authority: WO
Inventors: Stéphane TISSERAND; Laurent Roux; Fabien Reversat; Emmanuel Drouard; Ludovic Escoubas; François FLORY
Original assignee: Silios Technologies
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2005-02-10
Also published as: FR2857104B1; FR2857104A1

Abstract

L'invention présente un filtre F comportant une pluralité de cellules C1, C2, C3 juxtaposées consécutivement sur un substrat optique, une telle cellule comportant au moins une première SI et une deuxième S2 sections homogènes toutes deux majoritairement composées du même matériau. Ces deux sections SI, S2 diffèrent par leurs indices de réfraction.

Description

Filtre en longueur d'onde comportant plusieurs cellules composées du même matériau La présente invention concerne un filtre en longueur d'onde comportant plusieurs cellules composées du même matériau. Le domaine de l'invention est celui de l'optique intégrée sur substrat, domaine dans lequel les filtres tiennent une place prépondérante. Un filtre comporte généralement une pluralité de cellules juxtaposées consécutivement sur un substrat optique. Très souvent, ces cellules sont agencées selon une structure spatialement périodique. Une cellule comporte une première et une deuxième sections qui sont elles aussi juxtaposées selon l'axe de propagation du filtre. Les cellules sont couramment réalisées collectivement, c'est-à-dire au moyen d'un procédé unique. Pour fabriquer un filtre, une méthode connue met en œuvre la technologie des couches minces. Généralement, le substrat est soit en silice soit en silicium sur lequel on a fait croître un oxyde thermique, si bien que sa face supérieure, le substrat optique, est en dioxyde de silicium. Une couche d'indice supérieur à celui du dioxyde de silicium est déposée sur le substrat optique au moyen d'une quelconque technique connue telle que dépôt par hydrolyse à la flamme ("Flame Hydrolysis Déposition en terminologie anglo-saxonne) dépôt chimique en phase vapeur haute ou basse pression et assisté ou non par plasma, évaporation sous vide, pulvérisation cathodique ou dépôt par centrifugation. Cette couche est souvent du dioxyde de silicium dopé, de l'oxy- nitrure de silicium ou du nitrure de silicium. Un premier masque définissant la première section des cellules est alors appliqué sur la couche déposée au moyen d'une technique de photolithographie. Ensuite, cette première section est réalisée par un procédé de gravure chimique ou de gravure sèche tel que gravure plasma, gravure ionique réactive ou gravure par faisceau d'ions. Le masque est retiré après la gravure et, une deuxième couche d'indice supérieur à celui du dioxyde de silicium est déposée sur le substrat optique. Un deuxième masque définissant la deuxième section des cellules est alors appliqué sur la deuxième couche. Ensuite, la deuxième section est réalisée elle aussi par gravure. Le deuxième masque est retiré et, couramment, une couche de recouvrement est déposée sur le substrat pour enterrer le filtre. Cette couche de recouvrement est prévue pour limiter les perturbations exercées par le milieu environnant, notamment celles dues à l'humidité. Généralement, dans un tel filtre, les sections sont relativement courtes par rapport à leurs épaisseurs. Le facteur de forme, soit le quotient de l'épaisseur de la couche par longueur de la section, est important. Cette situation amplifie les difficultés inhérentes aux opérations de gravure, à savoir une bonne maîtrise de la résolution spatiale et de l'état de surface des flancs. Or ces caractéristiques, conditionnent les pertes à la propagation du filtre. Le document GB 2 306 694 A apporte une amélioration sensible à la méthode ci-dessus. En effet, une seule couche est déposée sur le substrat optique dans laquelle sont gravées les deux sections de chaque cellule du filtre. Ces deux sections sont donc composées du même matériau et le moyen de créer une discontinuité optique consiste ici à doter ces deux sections de largeurs distinctes. Ainsi, une opération de gravure a bien été supprimée mais la contrepartie de cet avantage est une diminution sensible du contraste optique due au fait que les deux sections sont pourvues des mêmes propriétés optiques. Le document WO 02/48747 A propose lui de supprimer toute opération de gravure pour réaliser un guide d'onde. Le canal de ce guide qui est intégré dans le substrat optique est réalisé par implantation ionique. L'enseignement combiné des deux documents précédents conduirait ainsi à la réalisation d'un filtre sans aucune opération de gravure. Toutefois, les deux sections d'un tel filtre présenteraient encore les mêmes propriétés optiques. L'invention a ainsi pour objet un filtre présentant un contraste optique important et un bon rendement. Selon l'invention, un filtre en longueur d'onde comporte une pluralité de cellules juxtaposées consécutivement sur un substrat optique, une telle cellule comportant au moins une première et une deuxième sections homogènes toutes deux majoritairement composées du même matériau ; de plus, ces deux sections diffèrent par leurs indices de réfraction. Suivant une caractéristique additionnelle, les première et deuxième sections diffèrent également par leurs largeurs. Eventuellement, l'une au moins de ces sections comporte une zone de perturbation dont l'indice de réfraction diffère de celui du reste de cette section. Avantageusement, la zone de perturbation est majoritairement composée du même matériau que le reste de la section dans laquelle elle figure. De préférence, le produit de la longueur par l'indice effectif de la deuxième section est un multiple du produit de la longueur par l'indice effectif de la première section. Par ailleurs, la cellule comporte une troisième section. Ainsi, la troisième section présente un indice de réfraction qui diffère de celui des première et deuxième sections. Avantageusement, la largeur de la troisième section diffère de celle de la première section. De même, la largeur de la troisième section diffère de celle de la deuxième. Eventuellement, la longueur de ces trois sections est constante. Couramment, deux cellules consécutives sont identiques. Selon un mode de réalisation privilégié du filtre, les différentes sections sont recouvertes par au moins une couche guidante. Il est alors préférable que l'indice de cette couche guidante soit supérieur à celui du substrat. Par ailleurs, le filtre comporte au moins une couche de recouvrement disposée sur la couche guidante, l'indice de cette couche de recouvrement étant inférieur à celui de la couche guidante et à celui des différentes sections. Selon une première option, l'une au moins des sections est intégrée dans le substrat. Selon une deuxième option, l'une au moins des sections fait saillie sur le substrat. Avantageusement, l'une au moins des sections résulte d'une implantation ionique dans le substrat. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en se référant aux figures annexées qui représentent :

