FR2590368A1

FR2590368A1 - Procede de production d'un guide d'ondes lumineuses plan

Info

Publication number: FR2590368A1
Application number: FR8614366A
Authority: FR
Inventors: Ralf Thomas Kersten; Wolfgang Siefert
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1985-10-16
Filing date: 1986-10-16
Publication date: 1987-05-22
Anticipated expiration: 2006-10-16
Also published as: FR2590368B1; GB2181861B; GB8624678D0; NL8602603A; US4756734A; GB2181861A

Abstract

PROCEDE DE PRODUCTION D'UN GUIDE D'ONDES LUMINEUSES PLAN AVEC DES ZONES CONDUCTRICES DE LUMIERE 1. DE MINCES COUCHES VITREUSES SONT DEPOSEES SUR UN SUBSTRAT 2 PAR UNE REACTION HETEROGENE A PARTIR DE LA PHASE VAPEUR: D'ABORD UNE COUCHE 3 CONTENANT UN DOPANT (BORE, FLUOR) ABAISSANT L'INDICE DE REFRACTION, PUIS UNE COUCHE DE RECOUVREMENT 4 CONSTITUANT UNE BARRIERE DE DIFFUSION POUR LEDIT DOPANT AVEC STRUCTURATION CORRESPONDANT A UN MOTIF DE RUBANS SOUHAITE, PAR LA TECHNIQUE DE MASQUAGE HABITUELLE. PAR CHAUFFAGE, LE DOPANT EST ENSUITE CHASSE DANS UNE LARGE MESURE DES ZONES NON RECOUVERTES, PAR DIFFUSION, EN FORMANT LE COEUR OU UNE PARTIE DU COEUR DES ZONES CONDUCTRICES DE LUMIERE. LE GUIDE D'ONDES LUMINEUSES EST ENFIN COMPLETE PAR LE DEPOT D'UN AUTRE SYSTEME DE COUCHES 5.

Description

La présente invention concerne un procédé de production d'un guide d'ondes

lumineuses plan avec des zones conductrices de lumière, par dépSt de minces couches vitreuses à partir de la phase vapeur

et selon un schéma permettant un profil d'indice de réfraction pré-

déterminé sur un substrat, de façon à produire un coeur conducteur

de lumière et des couches enveloppes du coeur.

Des conducteurs d'ondes lumineuses plans sont utilisés comme éléments de couplage de guides d'ondes optiques dans des systèmes de communication optiques. Selon le montage, ces éléments de couplage servent à la dérivation ou au mélange de signaux (démultiplexeur/ multiplexeur). Le procédé OVD est connu pour la production de ces guides d'ondes: du SiCl4 ultra-pur est mélangé avec quelques pourcent de

TiC14, puis réagit avec de l'oxygène dans une flamme nue. Ces parti-

cules de verre produites par hydrolyse dans la flamme se -déposent sur

un substrat. Le brûleur est animé d'un mouvement de va-et-vient per-

manent pendant le dépôt, de sorte que plusieurs couches se forment.

Le flux de TiC14 commande l'indice de réfraction. Le substrat por-

tant les couches de verre poreuses est ensuite chauffé afin de con-

solider les diverses couches (Kawachi et al., Eiectronics Letters

1983, vol. 19, n 15, p. 583).

Le système de couches est ensuite recouvert d'un masque de silicium, puis les gorges de guidage servant de logement aux guides

d'ondes et les rubans conducteurs de lumière sont produits par gra-

vure chimique (Yamada et al., Electronic Letters 1984, vol. 20, n 8,

p. 313). Ces guides d'ondes plans connus présentent toutefois l'in-

convénient suivant: le dépSt de couches ne permet de prédéterminer la variation de l'indice de réfraction que dans une seule direction, celle de la normale à la surface du substrat. Le ruban conducteur de lumière présente une section pratiquement rectangulaire après la gravure et le profil du coeur conducteur de lumière n'est pas adapté

latéralement, ce qui entraîne d'importantes pertes par atténuation.

