FR3057675A1

FR3057675A1 - Procede de fabrication d'un guide d'onde

Info

Publication number: FR3057675A1
Application number: FR1659924A
Authority: FR
Inventors: Folly Eli Ayi-Yovo; Cedric Durand; Frederic Gianesello
Original assignee: STMicroelectronics SA
Current assignee: STMicroelectronics SA
Priority date: 2016-10-13
Filing date: 2016-10-13
Publication date: 2018-04-20
Anticipated expiration: 2036-10-13
Also published as: FR3057675B1

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un miroir optique dans une plaque de verre (80), comprenant les étapes successives suivantes : balayer une surface de la plaque (80) par un faisceau laser (84) dirigé de façon oblique par rapport à ladite surface, pour former une tranchée (86) selon le dessin du miroir à former, la durée des impulsions de ce laser étant comprise entre 1 et 500 femtosecondes ; traiter à l'acide fluorhydrique ; et remplir la tranchée (86) d'un métal.

Description

Domaine

La présente demande concerne un procédé de fabrication d'un guide d'onde et plus particulièrement un procédé de fabrication d'un guide d'onde monomode.

Exposé de l'art antérieur

Des signaux optiques peuvent être utilisés pour transmettre des données, par exemple à l'aide d'une fibre optique. Afin d'augmenter la quantité de données transmises, il est connu de transmettre plusieurs signaux optiques de longueurs d'onde différentes dans une même fibre optique. Des dispositifs optiques, comme celui présenté en relation avec la figure 1, permettent de faire la liaison entre une fibre optique et des circuits de traitement de signaux optiques.

La figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif optique 1 transmettant des signaux optiques d'une fibre optique monomode 3 vers, par exemple, des circuits de traitement de signaux optiques non représentés en figure 1. Le dispositif 1 comprend une plaque de verre 5 constituant un interposeur entre la fibre optique 3 et, par exemple, des circuits intégrés photoniques, par exemple en silicium, non représentés en figure 1. La plaque 5 a par exemple une forme rectangulaire ou une

B15167 - 16-GR1-0258FR01 forme circulaire. Divers éléments sont réalisés, notamment par gravure, sur la face supérieure de la plaque 5, parmi lesquels :

un guide d'onde 7 adapté à transmettre un signal optique multifréquence reçu d'une fibre optique monomode 3 ; un démultiplexeur de signal optique 9 transmettant, sur des guides d'onde 11, des signaux optiques monofréquences obtenus par filtrage fréquentiel à partir du signal optique multifréquence transmis par le guide d'onde 7 ; et un miroir 13 interrompant chaque guide d'onde 11, adapté à réfléchir, vers l'extérieur de la plaque 1, le signal optique transmis par le guide d'onde 11 correspondant.

L'extrémité de la fibre optique 3 est disposée en face d'une extrémité du guide d'onde 7. Un matériau 15 d'adaptation d'indice, dont l'indice de réfraction est compris entre celui de la fibre et celui du matériau du guide d'onde 7, est de préférence disposé entre l'extrémité de la fibre optique 3 et l'extrémité du guide d'onde 7. Le parcours d'un signal optique envoyé par la fibre optique est représenté sur la figure 1 par un trait fléché.

Les guides	d ' onde	5 7	et	11	présentent	les mêmes
caractéristiques. Les	guides	d'onde 7	et	11 sont en un matériau
ayant un indice plus	grand	que	celui	du	verre de la	plaque 5.
Les guides d'onde	7 et	11	doivent	avoir des	dimensions

transversales proches de celle d'une fibre optique monomode, par exemple comprise entre 3 et 15 pm, par exemple de l'ordre de 7 pm. Ces dimensions permettent de minimiser les pertes de signal en entrée de la plaque 5 et de se passer de l'utilisation d'un coupleur. Le démultiplexeur optique 9 est un dispositif qui sépare sur au moins deux guides d'onde 11 de sortie, les au moins deux longueurs d'onde du signal optique du guide 7 d'entrée.

Chaque miroir 13 est constitué d'un matériau réfléchissant les longueurs d'onde concernées, par exemple en métal. Le miroir 13 est formé dans la plaque 5 de façon oblique et forme avec l'axe de propagation du guide d'onde 11 qu'il

B15167 - 16-GR1-0258FR01 interrompt un angle de l'ordre de 42 degrés. La face supérieure de la plaque 5 peut être recouverte d'une couche d'encapsulation 17 transparente aux longueurs d'onde concernées.

