DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne une structure optique comportant au moins deux éléments assemblés par adhésion moléculaire. Elle concerne également un procédé d'assemblage de ces deux éléments pour réaliser la structure optique.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

Un composant optique peut comprendre au moins un guide optique dont le cœur est enterré par rapport à la surface du composant. La profondeur d' enterrage des guides optiques est généralement faible, de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres. C'est pourquoi ces composants nécessitent généralement l'assemblage d'une contre-lame pouvant servir à la fois : - de protection de la surface, - de support mécanique pour la connexion d'autres composants ou dispositifs ayant une surface d' interconnexion plus grande que celle du composant (par exemple une fibre optique en férule) . La contre-lame est généralement réalisée dans le même matériau que celui à la surface du composant comprenant les guides optiques afin d'optimiser la qualité et la robustesse de l'assemblage. En effet, avec le même matériau, la contre-lame a ainsi des propriétés physiques très proches de celles du matériau à la surface du composant. L'épaisseur de la contre-lame est généralement de l'ordre de 1 mm. Avant l'assemblage de la contre-lame, il est généralement nécessaire ou indispensable de déposer à la surface du composant une couche d' adaptation d' indice de réfraction avec un matériau ayant des propriétés optiques très proches du matériau entourant le cœur du guide et formant sa gaine. Cette couche permet d'adapter l'indice de réfraction à proximité du cœur du guide optique sur une distance d'au moins 10 μm afin de minimiser les pertes à la surface du composant. La technique usuelle d'assemblage de la contre-lame à la surface du composant est le collage. Le collage est une technique très simple à appliquer pour l'assemblage de la contre-lame car elle ne nécessite aucune préparation particulière des faces à assembler. De plus, le collage absorbe les éventuels défauts des faces à assembler : rugosité, non planéité, résidus. En revanche, l'utilisation de colle à l'interface entre le composant et la contre-lame rend généralement indispensable le dépôt préalable de la couche d' adaptation d' indice de réfraction afin de minimiser les risques de pertes par couplage par ondes évanescentes entre le guide optique et la colle. Ceci d'autant plus que les variations d'indice de réfraction de la colle avec la température peuvent être différentes de celle du matériau formant la gaine du guide optique. La couche de colle peut ainsi jouer également le rôle de guide optique qui viendra pomper la lumière du guide enterré du composant. Un guide optique enterré peut être obtenu sur du verre par la technique d' échange d' ions . Un substrat de verre comprenant des ions sodium (silicate ou borosilicate) est plongé dans un premier temps dans un bain de sels d' argent en fusion afin de faire pénétrer les ions argent dans le substrat générant un cœur de guide en surface. Dans un second temps, le substrat subit un recuit assisté d'un champ électrique afin de faire migrer le cœur du guide en profondeur par rapport à la surface du substrat et de former la géométrie de sa section généralement circulaire. Cette technique permet d' enterrer le cœur du guide de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres de la surface du substrat. Un guide optique enterré peut aussi être réalisé par de la silice dopée reposant sur une couche de silice présente en surface d'un substrat en silicium. Cette technique permet la génération de guides optiques par une suite de dépôts et de microstructuration. Dans un premier temps, le cœur du guide de section carrée est réalisé à la surface d'un substrat en silicium recouvert d'une couche de silice jouant le rôle de gaine optique. Dans un second temps, le cœur du guide ainsi réalisé est recouvert d'une couche de silice afin d' obtenir une gaine d' indice de réfraction adapté autour du guide. Le cœur du guide est réalisé par les techniques de photolithographie et gravure issues de la microélectronique dans un matériau de type silice dopée phosphore, bore, ou germanium. Un guide optique enterré peut encore être obtenu par réalisation d'un guide dans une couche de silice reposant sur un substrat en silicium, le guide étant généré par implantation ionique locale de la couche de silice. Les cœurs des guides sont obtenus par implantation ionique d'ions de type titane. Le contrôle de l'énergie d'implantation permet de contrôler la profondeur d' implantation et ainsi la géométrie du guide. Cette technique permet d'enterrer le cœur du guide à quelques micromètres de la surface du substrat. Le collage de la contre-lame présente les inconvénients suivants : - Une colle