FR2817629A1 - Procede de fabrication d'un commutateur optique, commutateur optique obtenu par ledit procede, et matrice de tels commutateurs - Google Patents

Abstract

Procédé de fabrication d'un commutateur optique (1) comportant :. une structure d'alignement (2) comprenant plusieurs rainures (3, 4) réalisées sur la face (10) d'un substrat (9), chaque rainure (3, 4) étant destinée à recevoir une fibre optique apte à émettre un faisceau lumineux;. une structure réfléchissante (6) apte à se déplacer entre deux positions, à savoir :. une position de réflexion, dans laquelle la structure réfléchissante (6) est disposée pour rediriger le faisceau optique issu d'une première fibre optique (45) vers une seconde fibre (46) optique;. une position de transmission, dans laquelle la structure réfléchissante (6) est disposée pour permettre au faisceau (45) de la première fibre optique (46) de continuer à se propager dans sa direction initiale;caractérisé en ce qu'il comporte deux étapes successives de gravure, à savoir :. une première étape de gravure anisotrope sèche du substrat, permettant de définir la forme générale (17) du miroir (6);. une seconde étape de gravure humide qui permet à la fois de définir la forme finale de la structure réfléchissante (6), et de définir la structure d'alignement (2).

Description

<Desc/Clms Page number 1>

PROCEDE DE FABRICATION D'UN COMMUTATEUR OPTIQUE, COMMUTATEUR OPTIQUE OBTENU PAR LEDIT PRECEDE ET MATRICE DE TELS COMMUTATEURS

Domaine technique
L'invention se rattache au domaine de la micro-électronique et des micro-systèmes opto-électromécaniques. Plus précisément, elle concerne des composants optiques pour le routage de faisceaux optiques. De tels composants comprennent des commutateurs optiques et des matrices de tels commutateurs. L'invention concerne également un procédé de fabrication de tels commutateurs, qui permet d'obtenir des structures optiques auto-alignées et compactes, présentant des caractéristiques optiques et mécaniques supérieures à celles des composants existants.

Techniques antérieures
Comme on le sait, les fibres optiques sont de plus en plus utilisées comme support de transmission pour le transport de la voix et des données. De façon similaire aux réseaux de communication utilisant des fils de cuivre, les réseaux à base de fibres optiques comportent des noeuds de routage qui permettent d'assurer la connexion dynamique entre les différentes fibres optiques des réseaux.

Dans les réseaux locaux, ou la rapidité n'est pas le critère fondamental, les opérations de routage sont effectuées par des systèmes opto-mécaniques. Il importe que ces noeuds de routage n'utilisent pas de systèmes de conversion opto-électronique, mais fonctionnent par transmission des faisceaux lumineux directement d'une fibre optique à l'autre.

De telles opérations sont fréquemment réalisées par des commutateurs optomécaniques. De tels commutateurs optomécaniques reposent sur le principe du déplacement des fibres les unes par rapport aux autres, et plus précisément de leur mise en alignement. Dans certaines formes de réalisation, les fibres restent immobiles, et les commutateurs assurent le déplacement d'un prisme ou de miroir qui permet de diriger les faisceaux optiques de façon appropriée.

<Desc/Clms Page number 2>

De tels commutateurs optomécaniques possèdent d'excellentes performances en termes d'indépendance de polarisation, de longueur d'ondes, de diaphonie, et de contraste.

Cependant, ces commutateurs optomécaniques présentent l'inconvénient de présenter des temps de réponse relativement élevés, de l'ordre de quelques dizaines de millisecondes.

En outre, ces commutateurs optomécaniques ont un prix de revient élevé.

Dans un souci de miniaturisation et d'augmentation des performances en termes de vitesse de commutation, on a déjà proposé de réaliser des commutateurs optiques en utilisant les technologies MEMS, c'est-à-dire l'utilisation de microstructures mécaniques fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs.

Ainsi, dans le document"A low voltage micromachined optical switch by stress induced pending"dans IEEE MEMS WORKSHOP 1999, pages 424-428, on a décrit un commutateur optique comportant deux fibres optiques d'entrée et deux fibres optiques de sortie. Ce commutateur comprend une poutre mobile qui supporte un miroir. Selon la position de cette poutre, le miroir se trouve ou non dans le champ de deux fibres optiques disposées face à face. Lorsque le miroir est situé entre les deux fibres optiques, il empêche la transmission des faisceaux lumineux. A l'inverse, lorsque le miroir est escamoté, le faisceau lumineux se propage d'une fibre optique vers la fibre optique située en regard. La poutre est attirée électrostatiquement vers le substrat avec un temps de commutation relativement faible, inférieur à la milliseconde.

Cependant, ce commutateur présente deux inconvénients majeurs, à savoir d'une part, l'absence de structure mécanique facilitant le positionnement des fibres optiques dans l'axe l'une de l'autre. Or, on sait que les contraintes d'alignement des fibres optiques sont extrêmement importantes, et ont une incidence primordiale sur les pertes d insertion optique. En outre, le commutateur décrit dans ce document nécessite le maintien d'une tension électrique pour conserver la poutre et donc le miroir dans la position voulue.

Un premier problème que se propose de résoudre l'invention est celui d'assurer un alignement parfait entre les différentes fibres optiques associées dans le commutateur, et la structure réfléchissante utilisée pour la commutation.

<Desc/Clms Page number 3>

Un autre problème que cherche à résoudre l'invention est celui de la consommation en énergie alors que les commutateurs doivent avoir la possibilité de garder une position de routage pendant de longues périodes.