Pour réaliser ce type de dispositif optique, il est donc souhaitable de fabriquer dans une plaque de verre des guides d'onde dont les dimensions coïncident avec celles d'une fibre optique monomode. Il est en outre souhaitable de pouvoir former des miroirs inclinés disposés en un emplacement souhaité dans la plaque.

Résumé

Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d'un miroir optique dans une plaque de verre, comprenant les étapes successives suivantes : balayer une surface de la plaque par un faisceau laser dirigé de façon oblique par rapport à ladite surface, pour former une tranchée selon le dessin du miroir à former, la durée des impulsions de ce laser étant comprise entre 2 et 500 femtosecondes ; traiter à l'acide fluorhydrique ; et remplir la tranchée d'un métal.

Selon un mode de réalisation, la tranchée est remplie de métal par pulvérisation cathodique.

Selon un mode de réalisation, le métal est du cuivre, de l'aluminium ou un alliage de cuivre et d'aluminium.

Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de dépôt ultérieure d'une couche d'encapsulation sur la surface de la structure.

Selon un mode de réalisation, la couche d'encapsulation est en oxyde de silicium.

Selon un mode de réalisation, la tranchée a une section droite rectangulaire ou rectangulaire à angles arrondis.

Selon un mode de réalisation, l'angle formé entre la tranchée et la surface de la plaque est compris entre 30 et 50 degrés.

Selon un mode de réalisation, le laser émet des impulsions à une fréquence comprise entre 10 et 500 kHz.

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Selon un mode de réalisation, le miroir est concave ou convexe.

Brève description des dessins

Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

la figure 1, décrite précédemment, illustre un dispositif optique ;

les figures 2A à 2F illustrent des étapes d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un guide d'onde ;

les figures 3A et 3B illustrent divers dispositifs optiques ; et les figures 4A à 4C illustrent des étapes d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un miroir optique. Description détaillée

De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés.

Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position relative, tels que les termes dessus, supérieur, etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes horizontal, vertical, etc., il est fait référence à l'orientation des figures. Sauf précision contraire, les expressions sensiblement et de l'ordre de signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.

Pour réaliser, à moindre coût, des guides d'onde sur un substrat en verre, il est connu d'utiliser des équipements de lithophotographie simples, c'est-à-dire de faible résolution, tels que ceux couramment disponibles dans une ligne d'assemblage de composants électroniques. Cependant, de tels équipements permettent seulement de réaliser des guides d'onde monomodes de dimensions supérieures à environ 50 pm. Ces dimensions sont

B15167 - 16-GR1-0258FR01 nettement plus importantes que les dimensions d'une fibre optique monomode, qui sont comprises entre 5 et 10 pm.

Les figures 2A à 2E sont une vue en perspective et des vues en coupe illustrant des étapes d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un guide d'onde monomode de dimensions transverses comprises entre 5 et 10 pm, dans une plaque de verre 30, dont l'épaisseur est par exemple comprise entre 1 et 1,5 mm. On considère ici un guide d'onde monomode ayant un facteur de forme de l'ordre de 1, c'est-à-dire que la section droite du guide d'onde a un rapport largeur/profondeur de l'ordre de 1. La section droite du guide peut alors être ronde, carrée ou carrée à angles arrondis.

A l'étape de la figure 2A, la plaque 30 est balayée par un faisceau laser 32. Le faisceau laser 32 balaye la surface de la plaque 30 suivant une trajectoire symbolisée par une flèche 33 correspondant au dessin du guide d'onde à former. Dans ce cas, le guide d'onde à former est de forme rectiligne. Le verre de la plaque 30 est pulvérisé par le faisceau 32 et on forme ainsi une tranchée 34. Le faisceau laser 32 est produit par un laser à impulsions dont chaque impulsion a une durée comprise entre 2 et 500 femtosecondes. A titre d'exemple, dans le verre, la tranchée peut être obtenue pour des impulsions ayant des énergies supérieures à 500 nJ et de durée de l'ordre de 100 fs. Cette énergie est calculée en fonction des dimensions de la cavité que l'on souhaite former avec une impulsion. Le laser émet ces impulsions par exemple à une fréquence comprise entre 10 et 500 kHz. Le laser sera appelé par la suite femtolaser.

