MAGDENKO, Liubov (11 bis, rue du Vieux Château, Lamorlaye, F-60260, FR)
VANWOLLEGHEM, Mathias (1 avenue Paul Langevin, Sceaux, Sceaux, F-92330, FR)
FORTUNA, Franck, Nicolas (42 rue des Paradis, Saint Arnoult en Yvelines, Saint Arnoult en Yvelines, F-78730, FR)
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (3 rue Michel-Ange, Paris, Paris, F-75016, FR)
DAGENS, Béatrice (20 rue Fondouze, Antony, Antony, F-92160, FR)
MAGDENKO, Liubov (11 bis, rue du Vieux Château, Lamorlaye, F-60260, FR)
VANWOLLEGHEM, Mathias (1 avenue Paul Langevin, Sceaux, Sceaux, F-92330, FR)
FORTUNA, Franck, Nicolas (42 rue des Paradis, Saint Arnoult en Yvelines, Saint Arnoult en Yvelines, F-78730, FR)
| REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un cristal magnéto photonique (100) caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - réal isation d 'u n crista l photon iq ue dans u ne première couche (102), réalisation d'un cristal magnéto-optique dans une deuxième couche (104) distincte de ladite première couche (102) ; ledit cristal photonique étant réalisé par réalisation de trous (108) dans ladite première couche, ledit cristal magnéto-optique étant réalisé en détruisant localement les propriétés magnétiques de la deuxième couche par implantation d'ions ; ledit procédé étant caractérisé en ce qu'un même masque de cristal est utilisé pour la réalisation dudit cristal photonique et dudit cristal magnéto- optique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trous (108) sont réalisés sur toute l'épaisseur de la première couche. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les propriétés magnétiques sont localement détruites sur toute l'épaisseur de la deuxième couche (104). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cristal magnéto-photonique (100) est réalisé dans une structure multicouche dans laquelle la deuxième couche (104) est disposée entre la première couche (102) et une couche de substrat (106). 5. Cristal magnéto-photonique (100) réalisé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 6. Cristal magnéto-photonique (100) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le cristal photonique consiste en une couche (102) de diélectrique comportant un réseau de trous (108). 7. Cristal magnéto-photonique (100) selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le cristal magnéto-optique consiste en une couche (104) consistant en un réseau d'interfaces isotrope- anisotrope (112,114). 8. Cristal magnéto-photonique (100) selon la revendication 7, caractérisé en ce q ue le réseau d'interfaces isotrope-anisotrope (112,114) consiste en un grenat ou un oxyde magnétique dont les propriétés magnétiques ont été détruites localement. 9. Cristal magnéto-photonique (100) selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le cristal magnéto-optique est disposé entre le cristal photonique et une couche de substrat (106). 10. Composant optique (200,400) comprenant au moins un cristal magnétophotonique selon l'une quelconque des revendications 5 à 9. 11. Composant selon la revendication 10, caractérisé en ce que le cristal magnétophotonique est agencé pour réaliser un isolateur optique. 12. Composant selon la revendication 10, caractérisé en ce que le cristal magnétophotonique est agencé pour réaliser un circulateur optique (400). 13. Composant selon la revendication 10, caractérisé en ce que le cristal magnétophotonique est agencé pour réaliser un miroir non réciproque (200). |
La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un cristal magnéto-photonique. Elle concerne également un cristal magnéto- photonique et un composant comprenant un tel cristal.
Le domaine de l'invention est le domaine de la conception et la réalisation de composants optiques planaires, notamment d'optique guidée, à cristaux magnéto-photoniques.
De nos jours, on assiste à un développement de composants à base de cristal magnéto-photonique. Plus particulièrement, les guides d'ondes à base de cristal magnéto-photonique font l'objet de nombreuses recherches du fait de leur utilisation possible pour les transmissions optiques non- réciproques, qui est le principe de base des fonctions d'isolation ou de circulation optique.