dégaze généralement au cours du temps. Ces émissions peuvent alors se condenser sur les faces de composants sensibles tels que les diodes laser et dégrader leur fonctionnement. - L'indice de la colle varie en fonction de la température et peut causer des pertes par couplage par onde évanescente entre le guide et la colle : la couche de colle peut ainsi jouer également le rôle de guide optique qui viendra pomper la lumière du guide enterré du composant. Ceci rend généralement indispensable le dépôt préalable de la couche d' adaptation d' indice de réfraction afin de minimiser les risques de pertes par couplage par ondes évanescentes entre le guide optique et la colle. - Les colles ont des capacités limitées de résistance aux conditions climatiques (notamment la température, la pression, l'humidité) . Par ailleurs, l'adhésion moléculaire est une technique particulièrement employée pour l'assemblage de composants optiques. L'adhésion moléculaire est obtenue par des liaisons hydrogène qui se développent entre un atome d'hydrogène électropositif et un atome électronégatif tel que l'oxygène ou le chlore. Ces liaisons sont très forte et peuvent aller jusqu'à 40 kJ/mol. Ce type d' adhésion est particulièrement appliqué aux matériaux de type verres et silice. D'abord il nécessite une préparation particulièrement soignée des faces à assembler : celles-ci doivent être planes (de l'ordre de 1 à 2 μm pour une plaque de diamètre 2 pouces) , avec une très faible rugosité (de l'ordre de quelques nanomètres) , et exemptes de poussières ou résidus. Considérant une même grandeur de défaut de planéité (inévitable lors de la fabrication) , il est préférable que celle-ci soit de type concave ou convexe plutôt que vrillé en forme de chips par exemple : en effet, une forme concave ou convexe permettra plus facilement et chasser toutes les bulles d'air lors de l'adhésion. Cette préparation peut être très agressive selon les états de surface initiaux qui peuvent nécessiter un polissage sur une profondeur de plusieurs micromètres. Ensuite, les faces à assembler sont mises en contact et l'adhésion s'effectue et se propage instantanément. Pour renforcer les liaisons ainsi créées, l'assemblage subit un recuit à une température typique de 3000C pendant quelques minutes. On peut se référer à ce sujet à l'ouvrage « Semiconductor Wafer Bonding : Science and Technology » de U. GOSELE et Q.Y. TONG, 1998, John Wiley & Sons, Inc. EXPOSE DE L'INVENTION II est proposé par la présente invention de réaliser l'assemblage de deux éléments d'une structure optique par une technique d'assemblage moléculaire. Cette technique nécessite une adaptation particulière pour pouvoir être appliquée aux composants comprenant des guides optiques enterrés. D'une part, ce type de composants a une surface très fragile car elle est très proche du cœur du guide. Cela rend délicat la préparation de la surface qui ne doit pas dégrader les propriétés du cœur du guide, soit directement par le polissage, soit par propagation de micro-fissures par exemple lors du polissage. D'autre part, le recuit à 3000C nécessaire au renforcement des liaisons d'adhésion n'est généralement pas compatible avec les techniques de fabrication des composants : un tel recuit peut entraîner la déformation irréversible des guides ou bien le décollement de leur support à cause des différents coefficients de dilatation thermique mis en jeu pour les divers matériaux utilisés. Pour apporter une solution à ces deux problèmes, il est proposé d'apporter, selon la présente invention, des modifications au procédé d'adhésion moléculaire usuel. D'une part, les substrats sur lesquels sont réalisés les guides sont préalablement sélectionnés ou rectifiés en planéité et rugosité de façon à minimiser la profondeur de matière qui sera retirée à la surface lors de la préparation à l'adhésion après la réalisation des guides. De plus, cette préparation qui consiste alors en un nettoyage suivi d'un léger polissage est réalisée en minimisant les contraintes de déformation appliquées au composant : la force appliquée lors du polissage doit être nécessaire et suffisante pour obtenir une qualité de surface satisfaisante sans dégrader les guides optiques. D'autre part, la température de recuit pour le renforcement des liaisons d'adhésion a été réduite à moins de 15O0C pendant quelques minutes. Ce recuit est également optimisé afin d'obtenir une force d'adhésion nécessaire et suffisante aux étapes suivantes de la fabrication (par exemple découpe, polissage, stockage en température) tout en préservant les propriétés mécaniques et optiques du composant. L'invention a donc pour objet un procédé d'assemblage de deux éléments d'une structure optique selon des faces d'assemblage, au moins l'un de ces éléments comprenant au moins un guide optique dont le cœur est faiblement enterré