Un avantage de l'utilisation d'un femtolaser est que la durée des impulsions est assez courte devant la durée de relaxation thermique du matériau. Cette propriété permet un usinage précis du matériau et limite les effets thermiques en pourtour de la zone ablatée. La tranchée 34 a une section droite de forme semi-circulaire de profondeur comprise entre 5 et 10 pm. La largeur de la tranchée 34 est inférieure à la

B15167 - 16-GR1-0258ER01 dimension souhaitée. On constate que le verre des parois 36 de la tranchée 34 présente une certaine rugosité et des fissures sur une épaisseur sensiblement constante. Cette rugosité peut empêcher le bon fonctionnement du guide d'onde.

A l'étape de la figure 2B, la plaque 30 est soumise à une gravure à l'acide fluorhydrique. Le verre fissuré est dissous par l'acide fluorhydrique sur toute son épaisseur comprise entre 1 et 2 pm. Par conséquent la rugosité que présentait les parois 36 est réduite. Le verre fissuré est gravé préférentiellement par de l'acide fluorhydrique, par rapport au verre non fissuré, de sorte que la forme finale de la tranchée 34 ait une section droite de forme sensiblement carrée à angles arrondis. Ainsi, le guide d'onde aura une profondeur et une largeur sensiblement égales, comprises entre 5 et 10 pm. Autrement dit, le guide d'onde aura un facteur de forme de l'ordre de 1 et sera monomode pour les longueurs d'onde considérées, à savoir comprise entre 1300 et 1500 nm. De plus ses dimensions seront adaptées à celles d'une fibre optique monomode.

A l'étape de la figure 2C, la tranchée 34 est remplie d'un matériau 38 ayant un indice de réfraction plus grand que l'indice de réfraction du verre. Le matériau 38 est par exemple un polymère, par exemple mis en oeuvre sous forme d'un film étirable sec (c'est-à-dire ne nécessitant pas de solvant, connu sous la désignation anglaise dry film). La différence d'indice entre le verre et le matériau 38 est comprise entre 10“^ _et 10“ 2, par exemple de l'ordre de 5x1O^-^. un matériau polymère adapté est celui distribué par la société Elga Europe sous forme de film étirable sec, sous la dénomination commerciale Ordyl SY 317. La tranchée est par exemple remplie par une technique de laminage. Le matériau 38 est dans un premier temps déposé sur la surface de la structure. Le matériau 38 est ensuite étalé, puis laminé sur le verre afin de le faire pénétrer dans la tranchée et d'obtenir une surface supérieure plane. Dans le cas où le matériau 38 est un polymère, l'étape de laminage est suivie

B15167 - 16-GR1-0258FR01 d'une étape de réticulation du matériau polymère, par exemple un recuit ou une exposition à un rayonnement ultraviolet. La tranchée 34 remplie du matériau 38 constitue le cœur du guide d'onde à former.

A l'étape de la figure 2D, l'excédent de matériau 38 a été retiré de la surface de la structure, par exemple par polissage. Le polissage est par exemple un polissage mécanochimique ou étape de CMP (de l'anglais Chemical-mechanical polishing). Ce polissage permet en outre de lisser d'éventuelles rugosités de la surface supérieure du matériau 38.

La figure 2E illustre une variante de réalisation de l'étape de la figure 2D, dans laquelle une couche 40 du matériau 38 est laissée au-dessus de la structure. Le facteur de forme du guide d'onde est alors égal au rapport de la largeur L de la tranchée 34 et de la somme de la profondeur 1 de la tranchée et de l'épaisseur h de la couche 40. Dans un premier cas, la tranchée a, sans la couche 40, un facteur de forme de l'ordre de 1. La couche 40 doit alors avoir une épaisseur assez fine pour ne pas altérer le facteur de forme du guide d'onde. Dans un second cas, la tranchée a, sans la couche 40, un facteur de forme non égal à de 1 et l'épaisseur de la couche 40 est calculée pour corriger ce facteur de forme de telle sorte que le guide d'onde ait un facteur de forme de l'ordre de 1.

A l'étape de la figure 2F, le guide d'onde 41 est parachevé. Une couche d'encapsulation (en anglais cladding layer) 42 est déposée sur la surface de la structure. La couche 42 est en un matériau ayant un indice de réfraction plus petit que celui du matériau 38. La différence d'indice entre le verre et le matériau de la couche 42 est de l'ordre de la différence d'indice entre le verre et le matériau 38. La couche 42 est par exemple en oxyde de silicium ou en un polymère. La couche 42 a une épaisseur comprise entre 5 et 50 pm, par exemple de 10 pm.

Un avantage de ce mode de réalisation est qu'il permet de former des guides de différentes formes et de différentes tailles avec un femtolaser. Il est possible de former des guides

B15167 - 16-GR1-0258FR01 d'onde courbés, des guides d'ondes de différentes profondeurs ou encore des cavités en balayant la plaque de verre de façon adéquate. Il est en outre possible de former divers types de dispositifs optiques comme ceux présentés en relation avec les figures 3A et 3B.

La figure 3A est une vue de dessus d'un dispositif optique 60 réalisé selon le procédé de fabrication présenté en relation avec les figures 2A à 2F. Le dispositif 60 est un coupleur optique directionnel. Le dispositif 60 comprend deux guides d'onde 62 et 64 et dispose de deux entrées de deux sorties. Une portion 62A du guide d'onde 62 et une portion 64A du guide d'onde sont parallèles. Les portions 62A, 64A sont disposées de façon que la portion 62A, respectivement 64A, puisse recevoir une onde évanescente créée par un signal optique se propageant dans l'autre portion 64A, respectivement 62A. La puissance lumineuse du signal se propageant dans la portion 62A, respectivement 64A, est transmise progressivement dans la portion 64A, respectivement 62A. Le couplage dépend de la distance entre les portions 62A et 64A et de leur longueur. Le dispositif 60 peut s'utiliser indifféremment dans les deux sens de la lumière. Ce dispositif peut être utilisé comme séparateur ou combineur de puissance, de polarisation. Pour réaliser le dispositif 60, un faisceau laser issu d'un femtolaser balaye une plaque de verre en suivant les dessins des guides d'onde 62 et 64.

La figure 3B est une vue de dessus d'un dispositif optique 70 réalisé se le procédé de fabrication présenté en relation avec les figures 2A à 2F. Le dispositif 70 est un séparateur de puissance optique, couramment appelé jonction en Y. Le dispositif 70 comprend un guide d'onde d'entrée 72 et deux guides d'onde de sortie 74 et 76. Le guide d'onde d'entrée 72 et les guides d'onde de sortie 74, 7 6 forment une fourche qui sépare un signal optique d'entrée transmis par le guide d'onde d'entrée 72 en deux signaux optiques de sortie transmis chacun sur un des guides d'onde de sortie 74 ou 76. Il est en outre

B15167 - 16-GR1-0258FR01 possible d'utiliser le dispositif 70 dans un sens contraire dans lequel les guides d'onde de sortie 74 et 76 sont des guides d'onde d'entrée et le guide d'onde d'entrée 72 est un guide d'onde de sortie. Dans ce cas, le dispositif 50 est un combineur de puissance optique. Pour réaliser le dispositif 70, un faisceau laser issu d'un femtolaser balaye la surface du verre en suivant les dessins des guides d'onde 72, 74 et 76.

Bien entendu, d'autres dispositifs optiques passifs comprenant des guides d'onde et des cavités résonnantes peuvent être réalisés suivant le procédé de fabrication décrit en relation avec les figures 2A à 2F.

Pour réaliser des miroirs optiques inclinés dans une plaque de verre, il est connu d'élimer le bord d'une plaque en verre de façon à obtenir une paroi inclinée. La paroi est ensuite recouverte d'un matériau réfléchissant, par exemple d'un métal. Un inconvénient de ce procédé est qu'il n'est pas possible de former des miroirs optiques inclinés ailleurs qu'en bord de plaque.

Les figures 4A à 4C sont une vue en perspective et des vues en coupe illustrant un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un miroir optique incliné dans une plaque de verre 80.

A l'étape de la figure 4A, la plaque 80 est positionnée sur un support permettant de l'incliner d'un angle c<]_ par rapport à l'horizontale. L'angle c<]_ est, par exemple, compris entre 30 et 50 degrés, par exemple de l'ordre de 35 degrés. Un faisceau laser vertical 84 balaie la plaque 80 en suivant le dessin du miroir et forme une tranchée 86. Le faisceau laser 84 est produit par un femtolaser, dont les avantages ont été présentés en relation avec la figure 2A. Le faisceau laser 84 est adapté à produire à chaque impulsion une cavité de forme cylindrique dont le fond est semi-sphérique. La tranchée 8 6 a donc une section droite à fond arrondi. On constate que le verre des parois 88 de la tranchée 86 présente une certaine rugosité et des fissures sur une épaisseur

B15167 - 16-GR1-0258FR01 sensiblement constante. Cette rugosité peut empêcher le bon fonctionnement du miroir optique.

A l'étape de la figure 4B, la plaque 80 est soumise à une gravure à l'acide f luorhydrique du même type que celle présentée en relation avec la figure 2B. Le verre fissuré est dissous par l'acide fluorhydrique sur toute son épaisseur comprise entre 1 et 2 pm. Ainsi la rugosité que présentait les parois 88 est réduite. La tranchée 86 conserve sa forme mais s'élargit légèrement. La tranchée 86 est inclinée par rapport à la plaque d'un angle ag. Les angles ag et ag sont complémentaires.

A l'étape de la figure 4C, la tranchée 86 est remplie d'un matériau réfléchissant 90. La tranchée 86 est par exemple remplie par pulvérisation. Le matériau réfléchissant 90 est par exemple un métal, par exemple, du cuivre, de l'aluminium ou un alliage de cuivre et d'aluminium, déposé par exemple par pulvérisation cathodique ou PVD (en anglais pulvérisation vapor déposition). L'excédent de matériau réfléchissant 90, déposé sur la surface de la structure, est retiré par exemple par gravure ou par polissage mécano-chimique. La surface du matériau 90 déposé dans la tranchée 86 est en outre aplanie par le même procédé.

Une étape optionnelle de dépôt d'une couche de protection sur la face supérieure de la structure, semblable à l'étape présenté en relation avec la figure 2F, peut compléter ce procédé. La couche de protection a le même indice que le verre et par exemple de l'oxyde de silicium.

Un avantage de ce mode de réalisation est de permettre la réalisation d'un ou plusieurs miroirs optiques directement à l'endroit souhaité sur une plaque en verre.

On a représenté sur la figure 4C un miroir plan formé dans une tranchée droite. Un avantage de ce mode de réalisation est de pouvoir former des tranchées courbées dans la plaque de verre. On réaliserait dans ce cas des miroirs concaves ou convexes.

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Il est possible de combiner les procédés décrits en relation avec les figures 2A à 2F et les figures 4A à 4C afin de réaliser un dispositif optique du type de celui présenté en relation avec la figure 1. A titre d'exemple, on pourra effectuer les étapes successives suivantes :

former les tranchées destinées à former les guides d'onde ; remplir ces tranchées du matériau adéquat pour former le cœur des guides d'onde ;

former les tranchées destinées à former les miroirs, ces 10 tranchées étant plus profondes que les tranchées destinées à former les guides d'onde ;

remplir ces tranchées d'un matériau réfléchissant ; et déposer une couche d'encapsulation sur la surface de la structure.

Les cœurs des guides d'onde ne seront pas endommagés pendant la formation des tranchées destinées à former les miroirs car le femtolaser a des effets thermiques négligeables.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'un miroir optique dans une plaque de verre (80), comprenant les étapes successives suivantes :

balayer une surface de la plaque (80) par un faisceau laser (84) dirigé de façon oblique par rapport à ladite surface, pour former une tranchée (86) selon le dessin du miroir à former, la durée des impulsions de ce laser étant comprise entre 2 et 500 femtosecondes ;

traiter à l'acide fluorhydrique ; et remplir la tranchée (86) d'un métal (90).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la tranchée (86) est remplie de métal par pulvérisation cathodique.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le métal (90) est du cuivre, de l'aluminium ou un alliage de cuivre et d'aluminium.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une étape de dépôt ultérieure d'une couche d'encapsulation sur la surface de la structure.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la couche d'encapsulation est en oxyde de silicium.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la tranchée (86) a une section droite rectangulaire ou rectangulaire à angles arrondis.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'angle formé entre la tranchée (86) et la surface de la plaque (80) est compris entre 30 et 50 degrés.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le laser émet des impulsions à une fréquence comprise entre 10 et 500 kHz.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le miroir est concave ou convexe.

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