Titre de l'invention : PROCÉDÉ DE COUPLAGE DE HAUTE PRÉCISION D’UNE FIBRE OPTIQUE AVEC UN DISPOSITIF PHOTONIQUE ET MICROSTRUCTURE

DE MISE EN OEUVRE

L’invention concerne de manière générale le domaine de l’optique, y compris l’optique quantique. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un procédé de couplage de haute précision d’une fibre optique avec un dispositif photonique actif ou passif. L’invention concerne aussi une microstructure pour la mise en œuvre du procédé susmentionné.

De manière générale, la fibre optique est omniprésente dans les systèmes optiques pour le transport des photons d’un point à un autre. Dans un système optique formé par exemple de dispositifs émetteur et récepteur de photons reliés par une fibre optique, le couplage précis entre les extrémités de la fibre optique et les dispositifs émetteur et récepteur est essentiel pour une minimisation des pertes et l’obtention d’un fonctionnement satisfaisant du système.

Une précision d’alignement submicronique entre l’extrémité de la fibre optique et la face active du dispositif peut être requise pour certains systèmes, notamment dans un système d’information quantique. Haupt et al. dans son article intitulé « Fiber- connectorized micropillar cavities », september 2010, Applied Physics Letters 97(13), propose une procédure d’alignement active, réalisée à température ambiante, permettant d’obtenir une précision d’alignement submicronique qui se maintient à une température cryogénique. Cette procédure d’alignement active fait appel à un faisceau laser émis par l’extrémité de la fibre optique et éclairant la face active du dispositif. Ainsi, dans le cas où le dispositif est une source émettrice, comme un micropilier semiconducteur intégrant une boîte quantique, l’alignement optimal est obtenu lorsqu’un signal détecté, typiquement au moyen d’une caméra, a une amplitude minimale. Dans le cas où le dispositif est un détecteur, l’alignement optimal est obtenu lorsque le signal délivré par le détecteur a une amplitude maximale.

Concernant la fixation mécanique dans la position d’alignement optimal entre la fibre optique et le dispositif, Haupt et al. et d’autres auteurs préconisent l’utilisation d’une colle. Ainsi, Snijders et al. dans son article intitulé « A fiber coupled cavity QED source of identical single photons », Physical Review Applied 9, 031002, 28 March 2018, décrit l’utilisation d’un adhésif optique durcissable par rayonnement ultraviolet de marque Norland® pour le collage de deux fibres optiques monomode sur des faces actives avant et arrière d’une source de photons unique sous la forme d’une microcavité de Fabry-Pérot. Les auteurs Schlehahn et al, Bremer et al. et Ortiz et al. respectivement dans leurs articles « A stand-alone fiber-coupled single-photon source », Scientific Reports, 8:1340, 22 january 2018, « Quantum dot single-photon émission coupled into single-mode fibers with 3D printed micro-objectives », APL Photonics 5, 106101 , 01 October 2020, et « Fiber-integrated microcavities for efficient génération of cohérent acoustic phonons », Applied Physics Letters, 117, 18, August 2020, décrivent également une fixation mécanique par collage.

Par le document US2017176697A1 , il est connu un procédé de fabrication d’une structure de couplage optique vertical entre des composants optiques ou optoélectroniques. La structure de couplage optique est réalisée de manière à être située en regard et en contact avec des composants optiques ou optoélectroniques supportés par un substrat. Pour réaliser la structure de couplage optique, une couche principale est déposée sur le substrat et est mise en forme par des techniques de gravure physico-chimique et/ou lithographie. Des portions de couplage tronconiques sont réalisées dans la couche principale, avec un matériau ayant un indice de réfraction supérieur à l'indice de réfraction de l'air. Ces portions de couplage sont réalisées chacune avec des première et deuxième surfaces d'extrémité transversales prévues pour venir en contact respectivement avec une face émettrice ou réceptrice d’un composant optique ou optoélectronique sur le substrat et une face émettrice ou réceptrice d’un autre composant optique ou optoélectronique. Dans ce procédé, la structure de couplage est superposée sur le substrat et est en contact avec les composants optiques ou optoélectroniques, ce qui le rend inexploitable pour de nombreuses applications n’autorisant pas la réalisation en surface d’une telle structure.