Un autre type de commutateur optique a également été proposé dans le document"A silicon based moving mirror optical switch"dans"Journal of Lightwave Technology", volume 10, numéro 8, August 1992, pages 1078,1085. Ce commutateur se compose de deux parties distinctes. Sur la partie inférieure, deux rainures en V à 900 l'une de l'autre sont formées sur un substrat, par gravure anisotrope humide, afin de servir de structure d'alignement aux fibres optiques.

Dans le même temps que les rainures en V sont fabriquées, des cavités pyramidales

sont également formées pour permettre l'insertion de billes utilisées comme pivot pour c l'actionnement d'une plaque supportant un miroir.

La partie supérieure de ce commutateur comprend le miroir. Ce miroir est défini par une gravure anisotrope humide d'un substrat. Il est délimité par des plans qui sont perpendiculaires à la face principale du substrat. Une tranchée est réalisée dans le substrat de la partie inférieure, de façon à permettre l'insertion du miroir de la seconde partie.

L'ensemble du commutateur est actionné par un relais électromagnétique classique. De par sa conception, un tel commutateur présente un temps de réponse rapide, de l'ordre de la milliseconde. Cependant, ce commutateur présente de multiples inconvénients, et notamment le fait qu'il est réalisé à partir de deux parties distinctes qu'il est nécessaire d'assembler, avec tous les risques inhérents aux opérations d'assemblage sur les contraintes d'alignement.

En outre, le fait de réaliser une rainure dans le substrat de la partie inférieure génère de façon quasi inévitable des erreurs d'alignement entre le miroir et les rainures supportant les fibres optiques.

Un autre commutateur optique a été présenté dans le document"Silicon micro

optical switching device with an elctromagnetically operated cantilever"dans "Transducer 1999"pages 386, 389. Le commutateur décrit dans ce document comporte

<Desc/Clms Page number 4>

deux paires de miroirs verticaux perpendiculaires, dont l'une peut se déplacer par rapport à l'autre, car elle est montée sur une poutre mobile.

Quatre fibres optiques sont disposées en face des deux des paires de miroirs perpendiculaires. Selon leur position relative de ces deux miroirs, les faisceaux émis par les fibres optiques se réfléchissent soit sur les deux miroirs d'une même paire, soit sur les miroirs en regard de deux paires différentes.

Ces miroirs verticaux sont réalisés par des étapes de gravure anisotrope sèche profonde, autrement appelée"deep RIE". L'emploi d'une telle technologie se traduit par un certains nombres d'inconvénients au niveau du miroir, et notamment une certaine rugosité du miroir qui engendre des pertes optiques. En outre, de part sa conception, le trajet optique est relativement important puisqu'il nécessite la réflexion sur deux miroirs, ce qui augmente les pertes optiques. En outre, le positionnement des fibres optiques se fait

via un module indépendant dont l'alignement engendre également des pertes optiques. c
Dans le document WO 98/12589, on a également décrit un commutateur optique obtenu par gravure ionique réactive profonde d'un substrat silicium sur isolant (SOI). Ce dispositif, s'il présente l'avantage d'assurer un alignement des fibres optiques par rapport au miroir, présente en revanche l'inconvénient dû à l'utilisation d'une technologie de la gravure ionique. En effet, le miroir ainsi obtenu présente une rugosité dont les inconvénients ont déjà été évoqués. En outre, l'utilisation de substrats SOI avec une technologie de gravure profonde se traduit par une sous gravure des motifs. Autrement dit, le miroir ainsi obtenu n'est pas réellement plan, ce qui peut engendrer des pertes optiques.

En outre, le déplacement du miroir décrit dans ce document nécessite un actionneur de très grande dimension. Un tel commutateur reste donc limité à des applications utilisant un commutateur unique, et il n'est pas raisonnablement intégrable dans des matrices incluant un nombre important de commutateurs.

Par ailleurs, dans le document US 5 960 132, on a décrit une matrice de commutateurs optiques. Cette matrice de commutateurs comprend une pluralité de miroirs, chaque miroir étant associé à un ou plusieurs actionneurs. Chaque miroir est relié

<Desc/Clms Page number 5>

à une plate-forme et se déplace d'un état de réflexion à un état escamoté en pivotant par l'intermédiaire de charnières. Une telle matrice présente des temps de commutation satisfaisants, de l'ordre de 700 micro secondes.

Cependant, le problème de l'alignement des fibres optiques par rapport au miroir n'est pas résolu. En outre, le matériau utilisé pour réaliser les miroirs est du polysilicium qui entraîne comme déjà évoqué une rugosité de surface relativement importante, génératrice de pertes optiques. En outre, la durée de vie d'un actionneur en polysilicium est plus réduite que celle d'un actionneur en silicium cristallin.

Dans le document"Self aligned mirrors and V-grooves in free space micromachined optical switches"dans"Electronic Letters", issue 6, volume 36, publié le 16 Mars 2000, on a également décrit un autre type de commutateurs optiques. Un tel commutateur possède une structure d'alignement comportant des rainures destinées à accueillir les fibres optiques. Ce commutateur comporte également une structure réfléchissante montée sur une poutre apte à se déplacer par rapport au reste du substrat. Le miroir monté sur la poutre peut donc se déplacer entre deux positions. Dans une première position, dite position de réflexion, le miroir est disposé pour rediriger le faisceau optique issus d'une première fibre optique vers une seconde fibre optique. Dans unc autre position, dite position de transmission, le miroir est disposé de telle sorte que le faisceau issus de la

'ère f 1 1 première fibre optique continue à se propager dans sa direction initiale.