par rapport à la face d'assemblage de cet élément, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : - sélectionner en tant que ledit élément comprenant au moins un guide optique, un élément dont la face d'assemblage a été rectifiée en planéité et en rugosité avant la création du cœur de guide optique, - effectuer, après la création du cœur du guide optique, une préparation de surface des faces d'assemblage des deux éléments de la structure optique pour permettre un assemblage par adhésion moléculaire des deux éléments, - mettre en contact les faces d'assemblage, - effectuer un recuit de renforcement de l'adhésion des faces assemblées, la température du recuit étant de l'ordre de 15O0C. Avantageusement, les deux éléments sont en des matériaux possédant des propriétés optiques, mécaniques et thermiques proches. Selon une première variante de mise en œuvre, l'élément comprenant au moins un guide optique est un élément en verre, le cœur du guide optique étant obtenu par la technique d'échange d'ions. Selon une deuxième variante de mise en œuvre, l'élément comprenant au moins un guide optique comprend un substrat de silicium recouvert d'une couche de silice dont la surface est rectifiée en planéité et en rugosité avant la formation d'un cœur de guide en silice dopé sur la couche de silice, le cœur de guide étant ensuite recouvert d'une couche de silice épousant le relief formé par le cœur du guide. Selon une troisième variante de mise en œuvre, l'élément comprenant au moins un guide optique comprend un substrat de silicium recouvert d'une couche de silice dont la surface est rectifiée en planéité et en rugosité avant la formation d'un cœur de guide en silice dopée sur la couche de silice, le cœur de guide étant ensuite recouvert d'une couche de silice planarisée. Selon une quatrième variante de mise en œuvre, l'élément comprenant au moins un guide optique comprend un substrat en silicium recouvert d'une couche de silice dont la surface est rectifiée en planéité et en rugosité avant la formation d'un cœur de guide obtenu par implantation ionique locale de la silice.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe transversale de deux éléments d'une première structure optique, assemblés par le procédé selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe transversale de deux éléments d'une deuxième structure optique, assemblés par le procédé selon l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe transversale de deux éléments d'une troisième structure optique, assemblés par le procédé selon l'invention, - la figure 4 est une vue en coupe transversale de deux éléments d'une quatrième structure optique, assemblés par le procédé selon l'invention, - la figure 5 est une vue de dessus montrant un assemblage, selon la présente invention, de deux composants sur une même contre-lame.

EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS Le procédé selon la présente invention peut s'appliquer aux différentes techniques de fabrication de guides optiques enterrés. La figure 1 est une vue en coupe transversale de deux éléments d'une première structure optique, assemblés par le procédé selon l'invention. Cette structure optique comprend un élément 1 constitué par un substrat en verre comprenant des ions sodium. Avant la réalisation du guide optique, la face d'assemblage 2 de ce substrat a été rectifiée en planéité (pour obtenir une planéité de l'ordre du micromètre, typiquement 1 à 2 μm) et en rugosité (pour obtenir une rugosité au maximum de quelques dizaines de nanomètres) . Le substrat 1, pourvu d'un masque sur la face d'assemblage 2, a ensuite été plongé dans un bain de sels d'argent en fusion afin de faire pénétrer les ions argent dans le substrat, générant un cœur de guide en surface dans la zone non masquée. Ensuite, le substrat 1 a subi un recuit assisté par un champ électrique afin de faire migrer le cœur du guide 3 en profondeur par rapport à la surface 2 du substrat. La face d'assemblage 2 du substrat 1 subit ensuite une préparation de surface pour permettre un assemblage par adhésion moléculaire. Il en va de même pour la face d'assemblage 8 de l'élément 9 en verre et servant de contre-lame. Cette préparation de surface peut être réalisée de la manière suivante. Les faces d'assemblage sont d'abord nettoyées à l'acétone et à l'alcool pour les dégraisser. Elles sont ensuite polies pour obtenir une rugosité de qualité optique (rugosité inférieure à quelques nm) et les faces d'assemblage sont activées pour favoriser les liaisons hydrogène. Une fois la préparation de surface effectuée, les faces d'assemblage sont mises en contact à partir de leur centre afin de propager l'adhésion du centre vers les bords et chasser ainsi les bulles d'air entre les faces d'assemblage. L'adhérence entre les deux éléments assemblés est renforcée par un recuit