- la figure 1 , un schéma en vue de dessus d'un filtre selon un premier mode de réalisation,

- la figure 2, un schéma d'un filtre en coupe,

- la figure 3, la fabrication d'un filtre selon une première variante, - la figure 4, la fabrication d'un filtre selon une deuxième variante,

- la figure 5, un schéma en vue de dessus d'un filtre selon un deuxième mode de réalisation, et

- la figure 6, une caractéristique additionnelle d'un filtre. Les éléments présents dans plusieurs figures sont affectés d'une seule et même référence. L'invention permet donc de réaliser en optique intégrée des filtres en longueur d'onde. Le terme de filtre doit s'entendre ici dans son acception la plus générale, c'est-à-dire qu'il englobe notamment les miroirs, les dispositifs antireflet, les cavités du type Fabry-Perrot, les égaliseurs de gain, les dispositifs de multiplexage etc. En référence à la figure 1 , le filtre F est interposé entre un premier G1 et un second G2 guides d'onde. Il comprend une pluralité de cellules identiques C1 , C2, C3, ...juxtaposées selon l'axe des guides d'onde. La première cellule C1 comporte une première S1 , respectivement une deuxième S2 section dont la largeur est supérieure, respectivement inférieure à celle du premier guide d'onde G1. Selon un mode de réalisation privilégié, le filtre est réalisé en recourant à la technique de l'implantation ionique. En référence à la figure 2, le substrat est en silice ou bien il est en silicium sur lequel, soit on a fait croître un oxyde thermique, soit on a déposé une couche de dioxyde de silicium ou d'un autre matériau. Il présente ainsi une face supérieure ou substrat optique 21 , couramment en dioxyde de silicium, d'une épaisseur de 5 à 20 microns, par exemple. Les deux sections (seule la première S1 est représentée dans la figure) réalisées par implantation ionique sont ici intégrées dans le substrat optique qui est lui-même recouvert d'une couche guidante 23. La couche guidante, de 5 microns d'épaisseur par exemple, est en dioxyde de silicium dopé et présente un indice de réfraction supérieur à celui du substrat optique, de 0,3% par exemple. Elle peut éventuellement résulter d'un empilement de couches minces. De préférence, une couche de recouvrement 24 qui peut également consister en un empilement de couches minces est agencée sur la couche guidante 23. Cette couche de recouvrement, de 5 microns d'épaisseur également, a un indice inférieur à celui de la couche guidante et à celui des deux sections. Dans le cas présent elle est en dioxyde de silicium non dopé. En référence à la figure 3a, une première méthode de fabrication du filtre comporte une première étape qui consiste à réaliser un premier masque 32 sur le substrat optique 21 , ceci au moyen d'un procédé classique de photolithographie. Ce masque 32 est en résine, en métal ou en tout autre matériau susceptible de constituer une barrière infranchissable pour les ions lors de l'implantation. Eventuellement, le masque peut être obtenu par un procédé d'écriture directe. Il reproduit un motif M qui correspond à la réunion des deux sections S1 , S2. En référence à la figure 3b, le motif M est produit par implantation ionique du substrat masqué. A titre d'exemple, pour une implantation de titane, la dose d'implantation D1 souhaitée pour la première section S1 est comprise entre

10 /cm et 10 /cm tandis que l'énergie est comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de KeV. En référence à la figure 3c, le premier masque est retiré, par exemple au moyen d'un procédé de gravure chimique. L'étape suivante consiste à réaliser un deuxième masque sur le substrat optique 21 qui reproduit la forme de la deuxième section S2. Cette deuxième section est produite par implantation ionique du substrat masqué à une dose