Un autre inconvénient réside dans le fait que seules des couches

relativement épaisses peuvent être produites, ce qui interdit l'ob-

tention d'un profil d'indice de réfraction à échelonnement fin-

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Le document EP - 0052901 décrit un procédé de production d'éléments de couplage avec des rubans conducteurs de lumière à

section circulaire. Pour ce faire, des gorges à section semi-circu-

laire sont produites par gravure ou mécaniquement dans la plaque de verre du substrat, selon un motif prédéterminé. Au cours de l'opé- ration suivante, des couches vitreuses sont déposées sur la plaque de verre et dans ces gorges à partir de la phase vapeur et par un procédé CVD. Une quantité croissante de matériau dopant est déposée

avec le verre de silice au fur et à mesure de l'augmentation de l'é-

paisseur de couche. Cette opération est poursuivie jusqu'à ce que ces couches remplissent totalement les gorges. La même opération est effectuée avec un substrat portant un motif de gorges symétriques par rapport à un plan. Les deux plaques de substrat sont ensuite doucies

puis assemblées de façon que les gorges contenant les couches vitreu-

ses se superposent. Bien que ces conducteurs à ruban. présentent une section circulaire avec un indice de réfraction diminuant radialement

vers l'extérieur, leur production ne soulève pas de difficultés.

Le procédé de production et notamment l'opération de polissage sont très coûteux. Les gorges doivent se superposer avec précision, le plan de joint entre les plaques de substrat ne devant contenir ni impuretés, ni lames d'air dans la zone des couches conductrices de lumière. L'invention a pour objet un procédé de production de guides

d'ondes plans évitant les inconvénients précités de l'art antérieur.

Le procédé doit être beaucoup plus simple, le guide d'ondes plan devant en outre être caractérisé par des pertes inférieures à celles

des guides d'ondes plans connus.

Selon une caractéristique de l'invention, le dépSt s'effectue à partir de la phase vapeur par une réaction hétérogène (procédé CVD); une couche est d'abord déposée sur le substrat avec un dopant réduisant l'indice de réfraction; sur ladite couche, une couche de

recouvrement est ensuite déposée pour former une barrière de dif-

fusion pour le dopant, avec une structuration correspondant au motif de rubans souhaité, par la technique de masquage habituelle; le substrat portant ces couches est ensuite suffisamment chauffé

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pour que le dopant s'échappe dans une large mesure des zones non recouvertes, par diffusion, en formant ainsi le coeur ou une partie du coeur des zones conductrices de lumière; et d'autres couches sont ensuite déposées, dont les indices de réfraction sont commandés de façon qu'elles complètent le guide d'ondes lumineuses. La couche contenant le dopant abaissant l'indice de réfraction peut aussi présenter une variation prédéterminée de l'indice de réfraction. Une zone semi-cylindrique est produite avec un indice de réfraction croissant vers l'axe du cylindre dans les zones non recouvertes de la première couche, pour la diffusion du dopant, pour lequel du fluor est utilisé de préférence. Outre le fluor, tout autre dopant abaissant l'indice de réfraction et diffusable est utilisable. Ce coeur semi-cylindrique est ensuite complété par les autres couches, qui peuvent également être dopées au-fluor, de façon à former une zone conductrice de lumière avec une faible atténuation. Le dépôt de couches vitreuses est avantageusement effectué

selon un procédé CVD à plasma non isotherme.

Par ce procédé déjà connu par le document EP-0017296 par exemple il faut comprendre un procédé utilisant un plasma froid, dans lequel seuls des électrons présentent une énergie cinétique

élevée. Un tel plasma permet de faire réagir même des mélanges ga-

zeux non réactifs thermiquement. Ce procédé PCVD non isotherme per-

met de déposer des couches vitreuses directement à partir de la phase vapeur, à une température relativement basse, de sorte qu'un

chauffage ultérieur de vitrification est inutile. Un autre avan-

tage réside dans le fait qu'une éventuelle différence des coeffi-

cients de dilatation thermique du matériau des plaques de verre et

des couches déposées n'est pas gênante lors d'un dépSt à basse tem-

pérature, c'est-à-dire entre la température ambiante et 300 C.

La couche de recouvrement, dopée au B203 par exemple, cons-

titue une barrière de diffusion pour le dopant de la couche sous-

jacente. Un gradient de l'indice de réfraction ne peut ainsi être produit par diffusion que dans les zones non recouvertes de cette

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première couche.