Le guide d'onde à base de cristal magnéto-photonique est basé sur le principe de l'effet Kerr magnéto-optique transverse et utilise une combinaison de deux propriétés, à savoir :
une fonction optique assuré par un réseau d'indice optique généré par un réseau de trous d'air réalisé dans un grenat ou dans un oxyde magnétique, et
- un effet Kerr magnéto-optique assuré par un réseau d'interfaces entre matériaux anisotrope (matériau magnéto-optique)-isotrope (trous d'air)
Actuellement, les composants à base de cristal magnéto-photonique sont obtenus par gravure du cristal magnéto-photonique dans une couche de matériau magnéto-optique par des techniques de l'optoélectronique utilisant des masques de gravures. Les matériaux présentant les plus forts coefficients magnéto-optiques comprennent les grenats d'Yttrium ou de bismuth. Ces matériaux ont également pour caractéristiq ue de ne pas présenter de perte dans le domaine de l'infrarouge ou en tout cas très peu.
N é a n m o i n s , ces m a té ri a u x magnéto-optiques présentent l'inconvénient d'être parmi les plus difficiles à graver par les techniques de l'optoélectronique du fait de leur dureté supérieure à celle des masques de gravu re ha bituel lement util isés q u i sont le pl us souvent en matéria u diélectrique ou métallique. Ainsi , la réa l isation de crista ux mag néto- photonique dans un film de grenat devient un véritable défi, en particulier dans le cas de l'utilisation de techniques de g ravu res à l 'échel le des substrats de grande dimension pour une fabrication à bas coût.
Un but de la présente invention est donc de remédier aux inconvénients précités.
Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de réalisation d'un cristal magnéto-photonique plus simple.
Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de réalisation d'un cristal magnéto-photonique à bas coût.
Encore un autre but de l'invention est de proposer un procédé de réalisation d'un cristal magnéto-photonique plus efficace que les cristaux magnéto-photoniques actuellement connus.
Enfin, un but de l'invention est de proposer un procédé de réalisation d'un cristal magnéto-optique avec les techniques standard de réalisation de composants optiques planaires. L'invention propose d'atteindre les buts précités par un procédé de réalisation d'un cristal magnéto photonique caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
réalisation d'un cristal photonique dans une première couche, et réalisation d'un cristal magnéto-optiq ue d ans u ne deuxième couche distincte de ladite première couche.
L'invention permet d'éviter l'étape de gravure dans une couche de matériau magnéto-optique tout en réalisant un cristal magnéto-photonique avec les techniques standard de réalisation de composants optiques planaires. En effet, le procédé selon l'invention propose de séparer les deux fonctions citées pl us haut, à savoir la fonction optique et l'effet Kerr magnéto-optique assurés, dans deux couches séparées l'une de l'autre.
Contrairement aux cristaux magnéto-photoniques de l'état d e l a technique dans lesquels le cristal photonique et le cristal magnéto-optique sont réalisés en une seule couche, le cristal photonique n'est pas réalisé dans la même couche que le cristal magnéto-optique, ce qui évite une étape de g ravure d 'u ne couche de g renat ou d 'oxyde mag nétiq ue servant à réaliser le cristal magnéto-optique.
Le fait de ne pas avoir à graver une couche de grenat ou d'oxyde magnétique pou r réal iser le crista l photon iq ue permet de facil iter la réalisation du cristal photonique et donc du cristal magnéto-photonique.
De pl us, en évitant une telle étape de g ravure, le procédé selon l'invention rend possible une fabrication à bas coûts de cristaux magnéto- photonique à l'échelle des substrats de grande dimension.
Par ailleurs, la réal isation d u cristal photonique dans une couche séparée de la couche dans laquelle est réalisé le cristal magnéto-optique permet de réaliser un cristal photonique de meilleure qualité, notamment parce que le cristal photonique peut alors être réalisé avec des interfaces présentant moins de rugosité, les trous d'air étant plus facile à réaliser.
Enfin, la réalisation du cristal photonique dans une couche séparée de la couche dans laquelle est réalisé le cristal mag néto-optique permet de jouir de plus de liberté de conception d'un composant intégrant un cristal photonique car les trous d 'air composant le cristal photon iq ue peuvent présenter une profondeur plus importante comparée aux cristaux de l'état de la technique.
Selon l'invention, le cristal photonique peut être réalisé par réalisation de trous dans ladite première couche. Le réseau de trous d'air assurant le guidage du mode dans le cristal magnéto-optique, peut être réalisé par les techniques de gravure connues, par exemple en utilisant un masque de gravure aussi appelé masque de cristal périodique.
Dans un mode de réalisation préféré, les trous d'air sont réalisés sur toute l'épaisseur de la première couche. Cette configuration est optimale pour une influence plus forte du cristal photonique, et un alignement plus précis avec le cristal magnéto-optique.