(D2 - D1) comprise entre 10 /cm et 10 /cm , si bien qu'elle présente une dose d'implantation résultante D2. Puis là encore, le masque est retiré. Le substrat est ensuite soumis à un recuit pour réduire les pertes à la propagation au sein des deux canaux. A titre d'exemple, la température est comprise entre 400 et 500°C, l'atmosphère est contrôlée ou bien il s'agit de l'air libre, tandis que la durée est de l'ordre de quelques dizaines d'heures. En référence à la figure 3d, la couche guidante 23 est alors déposée sur le substrat 21 au moyen de l'une quelconque des techniques connues pourvu que celle-ci conduise à un matériau à faibles pertes dont l'indice de réfraction peut être aisément contrôlé. Enfin, la couche de recouvrement 24 est éventuellement déposée sur la couche guidante 23. Ainsi, les deux sections S1 , S2 sont intégrées dans le substrat 21. On remarquera accessoirement que les deux guides G1 , G2 peuvent être aussi réalisés par implantation ionique du substrat 21 , par exemple simultanément à la réalisation de l'une des sections sous réserve que le masque correspondant soit modifié en conséquence. En référence à la figure 4a, une deuxième méthode de fabrication du filtre comporte une première étape qui consiste à implanter la totalité du substrat optique 21. La dose D1 et l'énergie d'implantation correspondent à celles prévues pour la première section S1. L'étape suivante consiste à réaliser un masque identique au deuxième masque de la méthode ci-dessus sur le substrat optique 21. Cette seconde section est alors implantée à la dose (D2 - D1) et le masque est retiré. En référence à la figure 4b, la prochaine étape consiste à réaliser un nouveau masque 41 sur le substrat 21. Ce masque définit un motif complémentaire de celui du premier masque employé au cours de la première méthode mais il ne doit pas subir l'étape d'implantation. En référence à la figure 4c, le motif 42 est obtenu par gravure du substrat optique sur une profondeur au moins égale à la profondeur d'implantation. L'une quelconque des techniques connues de gravure convient pourvu que celle-ci conduise à des caractéristiques géométriques acceptables, notamment le profil et l'état de surface des flancs. On remarque ici que la première méthode présente l'avantage de définir un guide d'onde dont la structure est parfaitement plane puisqu'elle ne comprend pas d'étape de gravure. En référence à la figure 4d, le masque est retiré puis le substrat est ici aussi soumis à un recuit. La couche guidante 23 et éventuellement la couche de recouvrement 24 sont alors déposées conformément à la première méthode. Ici, les deux sections S1 , S2 font saillie sur le substrat 21. Selon une variante de cette deuxième méthode, une première étape consiste à implanter la totalité du substrat optique 21 à une dose (D2 -D1). L'étape suivante consiste à réaliser un masque définissant la deuxième section S2 puis à graver le substrat pour délimiter cette section. Le substrat est alors implanté à la dose D1 et la prochaine étape consiste à réaliser le masque qui définit un motif complémentaire de celui du premier masque employé au cours de la première méthode. Le substrat est ensuite gravé, et la couche guidante est déposée. Une troisième méthode met en œuvre la technologie des couches minces. Généralement, la face supérieure du substrat est en dioxyde de silicium. Une couche mince d'indice supérieur à celui du dioxyde de silicium est déposée sur le substrat optique au moyen d'une quelconque technique connue telle que dépôt par hydrolyse à la flamme (« Flame Hydrolysis Déposition » en terminologie anglo-saxonne) dépôt chimique en phase vapeur haute ou basse pression et assisté ou non par plasma, évaporation sous vide, pulvérisation cathodique ou dépôt par centrifugation. Cette