FR2817050A1

FR2817050A1 - Brasseur optique a voies guidees et procedes de realisation d'un tel brasseur

Info

Publication number: FR2817050A1
Application number: FR0103101A
Authority: FR
Inventors: Eric Ollier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-03-07
Filing date: 2001-03-07
Publication date: 2002-05-24

Abstract

La présente invention concerne un brasseur optique comportant un réseau de voies optiques guidées (102) agencées en lignes (104) et en rangées (105) croisées et présentant à chaque croisement entre une ligne et une rangée un commutateur optique avec un appendice optique susceptible de plonger dans un logement de réception pratiqué dans les voies optiques.Application aux télécommunications optiques à haut débit.

Description

BRASSEUR OPTIQUE A VOIES GUIDEES ET PROCEDES DE
REALISATION D'UN TEL BRASSEUR Domaine technique
La présente invention concerne un brasseur optique, c'est-à-dire un système d'aiguillage optique capable de mettre sélectivement en communication une ou plusieurs voies optiques d'entrée avec une ou plusieurs voies optiques de sortie.

Un tel dispositif trouve des applications diverses dans les domaines du traitement et du transfert de données par voie optique, et en particulier dans les télécommunications optiques à haut débit.

Etat de la technique antérieure
Le texte qui suit fait référence à un certain nombre de documents numérotés de (1) à (9) et dont les références complètes sont données à la fin de la description. Ceux-ci illustrent un arrière-plan technologique de l'invention.

Les brasseurs optiques comportent généralement un ou plusieurs commutateurs optiques agencés entre des voies optiques d'entrée et des voies optiques de sortie.

On distingue parmi les commutateurs optiques essentiellement deux familles qui comprennent d'une part les commutateurs entièrement intégrés et d'autre part les commutateurs pourvus d'un organe mécanique mobile.

Les commutateurs optiques entièrement intégrés, présentent, par exemple, des structures dites DOS (Digital Optical Switches, commutateurs optiques numériques) ou MZI (Mach-Zehnder Interferometer, interféromètre de Mach-Zehnder). Ils utilisent les propriétés thermo-électriques ou électro-optiques de certains matériaux, et leur influence sur l'indice optique, pour réaliser la fonction de commutation. Les commutateurs de ce type ont certes l'avantage de pouvoir être facilement intégrés dans un circuit optique, mais souffrent de limitations dues à leur sensibilité à la longueur d'onde ou à la polarisation de la lumière à commuter. Une autre limitation est leur consommation en énergie élevée. Enfin, les commutateurs utilisant l'effet thermo-électrique souffrent de plus d'un temps de réponse médiocre, et sont donc lents.

Les commutateurs à organe mécanique sont ainsi privilégiés dans les applications où une bonne insensibilité à la polarisation et à la longueur d'onde de la lumière à commuter est requise. On peut distinguer différents types de ces commutateurs généralement en fonction de l'organe mécanique impliqué dans la commutation.

Le document (1) montre un commutateur basé sur le mouvement d'une fibre optique. Un tel commutateur présente une très faible diaphotie, c'est-à-dire un très faible couplage parasite entre les voies de commutation adjacentes. En revanche, sa fabrication se heurte à des difficultés liées aux exigences d'alignement très précises entre les fibres. Son utilisation reste limitée principalement à des

composants de petite taille. Les documents (2) et (9) montrent également des commutateurs avec un guide optique. Celui-ci est mû par un actionneur intégré sur la même puce. Ces commutateurs peuvent présenter un nombre plus important de voies de commutation tout en conservant l'avantage d'un faible couplage parasite entre voies (diaphotie).

Les documents (3), (4) et (5) proposent d'utiliser des micro-miroirs susceptible d'être interposés dans des faisceaux de lumière. Les commutateurs à micro-miroirs utilisent un espace unique de libre propagation de faisceaux lumineux. Dans cet espace, à deux ou trois dimensions, il est possible de déplacer des miroirs qui viennent s'interposer dans les faisceaux lumineux pour en modifier la trajectoire. Une des principales limitations rencontrées avec ce type de commutateurs optiques tient à la divergence des faisceaux dans l'espace de commutation. D'autres difficultés apparaissent pour l'alignement des éléments optiques ou pour une éventuelle implantation de lentilles de collimation des faisceaux.

Enfin, le document (6) prévoit une commutation en utilisant un liquide adaptateur dans des cuvettes disposées dans des voies optiques. La commutation a lieu, par exemple, entre un état de réflexion dans lequel la cuvette est vide et un état de transmission dans lequel la cuvette est emplie d'un liquide adaptateur d'indice. Dans ce type de commutation les difficultés sont liées à remplissage et au désemplissage des cuvettes.

Exposé de l'invention
L'invention a pour but de proposer un brasseur optique ne présentant pas les limitations des brasseurs ou commutateurs exposés ci-dessus.

Un but est en particulier de proposer un brasseur optique pouvant comporter un grand nombre de voies optiques, ne présentant pas de couplage parasite entre les différentes voies et présentant de faibles pertes optiques.

Un autre but de l'invention est de proposer un tel brasseur optique permettant de limiter les difficultés de l'alignement des éléments optiques.

L'invention a enfin pour but de proposer un procédé de réalisation d'un commutateur pour un brasseur optique qui soit particulièrement simple et économique, tout en offrant une bonne précision d'alignement des éléments optiques et une bonne fiabilité.

Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un brasseur optique comportant un réseau de voies optiques guidées, agencées en lignes et en rangées croisées, et présentant à chaque croisement entre une ligne et une rangée un commutateur optique. Le croisement des lignes et des rangées peut être un croisement à angle droit ou non.

Grâce à l'utilisation d'une pluralité de commutateurs et grâce à l'utilisation de voies optiques guidées entre les différents commutateurs, le brasseur optique de l'invention autorise une bonne séparation des voies tout en évitant les difficultés liées à la

divergence des faisceaux dans un espace de commutation libre.

Selon une réalisation particulière du brasseur optique, celui-ci peut comporter à chaque croisement entre une ligne et une rangée de voies optiques un logement de réception pour un appendice optique d'un commutateur optique, les voies optiques guidées de la ligne et la rangée débouchant respectivement dans le logement.

Dans une telle réalisation, les logements, dans lesquels débouchent les voies optiques guidées, constituent en quelque sorte un réseau d'espaces de commutation. L'espace de commutation unique des dispositifs décrits en relation avec l'état de la technique antérieure est donc remplacé par un réseau d'une pluralité d'espaces de commutation reliés entre eux par des voies optiques guidées. Chacun de ces espaces de commutation ne présente qu'un nombre réduit d'entrées et de sorties, par exemple une ou deux entrées et deux sorties.

L'appendice optique peut être, par exemple une lame transparente, un miroir, une lame semiréfléchissante, ou même un cache opaque.

Chaque commutateur présente ainsi essentiellement deux états de commutation dans lesquels l'appendice est soit inséré dans le logement de réception et donc interposé dans un faisceau susceptible de traverser le logement, soit retiré du logement. Dans ce dernier cas, le faisceau peut traverser librement le logement. L'appendice peut également être inséré plus ou moins profondément dans

son logement de façon à obtenir une commutation partielle ou graduelle.

De plus, comme chaque logement, pris individuellement, ne reçoit qu'un nombre très faible de voies optiques, ses dimensions peuvent être suffisamment réduites pour que la divergence des faisceaux qui le traversent soit négligeable.

Selon un aspect particulier de la réalisation du brasseur, le commutateur peut présenter un support flexible solidaire de l'appendice optique et des moyens de déformation du support flexible pour faire plonger plus ou moins profondément l'appendice optique dans le logement et/ou l'en retirer.

Le support flexible présente deux avantages principaux. Il permet d'une part de ne pas exercer directement une action mécanique sur l'appendice optique et autorise d'autre part un éventuel rappel automatique de l'appendice optique dans l'une des positions de commutation. Par exemple le support flexible peut être conçu pour retirer automatiquement l'appendice du logement de réception en l'absence d'une sollicitation des moyens de déformation.

Les moyens de déformation du support flexible peuvent comporter, par exemple, un moteur électrostatique avec au moins une première électrode solidaire de l'appendice optique et au moins une deuxième électrode solidaire d'un support fixe, et tournée vers la première électrode.

Le support flexible peut comporter, par exemple, une membrane ou une poutre flexible.

Le brasseur optique peut en outre être pourvu de butée d'arrêt du support flexible ou de l'appendice optique. Outre le fait de limiter la course de l'appendice optique dans le logement de réception, la ou les butées d'arrêt peuvent aussi être mises à profit pour ajuster le positionnement de l'appendice optique dans le logement de réception. L'ajustement consiste essentiellement en la disposition de l'appendice par rapport aux voies optiques guidées.

A cet effet, la butée peut présenter un relief adapté au positionnement de l'appendice optique lorsqu'il est plongé dans le logement. Le relief de positionnement peut coopérer directement avec l'appendice optique ; il est cependant préférentiellement ménagé sur un support rigide de façon à coopérer avec le support flexible.

L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un élément de commutateur pour un brasseur optique tel que décrit précédemment. Le procédé comprend les étapes successives suivantes : a) la mise en forme d'au moins une couche superficielle d'un premier substrat pour y définir un contour d'au moins un support flexible, b) le report d'au moins une couche de matériau d'un deuxième substrat sur la couche de support flexible du premier substrat, c) la mise en forme de la couche de matériau du deuxième substrat pour y définir au moins un appendice optique solidaire de la couche de support, d) la libération de la couche de support et de l'appendice optique.

L'étape c) du procédé peut être suivie d'une métallisation de l'appendice optique. Par ailleurs, l'étape b) du procédé peut comporter le report sur le premier substrat, d'un deuxième substrat avec une couche superficielle et au moins une couche de support, la couche superficielle du deuxième substrat étant mise en contact avec la couche superficielle du premier substrat, et la couche de support étant éliminée partiellement ou totalement avant la mise en forme de l'appendice optique.