Le profil d'indice de réfraction et les dimensions du coeur sont réglés par la largeur des zones non recouvertes, la température

et la durée de diffusion, de façon à obtenir un guide d'ondes mono-

mode ou multimode. Les indices de réfraction des autres couches et

l'ouverture numérique sont également adaptés à l'application consi-

dérée.

La diffusion du dopant abaissant l'indice de réfraction s'ac-

compagnant d'une diffusion du dopant de la couche de recouvrement dans les zones proches de la surface, on risque d'obtenir un guide d'ondes présentant des pertes trop élevées. C'est pourquoi une mince couche superficielle des zones non recouvertes et de la couche de recouvrement est avantageusement éliminée par gravure chimique après

la diffusion.

Afin d'isoler totalement l'énergie de l'onde du substrat, la couche contenant le dopant est déposée sur le substrat avec une épaisseur telle qu'une zone dopée suffisamment grande demeure entre

le coeur et le substrat après la diffusion du dopant hors des cou-

ches non recouvertes. Cette disposition présente l'avantage suivant: le substrat ne participe pas au guidage de la lumière et ne doit donc pas être réalisé dans un matériau ultra-pur. Il en résulte une

réduction des coûts de production du guide d'ondes plan.

Pour le couplage des fibres, des gorges de guidage sont réa-

lisées dans le substrat, devant les rubans conducteurs de lumière,

pour le logement des guides d'ondes à coupler.

Les pertes par atténuation des guides d'ondes lumineuses plans produits par le procédé selon l'invention sont nettement inférieures

à 0,2 dB/cm.

On a constaté que le procédé selon l'invention permet de pro-

duire un guide d'ondes lumineuses monomode plan pouvant transmettre

la lumière avec une direction de polarisation définie.

La couche de recouvrement en SiO2 et B203, après la vaporisa-

tion du dopant, est éliminée par gravure chimique en formant deux étroites nervures adjacentes aux régions non recouvertes; une mince couche de SiO2 est déposée à partir de la phase vapeur; ce SiO2 est

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ensuite éliminé par gravure chimique sur la zone du coeur et les nervures étroites; puis au cours de la dernière phase, d'autres couches de SiO2 dopé au fluor sont déposées, la variation d'indice de réfraction étant choisie de façon à compléter la zone du coeur et à former la zone enveloppe. La lumière dont le plan de polarisation est parallèle au

substrat peut sortir de la zone du coeur par effet tunnel à tra-

vers les nervures étroites en SiO2 et B203; ce plan de polarisation est par suite découplé et l'on obtient un guide d'ondes lumineuses polariseur plan. La lumière sortant du guide d'ondes lumineuses est

polarisée dans un plan perpendiculaire au substrat.

Cette polarisation est maintenue par biréfringence de tension,

produite par les deux nervures étroites en SiO2 dopé au B203.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront

mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous

d'exemples de réalisation et du dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une coupe d'un guide d'ondes plan produit par le procédé selon l'invention; la figure 2 représente la variation de l'indice de réfraction des couches 3 et 5 le long de la ligne II-II de la figure 1; et

la figure 3 est une coupe d'un guide d'ondes polariseur plan pro-

duit par le procédé selon l'invention.

La figure 1 est la coupe du guide d'ondes plan selon l'inven-

tion, avec la plaque de substrat 2 et les zones conductrices de lumière 1. La couche 3 est déposée avec le dopant sur le substrat 2, puis recouverte sélectivement par la couche 4. Cette couche de recouvrement 4 constitue une barrière de diffusion pour le dopant

contenu dans la couche 3. Un chauffage chasse ensuite par diffu-

sion le dopant des zones non recouvertes, de façon à former une zone délimitée par la courbe 6 en tireté et dans laquelle l'indice de

réfraction croît continûment vers l'axe de cette zone semi-cylindri-

que. L'épaisseur de la couche 3 est choisie de façon qu'une zone encore suffisamment grande de la couche 3 dopée demeure entre la

courbe 6 et le substrat 2, afin que l'énergie de l'onde soit décou-

plée du substrat et que ce dernier ne participe pas au guidage de

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la lumière. Un nouveau système de couches 5 est ensuite déposé, la variation d'indice de réfraction étant choisie de façon à compléter

le coeur et à former la zone enveloppe.

La figure 2 représente la variation de l'indice de réfraction à travers les couches 3 et 5 suivant la direction X, le long de la

ligne II-II de la figure 1.

Un coeur d'environ 2-8 mm est formépour produire par exemple

une fibre monomode. Le fluor contenu dans la couche 3 diffuse pen-

dant environ 1-2 minutes à une température de 2000-2200 C. Les

autres couches 5 sont ensuite déposées de façon connue.

La figure 3 représente un guide d'ondes polariseur plan pro-

duit selon l'invention. Après la vaporisation du fluor de la zone du coeur 7, le Si02 restant, dopé au B203, est éliminé par

gravure chimique en formant deux étroites nervures 8 et 8' adja-

centes à la zone du coeur 1. Une mince couche 9 de SiO2 est ensuite déposée à partir de la phase vapeur et remplace la couche de recouvrement. Au cours de la phase suivante, ce SiO2 est éliminé

par gravure chimique de la zone du coeur 7 et des étroites ner-

vures 8 et 8', puis un nouveau système de couches 10 est enfin déposé, la variation d'indice de réfraction étant choisie de façon

à compléter la zone du coeur 7 et à former la zone enveloppe.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans

sortir du cadre de l'invention.

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Claims

Revendications

1. Procédé de production d'un guide d'ondes lumineuses plan avec des zones conductrices de lumière, par dépSt de minces couches vitreuses à partir de la phase vapeur et selon un schéma permettant un profil d'indice de réfraction prédéterminé sur un substrat, de façon à produire un coeur conducteur de lumière et des couches enveloppes de ce coeur, ledit procédé étant caractérisé en ce que:

- ce dépSt s'effectue à partir de la phase vapeur par une réac-

tion hétérogène (procédé CVD); - une couche est d'abord déposée sur ce substrat avec un dopant abaissant l'indice de réfraction; - une couche de recouvrement formant une barrière de diffusion pour le dopant est ensuite déposée sur ladite couche avec une structuration correspondant à un motif de rubanssouhaité, par la technique de masquage habituelle; - le substrat portant ces couches est ensuite chauffé de façon que le dopant diffuse dans une large mesure hors des zones non recouvertes et forme ainsi le coeur ou une partie du coeur des zones conductrices de lumière; et d'autres couches sont enfin déposées, dont les indices de réfraction sont commandés de façon qu'elles complètent le

guide d'ondes lumineuses.

2. Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que le dépSt desdites couches vitreuses s'effectue par un procédé CVD à plasma

non isotherme.

3. Procédé selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en

ce qu'une mince couche superficielle des zones non recouvertes et de la couche de recouvrement esteliminée par gravure chimique après

la diffusion dudit dopant.

4. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, carac-

térisé par le dépôt d'une couche dopée au bore comme couche de recouvrement

5. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4, carac-

térisé par l'emploi de fluor comme dopant.

6. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5, carac-

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térisé en ce que le profil d'indice de réfraction, l'ouverture numérique et les dimensions du coeur sont dimensionnés de façon à

produire un guide d'ondes monomode à propriétés prédéterminées.

7. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5, carac-

produire un guide d'ondes multimode à propriétés prédéterminées.

8. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 7, carac-

térisé en ce que la couche contenant un dopant abaissant l'indice de réfraction est déposée sur le substrat avec une épaisseur telle qu'une zone dopée suffisamment grande demeure entre le coeur formé

et le substrat, après la diffusion du dopant, afin d'isoler tota-

lement l'énergie de l'onde du substrat.

9. Procédé de production d'un guide d'ondes lumineuses monomode polariseur plan selon revendication 1, caractérisé en ce que la couche de recouvrement est constituée par une couche dopée au bore;

après la vaporisation du dopant, la couche de recouvrement est éli-

minée par gravure chimique en formant deux étroites nervures adja-

centes aux zones non recouvertes, une mince de couche SiO2 étant ensuite déposée à partir de la phase vapeur; au cours de la phase suivante, ce SiO2 est éliminé par gravure chimique de la zone du

coeur et des nervures étroites puis, dans une dernière phase, d'au-

tres couches de SiO2 dopé au fluor, la variation d'indice de réfrac-

tion étant choisie de façon à compléter la zone du coeur et à

former la zone enveloppe.