couche est souvent du dioxyde de silicium dopé, de l'oxy-nitrure de silicium, du nitrure de silicium et l'on peut aussi employer des polymères ou des sols gels. Un masque définissant la réunion des deux sections S1 , S2 est alors appliqué sur la couche mince déposée. Ensuite, on applique un procédé de gravure chimique ou de gravure sèche tel que gravure plasma, gravure ionique réactive ou gravure par faisceau d'ions. Ensuite, il suffit de procéder comme ci-dessus, selon la première méthode de fabrication, à compter de l'opération décrite en référence à la figure 3c. Quelle que soit la méthode de fabrication adoptée, l'indice effectif du mode guidé est modulé le long de l'axe de propagation du filtre. Cette modulation est obtenue en premier lieu par l'adoption d'un indice de réfraction différent pour les deux sections S1 , S2. Cette modulation peut être renforcée en second lieu par l'adoption d'une largeur différente de ces deux sections, comme exposé ci-dessus. Cette deuxième mesure, si elle est souhaitable, n'est cependant pas indispensable et l'invention s'applique également si les deux sections S1 , S2 ont la même largeur. Par ailleurs, lorsque le filtre doit être accordé sur une longueur d'onde déterminée λo, cas d'un miroir par exemple, la longueur de chaque section doit être ainsi agencée que le produit de sa longueur par son indice effectif soit un multiple de λrj/4. De préférence, le filtre a une structure périodique, autrement dit, il est constitué d'une succession de cellules identiques. En référence à la figure 5, la première cellule C1 comporte, outre les deux premières sections, au moins une troisième section S3 dont la largeur est inférieure à celle de la deuxième section S2. Ici aussi, l'indice effectif du mode guidé est modulé le long de l'axe de propagation du filtre. Cette modulation peut être obtenue en faisant varier seulement l'indice de réfraction, celui-ci prenant une valeur distincte pour chacune des trois sections S1 , S2, S3. Cette modulation peut également être obtenue en faisant varier seulement la largeur de ces des trois sections S1 , S2, S3. Cette modulation peut finalement être obtenue en combinant les deux dispositions ci-dessus. La ou les sections additionnelles, la troisième section dans le cas présent, offrent une grande souplesse quant à la modulation de l'indice effectif du mode guidé. Dans la mesure où l'indice effectif peut être modulé au moyen de l'indice de réfraction, la longueur des différentes sections peut être constante. En tout état de cause, pour réaliser un filtre de petite dimension, il faut limiter le nombre de cellules. Il est donc nécessaire que le contraste d'indice effectif entre deux sections consécutives soit important. L'implantation ionique permet aisément de satisfaire à cette contrainte dans des matériaux couramment employés alors que si l'on recourt à une technologie différente, le matériau composant l'une des sections au moins doit présenter intrinsèquement un indice de réfraction élevé, cas de l'InP et de l'AsGa par exemple. En référence à la figure 6, l'une des sections d'une cellule, la première S1 par exemple, comporte une zone de perturbation 61 dont l'indice de réfraction diffère de celui du reste de cette section. De préférence, cette zone de perturbation est majoritairement composée du même matériau que le reste de la section S1 dans laquelle elle figure. Les différents indices au sein de cette section sont ici encore obtenus en recourrant à l'implantation ionique. Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisis pour leur caractère concret. Il ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, toute étape ou tout moyen décrit peut-être remplacé par une étape ou un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS

1) Filtre en longueur d'onde F comportant une pluralité de cellules C1 , C2, C3 juxtaposées consécutivement sur un substrat optique 21, une telle cellule comportant au moins une première S1 et une deuxième S2 sections homogènes toutes deux majoritairement composées du même matériau, caractérisé en ce que ces deux sections S1 , S2 diffèrent par leurs indices de réfraction.

2) Filtre selon la revendication 1 , caractérisé en ce que lesdites première S1 et deuxième S2 sections diffèrent également par leurs largeurs.

3) Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'une au moins S1 desdites sections comporte une zone de perturbation 61 dont l'indice de réfraction diffère de celui du reste de cette section.

4) Filtre selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite zone de perturbation 61 est majoritairement composée du même matériau que le reste de ladite section S1 dans laquelle elle figure.

5) Filtre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le produit de la longueur par l'indice effectif de ladite deuxième section S2 est un multiple du produit de la longueur par l'indice effectif de ladite première section S1.

6) Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite cellule C1 comporte une troisième section S3.

7) Filtre selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite troisième section S3 présente un indice de réfraction qui diffère de celui desdites première S1 et deuxième S2 sections.

8) Filtre selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que la largeur de ladite troisième section S3 diffère de celle de ladite première section S1. 9) Filtre selon l'un quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la largeur de ladite troisième section S3 diffère de celle de ladite deuxième section S2.

10) Filtre selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la longueur desdites sections S1 , S2, S3 est constante.

11) Filtre selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que deux cellules consécutives sont identiques.

12) Filtre selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que lesdites sections S1 , S2 sont recouvertes par au moins une couche guidante 23.

13) Filtre selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'indice de cette couche guidante 23 est supérieur à celui du substrat 21.

14) Filtre selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche de recouvrement 24 disposée sur ladite couche guidante 23, l'indice de cette couche de recouvrement étant inférieur à celui de la couche guidante et à celui desdites sections S1 , S2, S3.

15) Filtre selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé eh ce que l'une au moins desdites sections S1 , S2 est intégrée dans ledit substrat 21.

16) Filtre selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que l'une au moins desdites sections S1 , S2, fait saillie sur ledit substrat 21.

17) Filtre selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que l'une au moins desdites sections S1 , S2 résulte d'une implantation ionique dans ledit substrat 21.