DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

L' invention concerne une structure de guide d'onde optique dans laquelle la biréfringence est maîtrisée. La structure comprend un guide d'onde optique supporté par un substrat, le guide d'onde optique comportant au moins une couche de guidage micronanostructurée .

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

Les guides d' ondes optiques sont des médiums de transport des signaux optiques très largement utilisés en optoélectronique. Ils présentent cependant l'inconvénient d'être sensibles à la polarisation de la lumière : on dit que les guides d'ondes optiques sont biréfringents. La biréfringence est classiquement définie comme étant la différence entre les indices effectifs affectés aux polarisations TE (pour « Transverse Electric » en anglais) et TM (pour « Transverse Magnetic » en anglais) :

Par convention, sur un circuit optique réalisé dans un plan donné, les états de polarisation TE et TM sont définis tels que : - TE correspond au champ électrique parallèle au plan du circuit et au champ magnétique perpendiculaire au plan du circuit,

- TM correspond au champ magnétique parallèle au plan du circuit et au champ électrique perpendiculaire au plan du circuit.

Dans les guides d'onde optiques, il existe principalement deux types de processus biréfringents : une biréfringence de forme et une biréfringence de matériau.

La biréfringence de forme, notée B _form , est due au rapport de forme asymétrique de la section du guide d'onde. En effet, lorsqu'un guide d'onde optique a un rapport de forme arbitraire, il ne propage pas les deux états de polarisation TE et TM d'un signal optique à la même vitesse, sauf si la section du guide est rigoureusement carrée. On observe alors au sein du guide optique une dispersion en polarisation du mode optique . La biréfringence de matériau, notée B _matr est due au matériau dans lequel est inscrit le guide d'onde. La biréfringence de matériau peut être intrinsèque, comme dans le cas des matériaux anisotropes, ou être induite par les processus de fabrication des guides d'ondes. Par exemple, lorsqu'un guide d'onde est déposé sur un substrat, des contraintes peuvent apparaître au niveau de l'interface et générer ainsi un processus de biréfringence de matériau induite. D'une manière générale, le processus dominant de biréfringence est celui qui est lié au rapport de forme des guides, de telle sorte que B _form » B _mat . La biréfringence de forme constitue donc l'inconvénient principal à surmonter pour maîtriser la biréfringence des guides d'onde. Les guides d' onde connus sont principalement des structures constituées d'empilements verticaux de couches minces.

Le document [1] (référencé à la fin de cette description) décrit un guide d'onde à « double cœur » constitué d'une couche principale de cœur et d'une couche mince. Dans ce guide d'onde, l'ajout de la couche mince juste en-dessous de la couche principale de cœur permet de compenser la dispersion en polarisation de la couche principale de cœur. La couche mince est choisie de manière à avoir une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres et un fort indice de réfraction, ainsi qu'une biréfringence de signe opposé à celle de la couche principale de cœur. Dans l'exemple illustré dans le document [1] , la couche mince est une couche en Si3N ₄ ayant un indice de réfraction n~2 et la couche principale de cœur est en SiON.

Le guide d' onde à double cœur ne permet de compenser que de faibles biréfringences (de l'ordre de quelques 10 ^~3 , ce qui correspond à des valeurs de biréfringence de matériau) . Il est donc nécessaire que le guide d' onde ait une section à peu près carré afin d'éviter l'apparition d'une biréfringence de forme.

C'est pour cela que l'épaisseur de la couche mince est choisie de manière à ce que la somme des épaisseurs de la couche principale de cœur et de la couche mince soit à peu près égale à la largeur du guide d'onde.

Le document [2] décrit quant à lui un guide d'onde multicouches constitué d'une alternance de couches de silice d' indice n _b et de hauteur h _b et de couches de silice dopée d' indice n _a et de hauteur h _ar la région centrale du guide d' onde étant une couche ayant une épaisseur deux fois plus grande que les couches adj acentes . Dans ce guide d'onde multicouches, le contraste d' indice entre les couches est très faible (Δn=l,5%) et l'épaisseur de chaque couche est de 250 nm.

Comme dans le guide d' onde à double cœur précédemment décrit, la hauteur H et la largeur L du guide d'onde sont choisies de manière à ce que la section du guide d' onde ait un rapport de forme très proche de l'unité, c'est-à-dire une forme essentiellement carrée, car ce guide d'onde multicouches ne permet de compenser que de faibles biréfringences (quelques 10 ^~4 ) . Il est donc important d'éviter de créer une biréfringence de forme dans le guide d'onde.

En conclusion, la compensation de la biréfringence dans les guides d'ondes connus de l'art antérieur est, comme nous l'avons vu ci-dessus, limitée .

D'autre part, dans le domaine de l'optoélectronique, il est intéressant de pouvoir intégrer un maximum de dispositifs optiques sur une même puce. Or, cela nécessite de miniaturiser au maximum les circuits optiques, ce qui conduit à une miniaturisation de la section des guides optiques à des dimensions submicroniques . Or, comme nous venons de le voir, les guides d'ondes de l'art antérieur doivent avoir une section sensiblement carrée afin de limiter la biréfringence de forme. Les hauteurs de ces guides d'onde, ayant des valeurs proches des largeurs de ces guides, sont de quelques micromètres. Ces guides ne peuvent donc pas être utilisés dans le cadre d'une intégration submicronique .

Afin de réaliser des circuits optiques ou photoniques intégrés encore plus performants, les inventeurs ont donc cherché à concevoir un guide d' onde qui puisse non seulement compenser une biréfringence de matériau, mais également une biréfringence de forme. Les inventeurs ont donc cherché à concevoir un guide d'onde dans lequel la biréfringence puisse être maîtrisée, quelque soit la forme de la section du guide d' onde . Les inventeurs ont également cherché à concevoir un guide d' onde qui permette de contrôler la biréfringence à la fois dans l'espace, c'est-à-dire localement et/ou sur l'ensemble du guide d'onde, et dans le temps, c'est-à-dire obtenir un contrôle dynamique in-situ de la biréfringence du guide.

Le but de l'invention est donc de proposer un guide d' onde optique qui permette de contrôler la biréfringence, et cela, quel que soit le rapport de forme de la section du guide d'onde. EXPOSE DE L'INVENTION

Ce but est atteint par une structure de guide d'onde optique, comprenant : - un substrat support, - un guide d'onde optique disposé sur une face du substrat support, le guide d'onde optique comprenant au moins une couche de guidage ayant un indice de réfraction ni destinée à guider une onde optique selon un sens de propagation parallèle à la surface de la couche de guidage, ladite structure étant caractérisée en ce que ladite au moins une couche de guidage comprend au moins une zone ayant une biréfringence de valeur B, ladite zone comprenant des évidements qui sont réalisés dans l'épaisseur de la couche de guidage, les évidements étant remplis avec un fluide ou un matériau ayant un indice de réfraction n ₂ différent de ni et étant organisés selon au moins deux rangées parallèles, chaque rangée se trouvant dans un plan essentiellement perpendiculaire à la surface de la couche de guidage et essentiellement parallèle au sens de propagation de l'onde optique, et chaque rangée s' étendant sur une distance supérieure ou égale à la longueur d'onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur des évidements étant inférieure ou égale à un dixième de la longueur d'onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur d'un évidement étant la distance maximale entre deux bords opposés d'un même évidement présents dans un plan perpendiculaire au sens de propagation de l'onde optique, chaque évidement au sein d'une même rangée étant éloigné d'un évidement adjacent d'une distance inférieure ou égale à un dixième de la longueur d' onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur des évidements par rapport à la distance séparant deux évidements adjacents de deux rangées adjacentes et l'indice de réfraction n ₂ du fluide ou du matériau remplissant les évidements étant choisis en fonction de la valeur de biréfringence B que l'on souhaite obtenir selon la formule suivante :

ff étant le facteur de remplissage du matériau d' indice de réfraction ni et étant une valeur comprise entre 0 et 1, les valeurs 0 et 1 étant exclus ; n _H ,τE et n _H ,τi4 étant respectivement les indices de réfraction effectifs du mode TE et du mode TM de la couche de guidage d' indice de réfraction supérieur (« haut ») , n _B ,τE et n _B ,τM étant respectivement les indices de réfraction effectifs du mode TE et du mode TM du fluide ou du matériau de remplissage des évidements d' indice de réfraction inférieur (« bas ») . On rappelle que comme ni et n ₂ sont différents, il y en a forcément un qui est supérieur et l'autre qui est inférieur.

Si l'indice n ₂ est rigoureusement égal à l'indice environnant n _en v (dans le cas où la couche de guidage structurée est placée dans un liquide ou dans le cas le plus général, dans l'air ou dans un gaz quelconque) , alors n _B ,τE et n _B ,τM seront pris égaux à n _en v

Selon l'invention, ce sont bien le choix du facteur de remplissage ff et le choix du fluide

(liquide ou gaz) ou matériau remplissant les évidements qui permettent d'obtenir une biréfringence B contrôlée.

Il est à noter que les espaces entre les évidements et la période entre les rangées (dans le cas de rangées organisées de manière périodique) , que nous appellerons paramètres de structuration, sont compris dans des gammes de valeurs précises afin d'obtenir la biréfringence B souhaitée. Selon cette valeur souhaitée, on modifiera donc les paramètres de structuration des évidements et/ou la nature du fluide ou du matériau remplissant lesdits évidements. Il est à noter qu'on cherche ici à contrôler la biréfringence ; cela est possible de deux manières : d'une manière globale et d'une manière locale. Lorsqu'on souhaite contrôler la biréfringence de manière globale, on modifie les paramètres de la formule ci-dessus de manière à obtenir en sortie du guide d' onde une biréfringence compensée et de manière à ce que les deux modes de propagation TE et TM soient détectés en même temps, même s'ils n'ont pas la même vitesse de propagation. Par exemple, si le mode TE se propage dans la structure guidante avec un certain retard par rapport au mode TM, on cherche alors à retarder le mode TM de façon à ce qu'en sortie de la couche guidante, on puisse voir les deux modes TE et TM.

Lorsqu'on souhaite contrôler la biréfringence de manière locale, on modifie localement les paramètres de la formule de manière à ce que les deux modes TE et TM se propagent à la même vitesse à l'intérieur de la couche de guidage. Pour cela, les indices effectifs seront rigoureusement les mêmes.

La période entre les rangées est comprise entre 50 nm et 1 μm ; l'espacement entre les évidements est compris entre 50 nm et 1 μm ; la profondeur des évidements est comprise 10 nm entre et 1 μm.

Comme la structuration de la couche de guidage se fait dans l'épaisseur de la couche de guidage en partant d'une face de ladite couche et comme les dimensions des évidements ainsi que les espaces entre les évidements sont compris entre 50 nm et 1 μm, on dit que la couche de guidage comporte une micronanostructuration latérale.

Les évidements sont présents dans au moins une zone de la couche de guidage où on souhaite modifier la biréfringence de la couche de guidage. Les évidements peuvent ainsi être localisés en une ou plusieurs zones précises de la couche de guidage ou être présents sur l'ensemble de la couche de guidage

(la zone correspondant alors à l'ensemble de la couche de guidage). En d'autres termes, les évidements peuvent être présents sur toute la largeur de la couche de guidage et/ou sur toute la longueur de la couche de guidage .

L' indice de réfraction n ₂ est différent de l'indice de réfraction ni. Généralement, on choisit un indice de réfraction ni supérieur à l'indice n ₂ , de manière à ce que l'onde optique reste confinée dans le matériau d'indice ni. Par exemple, si le matériau d'indice ni est en silicium, le matériau d'indice n ₂ peut être choisi parmi les oxydes (par exemple SiO ₂ , TiO ₂ ...) ou les nitrures (par exemple Si3N ₄ ...) .

Avantageusement, l'onde lumineuse destiné à être propagée dans la couche de guidage a une longueur d'onde comprise entre 400 nm et 10 μm.

Avantageusement, les évidements adjacents de rangées adjacentes sont éloignés d'une distance inférieure ou égale à un dixième de la longueur d' onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage.

Avantageusement, la distance entre les évidements adjacents d'une même rangée est constante.

Avantageusement, la distance entre les rangées est constante.

Il faut comprendre que lorsqu'on parle de la distance entre les rangées adjacentes, on considère la distance entre deux lignes directrices, chaque ligne directrice passant par le centre des évidements de chaque rangée. Ainsi, on peut par exemple obtenir une structure de guide d'onde dans laquelle la couche de guidage comporte un ensemble d' évidements agencés de manière périodique. Avantageusement, au moins un des évidements est une fente s' étendant dans le sens de propagation de l'onde optique. Dans ce cas particulier, au moins une rangée peut avantageusement comprendre un seul évidement, cet évidement étant une fente qui s'étend dans le sens de propagation de l'onde optique.

Avantageusement, au moins un des évidements est un trou ayant une section circulaire ou carrée.

Avantageusement, la largeur des évidements varie au sein d'une même rangée d' évidements .

Selon une première variante, la variation de la largeur des évidements au sein d'une même rangée est constante.

Selon une autre variante, la variation de la largeur des évidements au sein d'une même rangée est périodique ; par exemple, la variation peut être une variation sinusoïdale avec une augmentation suivie d'une diminution, etc.. de la largeur.

Ainsi, les paramètres de structuration de la couche de guidage peuvent varier sur la largeur ou la longueur de la couche de guidage. Dans ce cas, le profil d'indice se trouve alors localement modifié. Cette modification permet de réaliser par exemple des fonctions optiques passives/actives avancées dans le guide d'onde (focaliseur, convertisseur de mode, commutateur...) .

Avantageusement, la couche de guidage a une épaisseur inférieure ou égale à 10 micromètres. Plus particulièrement, la couche de guidage peut avantageusement avoir une épaisseur comprise entre 1 micromètre et 250 nanomètres. Avantageusement, les évidements ont la même profondeur .

Avantageusement, les évidements sont des évidements traversants. On dit que les évidements sont traversants lorsqu' ils traversent la totalité de l'épaisseur de la couche de guidage.

Avantageusement, la couche de guidage comprenant les évidements est recouverte d'une couche de revêtement en matériau ayant un indice de réfraction n ₂ différent de ni et identique au matériau remplissant les évidements de la couche de guidage. Par exemple, le matériau présent dans les évidements peut être le même matériau que le matériau du substrat support.

Avantageusement, la structure comprend en outre deux électrodes conductrices, une première électrode étant placée sous la couche de revêtement et la seconde électrode étant placée au dessus de la couche de revêtement. De préférence, les deux électrodes sont placées à proximité de la zone de la couche de guidage comportant les évidements. Avantageusement, les électrodes peuvent être électriquement conductrices ou thermiquement conductrices .

L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une telle structure de guide d'onde optique comprenant un substrat support et un guide d'onde optique, le guide d'onde comprenant au moins une couche de guidage qui comprend au moins une zone ayant une biréfringence de valeur B. Le procédé de réalisation comprend les étapes suivantes : - fourniture d'un empilement comprenant un substrat support et au moins une couche de guidage de premier matériau sur une face du substrat support,

- structuration de ladite au moins une couche de guidage dans ladite au moins une zone par formation d'évidements dans l'épaisseur de la couche de guidage, les évidements étant remplis avec un fluide ou un matériau ayant un indice de réfraction n2 différent de ni et étant organisés selon au moins deux rangées parallèles, chaque rangée se trouvant dans un plan essentiellement perpendiculaire à la surface de la couche de guidage et essentiellement parallèle au sens de propagation de l'onde optique dans la couche de guidage, et chaque rangée s' étendant sur une distance supérieure ou égale à la longueur d'onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur des évidements étant inférieure ou égale à un dixième de la longueur d'onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur d'un évidement étant la distance maximale entre deux bords opposés d'un même évidement présents dans un plan perpendiculaire au sens de propagation de l'onde optique, chaque évidement au sein d'une même rangée étant éloigné d'un évidement adjacent d'une distance inférieure ou égale à un dixième de la longueur d' onde de l'onde optique destinée à être propagée dans la couche de guidage, la largeur des évidements par rapport à la distance séparant deux évidements adjacents de deux rangées adjacentes et l'indice de réfraction n ₂ du fluide ou du matériau remplissant les évidements étant choisis en fonction de la valeur de biréfringence B que l'on souhaite obtenir selon la formule suivante :

ff étant le facteur de remplissage du matériau d' indice ni et étant une valeur comprise entre 0 et 1, 0 et 1 étant exclus, n _H ,τE et n _H ,τi4 étant respectivement les indices de réfraction effectifs du mode TE et du mode TM de la couche de guidage d' indice de réfraction supérieur (« haut ») , n _B ,τE et n _B ,τM étant respectivement les indices de réfraction effectifs du mode TE et du mode TM du fluide ou du matériau de remplissage des évidements d' indice de réfraction inférieur (« bas ») .

Si l'indice n ₂ est rigoureusement égal à l'indice environnant n _en v (dans le cas où la couche de guidage structurée est placée dans un liquide ou dans le cas le plus général, dans l'air ou dans un gaz quelconque) , alors n _B ,τE et n _B ,τM seront pris égaux à n _en v

La structuration de la couche de guidage peut être réalisée par lithographie, puis gravure de ladite couche.

Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de réalisation comprend en outre, après l'étape de structuration, une étape de dépôt d'une couche de revêtement sur la couche de guidage structurée, ladite couche de revêtement ayant un indice de réfraction différent de celui de la couche de guidage . Avantageusement, le procédé de réalisation comprend en outre, avant l'étape de dépôt de la couche de revêtement sur la couche de guidage structurée, une étape de formation d'une première électrode conductrice sur la couche de guidage et, après l'étape de dépôt de la couche de revêtement sur la couche de guidage structurée, une étape de formation d'une seconde électrode conductrice sur la couche de revêtement. Les électrodes conductrices peuvent être électriquement conductrices ou thermiquement conductrices. La formation des électrodes peut par exemple être obtenue par dépôt d'une couche électriquement conductrice. On précise que la première électrode peut être formée avant ou après la structuration de la couche de guidage . Selon un mode de réalisation, le substrat support comprend un substrat ayant un indice de réfraction n ₃ et une couche ayant un indice de réfraction n ₄ en contact avec la couche de guidage, n ₄ étant inférieur à l'indice de réfraction ni de la couche de guidage. Avantageusement, le substrat support comprend un substrat en silicium et une couche en dioxyde de silicium, et la couche de guidage est une couche en silicium. BRÈVE 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 représente un exemple d'une structure de guide d' onde optique vue en coupe transversale selon l'invention, - les figures 2A à 2D représentent les étapes du procédé de fabrication d'une structure de guide d' onde optique selon un premier mode de réalisation de l'invention,

- les figures 3A et 3B représentent une vue de dessus de la structure représentée dans la figure

2C, où la structuration de la couche de guidage est, respectivement, localisée ou étendue sur toute la longueur de la couche de guidage,

- la figure 4 représente une structure de guide d'onde vue en coupe transversale comportant deux électrodes,

- les figures 5A à 5D représentent les étapes du procédé de fabrication d'une structure de guide d' onde optique selon un second mode de réalisation de l'invention,

- la figure 6 est un graphique présentant les calculs de la biréfringence en fonction du taux de remplissage en silicium par simulation en utilisant un logiciel (RSOFT) et avec l'échantillon réel, - la figure 7 est un graphique présentant les indices effectifs des états de polarisation TE et TM en fonction du taux de remplissage en silicium d'une structure de guide d'onde selon l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Un exemple de structure 1 de guide optique selon l'invention est illustré dans la figure 1. Dans la figure 1, la structure 1 est constituée d'un guide optique, comprenant une unique couche de guidage structurée 200 avec un réseau périodique d'évidements A, reposant sur un substrat support 3.

Le guide d' onde de la structure de guide d'onde selon l'invention peut également être constitué de plusieurs couches empilées, au moins de ces couches comportant une nanostructuration latérale. Nous allons à présent décrire un exemple de réalisation d'une structure de guide d'onde selon l'invention à partir d'un substrat SOI (silicium sur isolant) .

Sur une face d'un substrat de silicium 30, on dépose une couche de dioxyde de silicium 300 d'environ 1 micromètre d'épaisseur (figure 2A) .

On dépose ensuite une couche de silicium polycristallin 20 sur la couche de dioxyde de silicium 300. Cette couche de silicium 20 a une épaisseur comprise entre 200 nm et 1 μm (figure 2B) .

On réalise ensuite la structuration de la couche de silicium polycristallin 20 : on obtient alors une couche structurée 200. La structuration latérale du guide d'onde peut se faire selon plusieurs géométries (sous forme de fentes ou de trous) , la structuration pouvant être mixte (trous et fentes) , périodique ou non-périodique. Dans cet exemple de réalisation, la structuration est un réseau périodique de fentes parallèles créé dans toute l'épaisseur de la couche de silicium polycristallin 20. La structuration est obtenue par exemple en effectuant une lithographie de la couche 20, puis une gravure RIE ou ICP. La lithographie peut être réalisée en utilisant des UV, des UV profonds, un faisceau d'ions focalisés ou un faisceau d'électrons. Les évidements de la couche de guidage structurée 200 peuvent être laissés vides (figure 2C) , mais on peut également les remplir. Les évidements de la couche de guidage structurée peuvent ainsi être remplis par un solide ou un fluide, le fluide pouvant être un liquide ou un gaz. Le gaz peut par exemple être 1' air ambiant .

Dans l'exemple illustré dans la figure 2D, la couche de guidage structurée 200 est recouverte d'une couche de revêtement 5 qui va venir combler les fentes de la couche de guidage. Par exemple, on dépose une couche de revêtement 5 en dioxyde de silicium ayant une épaisseur de 1,5 micromètres sur la couche de guidage structurée 200, puis on planarise cette couche de revêtement 5 par polissage mécano-chimique. L'épaisseur finale de la couche de revêtement 5 peut être contrôlée et réglée entre 100 nm et 1 micromètre. On obtient alors une structure de guide d' onde comportant un substrat support 3 et un guide d' onde 4 constitué d'une couche de guidage structurée 200 et d'une couche de revêtement 5. Dans l'exemple illustré dans la figure 2D, la couche de revêtement 5 est en un matériau identique au matériau de la couche sous-jacente à la couche de guidage, c'est-à-dire la couche 300. On peut cependant choisir de déposer une couche de revêtement en un matériau ayant un indice de réfraction différent (par exemple un indice de réfraction inférieur) de celui de la couche de guidage (par exemple une résine ou un matériau diélectrique) . Selon un autre exemple de réalisation, une couche de silicium d'indice n=3,5 ayant une épaisseur de 250 nm est reportée sur une couche de silice, elle- même déposée sur un substrat de silicium. Un réseau ID de fentes est gravé dans toute l'épaisseur de la couche de silicium selon une période de 120 nm. Les fentes du réseau sont ensuite remplies, par exemple, de nitrure de silicium Si ₃ N ₄ d'indice n=2,2. On obtient alors un réseau ayant un facteur de remplissage en silicium de 85%. Un tel guide d'onde micronanotructuré est adapté pour servir de guide d'onde à une onde lumineuse ayant une longueur d'onde de 1,55 μm.

La structuration de la couche de guidage peut être localisée (figure 3A) ou étendue sur toute la longueur de la couche (figure 3B) . Ces figures 3A et 3B représentent une vue de dessus de la structure illustrée à la figure 2C : on aperçoit la couche de guidage structurée 200, ainsi que le substrat sous- jacent (couche 300) et les évidements A.

En fonction des paramètres de structuration (pas entre les évidements, nombre d' évidements...) , on peut augmenter, diminuer ou annuler la biréfringence du guide d'onde, mais une fois que la structuration est réalisée, la biréfringence du guide d'onde est fixée. On peut toutefois modifier cette biréfringence en changeant le matériau compris dans les évidements de la couche de guidage. Il est alors préférable d'utiliser un fluide pour remplir et vider plus facilement les évidements .

Il est également possible de modifier la biréfringence du guide d' onde de manière dynamique : on obtient alors un guide d'onde reconfigurable au cours du temps. Pour cela, on place deux électrodes (6, 7) de part et d'autre de la couche de revêtement 5 (figure 4) de manière à changer de manière dynamique l'indice de réfraction de la couche de revêtement et/ou les paramètres opto-géométriques de la structuration de la couche de guidage structurée 200. La variation peut se faire de manière électro-optique en appliquant une tension électrique entre les électrodes (6, 7) (pour modifier l'indice de réfraction) ou de manière thermique en produisant un échauffement local entre les électrodes (la variation de chaleur provoque l'expansion ou le rétrécissement de la couche de guidage et modifie l'espace entre les évidements). On note que dans cet exemple, la couche de revêtement 5 est en un matériau différent de la couche 300 sous- jacente à la couche de guidage structurée 200.

Selon un autre mode de réalisation, on peut également placer plusieurs paires d'électrodes le long du guide d'onde structuré de part et d'autre de la couche de revêtement afin de permettre une reconfiguration dynamique du guide d' onde par une modification globale ou locale des paramètres opto- géométriques de la couche de guidage structurée.

Un deuxième exemple de réalisation d'une structure de guide d'onde optique va être décrit.

On dépose une couche de dioxyde de silicium 3000 sur une couche III-V 20 d'une hétérostructure III- V constituée d'un substrat III-V 8, d'une couche sacrificielle III-V 9 et d'une couche III-V 20 empilés (figure 5A) . Les matériaux III-V formant 1' hétérostructure peuvent être par exemple du GaAs ou du InP.

Cette hétérostructure est reportée sur un empilement constitué d'un substrat de silicium 30 et d'une couche de dioxyde de silicium 300 par un procédé de collage par adhérence moléculaire, l'adhérence ayant lieu entre la couche de dioxyde de silicium 3000 de 1' hétérostructure et la couche de dioxyde de silicium 300 de l'empilement (figure 5B). Puis, on réalise le retrait du substrat

III-V 8 par rodage, polissage puis gravure chimique sélective jusqu'à atteindre la couche sacrificielle 9. Puis la couche sacrificielle 9 est éliminée par gravure chimique sélective. La surface de la couche III-V 20 peut être aplanie (figure 5C) .

Enfin, on réalise des évidements dans la couche III-V 20 dans toute son épaisseur, par exemple en effectuant une lithographie suivie d'une gravure RIE ou ICP de la couche III-V. Les évidements peuvent être un réseau périodique de fentes parallèles par exemple. On obtient alors une couche structurée 200. Puis, on remplit les évidements et on recouvre la couche III-V structurée 200 d'une couche de revêtement 5 en matériau différent (par exemple du dioxyde de silicium, du nitrure de silicium ou bien une résine optique transparente à la longueur d'onde de travail, etc.. (figure 5D) .

La biréfringence B est obtenue selon une formule qui dépend d'un facteur du matériau d'indice ni (facteur de remplissage ff) et des indices de réfraction ni, _TE , ni, _TM , n ₂ ,τε et n ₂ ,τM- Cette formule provient d'un modèle analytique permettant de modéliser le comportement des structures à fentes de type couche mince . Dans ce modèle analytique, on a :

- pour la polarisation TM :

^' Λ naff - ^, ™ = V ⁿ U ^{χ ff +} <™ ^χ α - ^ff > ⁺ H \τ

- pour la polarisation TE :

n ^eff - ^{TE ~} I ff ₊ α - ff) ^{+ a x} ( λ

2 2

H,TE B,TE

où ax est un terme correctif du premier ordre, a étant une constante, Λ étant la période et λ la longueur d' onde ; n _e ff,τi4 et n _e ff,τE étant l'indice de réfraction effectif du mode TM et du mode TE, respectivement ; n _H ,τi4 et n _H ,τE étant l'indice de réfraction haut du mode TM et du mode TE, respectivement ; n _B ,τi4 et n _B ,τE étant l'indice de réfraction bas du mode TM et du mode TE, respectivement.

On rappelle que comme ni et n ₂ sont différents, il y en a forcément un qui sera « haut » et l'autre « bas ».

Dans le cas où l'indice n ₂ est rigoureusement égal à l'indice environnant n _en v (dans le cas où la couche de guidage structurée est placée dans un liquide ou dans le cas le plus général, dans l'air ou dans un gaz quelconque) , alors n _B ,τE et n _B ,τM seront pris égaux à n _env .

On obtient ainsi la biréfringence B :

^B - ⁿ eff, TE ~ ⁿ eff, TM - _Λ n ffff ₊ π(l --ffff)) _TM xff + < _TM xd-ff ⁾

2 2

H,TE B,TE Les paramètres de structuration sont reliés au facteur de remplissage ff de manière connue en soi.

A titre d'exemple, pour un guide structuré à une seule dimension, la largeur d'un évidement est égale à (l-ff)*Λ et l'espacement entre deux évidements adjacents est égal à ff*Λ, Λ étant la période du réseau du guide structuré.

A titre d' illustration et afin de démontrer qu'un guide d'onde structuré selon l'invention permet effectivement de contrôler la biréfringence, nous avons effectué des calculs numériques à partir d'un guide d'onde de taille micrométrique comportant une nano- structuration latérale.

La structure de guide d' onde 1 étudiée dans cet exemple est constituée d'une couche de silicium ayant une épaisseur de 320 nm, une largeur de 5 μm et une longueur de 300 μm, qui forme le guide d'onde, et d'un substrat 3 (figure 1) . L'indice de réfraction de la couche de silicium structurée est de 3,5. Cette couche de silicium comporte un réseau périodique de fentes A parallèles à la longueur de la couche, réalisées dans toute l'épaisseur de la couche et organisées selon une période de 100 nm. Le substrat 3 peut par exemple être constitué d'un substrat en silicium et d'une couche de silice ayant une épaisseur de 2 μm. L'ensemble formé par ce substrat et la couche de silicium de 220 nm forme alors un substrat SOI micronanostructuré .

La couche ainsi structurée 200 est immergée dans un milieu homogène de nitrure de silicium Si3N ₄ ayant un indice de réfraction de 2,2.

Pour réaliser les calculs numériques, nous avons utilisé un logiciel commercial de simulation basé sur la méthode de la propagation des faisceaux optiques (le logiciel BeamProb ^® de chez Rsoft) . Ce logiciel permet de modifier le rapport entre la largeur des fentes et la période entre les fentes de la couche structurée. Dans notre exemple, en modifiant le rapport entre la largeur des fentes et la période, on modifie le facteur de remplissage en silicium (ffsi) de la couche structurée. Pour chaque rapport, on mesure les indices effectifs relatifs aux deux états de polarisation TE et TM.

Pour mesurer ces indices effectifs, on génère un faisceau gaussien à l'un des deux bords de la couche structurée 200 de manière à ce que le faisceau se propage à la fois selon une direction parallèle au plan de la couche et parallèlement aux fentes de la couche .

Le faisceau est choisi de manière à ce qu' il ait une extension latérale inférieure à la largeur de la couche structurée de manière à avoir un recouvrement optimal avec le mode optique. Dans cet exemple, le faisceau a une longueur d'onde autour de 1300 nm. Donc, dans cet exemple, ni= 3,5 et n ₂ ⁼ 2,2.

Par conséquent, ni est n _H et n ₂ est n _B et on a :

B = - _Λ n _TM X f f + n^ _TM X (l - f f) f f ff ₊ H(l -- ff ff))

2 2 n i, TE ⁿ 2, TE

La figure 6 présente les calculs de la biréfringence en fonction du taux de remplissage en silicium par simulation en utilisant un logiciel (RSOFT) (ligne droite) et à partir de l'échantillon réel (ronds) . On constate que les résultats obtenus par simulation et l'échantillon réel (obtenu en utilisant le modèle analytique) sont proches. Le modèle analytique est donc un bon moyen pour connaître le taux de remplissage en fonction de la biréfringence que l'on souhaite obtenir.

On constate également dans la figure 6 qu'une biréfringence B égale à 0 peut être obtenue lorsque l'échantillon étudié présente un facteur de remplissage en silicium de 85%.

La figure 7 présente les indices effectifs calculés pour les deux états de polarisation TE et TM, en fonction du facteur de remplissage en silicium de la couche structurée.

En consultant le graphique de la figure 7, on constate qu'avant la structuration latérale de la couche (c'est-à-dire pour ff _Sl =100%) , l'écart d'indice entre les deux états TE et TM est supérieur à 0,1, l'indice effectif pour le mode TE étant de 3,21976 et l'indice effectif pour le mode TM étant de 3,0863. Le guide d' onde non structurée présente donc une biréfringence importante. Cela s'explique par le fait que le guide d' onde présente une forte asymétrie au niveau de sa section en coupe.

En présence de la nano-structuration latérale, les calculs d'indice montrent qu'en partant d'un facteur de remplissage en silicium de 100% jusqu'à un facteur de remplissage en silicium d'environ 87%, la biréfringence du guide est diminuée jusqu'à être complètement compensée pour ff _Sl =87%. Un facteur de remplissage de 87% correspond dans notre exemple à des fentes espacées les unes des autres de 13 nm selon une période de 100 nm, les fentes étant remplies de nitrure de silicium. Avec un taux de remplissage de 87%, on a donc au final une succession périodique de « barres » de silicium de 87 nm de large et de « barres » de nitrure de silicium de 13 nm de large.

En deçà de 87%, la biréfringence est inversée et atteint sa valeur optimale (>0,l) pour un facteur de remplissage en silicium de 50%.

On constate également à partir du graphique de la figure 7 que la nano-structuration de la couche affecte de manière plus importante l'indice effectif en polarisation TE.

En effet, en polarisation TM, le champ électrique ressent la nano-structuration comme un milieu homogène d'indice moyen alors qu'en polarisation TE la distribution de champ est localement perturbée. L'amplitude du champ électrique est maximale dans la zone de faible indice, en l'occurrence dans le nitrure ; elle est diminuée d'un facteur environ égal à ε _S i/ £si3N4 dans la zone de fort indice, c'est-à-dire dans le silicium. Cette perturbation du champ électrique et sa localisation, principalement dans les zones où n est faible, sont les deux facteurs responsables de la forte altération de l'indice effectif en polarisation TE à mesure que le facteur de remplissage ffs _± diminue.

En conclusion, une structure de guide d'onde optique selon l'invention permet effectivement de contrôler la biréfringence, à savoir diminuer, annuler ou inverser de façon précise la biréfringence. Ce contrôle est déterminé par le choix des paramètres de la structuration latérale de la couche de guidage de la structure de guide d'onde. En fonction de ce choix, on a un contrôle de la biréfringence sur une large gamme.

Un des avantages de la structure de guide d'onde selon l'invention est que le guide d'onde, c'est-à-dire la ou les couches reposant sur le substrat support, peut avoir n'importe quelle section. Ainsi, le contrôle de la biréfringence peut s'exercer sur des guides d' ondes de section et de rapport de forme arbitraires (guides d'onde rectangulaires, carrés, circulaires...) . On peut donc fabriquer des guides d' ondes optiques planaires de hauteur submicrométrique qui peuvent facilement être intégrés dans des circuits optiques, le substrat des circuits optiques formant le substrat support des guides d'onde. Le guide d'onde selon l'invention peut ainsi présenter un encombrement réduit .

Ces guides d'onde peuvent être utilisés dans des composants optoélectroniques pour intégrer de façon compacte, et sur une même puce, des fonctions complexes de gestion de faisceaux optiques comme le multiplexage, le démultiplexage, la modulation, le routage spectral... Ces fonctions peuvent être aussi bien dédiées à des liaisons optiques très courtes distances, à l'échelle du millimètre (comme par exemple pour une communication intra-puce) , que pour de très longues distances, de l'ordre de plusieurs kilomètres (par exemple pour une communication dans un réseau métropolitain) .

BIBLIOGRAPHIE

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[2] B. M. A. Rahman, N. Somasiri, and K. T. V. Grattan, "Biréfringence compensation of silica waveguides", IEEE Photon. Technol. Lett., 17, 6, pp 1205-1207 (2005) .