Le document WO2016195483A1 divulgue un procédé pour aligner une source de lumière avec une fibre optique. Dans ce procédé, la source de lumière est d’abord intégrée au centre d’un substrat cylindrique circulaire. Un support du substrat est ensuite fixé à l'extrémité de la fibre optique et le support et la fibre sont insérés dans un manchon d'alignement. Ce procédé n'autorise pas la mise en œuvre de la procédure d’alignement active de Haupt et al. susmentionnée qui garantit l’obtention d’une précision d’alignement submicronique.

Les travaux effectués par l’entité inventive sur le couplage d’une fibre optique avec une source de photons uniques, comme le micropilier semiconducteur PMC montrée à la Fig.1 , ont mis en évidence qu’une précision d’alignement dans un plan de l’ordre 500 nm est nécessaire entre l’extrémité de la fibre optique et la face active de la microcavité. L’alignement réalisé à la température ambiante de 300 K doit être conservé avec la même précision à la température cryogénique de fonctionnement de la source de photons uniques, typiquement de l’ordre de 5 K. La procédure d’alignement active de Haupt et al. permet un alignement avec la précision voulue.

Cependant, des mesures effectuées par l’entité inventive ont mis en évidence les limites du collage en tant que technique de fixation mécanique, notamment pour l’ensemble montré à la Fig.1 de la source de photons uniques PMC et d’une fibre optique monomode FO collée par son extrémité sur la face active d’émission de celle- ci. En effet, après le durcissement de la colle, des contraintes mécaniques peuvent apparaître dans le matériau actif de la source PMC et provoquer des modifications de performances. Avec les variations cycliques de température, des risques de dommages irrémédiables de la source PMC, voire de destruction totale de celle-ci, sont également à craindre.

Les propos ci-dessus sont illustrés par la Fig.2 qui montrent des relevés d’intensité normalisée NI en fonction de la longueur d’onde pour la source PMC, avant collage et après collage, dans deux ensembles distincts A et B, comme celui de la Fig.1 , ayant les mêmes caractéristiques. Les courbes CASC et CBSC sont les relevés obtenus sans colle respectivement pour les ensembles A et B. Les courbes CAAC et CBAC sont les relevés obtenus après collage respectivement pour les ensembles A et B. Ces mesures montrent des décalages de résonance et de niveau d’énergie introduits dans la source PMC par le collage de la fibre optique FO, décalages qui diffèrent substantiellement entre les ensembles A et B ayant pourtant les mêmes caractéristiques. La non prédictibilité de ces décalages invalide la solution du collage en tant que solution garantissant la reproductibilité des performances.

La présente invention a pour objectif de procurer une solution de couplage entre une fibre optique et un dispositif photonique actif ou passif, autorisant une précision d’alignement élevée et ne présentant pas les inconvénients susmentionnés de la technique antérieure. Le dispositif photonique actif ou passif susmentionné recouvre différents types de dispositifs connus de l’homme du métier, y compris des systèmes de couplage optique sous la forme d’un réseau, un guide d’onde ou autres.

Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de couplage d’une fibre optique avec un dispositif photonique, la fibre optique ayant une extrémité de fibre en regard d’une surface sensible du dispositif photonique. Conformément à l’invention, le procédé comprend les étapes successives de A) équiper l’extrémité de fibre d’une microstructure rapportée agencée de façon à procurer un appui sur une structure environnante formant support distincte du dispositif photonique et à interdire tout contact avec la surface sensible du dispositif photonique, B) aligner de manière optimale, en position et en angle, l’extrémité de fibre avec la surface sensible par l’exécution d’une procédure d’alignement active, et C) exercer sur la microstructure et/ou la fibre optique une pression d’appui contre la structure environnante formant support de façon à maintenir une distance d’écartement et un alignement optimaux entre l’extrémité de fibre et la surface sensible.

Selon une autre caractéristique particulière, l’étape B) comprend également la détermination de la distance d’écartement optimale.

Selon encore une autre caractéristique particulière, la distance d’écartement optimale est inférieure à 3 pm.

Selon un autre aspect, l’invention concerne aussi une microstructure de couplage d’une fibre optique avec un dispositif photonique par la mise en œuvre du procédé brièvement décrit ci-dessus, la microstructure se présentant sous la forme d’une pièce monobloc comprenant une partie formant manchon d’assemblage de fibre optique et une partie formant base d’appui.

Selon une caractéristique particulière, la microstructure est fabriquée dans un matériau polymère.

Selon une autre caractéristique particulière, la microstructure est fabriquée dans un matériau souple ou un matériau dur.

Selon encore une autre caractéristique particulière, la partie formant base d’appui a une forme générale en anneau.

Selon encore une autre caractéristique particulière, la partie formant base d’appui a une forme générale en tripode. L’invention concerne aussi un ensemble comprenant une fibre optique, un dispositif photonique et une microstructure telle que brièvement décrite ci-dessus qui est agencée sur une extrémité de la fibre optique en regard du dispositif photonique.

D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

[Fig.1] La Fig.1 est une vue simplifiée en perspective d’un ensemble selon la technique antérieure formé d’une source de photons uniques et d’une fibre optique ayant une extrémité collée à la source.

[Fig.2] La Fig.2 montre des relevés de mesure obtenus avec un ensemble de la technique antérieure tel que celui de la Fig.1 .

[Fig.3] La Fig.3 est une vue montrant une puce quantique en tant qu’exemple d’environnement dans lequel la présente invention est applicable.

[Fig.4] La Fig.4 est une vue simplifiée en coupe d’un ensemble selon l’invention d’une source de photons uniques, sous la forme d’un micropilier semiconducteur, d’une microstructure et d’une fibre optique ayant une extrémité couplée avec la source.

[Fig.5] La Fig.5 est vue simplifiée en coupe d’une microstructure selon l’invention comprise dans un ensemble de l’invention tel que celui de la Fig.4 et agencée à l’extrémité de la fibre optique.

[Fig.6] La Fig.6 est une vue simplifiée en perspective montrant deux formes de réalisation différentes de la microstructure de l’invention.

[Fig.7] La Fig.7 montre des relevés pour des micropiliers semiconducteurs de différents diamètres du couplage obtenu en fonction d’une distance d’écartement entre l’extrémité de la fibre optique et une face active du micropilier.

[Fig.8] La Fig.8 est un diagramme montrant des étapes du procédé selon l’invention.

[Fig.9] La Fig.9 est une vue en perspective montrant un exemple de dispositif mécanique utilisé pour la fixation de l’extrémité de la fibre optique sur une platine intégrant une puce quantique, en regard d’un dispositif photonique actif ou passif de la puce quantique avec lequel l’extrémité de la fibre optique est couplée par la mise en œuvre du procédé de l’invention.

Le procédé et la microstructure de l’invention sont maintenant décrits ci-dessous en référence aux Figs.3 à 9, dans le cadre de leur application au couplage d’une fibre optique monomode, désignée FOM, avec une source de photons uniques ou de photons intriqués, désignée PIL, de type dispositif de micropilier semiconducteur intégrant au moins une boîte quantique. La source PIL est désignée également « micropilier semiconducteur » dans la suite de la description.

En référence à la Fig.3, le pilier semiconducteur PIL comprend essentiellement une boîte quantique QD, sous la forme d’une nanostructure de semiconducteurs, et des microcavités résonnantes CAV. Le micropilier semiconducteur PIL est une structure quantique capable de produire sur demande des photons uniques, intriqués ou pas, pour des applications quantiques. Les photons sont émis par une face active FA en regard de laquelle la fibre optique FOM doit être alignée et maintenue en position avec une haute précision sur une plage de température allant de la température ambiante à une température cryogénique. Dans cet exemple d’application de l’invention, comme illustré à la Fig.3, le micropilier semiconducteur PIL est intégré dans une puce quantique PQ comprenant ici une pluralité de micropiliers PIL semblables. La puce quantique PQ comprend typiquement d’autres structures et composants situés dans l’environnement proche des micropiliers PIL, comme des diodes laser DD pour le contrôle électronique des boîtes quantiques QD et des dispositifs passifs tels que des guides d’onde, des répartiteurs ou autres. De manière générale, les structures et composants situés dans l’environnement proche des micropiliers PIL sont désignés « structures SE » par la suite.

Conformément à l’invention, comme montré aux Figs.4 et 6, la fibre optique FOM est muni à son extrémité d’une microstructure MS qui est une pièce rapportée. La microstructure MS sert de support de montage pour le couplage de la fibre optique FOM avec le micropilier semiconducteur PIL. La microstructure MS est agencée de façon à autoriser un positionnement optimal de l’extrémité de la fibre optique FOM en regard de la face active FA du micropilier semiconducteur PIL, sans aucun contact de l’extrémité de la fibre optique FOM et de la microstructure MS avec cette face active FA qui est une surface sensible du micropilier semiconducteur PIL. De manière plus générale, conformément à l’invention, la microstructure MS est agencée de façon à interdire tout contact avec une surface sensible du dispositif photonique, qui est le micropilier semiconducteur PIL dans l’exemple de réalisation décrit ici.

Comme mieux visible à la Fig .5, la microstructure MS est une pièce monobloc qui comprend essentiellement une partie MA formant un manchon d’assemblage avec la fibre optique FOM et une partie SP formant une base d’appui.

La partie formant manchon d’assemblage MA a typiquement une forme sensiblement cylindrique circulaire, compatible avec la section circulaire de la fibre. Un alésage central est aménagé dans la partie formant manchon d’assemblage MA pour recevoir l’extrémité de la fibre optique FOM qui est montée serrée dans celui-ci. Une paroi de fond de la partie formant manchon d’assemblage MA comporte une ouverture circulaire centrale EC. L’ouverture circulaire centrale EC a typiquement un diamètre supérieur à celui du cœur de la fibre optique FOM, pour obtenir un dégagement total de matière à l’extrémité de la fibre optique FOM, entre le cœur de celle-ci et la face active FA du micropilier semiconducteur PIL.

Conformément à l’invention, la partie formant base d’appui SP est prévue pour se poser en appui sur une ou plusieurs structures SE à proximité immédiate du micropilier semiconducteur PIL, mais en évitant tout contact avec celui-ci et, en particulier, avec sa face active FA ou tout autre partie sensible au contact ou à la pression. La partie formant base d’appui SP pourra avoir différentes formes et dimensions en fonction de l’application et, en particulier, en fonction de la configuration des structures SE environnantes. Deux exemples non limitatifs de réalisation de la microstructure, MS1 et MS2, sont montrées à la Fig.6 à titre illustratif. Dans la microstructure MS1 , la partie formant base d’appui SP1 est formée en anneau, ou collerette. Dans la microstructure MS2, la partie formant base d’appui SP2 est configurée en tripode.

La microstructure MS pourra être fabriquée dans différents types de matériaux souples ou rigides, selon l’application. Ainsi, par exemple, des résultats satisfaisants ont été obtenus en équipant une fibre optique monomode de 125 pm de diamètre avec une microstructure MS en polymère, du type anneau susmentionné et ayant une hauteur de 3 pm.

En référence à la Fig.7, des essais réalisés par l’entité inventive pour une longueur d'onde optique de 930 nm environ et avec des micropiliers semiconducteurs de différents diamètres Dp=2 pm, Dp=2,3 pm, Dp=2,8 pm et Dp=3,4 pm, ont montré qu’un couplage CPL optimal entre la fibre optique FOM et le micropilier semiconducteur PIL est obtenu lorsque la distance d’écartement D (cf. Fig.4) entre l’extrémité de la fibre optique FOM et la face active FA est inférieure à une distance Dmax d’environ 3 pm. En effet, pour maximiser le signal dans la fibre optique FOM, celle-ci doit être le plus proche possible de la face active FA, mais sans toucher cette dernière conformément à l’invention. Une précision sur la distance d’écartement D de l’ordre de 1 à 2 pm est généralement requise, en fonction de l’application.

Conformément à l’invention, l’application d’une pression P (cf. Fig.4) sur la fibre optique FOM, suivant l’axe longitudinal AX de celle-ci et vers la face active FA, est préconisée pour obtenir et maintenir la relation de couplage optimale voulue.

En référence maintenant à la Fig.8, le procédé selon l’invention comporte essentiellement quatre grandes étapes S1 à S4 montrées à la Fig.8.

L’étape S1 concerne le montage ajusté de la microstructure MS à l’extrémité de fibre optique FOM. La fixation mécanique sera obtenue typiquement par montage avec serrage élastique ou tout autre moyen connu de l’homme de métier.

L’étape S2 concerne une première mise en place de la fibre optique FOM au-dessus du micropilier semiconducteur PIL, en posant la microstructure MS sur la ou les structures SE proches du micropilier semiconducteur PIL, sans aucun contact avec la face active FA ou toute partie sensible du micropilier.

L’étape S3 concerne la recherche de l’alignement optimal, en position et en angle, entre l’extrémité de la fibre optique FOM et la face active FA, au moyen d’une procédure d’alignement active telle que celle de Haupt et al. susmentionnée. Dans un premier temps, à une sous-étape S30, la distance d’écartement D est ajustée à environ Dmax=3 pm et la position optimale de la microstructure MS est recherchée par des micro-déplacements de celle-ci dans un plan sensiblement coplanaire à la surface de la face active FA. Dans un deuxième temps, à une sous-étape S31 , la distance d’écartement D optimale est recherchée en appliquant la pression P sur la fibre optique FOM, ce qui a pour effet de plaquer la microstructure MS contre la ou les structures SE d’appui et, corrélativement, de rapprocher l’extrémité de la fibre optique FOM de la face active FA. L'étape S4 concerne le verrouillage mécanique final de la position de la fibre optique FOM par rapport à la face active FA, afin de conserver le couplage optimal obtenu à l’étape S3.

Typiquement, les étapes S2 à S4 sont exécutées alors que la fibre optique FOM, munie de sa microstructure MS, est enserrée dans un dispositif mécanique qui permet un réglage précis des déplacements de celle-ci, l’application d’une pression et un verrouillage final de la position de couplage optimal. Par exemple, un tel dispositif mécanique pourra être intégré dans un dispositif de connexion de fibre tel que le dispositif DCF montré à titre illustratif à la Fig .9. Comme visible à la Fig.9, le dispositif DCF enserre l’extrémité d’une fibre optique FOA et est fixé sur une platine PL qui supporte une puce quantique (non visible) ayant un dispositif actif, ou passif, auquel est couplée la fibre optique FOA.

L’invention autorise un couplage de grande qualité, non sensible à la température. L’application de la pression P procure une plus grande tolérance aux déplacements, avec une amélioration au minimum par un facteur 100.

L’invention est applicable au couplage d’une fibre optique avec une grande variété de dispositifs photoniques actifs ou passifs, de type émetteur, détecteur, guide d’onde et autres.

Bien entendu, l’invention ne se limite pas aux exemples de réalisation qui ont été décrits ici à titre illustratif. L’homme du métier, selon les applications de l’invention, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l’invention.