L'élément de commutateur peut ensuite être assemblé avec un substrat présentant les voies optiques guidées et les logements de réception des appendices optiques. Lors de cet assemblage, chaque appendice optique de l'élément de commutateur est disposé en face d'un logement de réception.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en référence aux figures des dessins annexés.

Celle-ci est donnée à titre purement illustratif et non limitatif.

Brève description des figures.

- La figure 1 est une représentation schématique en plan d'une partie d'un brasseur optique conforme à l'invention.

- Les figures 2 et 3 sont des coupes schématiques à plus grande échelle d'un commutateur optique utilisé dans un brasseur optique conforme à l'invention, respectivement dans un premier et un deuxième états de commutation.

- Les figures 4 et 5 sont des coupes schématiques illustrant une variante de réalisation des commutateurs optiques, également dans les premier et deuxième états de commutation.

- Les figures 6,7, et 8 : sont des vues de dessus simplifiées d'un détail de commutateurs optiques conformes à l'invention et montrent différentes possibilités de leur réalisation.

- La figure 9 est une coupe schématique illustrant encore une autre variante de réalisation d'un commutateur conforme à l'invention.

- Les figures 10 à 14 sont des coupes schématiques de substrats montrant des étapes successives de la fabrication d'une partie d'un commutateur optique conforme à l'invention, comprenant un appendice optique.

- Les figures 15 à 20 sont des coupes schématiques de substrats montrant des étapes successives de la fabrication d'une partie d'un commutateur optique conforme à l'invention, comprenant un appendice optique, et illustrant une variante de mise en oeuvre du procédé des figures 10 à 14.

- Les figures 21 à 26 sont des coupes schématiques de substrats montrant des étapes successives de la fabrication d'une partie d'un commutateur optique conforme à l'invention, comprenant un appendice optique et illustrant encore une autre variante de mise en oeuvre du procédé des figures 10 à 14.

- Les figures 27 à 31 sont des coupes schématiques d'un substrat, à plus petite échelle,

montrant des étapes successives de la fabrication d'une partie d'un commutateur optique conforme à l'invention, comprenant un logement de réception d'un appendice optique.

- Les figures 32 à 35 sont des coupes schématiques d'un substrat, à plus petite échelle, montrant des étapes successives de la fabrication d'une partie d'un commutateur optique conforme à l'invention, comprenant un logement de réception d'un appendice optique et constituant une variante du procédé des figures 27 à 31.

Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention.

Dans la description qui suit des éléments identiques, similaires ou simplement équivalents des différentes figures sont repérés avec les mêmes références numériques. Par ailleurs, pour des raisons de clarté, les différentes parties des figures ne sont pas représentées selon une échelle uniforme.

La figure 1 montre, de façon schématique, la base d'un brasseur optique conforme à l'invention. Un substrat 100 comprend un réseau de guides optiques intégrés 102, agencés en lignes 104 et en rangées 105.

Les lignes et rangées de guides optiques se croisent respectivement à angle droit et présentent en au moins l'une de leurs extrémités une connexion optique à des fibres optiques 106, 107. Les fibres optiques 106,107 qui correspondent aux lignes et aux rangées de guides optiques intégrés ne font pas directement partie du brasseur optique mais permettent de relier et de

connecter le brasseur à d'autres composants optiques placés à distance.

Une première série de fibres optiques 106 connectées aux lignes 104 de guides optiques forment, par exemple, des voies optiques d'entrée du brasseur, tandis qu'une deuxième série de fibres optiques 107, connectées aux rangées 105, de guides optiques peuvent former des voies optiques de sortie.

A chaque intersection d'une ligne et d'une rangée de guides optiques se trouve un logement 110 gravé dans le substrat 100. Les logements sont prévus pour pouvoir recevoir des appendices optiques non représenté sur la figure. Chaque logement fait partie, avec l'appendice qui lui est associé, d'un commutateur optique.

Il convient de noter qu'un faisceau de lumière en provenance, par exemple d'une fibre optique d'entrée 106, est canalisé d'un logement de réception 110 au suivant par des portions d'un guide optique intégré correspondant. En revanche à l'intérieur des logements 110 le faisceau n'est plus guidé mais se trouve en propagation libre. La dimension des logements peut cependant être réduite à des valeurs suffisamment faibles pour que la divergence du faisceau soit négligeable. Lorsqu'un des logements reçoit un appendice optique, par exemple sous la forme d'un miroir disposé obliquement à une ligne optique guidée, le faisceau de lumière canalisé par cette ligne est défléchi vers la rangée correspondant au même logement.

Lorsqu'un logement ne contient pas d'appendice optique il est transparent pour le faisceau qui le traverse.

Le dispositif tel que représenté à la figure 1 n'est pas complet. Il est associé à une deuxième structure destinée à faire plonger des appendices optiques dans des logements 110 du substrat 100 et à les en retirer.

La figure 2 est une coupe d'une partie d'un brasseur optique conforme à l'invention et montre l'un des commutateurs du brasseur.

On reconnaît sur la figure 2 le substrat 100 équipé de guides optiques 102 et présentant entre deux tronçons colinéaires 102a, 102b d'un guide optique, un logement de réception 110 d'un appendice optique. Les tronçons 102a, 102b font partie d'une voie optique guidée, agencée selon une ligne ou une rangée. Ils relient entre eux différents logements, ou relient les logements à des fibres optiques. Le logement de réception 110 se prolonge par une cavité 112 gravée dans le substrat et s'étendant en partie sous les tronçons de guide optique 102.

La cavité 112 peut constituer un simple prolongement du logement 110 mais peut également constituer un réservoir pour un liquide ou un gel avec un indice optique sélectionné pour participer à la commutation, lorsqu'un appendice optique est inséré dans le logement 110.

Un deuxième substrat 120 solidaire du premier substrat 100 présente une membrane flexible 122 disposée dans un puits 124. La membrane 122 porte en son milieu, c'est-à-dire dans sa région de déformation maximum un petit miroir 130. Le miroir constitue un appendice optique au sens de l'invention.

Dans un premier état de commutation qui est celui représenté sur la figure 2, la membrane occupe une position de repos dans laquelle elle n'est pas déformée et dans laquelle le miroir 130 se trouve hors du logement de réception 110 qui lui est associé.

Dans un second état de commutation, la membrane est sollicitée par des moyens de déformation. Ces moyens, qui ne sont pas représentés sur les figures 1 et 2, exercent sur la membrane une force de flexion indiquée symboliquement par une flèche sur la figure 3.

La flexion de la membrane en direction du premier substrat 100 permet au miroir 130 de plonger dans le logement de réception 110. Le miroir 130 est alors interposé dans la trajectoire d'un faisceau lumineux susceptible de provenir du premier tronçon de guide optique 102a, par exemple. Le faisceau lumineux n'atteint alors plus le deuxième tronçon 102b mais est défléchi vers un autre guide optique perpendiculaire au plan de la figure. Ce guide n'est pas représenté car extérieur au plan de coupe de la figure.

Le miroir 130 peut éventuellement plonger dans un liquide optique contenu dans la cavité 112 pour limiter les pertes optiques du commutateur.

La figure 4 montre une réalisation particulière du commutateur des figures 2 et 3, dans laquelle les moyens de déformation de la membrane comportent un moteur électrostatique. Le moteur électrostatique comprend une électrode mobile 132 solidaire de la membrane et une électrode fixe 134 solidaire du premier substrat 100 et disposée en regard de l'électrode mobile. L'application d'une tension de commande entre

l'électrode fixe et l'électrode mobile provoque la flexion de la membrane 122 et la descente du miroir 130 dans le logement de réception 110. Des butées 136 solidaires du premier substrat sont prévues pour éviter un contact entre l'électrode mobile et l'électrode fixe. Une deuxième fonction des butées 136 est une fonction de positionnement qui est expliquée ci-après.

Comme le montre la figure 4, le commutateur peut souffrir d'un certain nombre d'imperfections conduisant à un déplacement du miroir qui n'est pas perpendiculaire aux faisceaux de lumière susceptibles d'être émis par les guides optiques. Ces imperfections peuvent provenir d'un défaut de scellement du deuxième substrat sur le premier, comme cela apparaît sur la partie droite de la figure, d'un défaut d'encrage de la membrane 122 sur le deuxième substrat 120, ou d'une inhomogénéité de contraintes dans la membrane.

Tant que le miroir est en dehors du logement, les défauts de perpendicularité du miroir sont sans conséquence. En revanche, il est préférable que ces défauts soient compensés dès lors que le miroir occupe sa position de commutation dans le logement de réception 110. La fonction de compensation des défauts de perpendicularité est assurée par les butées 136 qui servent également comme moyen de positionnement de la membrane et donc du miroir. Les butées sont, dans l'exemple illustré, solidaires des tronçons de guide optiques 102a et 102b, de part et d'autre du logement de réception de façon à parfaitement positionner le miroir dans l'état de commutation correspondant à la position abaissée de la membrane.

Comme le montre la figure 5, les butées 136 corrigent les défauts mécaniques d'alignement et de fabrication. Ils coopèrent avec la membrane sans toutefois entrer en contact avec le miroir.

La-réalisation du support flexible pour l'appendice optique peut prendre différentes formes. En particulier, la membrane peut être remplacée par des poutrelles flexibles.

La figure 6 montre une première vue en plan des poutrelles et de l'appendice optique 130. L'appendice 130 est supporté par quatre poutrelles 138 disposées en croix et solidaires du deuxième substrat 120. Chaque quadrant défini par les poutrelles en croix est occupé par une électrode mobile 132 carrée. Les électrodes, libres en déplacement dans un sens correspondant au mouvement de l'appendice optique, c'est-à-dire perpendiculairement au plan de la figure, ne sont solidaires que de l'appendice optique. La rigidité des électrodes est choisie suffisante pour éviter leur déformation ou tout au moins suffisante pour que leur déformation soit inférieure à celle du support flexible, c'est-à-dire ici, des poutrelles.

La figure 7 montre une autre possibilité de réalisation dans laquelle seules deux poutrelles 138 s'étendent selon une diagonale d'un puits carré 124 du deuxième substrat 120. La disposition des poutrelles selon la diagonale permet d'augmenter leur longueur et donc leur flexibilité. Une meilleure flexibilité des poutrelles, à surface égale, permet de diminuer l'énergie électrostatique nécessaire au déplacement de l'appendice optique. Ceci permet encore de réduire

éventuellement l'aire des électrodes et donc obtenir une plus forte intégration des commutateurs.

La flexibilité des poutrelles peut encore être améliorée en leur conférant un dessin en S comme le montre la figure 8. Le dessin en S présente aussi l'avantage de réduire le risque de flambage latéral des poutrelles.

La figure 9 montre une réalisation particulière d'un commutateur optique conforme à l'invention. Celuici présente un certain nombre de caractéristiques communes avec les dispositifs des figures 2 à 4, qui ne sont pas reprises ici.

On peut observer que l'appendice optique 130 comprend deux miroirs sous la forme d'une couche de métallisation 131. Celle-ci garnit les flancs de l'appendice tournés vers les tronçons de guide optique 102a et 102b.

Le guide optique 102, et donc chaque tronçon, comprend un coeur 140 vecteur de la lumière et des couches de confinement 142 et 144 destinées à confiner la lumière dans le coeur.

La première couche de confinement 142 est solidaire du premier substrat 100 tandis que la deuxième couche de confinement 144 est reliée au deuxième substrat 120. Le deuxième substrat comprend une première couche de silicium 150, une couche intermédiaire d'oxyde de silicium 152 formant la membrane 122 et une deuxième couche de silicium massive 154. Dans cette structure l'épaisseur de la première couche 150 fixe pour l'essentiel le débattement de la

membrane entre les deux états de commutation. Le débattement est aussi fixé par les butées 136.

Dans la description qui suit, différentes possibilités de mise en oeuvre d'un procédé de réalisation d'un commutateur optique conforme à l'invention, vont être décrites. Selon une première possibilité correspondant aux illustrations des figures 10 à 14, une membrane est réalisée en oxyde de silicium, tandis que le corps de l'appendice optique associé à la membrane est réalisé en silicium.

La figure 10 montre la préparation d'un substrat de support 154, en silicium, présentant à sa surface une couche mince d'oxyde de silicium 152. Une gravure sèche selon un masque de gravure non représenté de la couche d'oxyde de silicium permet d'y définir les contours d'une membrane 122 ou de poutrelles.

Un deuxième substrat est formé d'une plaquette 156 de type silicium sur isolant (SOI, Silicon On Insulator) comportant une couche superficielle 150 de silicium, une couche enterrée d'oxyde de silicium 158 et une couche massive de silicium 160. Il est scellé sur le substrat de support 154. Plus précisément la couche superficielle 150 est reportée et scellée sur la couche d'oxyde de silicium 152. Cette opération est illustrée par la figure 11.

Après avoir éliminé la couche massive de silicium 160 et la couche enterrée d'oxyde de silicium 158, la couche superficielle de silicium 150 est soumise à un traitement de photolithographie et de gravure pour y définir un appendice optique 130. Comme le montre la figure 12, l'appendice optique est

solidaire de la partie de la couche d'oxyde de silicium formant la membrane 122.

Les figures se limitent volontairement à une partie de la structure coïncidant avec un seul commutateur. Toutefois, il convient de noter qu'une pluralité de membranes et une pluralité d'appendices optiques peuvent être réalisés de façon concomitante dans le même substrat.

La gravure de la couche mince de silicium peut être une gravure sèche à ions réactifs ou une gravure humide, par exemple. Dans ce dernier cas, l'orientation cristalline de la couche mince de silicium 150 peut être mise à profit pour la gravure.

Une opération suivante, illustrée par la figure 13, consiste en une métallisation de l'appendice et de la membrane. La métallisation comprend le dépôt d'une couche de métal sur l'ensemble de la structure puis la gravure de cette couche pour l'éliminer dans les régions où elle n'est pas souhaitée. Elle peut aussi être réalisée par une évaporation à travers un masque rigide qui sera ôté ultérieurement. La métallisation permet de former des miroirs 131 sur les flancs de l'appendice 130 et, simultanément, de former une électrode mobile 132 sur la membrane 122.

La figure 14 montre la libération de la membrane 122 par gravure locale du substrat de support 154. Cette gravure opérée par voie sèche ou humide, a lieu par la face arrière , c'est-à-dire la face opposée à l'appendice optique. La structure de la figure 14 est ensuite reportée sur un autre substrat présentant les guides optiques et les logements de

réception des appendices optiques. La fabrication d'un tel substrat, équipé de guides optiques, est décrite ultérieurement.

Les figures 15 à 20 illustrent une autre possibilité de mise en oeuvre du procédé de fabrication d'un commutateur optique. Cette mise en oeuvre du procédé correspond à la réalisation d'une membrane en silicium et la réalisation d'un appendice optique en oxyde de silicium.

La figure 15 montre un substrat de support de type SOI, c'est-à-dire un substrat présentant une couche mince superficielle 152 de silicium, une couche enterrée 153 d'oxyde de silicium et une couche de support massive 154, en silicium.

Une première étape de photolithographie et de gravure est mise en oeuvre pour mettre en forme la couche mince superficielle 152. Lors de cette gravure, illustrée par la figure 16, la couche enterrée d'oxyde de silicium peut être utilisée comme couche d'arrêt de gravure. La gravure permet de fixer les contours de la membrane 122.

Un deuxième substrat 156, pourvu d'une couche de silicium 160, et d'une couche épaisse d'oxyde de silicium 150 est reporté et scellé sur le substrat de support, en mettant en contact la couche épaisse d'oxyde 150 avec la couche mince 152 et la membrane 122 du substrat de support.

Les étapes suivantes sont l'élimination de la couche de silicium 160 du deuxième substrat, la définition de l'appendice optique 130 et la formation des miroirs 131 et de l'électrode mobile 132. Ces

opérations, illustrées par les figures 18, 19 et 20 sont sensiblement les mêmes que celles illustrées par les figures 12,13, et 14 précédemment décrites. On peut toutefois observer que la couche mince d'oxyde enterrée 153 est gravée en face arrière à la suite de la couche de silicium 154 du substrat de support et que la membrane 122 est uniquement formée à partir de la couche mince superficielle 152 de la structure SOI. La gravure de la couche d'oxyde de silicium 153 peut avoir lieu par ions réactifs tandis que la couche massive de silicium 154 peut être gravée par voie sèche ou humide. La couche mince d'oxyde de silicium 152 et la membrane 122 servent alors de couche d'arrêt de gravure.

Puis, comme indiqué précédemment, cette structure est reportée sur un autre substrat présentant les guides d'onde et les logements.

Selon une troisième possibilité de mise en oeuvre du procédé de l'invention, non seulement la membrane mais aussi l'appendice optique sont réalisés en silicium. Cette mise en oeuvre est illustrée par les figures 21 à 26.

Les étapes correspondant aux figures 21 et 22, sont identiques à celles des figures 15 et 16. Elles consistent à fournir un substrat de type SOI et de définir les contours d'une membrane 122 dans la couche superficielle 152 de ce substrat.

Comme le montre la figure 23, on reporte sur ce substrat un deuxième substrat 156, également de type SOI avec une couche superficielle de silicium 150, une couche enterrée d'oxyde de silicium 158 et une couche de silicium massif 160. A la différence du deuxième

substrat de la figure 11, le deuxième substrat de la figure 23 présente en outre une couche superficielle d'oxyde de silicium 151. Celle-ci peut être formée par dépôt ou par oxydation partielle de la couche superficielle de silicium 150.

Le deuxième substrat est reporté sur le substrat de support en mettant en contact et en scellant la couche superficielle d'oxyde de silicium 151 avec la couche de silicium 152 et avec la membrane 122.

La couche massive 160 du deuxième substrat et la couche enterrée 158 sont ensuite éliminées pour mettre à nu la couche de silicium 150 dite superficielle. Celle-ci est ensuite soumise à des opérations de photolithographie et de gravure pour mettre en forme l'appendice optique 130. Lors de cette gravure, la couche superficielle d'oxyde de silicium 151 du deuxième substrat est utilisée comme couche d'arrêt de gravure et est donc préservée. Ceci apparaît à la figure 24.

La figure 25 montre la métallisation de l'appendice optique 130 pour former un miroir 131 et l'électrode mobile 132. La métallisation est précédée par l'élimination en face avant, de la couche d'arrêt de gravure, c'est-à-dire de la couche d'oxyde de silicium 151.

La membrane est entièrement libérée par la gravure en face arrière, c'est-à-dire par la face opposée à l'appendice optique, de la couche de silicium 154 de la plaquette de SOI et de la couche d'oxyde de silicium 153 de cette même plaquette. On obtient

finalement une structure conforme à la figure 26. Elle est désignée par structure de commutation. Cette structure, de même que celles représentées sur les figures 14 et 20 doivent être reportées sur un substrat comprenant les voies optiques guidées et les logements de réception des appendices optiques. La fabrication d'un tel substrat, désigné par substrat optique, est décrite ci-après.

Une première étape de fabrication du substrat optique est illustrée par la figure 27.