L'alignement des fibres optiques et du miroir est optimal, puisque le miroir et les rainures accueillant les fibres optiques sont obtenus par une gravure anisotropique humide, de façon simultanée. Les orientations des structures étant entièrement définies par la cristallographie du silicium, on assure donc ainsi un auto-alignement du miroir et des rainures accueillant les fibres optiques, ce qui réduit par conséquent les pertes optiques. Une deuxième étape de gravure définit la poutre permettant de rendre mobile le miroir. Le procédé utilisé permet donc d'obtenir un auto alignement qui s'avère particulièrement avantageux. Cependant, ce commutateur présente toutefois un inconvénient dû au procédé de gravure humide. En effet, la vitesse de gravure horizontale des parois du miroir est égale à la vitesse de gravure verticale. Cette contrainte liée à la cristallographie du silicium implique donc que pour la fabrication d'un miroir de 200

<Desc/Clms Page number 6>

microns de hauteur par exemple, la largeur du masque définissant le miroir doit être supérieure à plus de 400 microns.

On conçoit donc que l'utilisation d'un usinage de volume est fortement consommateur de surface de silicium, ce qui limite nettement les possibilités d'associer de tels commutateurs en matrices de grandes dimensions.

Un problème que se propose donc de résoudre l'invention est de fournir une technique qui permette de multiplier le nombre de commutateurs présents dans une matrice sans engendrer de fortes pertes optiques, et tout en conservant la possibilité d'un auto alignement obtenu grâce à la cristallographie du silicium.

Exposé de l'invention
L'invention concerne donc un procédé de fabrication d'un commutateur optique. Un tel commutateur comporte 'une structure d'alignement comprenant plusieurs rainures réalisées sur la face d'un substrat, chaque rainure étant destinée à recevoir une fibre optique apte à émettre un faisceau lumineux ; 'une structure réfléchissante apte à se déplacer entre deux positions, à savoir : * une position de réflexion, dans laquelle la structure réfléchissante est disposée pour rediriger le faisceau optique issu d'une première fibre optique vers une seconde fibre optique ; * une position de transmission dans laquelle la structure réfléchissante est disposée pour permettre au faisceau de la première fibre optique de continuer à se propager dans sa direction initiale.

Conformément à l'invention, le procédé se caractérise en ce qu'il comporte deux étapes successives de gravure, à savoir :

* une première étape de gravure anisotrope sèche du substrat, permettant de définir la forme générale de la structure réfléchissante ; 'et une seconde étape de gravure humide qui permet à la fois de définir la forme finale de la structure réfléchissante en diminuant la rugosité générée lors de la première étape de gravure, et de définir la structure d'alignement.

<Desc/Clms Page number 7>

Autrement dit, la première étape de gravure sèche, permet de définir les contours généraux de la surface du miroir ou plus généralement de la structure réfléchissante.

Grâce à cette étape de gravure sèche, il est possible d'usiner le substrat, et typiquement le silicium, de façon relativement profonde. Le recours à une telle gravure en premier lieu permet donc de diminuer considérablement la surface requise sur le masque pour la fabrication d'un miroir élémentaire.

La deuxième étape de gravure, qui consiste en une gravure anisotrope humide, a pour but d'une part, de définir la forme finale du miroir par sous-gravure du masque, de manière à obtenir un poli de qualité optique, et d'autre part, de définir les structures d'alignement des fibres optiques par rapport au miroir. La face réfléchissante du miroir et les structures d'alignement des fibres sont donc réalisées au cours de la même gravure, ce qui permet d'obtenir une structure auto alignée.

L'enchaînement des deux étapes de gravure permet donc de limiter fortement la superficie du masque utilisé pour la gravure de la structure réfléchissante. En effet, dans l'état de la technique le plus proche, la réalisation du miroir est obtenu par gravure humide, avec une vitesse de gravure horizontale égale à celle de la gravure verticale.

Ainsi, pour une hauteur de miroir h, le motif sur le masque de lithographie définissant le miroir occupe une largeur au moins 2 h. Conformément à l'invention, la dimension de ce motif, mesurée perpendiculairement au miroir, est donc très fortement réduite.

Il s'ensuit que le trajet optique est donc réduit, et avec lui les pertes optiques. En outre, les faibles dimensions du masque utilisé pour la gravure de la structure réfléchissante permettent donc de l'intégrer dans des matrices de commutateurs de plus faibles dimensions globales.

Avantageusement en pratique, lors de la première étape de gravure sèche, on peut former des amorces de rainure aux emplacements de la structure d'alignement. Puis, lors de la seconde étape de gravure humide, on transforme ces amorces de rainure en rainures proprement dites, dans lesquelles sont mises en place les fibres optiques.

<Desc/Clms Page number 8>

Autrement dit, on réalise par gravure sèche des amorces de rainures, qui peuvent avoir une section rectangulaire. L'étape de gravure humide ultérieure définit des rainures d'une forme particulière en losange, du fait de la cristallographie du silicium. c
Dans une autre variante, les rainures de la structure d'alignement sont obtenues en une seule étape de gravure chimique.

Avantageusement en pratique, le procédé conforme à l'invention comporte en outre une étape de gravure permettant de former une plate-forme sur laquelle est située la structure réfléchissante. Cette plate-forme qui reçoit le miroir ou plus généralement la structure réfléchissante, présente une superficie limitée grâce à la faible consommation de

silicium dû à l'enchaînement caractéristique des deux étapes de gravure.

1 1 1 r s
Dans une étape ultérieure, ou de façon simultanée à la formation de la plate-forme, une gravure permet de former des zones déformables reliant la plate-forme au reste du substrat. Grâce à la flexibilité ou plus généralement au caractère déformable de ces zones caractéristiques, la plate-forme et la structure réfléchissante peuvent se déplacer entre les positions de réflexion et la position de transmission.

Avantageusement en pratique, la gravure permettant de former la plate-forme et/ou c les zones déformables est effectuée sur la face du substrat opposée à celle de la structure réfléchissante. Autrement dit, la plate-forme et les zones de liaison mécanique fixant celle-ci sur le substrat sont définies par la face de ce dernier opposée au miroir.

Dans une première forme d'exécution, le substrat utilisé peut être un substrat de silicium simple. Une étape de gravure humide ou sèche peut être utilisée pour définir la plate-forme et les zones déformables de liaison avec le substrat.

Dans une autre variante, le substrat utilisé peut être un substrat de silicium sur isolant (ou SOI Silicon On Insulator). Dans ce cas, le substrat comporte une couche de silicium de moindre épaisseur sur la face opposée à celle de la structure réfléchissante.

Ainsi, lors de la gravure de cette fine couche de silicium, on réalise les zones déformables dont l'épaisseur et est parfaitement définie, donc leur capacité de flexion, qui

<Desc/Clms Page number 9>

est un paramètre essentiel pour le bon fonctionnement du commutateur. Par la suite, après avoir défini les zones déformables de liaison avec le substrat, on réalise une attaque chimique de la couche de dioxyde de silicium pour libérer la plate-forme proprement dite.

L'invention concerne également un commutateur optique qui comporte : * une structure d'alignement comprenant plusieurs rainures réalisées sur la face d'un substrat, chaque rainure étant destinée à recevoir une fibre optique apte à émettre un faisceau lumineux ;

* une structure réfléchissante apte à se déplacer entre deux positions, à savoir : * une position de réflexion, dans laquelle la structure réfléchissante est disposée pour rediriger le faisceau optique issu d'une première fibre optique vers une seconde fibre optique ; * une position de transmission dans laquelle la structure réfléchissante est disposée pour permettre au faisceau de la première fibre optique de continuer à

se propager dans sa direction initiale.

1
Conformément à l'invention, la structure réfléchissante est située sur une plate- forme apte à se translater perpendiculairement au plan défini par les première et seconde fibres optiques.

Autrement dit, et contrairement à l'architecture définie dans l'état de la technique le plus proche, le miroir est monté non pas sur une poutre, mais sur une plate-forme de dimensions réduites. Cet équipage mobile formé de la plate-forme et du miroir ne pivote pas par rapport au reste du substrat, mais se translate perpendiculairement à la face principale du substrat. Cette plate-forme, dont les dimensions sont nettement inférieures à celles d'une poutre de l'Art antérieur, permet d'associer un nombre plus important de commutateurs élémentaires sur une surface unitaire.

En pratique, la plate-forme est reliée au substrat par des zones déformables, travaillant en flexion. Néanmoins, d'autres types de fonctionnement comme le flambage

peuvent être envisagés. c

<Desc/Clms Page number 10>

Avantageusement en pratique, les zones déformables définissent deux positions d'équilibre stable de la structure réfléchissante. De la sorte, la position de la structure réfléchissante peut être conservée sans consommation d'énergie.

Le commutateur conforme à l'invention comporte un actionneur destiné à déplacer la plate-forme. Cet actionneur peut exercer sur la plate-forme une force d'origine électrostatique, électromagnétique, ou encore thermique.

Ainsi, dans le cas d'un actionnement par une force électrostatique, la plate-forme peut constituer une première électrode. La seconde électrode peut être définie sur un autre substrat grâce à une définition géométrique complémentaire de l'emplacement de la plate- forme.

Dans une forme particulière de réalisation, l'actionneur peut être un électro-aimant ou une bobine apte à attirer une couche en un matériau magnétique solidaire de la plate- forme.

Les deux positions de la structure réfléchissante peuvent être maintenues sans consommation d'énergie par exemple grâce à l'utilisation d'aimants permanents, ou bien encore par la définition de positions d'équilibre stable, notamment par flambage des zones de liaison de la plate-forme avec le substrat.

Avantageusement en pratique, les rainures de la structure d'alignement peuvent

comporter un logement destiné à accueillir un organe collimateur. c
L'invention concerne également des matrices de commutateurs optiques. De telles matrices sont obtenues en assemblant une pluralité de commutateurs optiques tels que définis précédemment. Les structures d'alignement de ces commutateurs sont partagées et disposées en périphérie de la matrice. Les rainures de ces structures d'alignement accueillent des fibres optiques qui peuvent émettre des faisceaux sur les différentes structures réfléchissantes des commutateurs situés dans le prolongement de cette fibre optique.

Chacune des structures réfléchissantes des commutateurs de la matrice sont aptes à se déplacer entre leur position de réflexion et leur position de transmission, de façon

<Desc/Clms Page number 11>

indépendante d'un commutateur à l'autre, ce qui permet de connecter n'importe quelle fibre optique située d'un côté de la structure d'alignement avec n'importe quelle autre fibre optique située de l'autre côté de la structure d'alignement.

Avantageusement en pratique, la matrice de commutateurs optiques comporte une structure porteuse formée dans le substrat, et qui définit des logements pour les structures réfléchissantes de chacun des commutateurs optiques. Autrement dit, la structure porteuse du substrat est dimensionnée de manière à limiter les couplages mécaniques entre les différentes plates-formes de différentes commutateurs adjacents.

Avantageusement en pratique, les commutateurs optiques d'une même matrice sont c disposés en lignes et colonnes parallèles, les lignes étant perpendiculaires aux colonnes.

Description sommaire des figures
La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées, dans lesquelles :
La figure 1 est une vue de dessus schématique d'un commutateur conforme à l'invention.

La figure 2 est une vue en coupe selon un plan diagonal Il-Il'de la figure 1.

La figure 3 est une vue en coupe selon un plan transversal III-III'de la figure 1.

Les figures 4 et 5 sont des vues en coupe diagonale selon le plan IV-IV'de la figure 1, du commutateur illustré à différents stades de son procédé de fabrication.

Les figures 6 et 7 sont des vues en coupe transversale selon le plan III-III'de la figure 1, du commutateur illustré à différents stades de son procédé de fabrication.

Les figures 8a, 8b, 8c, 9 et 10 sont des vues en coupe transversale d'un commutateur conforme à l'invention montré à différent stade de son procédé de fabrication, et réalisé à partir d'un substrat silicium sur isolant.

La figure 11 est une vue en coupe selon le plan XI-XI'de la figure 1.

La figure 12 est une vue en coupe analogue à celle de la figure 11, dans laquelle la rainure d'alignement est réalisée selon une variante du procédé conforme à l'invention.

La figure 13 est une vue de dessus d'un détail du masque de gravure permettant l'obtention de l'extrémité d'une rainure d'alignement selon une variante d'exécution.

<Desc/Clms Page number 12>

La figure 14 est une vue de dessus de l'extrémité de la rainure obtenue avec le masque de la figure 13.

Les figures 15 et 16 sont deux vues en coupe transversale selon le plan III-III'de la figure 1, montrant la structure réfléchissante respectivement dans sa position de réflexion, et dans sa position neutre.

La figure 17 est une vue en perspective sommaire d'un commutateur selon l'invention.

La figure 18 est une vue schématique d'une matrice de commutateur conforme à l'invention.

Manière de réaliser l'invention
Comme déjà évoqué, l'invention concerne un commutateur optique et un procédé permettant de définir un tel commutateur.

Un tel commutateur, tel qu'illustré à la figure 1 possède essentiellement une c structure d'alignement (2) comportant des rainures (3,4) destinées à accueillir des fibres optiques, et un équipage mobile (5) apte à se déplacer par rapport à la structure d'alignement (2).

Plus précisément, la structure d'alignement (2) comprend dans la forme illustrée quatre rainures (3) associées deux à deux par paires. Les rainures (3) de même paire sont dans l'alignement l'une de l'autre. Cet alignement peut être légèrement décalé transversalement, de telle sorte que les intersections des axes des rainures perpendiculaires d'une même voie sont situés entre le plan médian du miroir et ses faces.

De la sorte, les deux voies sont égalisées à la fois dans l'état de transmission et dans l'état c de réflexion. Ces rainures (3) sont réalisées dans un substrat qui est du silicium, ou bien encore dans la couche épaisse en silicium d'un substrat SOI (silicium sur isolant). La direction des rainures (3,4) est définie vis à vis de la cristallographie du silicium. Ainsi, les rainures sont orientées dans la direction < 110 > . Ces rainures (3,4) peuvent être comme dans la forme illustrée à la figure 1, de section en V, et couramment appelées"V grooves"ou bien encore en forme de section en losange comme illustré à la figure 12.

Dans la forme illustrée à la figure 1, l'équipage mobile (5) comporte un miroir (6) plan parallèle à la direction < 100 > . Ce miroir plan (6) est situé sur une plate-forme (7)

<Desc/Clms Page number 13>

parallèle à la face principale (10) du substrat (9). Cette plate-forme (7) est reliée au reste du substrat (9) par l'intermédiaire de quatre zones déformables (11) qui comportent dans la forme illustrée différentes branches (12) reliant la plate-forme (7) proprement dite avec les parois (13) du substrat (9) perpendiculaire aux rainures (3,4).

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à cette seule géométrie de zone liaison entre la plate-forme (7) et le substrat (9), mais couvre de nombreuses autres variantes non illustrées.

Les figures 4 et 5 illustrent la manière dont est réalisé le miroir (6), conformément à l'invention. Ainsi, dans une première étape, on réalise une gravure anisotrope profonde, de préférence du type usinage profond de silicium, par exemple selon les techniques connues sous les appellations"deep RIE"ou"Electron Cyclotron Resonance (ECR)". Cette étape de gravure profonde permet de définir la forme générale (17) du miroir, représentée en trait gras sur la figure 4. Les plans (15,16) définissant les faces de la forme générale (17) du miroir (6) sont très proches des plans de la famille {100}, à certaines erreurs d'alignement près.

En effet, lors de la mise en place du masque de lithographie, il est possible qu'une erreur d'orientation par rapport au méplat du substrat intervienne. Cette erreur

d'alignement explique le très léger décalage pouvant exister entre les plans (15, 16) de la c forme générale (17) du miroir et la direction cristallographique {100}.

Par la suite, on procède à une deuxième étape de gravure anisotrope humide. Cette gravure humide usine la forme générale (17) du miroir pour aboutir aux faces définitives (18,19) qui sont illustrées par les traits en pointillés de la figure 4. Les plans de cette forme définitive du miroir sont exactement ceux de la famille {100}. Ces plans (18,19) apparaissent au cours de l'étape de gravure humide. Les plans des faces définitives du miroir, contrairement au plan des faces de la forme générale sont des plans cristallographiques, et ils présentent donc une rugosité très faible. Cette gravure anisotrope humide permet d'orienter la totalité des structures mécaniques selon la cristallographie du silicium, et de graver le miroir (6) jusqu'à sa structure finale tout en polissant sa surface.

<Desc/Clms Page number 14>

On obtient donc une qualité de surface nettement supérieure à celle obtenue par une simple gravure profonde du type"deep RIE"ou"ECR". Il est à noter que l'enchaînement ZD des deux étapes de gravure permet d'obtenir un miroir d'une hauteur h nettement supérieure à la largeur mesurée entre le miroir (6) et le reste du substrat (9).

Par la suite, et comme illustré à la figure 5, on procède à une étape supplémentaire de gravure pour définir les contours de la plate-forme (7) qui supporte le miroir (6). Cette étape de gravure a lieu sur la face (20) opposée à celle qui a permis de réaliser le miroir (6). Comme illustré à la figure 7, cette gravure est réalisée de manière à définir les branches (12) des zones déformables (11) reliant le substrat (9) et la plate-forme (7). Dans la forme illustrée, cette gravure décrite a ce niveau pour une meilleure compréhension, mais elle peut avantageusement être effectuée avant la gravure du miroir. Dans ce cas, le miroir est gravé en dernière étape pour éviter toute pollution possible de sa surface.

Dans une variante non représentée, le substrat peut être dopé ou modifié de telle

sorte que la gravure chimique est plus lente au niveau de la zone qui deviendra la platec forme. De la sorte, il est plus aisé de contrôler l'épaisseur de la plate-forme et des zones de liaison avec le substrat.

Dans une étape ultérieure, le miroir (6) peut être métallisé pour optimiser les propriétés de réflexion. Le miroir (6) peut également être conservé sans métallisation ou bien encore être réduit en épaisseur de telle manière qu'il laisse passer une partie du faisceau lumineux qui l'atteint, par exemple dans le cas où le commutateur est utilisé pour des fonctions de diviseur de puissance.

Comme déjà évoqué, la réalisation des rainures (3,4) de la structure d'alignement (2) se fait simultanément à la gravure précise du miroir (6). Plus précisément, et comme illustré à la figure 11, les rainures (3,4) peuvent épouser une forme de section en V. Ces rainures sont alors obtenues uniquement lors de la deuxième étape de gravure chimique. Les rainures en V obtenues de cette manière sont formées par l'intersection des plans

cristallographiques {111}. Ces plans (22, 23) apparaissent en cours de gravure car la vitesse de gravure est considérablement réduite sur les plans {111}. La cristallographie du silicium permet donc de fixer à la valeur précise de 45'la direction entre le miroir poli (6) et les rainures (3, 4) de la structure d'alignement.

<Desc/Clms Page number 15>

Dans une variante illustrée à la figure 12, les rainures de la structure d'alignement peuvent être obtenues par l'enchaînement des deux étapes de gravure. Ainsi, dans une première étape, on réalise par une gravure sèche une rainure (25) de section sensiblement rectangulaire. La gravure chimique ultérieure élargit cette rainure rectangulaire (25) en une rainure de forme losange (26), définie par quatre plans (27-30) de la famille {il}.

Cette forme de rainure de la structure d'alignement est particulièrement appréciée pour le maintien mécanique de la fibre et pour la phase de mise en boîtier (packaging) puisque la fibre se trouve dans la masse du substrat
Dans une forme particulière illustrée à la figure 13, le masque (32) destiné à la gravure humide des rainures de la structure d'alignement peut comporter un renflement (33) de forme rectangulaire. Dans cette zone de renflement (33), la gravure chimique a lieu de telle manière qu'elle définit un logement (34) plus profond centré sur la rainure (35). Ce logement peut servir à la mise en place d'un organe collimateur tel qu'une lentille en forme de bille, ou bien encore une lentille à gradient d'indice. La position et la profondeur de ce logement (35) sont définies pour obtenir le maximum de couplage entre les fibres optiques qui seront connectées.

Les figures 8 à 10 illustrent une variante de réalisation du procédé, utilisant non pas un substrat de silicium simple, mais un substrat de silicium sur isolant (SOI).

Les figures 8a, 8b et 8c illustrent les étapes de fabrication du miroir (6) et d'une partie de la plate-forme (7). Ces étapes mettent en oeuvre des gravures profondes suivies d'une gravure humide anisotrope. Ainsi, comme illustré en figure 8a, une première gravure profonde définit la forme générale (36) de la plate-forme. Le masque supérieur possède une zone centrale (37) dont les dimensions correspondent à celles de la forme générale (36) de la plate-forme. Par la suite, on retire le masque supérieur, ce qui laisse apparaître le masque inférieur, dont la zone centrale (38) est de dimensions réduites. Ainsi, comme illustré en figure 8b, la forme générale (17) du miroir est définie par une deuxième gravure profonde, donnant les contours définitifs du miroir (6) illustrés en traits pleins, suivie de la gravure anisotrope humide donnant les contours illustrés en traits pointillés. La figure 8c est une représentation après la gravure anisotrope humide.

<Desc/Clms Page number 16>

Par la suite, et comme illustré à la figure 9, on procède sur la face opposée (41) du substrat à une gravure sèche. La fine couche de silicium (42) présente sous la couche d'isolant (40) est gravée pour définir les branches (12) des zones déformables reliant la plate-forme (7) au substrat (9).

Par la suite, on procède à une attaque chimique de la couche (40) de dioxyde de silicium qui est éliminée dans les zones du contour de la plate-forme (7). De cette manière, l'épaisseur des branches (12) des zones déformables reliant la plate-forme (7) au substrat (9) est précisément contrôlée, car l'épaisseur de ces couches intervient au cube dans la valeur du déplacement de la flexion d'une poutre. Le contrôle de cette épaisseur a donc une influence sur la qualité de l'actionnement du commutateur optique.

Le fonctionnement du commutateur conforme à l'invention est illustré aux figures 15 et 16. Ainsi, comme illustré à la figure 15, la plate-forme (7) et le miroir (6) sont dans la position de réflexion, dans laquelle le faisceau (45) issu de la première fibre optique (46) atteint le miroir (6) dans sa partie haute. Le faisceau (45) est alors réfléchi en direction de la seconde fibre optique orientée perpendiculairement au plan de la figure 15.

La plate-forme illustrée à la figure 15 possède sous sa face inférieure une couche (47) de matériau ferro-magnétique du type permalloy. La plate-forme (7) se trouve à l'aplomb d'un bobinage (49) situé sur un substrat inférieur (50). Lorsque ce bobinage (49) est alimenté, et qu'il génère un champ magnétique, la couche de permalloy (47) est attirée de sorte que la plate-forme (7) se rapproche du bobinage (49). Ce déplacement est autorisé par les propriétés de déformation des branches (12) des zones reliant la plate-forme (7) au substrat (9).

Dans la forme illustrée, le bobinage (49) est associé à un aimant permanent (51) qui, lorsque la plate-forme (7) se rapproche suffisamment du bobinage, exerce une force permettant le maintien de la plate-forme (7) en position basse sans consommation d énergie.

A ce moment, la plate-forme (7) est en position de transmission, ce qui se traduit par le fait que le faisceau (45) issu de la première fibre optique (46) se propage à travers la cavité formée dans le substrat (9) et atteint la fibre optique (53) située dans son alignement.

<Desc/Clms Page number 17>

Les différentes épaisseurs, dimensions et positionnements de l'aimant permanent et de la couche de permalloy sont déterminés pour que l'effort exercé par l'aimant soit supérieur à l'effort de rappel exercé par les branches (12) des zones de liaison entre la plate-forme (7) et le substrat (9). Lorsque le bobinage (40) est alimenté par un courant de

sens approprié, le champ magnétique crée par l'aimant permanent est contré, et l'effort sens appropri Il maintenant la plate-forme est annulé. Cette dernière repasse en position de réflexion grâce à l'effort de rappel exercé par les zones de liaison (11).

Bien entendu, d'autres modes d'actionnement de la structure réfléchissante peuvent être envisagés, et notamment des modes fonctionnant sur le principe de l'apparition d'une force électrostatique ou électrothermique. La forme et la géométrie des zones de liaison déformables entre le substrat et la plate-forme peuvent également être définies pour assurer des positions d'équilibre stable. Dans ce cas, les zones de liaison fonctionnent préférentiellement par flambage. Ces formes de réalisation ont pour avantage de permettre la conservation des positions dans chaque état sans consommation d'énergie. La combinaison de positions d'équilibre stable, et la conservation d'une position grâce à l'action d'un aimant permanent peut être envisagée.

La figure 17 est une vue en perspective sommaire qui illustre un commutateur c conforme à l'invention. Les zones de liaison (11) entre la plate-forme (7) et le substrat (9) sont illustrées dans une forme particulière.

De façon générale, il importe que la géométrie de ces liaisons (11) autorise un déplacement de la plate-forme selon la direction < 001 > perpendiculaire au plan principal du substrat. Il est important que les mouvements de torsion, c'est-à-dire de pivotement autour d'un axe < 001 > perpendiculaire au plan du substrat, ou bien encore de pivotements, c'est-à-dire de rotations autour d'un axe parallèle au plan du substrat soit extrêmement minime, pour conserver un angle de 450 entre le miroir (6) et les rainures (3, 4) de la structure d'alignement (3,4). De la même manière, les translations dans le plan du substrat doivent être négligeables.

Comme déjà dit, un commutateur conforme à l'invention peut être utilisé pour former une matrice de commutateurs, apte à réaliser le routage d'un nombre important de

<Desc/Clms Page number 18>

fibres optiques. Un exemple illustratif est donné à la figure 18. Une telle matrice comprend des cellules élémentaires (60) comportant chacune un miroir (6) apte à se déplacer par rapport au plan général du substrat grâce à la déformation de zones de liaison (11).

Ces différentes cellules élémentaires (60) sont montées dans une structure porteuse (63) en forme de cadre, définissant des lignes et des colonnes parallèles et perpendiculaires entre elles. Les rainures (3,4) de la structure d'alignement sont partagées pour les commutateurs appartenant à une même colonne ou une même ligne. Ces rainures (3,4) sont situées en extrémité de lignes ou de colonnes, et disposées en périphérie de la matrice.

Toute la structure optique de la matrice est auto-alignée grâce à l'enchaînement des différentes étapes du procédé conforme à l'invention. Des organes collimateurs (64) peuvent être placés entre les extrémités des fibres optiques et la périphérie de la matrice.

Chaque commutateur élémentaire peut être actionné individuellement de manière à être dans une position de réflexion ou une position de transmission. Dans la variante illustrée à la figure 18, l'actionnement se fait par application d'une force électromagnétique. Ainsi, un ensemble de microbobines (65) est réalisé sur un substrat inférieur (66), par exemple au moyen de dépôt électrolytique. Chaque bobine (65) est contrôlée individuellement et actionne une plate-forme (7) particulière. De la sorte, on définit le routage choisi entre les N fibres optiques situées dans les lignes de la matrice, avec les M fibres optiques situées en regard de chaque colonne.

Il ressort de ce qui précède que le procédé conforme à l'invention présente de multiples avantages car il permet de réaliser des structures réfléchissantes en occupant une surface de silicium nettement inférieure à celle des structures existantes.

Un tel avantage, combiné avec un auto alignement des miroirs et des fibres optiques assure un minimum de pertes optiques, qui permet l'intégration de ces commutateurs dans des matrices comportant de nombreuses unités.

<Desc/Clms Page number 19>

Applications industrielles
Le commutateur optique de la présente invention vise toutes les applications optiques, en particulier celles des réseaux de télécommunications optiques. Dans ce cas, la fonction de base est la redirection d'un faisceau optique d'un noeud initial vers un autre noeud. Lorsqu'une pluralité de commutateurs optiques sont associés en matrices, il est ainsi possible de rediriger une pluralité de faisceaux optiques depuis un ensemble de noeuds initiaux vers des noeuds de destination.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1/Procédé de fabrication d'un commutateur optique (1) comportant : 'une structure d'alignement (2) comprenant plusieurs rainures (3, 4) réalisées sur la face 1 1 (10) d'un substrat (9), chaque rainure (3,4) étant destinée à recevoir une fibre optique apte à émettre un faisceau lumineux ; * une structure réfléchissante (6) apte à se déplacer entre deux positions, à savoir : * une position de réflexion, dans laquelle la structure réfléchissante (6) est disposée pour rediriger le faisceau optique issu d'une première fibre optique (45) vers une seconde fibre (46) optique ; 'une position de transmission, dans laquelle la structure réfléchissante (6) est disposée pour permettre au faisceau (45) de la première fibre optique (46) de continuer à se propager dans sa direction initiale ; caractérisé en ce qu'il comporte deux étapes successives de gravure, à savoir : * une première étape de gravure anisotrope sèche du substrat, permettant de définir la forme générale (17) du miroir (6) ; * une seconde étape de gravure humide qui permet à la fois de définir la forme finale de la structure réfléchissante (6), et de définir la structure d'alignement (2).

2/Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, lors de la première étape de gravure sèche, à former des amorces (25) de rainures aux emplacements de la structure d'alignement, puis lors de la seconde étape de gravure humide, à transformer ces amorces de rainures en rainures (26) proprement dites.

3/Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de gravure permettant de former une plate-forme (7) sur laquelle est située la structure réfléchissante (6).

4/Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de gravure permettant de former des zones déformables (11) reliant la plate-forme (7) au reste du substrat (9).

<Desc/Clms Page number 21>

5/Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la gravure permettant de former la plate-fonne (7) et/ou les zones déformables (11) est réalisée sur la face (20) du substrat opposée à celle de la structure réfléchissante (6).

6/Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le substrat utilisé est du silicium sur isolant (SOI) comportant une couche (42) de silicium de moindre épaisseur sur la face opposée à celle de la structure réfléchissante (6).

7/Commutateur optique (1) comportant : . une structure d'alignement (2) comprenant plusieurs rainures (3,4) réalisées sur la face (10) d'un substrat (9), chaque rainure (3,4) étant destinées à recevoir une fibre optique apte à émettre un faisceau lumineux ; * une structure réfléchissante (6) apte à se déplacer entre deux positions, à savoir : * une position de réflexion, dans laquelle la structure réfléchissante (6) est disposée pour rediriger le faisceau optique (45) issu d'une première fibre optique (46) vers une seconde fibre optique ; * une position de transmission, dans laquelle la structure réfléchissante (6) est disposée pour permettre au faisceau de la première fibre optique de continuer à

se propager dans sa direction initiale ; caractérisé en ce que la structure réfléchissante (6) est située sur une plate-forme (7) apte à se translater perpendiculairement au plan {100} défini par les première et seconde fibres optiques.

8/Commutateur optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la plate-forme (7) est relié au substrat par des zones déformables (11).

9/Commutateur optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que les zones déformables (11) travaillent en flambage.

10/Commutateur optique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les zones déformables (11) définissent deux positions d'équilibre stables de la structure réfléchissante.

<Desc/Clms Page number 22>

11/Commutateur optique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un actionneur (49) destiné à déplacer la plate-forme.

12/Commutateur optique selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'actionneur exerce sur la plate-fonne une force d'origine électrostatique, électromagnétique ou thermique.

13/Commutateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'actionneur est un électroaimant ou une bobine (49) apte à attirer une couche (47) en un matériau ferromagnétique solidaire de la plate-forme (7) 14/Commutateur optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les rainures (35) de la structure d'alignement comportent un logement destiné à accueillir un organe collimateur (64).

15/Matrice de commutateurs optiques, incluant une pluralité de commutateurs optiques (60) selon l'une des revendications 7 à 14, dont les structures d'alignement sont situées en périphérie de la matrice, et dont les miroirs (6) sont aptes à se déplacer entre leurs positions de réflexion et de transmission de façon indépendante d'un commutateur (60) à l'autre.

16/Matrice de commutateurs optiques selon la revendication 15, caractérisée en ce que elle comporte une structure porteuse (63) formée dans le substrat, et définissant des logements pour les plate-formes (7) des commutateurs optiques (60).

17/Matrice de commutateurs optiques selon la revendication 16, caractérisée en ce que les commutateurs optiques sont disposés en lignes et en colonnes parallèles, les lignes étant perpendiculaires aux colonnes.