Le cristal magnéto-optique peut être réalisé en détruisant localement les propriétés magnétiques de la deuxième couche par implantation d'ions, sans g raver la couche de grenat ou d'oxyde mag nétique. L'implantation d'ions peut être réalisée en utilisant un masque de cristal périodique.
Dans un mode de réalisation préféré, les propriétés magnétiques de l a de uxième co u che so nt d étru ites su r to ute so n épa isse u r. Cette configuration permet d'augmenter l'efficacité du cristal obtenu.
Avantageusement, un même masque de cristal périodique peut être utilisé pour la réalisation dudit cristal photonique et dudit cristal magnéto- optique. L'util isation d 'u n même masq ue de cristal périodique pour la réalisation du cristal photonique et du cristal magnéto-optique permet de faciliter l'alignement des cristaux photonique et magnéto-optique, et permet en particulier un auto-alignement des cristaux. Ce qui facilite encore plus la fabrication du cristal magnéto-photonique. En effet, l'alignement du cristal photonique et du cristal magnéto-optique est indispensable à la réalisation du cristal magnéto-photonique constitué des deux cristaux séparés. Sans l 'al ig nement l 'effet visé est amoind ri et éventuellement perdu . L'auto alignement des deux cristaux est d'autant plus avantageux vu l'échelle de grandeur des cristaux. Le masque de crista l périod i q ue uti l isé peut être u n m asq ue métallique épais.
La première couche peut être une couche de matière diélectrique, par exemple une couche de Si0 2 ou du Si 3 N 4 .
Avantageusement, le cristal magnéto-photonique peut être réalisé dans une structure multicouche dans laquelle la deuxième couche est disposée entre la première couche et une couche de substrat. Une telle configuration du cristal magnéto-photonique permet de positionner le cristal magnéto-optique, c'est-à-dire la deuxième couche, entre deux couches d'indices optiques semblables, à savoir la première couche de diélectrique dans laquelle est réalisée le cristal photonique et la couche de substrat. La structure multicouche ainsi obtenue présente une symétrie conduisant à un seuil de coupure de guidage des modes très faible, voire inexistant.
Selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé un cristal magnéto-photonique réalisé selon le procédé selon l'invention. Selon un troisième aspect de l'invention il est proposé un cristal magnéto-photoniq ue comprenant le cristal photoniq ue séparé d u cristal magnéto-optique.
Avantageusement, l'épaisseur de la couche dans laquelle est réalisé le cristal magnéto-optique est comprise entre 200nm et 500nm.
Avantageusement, l'épaisseur de la couche dans laquelle est réalisé le cristal photonique est comprise entre lOOnm et 500nm.
Dans un mode de réalisation particulier, le cristal photonique peut être une couche de diélectrique comportant un réseau de trous.
Le cristal magnéto-optique peut être une couche consistant en un réseau d'interfaces isotrope-anisotrope. Selon un exemple de réalisation particulier, le réseau d'interfaces isotrope-anisotrope consiste en une couche de grenat ou d'oxyde magnétique dont les propriétés magnétiques ont été détru ites loca lement, pa r exemple su r toute l 'épaisseu r de la couche.
Selon un mode de réalisation particulier du cristal magnéto- photonique selon l'invention, le cristal magnéto-optique peut être disposé entre le cristal photonique et une couche de substrat. Une telle disposition apporte une symétrie au niveau des indices optiques permettant un seuil de coupure de guidage des modes très faible voire inexistant. Selon un quatrième aspect de l'invention, il est proposé un composant optique comprenant au moins un cristal magnéto-photonique selon l'invention. Le cristal magnéto-photonique peut être intégré dans le composant.
Dans un tel composant, le cristal magnéto-photonique peut être agencé pour réaliser un isolateur optique, un circulateur optique ou un miroir non réciproque. L'invention est particulièrement utile dans le domaine des circuits photoniques (PIC) complexes. Elle permet d'augmenter leur degré d'intégration.
Une des applications concerne les récepteurs Tx/Rx multi-longueurs d'onde utilisés dans les nœuds de routage des réseaux de télécommunication.
De nombreuses autres applications pourraient tirer profit des circuits photoniques avec laser intégrés comprenant au moins un cristal magnéto- photonique, telles que la bio photonique, par exemple dans un but de miniaturisation.