à 15O0C pendant quelques minutes. Une température plus ou moins élevée, pendant plus ou moins longtemps, peut être appliquée selon la résistance de la structure. La figure 2 est une vue en coupe transversale de deux éléments d'une deuxième structure, assemblés par le procédé selon l'invention. Cette structure optique comprend un élément 11 constitué par un substrat en silicium recouvert d'une couche de silice 14. La face libre de la couche de silice est rectifiée en planéité et en rugosité. Un cœur de guide 13 en silice dopée, de section carrée, est réalisé sur la couche de silice 14. Le cœur de guide 13 est réalisé par les techniques de photolithographie et de gravure issues de la microélectronique, à partir de silice dopée au phosphore, au bore ou au germanium. Il est ensuite recouvert d'une couche de silice 15, qui peut faire plusieurs micromètres d'épaisseur, afin d'obtenir une gaine d'indice de réfraction adapté. Comme pour la première structure optique, la face d'assemblage 12 (qui est le report de la face rectifiée de la couche 14) de l'élément comprenant le guide optique et la face d'assemblage 18 de la contre- lame 19 en verre subissent une préparation de surface. Comme précédemment, les faces d'assemblage 12 et 18 sont mises en contact et l'adhérence est renforcée par un recuit à une température de l'ordre de 15O0C. La figure 3 est une vue en coupe transversale de deux éléments d'une troisième structure, assemblés par le procédé selon l'invention. Cette structure optique comprend, comme pour la deuxième structure, un élément 21 constitué par un substrat de silicium recouvert d'une couche de silice 24. La face libre de la couche de silice est rectifiée en planéité et en rugosité. Un cœur de guide 23 en silice dopée, de section carrée, est réalisé comme précédemment sur la couche de silice 24. Il est ensuite recouvert d'une couche de silice épaisse 25 qui est ensuite planarisée pour obtenir une couche d'épaisseur uniforme. La face d'assemblage 22 (qui est le report de la face rectifiée de la couche 24) de l'élément comprenant le guide optique et la face d'assemblage 28 de la contre-lame 29 en verre subissent la préparation de surface déjà décrite. Comme précédemment, les faces d'assemblage 22 et 28 sont mises en contact et l'adhérence est renforcée par un recuit à une température de 1 ' ordre de 15O0C. La figure 4 est une vue en coupe transversale de deux éléments d'une quatrième structure optique, assemblés par le procédé selon l'invention. Cette structure optique comprend un élément 31 constitué par un substrat en silicium recouvert d'une couche de silice 34. La face libre 32 de la couche de silice 34 est rectifiée en planéité et en rugosité. Un cœur de guide 33, généré localement par implantation ionique d'ions titane, est réalisé dans la couche de silice 34. La face d'assemblage 32 de l'élément comprenant le guide optique et la face d'assemblage 38 de la contre-lame 39 en verre subissent une préparation de surface. Comme précédemment, les faces d'assemblage 32 et 38 sont mises en contact et l'adhérence est renforcée par un recuit à une température de 1 ' ordre de 15O0C. Plusieurs composants optiques identiques ou différents peuvent être assemblés à une même contre- lame. La figure 5 est une vue de dessus montrant un tel assemblage. La contre-lame 49 supporte et maintient par adhésion moléculaire deux composants 41 et 41' à guide optique à cœur faiblement enterré. Les faces d'assemblage des composants 41 et 41' sont préparées conformément à la présente invention. Les composants 41 et 41' peuvent éventuellement être connectés entre eux, par exemple par des fibres optiques. La contre-lame 49 joue ainsi en plus le rôle de support commun aux composants de la structure optique. Par rapport à l'assemblage par collage, l'assemblage par adhérence moléculaire présente les avantages suivants : - L'assemblage ne nécessite plus le dépôt d'une couche d'adaptation d'indice de réfraction sur la surface du composant. En prenant un même matériau aux propriétés proches de celui à la surface du composant, l'adaptation d'indice est optimale et ne varie pas avec la température. - Les risques d'endommagement de composants sensibles au dégazage de la colle (par exemple diode laser) sont supprimés. - La résistance aux conditions climatiques (température, pression, humidité) est meilleure qu'un assemblage par collage qui, comparativement, présente plus de dégradations lorsqu'il est soumis à des cycles de vieillissement. - La résistance aux gradients de température est meilleure qu'un assemblage par collage car les matériaux de part et d'autre de la surface d'adhésion ont des propriétés de dilatation thermique très proches. La présente invention s'applique aux composants optiques passifs (diviseur, multiplexeur) et aux composants optiques actifs (amplificateurs) .