Celle-ci montre la formation sur un substrat de support 100 d'un guide optique 102. Le guide optique est formé par le dépôt successif d'une première couche de confinement optique 142, d'au moins une couche 140 du coeur optique et d'une deuxième couche de confinement optique 144, superficielle. Ces trois couches peuvent être réalisées en oxyde de silicium et se différencient par des indices optiques différents provenant de dopages différents (phosphore, bore,...) ou être réalisées en matériaux différents par exemple un empilement oxyde-nitrure-oxyde. La fabrication des voies optiques guidées, c'est-à-dire ici des guides optiques intégrés a lieu selon des techniques connues en soi. Elles consistent essentiellement en la mise en place des couches de confinement et de la couche de coeur évoquées ci-dessus, et en la mise en forme de ces couches pour définir les lignes et les rangées de guides optiques. Pour la disposition des lignes et des rangées on peut se reporter à la figure 1 déjà décrite.

Une deuxième étape, illustrée par la figure 28, consiste pour l'essentiel en une gravure partielle de la couche d'oxyde de silicium superficielle 144, de façon à lui conférer un relief avec des dépressions 180 et des bossages 136. Les bossages 136 constituent les butées de positionnement déjà évoquées précédemment. La gravure partielle de la couche superficielle d'oxyde de silicium est de préférence une gravure par ions réactifs.

La figure 29 montre une étape de métallisation du substrat en pleine plaque. Une couche de métal 134, par exemple une couche Al, Cu, W ou AlSi, recouvre l'ensemble de la surface libre du substrat et vient notamment tapisser les dépressions 180.

Des opérations de photolithographie et de gravure, illustrées par la figure 30, sont destinées à la mise en forme de la couche de métal et permettent de délimiter la ou les électrodes fixes. Celles-ci sont également repérées avec la référence 134. La mise en forme de la couche de métal permet de définir de façon concomitante des pistes conductrices d'adressage des électrodes. Les pistes d'adressage ne sont pas visibles sur la figure. On peut enfin observer, sur la partie centrale de la figure 30, une région disposée entre les électrodes fixes 134 où la couche de métal a été éliminée. Cette région correspond à un emplacement pour la formation d'un logement de réception d'un appendice optique.

La gravure du logement de réception 110 est illustrée par la figure 31. Elle s'étend à travers les couches de confinement optique 142,144 en oxyde de

silicium ainsi qu'à travers le coeur optique 140 du guide optique 102. La gravure anisotrope du logement 110 peut éventuellement être poursuivie par une gravure isotrope du substrat 100 sous-jacent de manière à y former une cavité 112 indiquée en trait discontinu sur la figure. La gravure sépare aussi le guide optique intégré 102 en deux tronçons 102a et 102b qui débouchent dans le logement de réception 110 en se faisant exactement face. De la même façon, le logement de réception 110 sépare aussi deux tronçons d'un autre guide optique formant un angle avec le guide optique 102 représenté sur la figure. Ce deuxième guide optique n'est pas visible sur la figure car extérieur au plan de coupe.

Le substrat optique de la figure 31 est ensuite associé à une structure de commutation pour obtenir un commutateur optique comparable à celui de la figure 9 précédemment décrite en interposant si nécessaire une isolation électrique. L'appendice optique est disposé à l'aplomb du logement de réception auquel il est associé. L'assemblage des deux parties peut avoir lieu grâce à des techniques connues : adhésion moléculaire, cordon de résine photosensible, scellement anodique, eutectique ou collage par l'intermédiaire d'un liant.

Les figures ne représentent, pour des raisons de commodité, qu'une partie de substrat avec un seul logement de réception d'un appendice optique ou une structure de commutation avec un seul appendice optique. Il convient cependant de souligner que le substrat optique peut comporter une pluralité de tels

logements, associés à une pluralité de guides optiques tandis que la structure de commutation peut comporter un nombre correspondant d'appendices optiques.

Les figures 32 à 35, décrites ci-après, indiquent une autre possibilité de réalisation d'un substrat optique conforme à l'invention.

La figure 32 montre, comme la figure 27 déjà décrite, la formation d'un substrat 100 portant des guides optiques intégrés 102.

Une étape suivante consiste à déposer sur la surface libre du substrat une couche de métal 134. Il s'agit par exemple d'une couche d'aluminium déposée par évaporation ou pulvérisation. Comme le montre la figure 33, la couche de métal recouvre la couche supérieure 144 de confinement optique.

Des opérations de photolithographie et de gravure sont ensuite effectuées pour mettre en forme la couche métallique afin de constituer les électrodes fixes et des pistes d'adressage. Par simplification, sur la figure 34, les électrodes fixes sont repérées par la même référence numérique 134 que la couche métallique elle-même. Les pistes de connexion, dont une seule est visible, portent la référence 135. On peut observer que deux électrodes fixes ou tout au moins deux parties de l'électrode fixe sont séparées par une région où le métal est éliminé. Cette région correspond à l'emplacement futur d'un logement de réception.

La figure 35, montre la formation d'une couche isolante électrique déposée également en pleine plaque, de façon à recouvrir le substrat et les électrodes. Des ouvertures 184 pratiquées dans la couche isolante 182

peuvent être prévues pour des prises de contact sur les pistes de connexion. On observe enfin la gravure d'un logement 110 de réception d'un appendice optique à travers les couches du guide optique 102. La couche isolante 182 qui tapisse les électrodes 134 de part et d'autre du logement de réception constitue non seulement une isolation entre le substrat optique et la structure de commutation qui doit y être reportée, mais forme aussi des butées de positionnement du support flexible portant l'appendice optique de la structure de commutation.