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique en coupe du principe du cristal magnéto-photonique selon l'invention ;
- la figure 2 est une représentation schématique d'un miroir non réciproque comprenant un cristal magnéto-photonique ;
- la figure 3 est une représentation schématique en coupe du cristal magnéto-photonique mis en œuvre dans le miroir non réciproque de la figure 2 ;
- la figure 4 est une représentation schématique d'un circulateur optique comprenant un cristal magnéto-photonique ;
- la figure 5 est une représentation schématique détaillée d'une partie du circulateur optique de la figure 4 ; et - la figure 6 est une représentation schématique en coupe du cristal magnéto-photonique mis en œuvre dans le circulateur optique de la figure 4. Sur les figures et dans la suite de la description, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
La figure 1 est une représentation schématique, en coupe, du principe d'un cristal magnéto-photonique 100 selon l'invention.
Le cristal magnéto-photonique 100 comporte une première couche
102 de matière diélectrique dans laquelle est réalisé un cristal photonique assurant la fonction optique. La première couche peut être une couche de Si0 2 ou Si 3 N 4 .
Le cristal magnéto-photonique 100 comporte une deuxième couche 104 dans laquelle est réalisé un cristal magnéto-optique assurant l'effet Kerr magnéto-optique. La deuxième couche 104 est composée d'un matériau anisotrope et peut être par exemple une couche de grenat ou d'oxyde magnétique. Cette deuxième couche peut par exemple être une couche de BIG: Bi 3 Fe 5 0i 2 ou de YIG: Y 3 Fe 5 0i 2 .
La deuxième couche 104 est disposée entre la première couche 102 et une couche de substrat 106. Ainsi, le cristal magnéto-optique est disposé entre le cristal photonique et une couche de substrat ayant des indices optiques du même ordre. Le cristal photonique est obtenu en réalisant un réseau d'indices optiques. Un tel réseau est obtenu en réalisant un réseau de trous 108 périodique dans la première couche 102. Le réseau de trous peut être réalisé par les techniques de gravures connues en utilisant un masque de cristal périodique ou de gravure de diélectrique, par exemple un masque métallique épais. Les zones de diélectriques sont notées 110
Les trous 108 sont réalisés, dans le présent exemple, sur toute l'épaisseur de la première couche. Le crista l mag néto-optique est obtenu en réalisant un réseau d'interfaces entre matériau anisotrope et matériau isotrope dans la deuxième couche 104. Un tel réseau est obtenu en détruisant localement, et su r toute l 'épa isseu r de l a deuxième cou che 104, les pro priétés magnétiques d u matériau constituant la deuxième couche 104. U n tel résea u d'interfaces peut être réalisé par implantation d'ions dans la deuxième couche 104 de façon périod iq ue, cette im pla ntation d 'ions détruisant localement les propriétés magnétiques du matériau magnétique dans lequel est réalisée la deuxième couche 104. Le cristal magnéto-optique peut être réalisé selon le même schéma périodique utilisé pour la réalisation des trous dans la première couche 102. Ainsi, pour l'implantation des ions il est possible d'utiliser le masque périodique utilisé pour la réalisation des trous dans la première couche 102. Après implantation on obtient donc un réseau périodique de matériau magnétique implanté 112. Les zones de matériaux non implantées sont notées 114
La réa l isation d u crista l mag néto-optique selon l'invention peut utiliser des procédés conn us pour réaliser les étapes suivantes, et par exemple dans cet ordre :
- une croissance de la deuxième couche 104 sur un substrat 106 ; puis
- une croissance de la première couche 102 au dessus de la deuxième couche 104 ; puis
- réalisation d'une couche de masque de cristal au dessus de la première couche 102
- une gravure du réseau de trous 108 dans la première couche 102 à l'aide du masque de cristal, puis ;
- à travers le même masque, une implantation de la deuxième couche 104. Dans le cristal magnéto-photonique 100 obtenu l'onde 117 est guidée dans le sens de l a flèche 116, la flèche 118 indiquant l'orientation de l'aimantation dans le matériau. Ainsi, le procédé selon l'invention permet une simplification de la fabrication d 'un cristal mag néto-photonique en évitant une opération complexe et difficile de gravure d'une couche matériau magnétique telle q u 'u ne couche de g renat, su rtout à l 'échel le des su bstrats de g rande dimension.