DOCUMENTS CITES fil "Bistable 2x2 and multistable 1x4 micromechanical fibre-optic switches on silicon", P. Kopka, M.

Hoffmann, E. Voges, MOEMS 99, Mainz (D), August 30September 1, 1999 f2J "Low voltage, wavelengh and polarisation independant micro-opto-mechanical switch integrated on silicon", E. Ollier, P. Mottier, ECIO 97, Stockholm (Sweden), April 2-4, 1997 [3J "Optical-layer networking : opportunities for and progress in ligthwave micromachines", L. Y. Lin, E. L. Goldstein, OFC 2000, Baltimore (US), March 7- 10, 2000 [4J "4x4 fiber optic matrix switch based on MOEMS", C.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Brasseur optique comportant un réseau de voies optiques guidées (102) agencées en lignes (104) et en rangées (105) croisées et présentant à chaque croisement entre une ligne et une rangée un commutateur optique (110,122, 132,134, 130).

2. Brasseur optique selon la revendication 1, comprenant à chaque croisement entre une ligne et une rangée de voies optiques guidées un logement de réception (110) d'un appendice optique (130) d'un commutateur optique, les voies optiques guidées de la ligne et la rangée débouchant respectivement dans le logement.

3. Brasseur optique selon la revendication 2, dans lequel l'appendice optique (130) est choisi parmi un miroir, une lame semi-réfléchissante et une lame opaque.

4. Brasseur optique selon la revendication 2, dans lequel le commutateur présente un support flexible (122,138) solidaire de l'appendice optique (130) et des moyens (132,134) de déformation du support pour faire plonger plus ou moins profondément et/ou retirer l'appendice optique du logement.

5. Brasseur optique selon la revendication 4, dans lequel les moyens de déformation comportent un moteur électrostatique avec au moins une première électrode (132) solidaire de l'appendice optique et au moins une deuxième électrode (134) solidaire d'un support fixe et tournée vers la première électrode.

6. Brasseur optique selon la revendication 4, dans lequel le support flexible comprend une membrane (122).

7. Brasseur optique selon la revendication 4, dans lequel le support flexible comprend au moins une poutre (138).

8. Brasseur optique selon la revendication 7, dans lequel la poutre (138) est repliée en S.

9. Brasseur optique selon la revendication 4, comprenant une butée d'arrêt (136) du support flexible.

10. Brasseur optique selon la revendication 9, dans lequel la butée (136) présente un relief de positionnement de l'appendice optique (130) lorsqu'il est plongé dans le logement.

11. Brasseur selon la revendication 10, dans lequel le relief est symétrique par rapport à l'appendice.

12. Brasseur optique selon la revendication 10, dans lequel ledit relief de positionnement est disposé sur un support rigide de façon à coopérer avec le support flexible.

13. Brasseur optique selon la revendication 2, dans lequel les logements de réception (110) comportent respectivement un réservoir de fluide (112).

14. Brasseur optique selon la revendication 1, dans lequel les voies optiques guidées comportent des guides optiques.

15. Brasseur optique selon la revendication 1, dans lequel les lignes et les rangées des voies optiques guidées sont sensiblement respectivement

parallèles entre elles, les lignes croisant les rangées en formant des angles droits.

16. Brasseur optique selon la revendication 1, dans lequel les lignes et les rangées de voies optiques guidées sont sensiblement parallèles entre elles, les lignes croisant les rangées en formant des angles constants différents de l'angle droit.

17. Procédé de réalisation d'un élément commutateur optique d'un brasseur conforme à la revendication 1, comprenant les étapes successives suivantes : a) la mise en forme d'au moins une couche superficielle (152) d'un premier substrat pour y définir un contour d'au moins un support flexible (122), b) le report d'au moins une couche de matériau (150) d'un deuxième substrat sur la couche de support flexible (152,122) du premier substrat c) la mise en forme de la couche de matériau (150) du deuxième substrat pour y définir un appendice optique (130) solidaire de la couche de support flexible, d) la libération de la couche de support flexible et de l'appendice optique.

18. Procédé selon la revendication 17, comprenant en outre, après l'étape c), une étape de métallisation de l'appendice optique.

19. Procédé selon la revendication 17, dans lequel l'étape b) comprend : - le report sur le premier substrat, d'un deuxième substrat avec une couche superficielle (150) et au moins une couche de support (158, 160), la couche

superficielle (150) du deuxième substrat étant mise en contact avec la couche superficielle (152) du premier substrat, et - l'élimination partielle ou totale de la couche de support (158,160) avant la mise en forme de l'appendice optique.

20. Procédé selon la revendication 17, dans lequel l'un des premier et deuxième substrats est un substrat de type SOI (silicium sur isolant).