Par ailleurs, selon l'invention, le cristal photonique est obtenu par réa l isation de trous d ans u ne couche de d iélectriq ue, c'est-à-dire la première couche, ce qui est plus facile à réaliser et permet une plus grande l iberté su r la profondeur des trous à réal iser. U ne tel le l iberté permet d 'aug menter les libertés de conception des composants comportant au moins un cristal magnéto-photonique.
De plus, la réal isation des trous dans une couche de d iélectriq ue permet de diminuer la rugosité des interfaces obtenus, et donc un cristal photonique de meilleure qualité.
En outre, l'invention permet de faciliter la conception d'un composant à base de cristal magnéto-photonique en assurant le guidage du mode dans la deuxième couche 104 entourée de la première couche 102 et de la couche de substrat 106 qui présentent des indices optiques semblables. En effet, la structure du cristal magnéto-photonique 100 obtenu présente une symétrie verticale qui conduit à un seuil de coupure de guidage des modes très faible voire inexistant.
La couche de su bstrat présente u n ind ice optiq ue de 1,97 à la longueur d'onde l,3pm. Dans le cas particulier où la première couche est en Si0 2 , l'indice optique de cette première couche est de 1,5 à l,3pm. Dans le cas particulier où la première couche est en Si 3 N 4 l'indice optique de cette première couche est de 1,7 à l,3pm.
La figure 2 est une représentation schématiq ue d'un composant comprenant un cristal magnéto-photonique selon l'invention. Le composant 200 représenté sur la figure 2 selon une vue isométrique est un miroir non réciproque.
La première couche 102 est une couche de Si0 2 , et la deuxième couche 104 est une couche de grenat. La zone du cristal mag néto-photoniq ue est référencée 202 sur la figure 2. Les trous 108 réalisés pour obtenir le cristal photonique ont une forme de trèfle . Dans le prolongement des trous 108, des ions sont implantés dans l'épaisseur du grenat pour supprimer les propriétés magnétiques du grenat. Le profil d u mode g uidé est référencé 204. La réalisation des trous 108 et l'implantation d'ions est réalisée en utilisant un même masque de cristal périodique.
La figure 3 donne une représentation en coupe de la zone du cristal magnéto-photonique mis en œuvre dans le miroir non réciproque 200 de la figure 2.
Dans le cas du miroir non réciproque 200, le réseau de trous 108 réalise une fonction de filtre.
Le miroir non réciproque est réalisé avec un réseau de trous sur une surface d'environ 50x50 pm 2 . L'épaisseur des différentes couches est listée ci-dessous :
première couche : ~200nm
- deuxième couche : ~300 nm
- couche de substrat : > = 50pm
La figure 4 est une représentation schématique d'un autre composant comprenant un cristal magnéto-photonique selon l'invention. Le composant 400 représenté la figure 4 selon une vue isométrique est un circulateur optique à cristal magnéto-photonique.
Dans le composant 400, la première couche 102 du cristal magnéto- photonique est une couche de Si0 2 , et la deuxième couche 104 est une couche de grenat.
Le circulateur 400 comporte trois entrées-sorties 402, 404 et 406.
La zone du cristal magnéto-photonique est référencée 408 sur la figure 4. Les trous 108 réalisés pour obtenir le cristal photonique ont une forme circulaire. Da ns le prol o ngement des trous 108, des io ns sont implantés dans l'épaisseur du grenat pour supprimer les propriétés magnétiques du grenat. Da ns le cas d u ci rcu lateu r 400, les zones de trous 108 dans la première couche 102 et les zones non implantées 114 dans la deuxième couche sont de d iamètre d ifférent selon leu r positionnement d ans l a structure. La partie plus large au centre étant un trou 108.
La figure 5 donne une représentation schématique détaillée de la zone référencée 410 du circulateur optique 400 de la figure 4.
La fig ure 6 est une représentation en coupe du cristal magnéto- photonique mis en œuvre dans le circulateur optique 400 de la figure 2.
La partie centrale du circulateur est d'environ lOpm de diamètre et le total (avec les trois guides d'accès) de 100 à 200p m de côté. L'épaisseur des différentes couches est listée ci-dessous :
- première couche : ~200 nm
- deuxième couche : ~300 nm
- couche de substrat : > = 50 pm
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits.