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WO2002059662A1 - Structure optique integree a birefringence reduite - Google Patents

Structure optique integree a birefringence reduite Download PDF

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WO2002059662A1
WO2002059662A1 PCT/FR2002/000298 FR0200298W WO02059662A1 WO 2002059662 A1 WO2002059662 A1 WO 2002059662A1 FR 0200298 W FR0200298 W FR 0200298W WO 02059662 A1 WO02059662 A1 WO 02059662A1
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WO
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layer
transmission core
core
transmission
structure according
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PCT/FR2002/000298
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English (en)
Inventor
Michel Bruel
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Opsitech Optical System on a Chip SAS
Original Assignee
Opsitech Optical System on a Chip SAS
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Publication date
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/105—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type having optical polarisation effects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/132—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by deposition of thin films

Definitions

  • the present invention relates to the field of transmission of optical or light waves in optical guide structures with integrated optical micro-guides.
  • the commonly known integrated optical structures comprise a core for transmitting the light wave formed between two layers, the refractive index of the material constituting the core being greater than the refractive index of the material or materials constituting these layers.
  • the layers are made of undoped silica and the transmission cores are made of doped silica, silicon nitride or silicon oxy nitride.
  • the object of the present invention is in particular to propose an integrated optical structure in which the transmitted light wave is not subjected to a birefringence or, at least, is only subjected to a reduced birefringence.
  • the integrated multi-layer optical structure according to the present invention which comprises at least one integrated optical micro-guide having an integrated transmission core of at least one light wave, is such that a space runs along said transmission core and surrounds at minus part of its periphery. According to the present invention, said space can advantageously completely surround said transmission core.
  • said space is preferably at least partially filled with a material whose elasticity or deformation capacity is greater than that of the layer or layers adjacent to said transmission core.
  • said transmission core is preferably produced on an intermediate layer and in a next layer, this intermediate layer having an elasticity or a deformation capacity greater than that of this next layer and / or of the layer on which it is formed.
  • said transmission core is preferably produced between two layers and on one of these layers and a strip having an elasticity or a deformation capacity greater than those of at least one of these layers is interposed between one of these layers and the transmission core.
  • said space can advantageously be provided between at least one intermediate band and said transmission core.
  • said intermediate band is preferably made laterally to said transmission core.
  • the thickness of said space is preferably less than the wavelength of the light wave transmitted via said transmission core.
  • said transmission core is preferably of rectangular section, said space preferably extending over at least one of its sides.
  • FIG. 1 shows a cross section of a first integrated optical structure according to the present invention
  • FIG. 2 shows a cross section of a second integrated optical structure according to the present invention
  • FIG. 3 shows a cross section of a third integrated optical structure according to the present invention
  • FIG. 4 shows a cross section of a fourth integrated optical structure according to the present invention.
  • an integrated multi-layer optical structure 1 has been shown which successively comprises, on a base plate 2 for example made of silicon, a lower layer of substrate 3, an intermediate layer 4 and an upper layer of superstrate 5.
  • a longitudinal core 6 of an optical micro-guide 7 for the transmission of an optical wave is formed in the upper layer 5 and on the intermediate layer 4 a longitudinal core 6 of an optical micro-guide 7 for the transmission of an optical wave, this transmission core 6 being of slightly cross section rectangular and being for example doped silica, silicon nitride or oxy silicon nitride.
  • the intermediate layer 4 thus delimits a space or a spacer 8 between the lower side 6a of the transmission core 6 and the upper face 3 a of the upper layer 3.
  • This intermediate layer is made of a material whose elasticity or deformation capacity is greater than that of the lower layer 3 and preferably also than that of the upper layer 5.
  • the lower layer 3 and the upper layer 5 are made of undoped silica and the intermediate layer 4 is made of low density silica.
  • the stresses likely to appear in the structure 1 during its manufacture or during its subsequent use are capable of being absorbed at least in part by the intermediate layer 4.
  • the constraints and / or possible deformations of the transmission core 6 can be eliminated or at least reduced so that the light wave transmitted by the transmission core 6 does not undergo or undergoes only a few birefringence effects.
  • the thickness of the intermediate layer 4 is significantly less than the wavelength of the light wave transmitted by the transmission core 6.
  • the thickness of the intermediate layer 4 may be between 0, 1 micron and 0.5 micron. This thickness is compatible with the transmission of an optical wave in the transmission core, the wavelength of which is for example between 1.2 micron and 1.6 micron in the field of optical telecommunications by optical fibers.
  • FIG 2 we see that there is shown an integrated optical structure 9 which differs from that described with reference to Figure 1 by the fact that the intermediate layer 4 is removed on either side of the core transmission 6 so as to leave only an intermediate strip 10 constituting a spacer between the lower face 6a of the transmission core 6 and the upper face 3a of the lower layer 3, the upper layer 5 being directly formed on the upper face 3 a of the lower layer 3, on either side of the longitudinal strip 9.
  • FIG. 3 we see that there is shown an integrated optical structure 11 in which the transmission core 6 is completely surrounded, on its four sides, by a space 12, preferably of constant thickness.
  • the upper layer 5 is directly formed on the upper face 3a of the lower layer 3, on either side of this space 12.
  • This space 12 is filled with a material 13 constituting a peripheral spacer, the elasticity or the deformation capacity of which is greater than that of the first layer 3 and / or of the upper layer 5.
  • this material 13 can be formed by a silica airgel.
  • the space 12 can have a thickness of between 0.1 micron and 0.5 micron.
  • an integrated optical structure 14 in which the lower face 6a of the transmission core 6 is in contact with the upper face 3a of the lower layer 3. From both sides other of the lateral sides 3b and 3c of the transmission core 6 are provided intermediate vertical strips 15 and 16 which are placed at a distance from these sides so as to form spaces 17 and 18 without material.
  • These bands 15 and 16 have the same height as the transmission core 6, the upper layer 5 being formed on the surface
  • the intermediate strips 15 and 16 are made of silica and have a thickness of between 0.25 micron and one micron.
  • the spaces 15 and 16 may have a thickness of between 0.1 micron and 0.5 micron.
  • the operations allowing the production of the layers, the transmission core and the intermediate bands of the optical structures which have just been described can be carried out by photolithography, etching, deposition and mechanical planarization processes. chemicals known and commonly used in the field of microelectronics and by the techniques for producing spacers by conformal layer deposition followed by anisotropic etching.
  • the lower layer 3 of undoped silica is deposited on the silicon layer 2.
  • the intermediate layer 4 of low density silica is deposited by a sol-gel method.
  • a layer of doped silica, silicon nitride or silicon oxynitride is deposited, which is etched selectively so as to produce the transmission core 6. Finally we proceed to the conformal deposition of the upper layer
  • optical structure 9 of FIG. 2 there is added to the above steps for manufacturing the optical structure 1 of FIG. 1, a step of etching the intermediate layer 4, on either side of the core. transmission 6 produced, so as to constitute the band 10.
  • the lower layer 3 of undoped silica is deposited on the silicon layer 2.
  • a layer of silica airgel is deposited, the thickness of which corresponds to the thickness of the spacer 12.
  • a layer of doped silica, silicon nitride or silicon oxynitride is deposited, which is etched selectively so as to produce the transmission core 6.
  • An attack is carried out on the layer of silica airgel, on either side of the transmission core 6, so as to constitute the part 12a of the spacer 12 located between the lower layer 3 and the transmission core 6 .
  • a conformal layer of silica airgel is deposited, the thickness of which corresponds to the thickness of the spacer 12. This layer is selectively attacked so as to leave only the lateral parts 12b and 12c and the upper part 12d of the spacer 12, on the lateral faces and on the upper face of the transmission core 6.
  • the lower layer 3 of undoped silica is deposited on the silicon layer 2.
  • a layer of doped silica, silicon nitride or silicon oxynitride is deposited, which is etched so as to produce the transmission core 6.
  • Intermediate conformal deposition is carried out, for example in silicon, the thickness of which is equal to the thickness of the spaces 17 and 18 to be obtained.
  • This layer is selectively etched so as to leave only the material corresponding to the spaces 17 and 18.
  • a conformal deposition of undoped silica is carried out, the thickness of which corresponds to the thickness of the intermediate strips 15 and 16 to be obtained. This layer is etched so as to leave only the intermediate bands 15 and 16.
  • the present invention is not limited to the examples described above. It is in particular possible to combine the proposed solutions.

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Abstract

Structure optique intégrée multi-couches (1) comprenant au moins un micro-guide optique intégré (7) présentant un coeur intégré de transmission d'au moins une onde lumineuse, dans laquelle un espace (8) longe ledit coeur de transmission (6) et entoure au moins une partie de sa périphérie, cet espace étant rempli d'une matière (4). La couche intermédiaire (4) est réalisée en une matière dont l'élasticité ou la capacité de déformation sont supérieures à celles de la couche inférieure (3) et aussi à celler de la couche supérieure (5). Ainsi, les contraintes et/ou les éventuelles déformations du coeur (6) peuvent être supprimées ou réduites.

Description

STRUCTURE OPTIQUE INTÉGRÉE À BIRÉFRINGENCE RÉDUITE
La présente invention concerne le domaine de la transmission d'ondes optiques ou lumineuses dans des structures de guidage optique à micro-guides optiques intégrés.
Les structures optiques intégrées couramment connues comprennent un coeur de transmission de l'onde lumineuse formée entre deux couches, l'indice de réfraction du matériau constituant le coeur étant supérieur à l'indice de réfraction du ou des matériaux constituant ces couches. En général, les couches sont en silice non dopée et les coeurs de transmission sont en silice dopée, en nitrure de silicium ou en oxy nitrure de silicium.
Il a pu être observé que l'onde optique transmise dans les coeurs de transmission de telles structures subissent une biréfringence, c'est-à-dire une déformation de l'ellipsoïde des indices. Il a pu être observé également que tout ou partie de cette biréfringence est due à l'existence de contraintes dans le coeur de transmission ou dans les couches l'environnant produites lors de la fabrication de la structure, ou bien due à l'apparition de contraintes lors de l'utilisation des structures.
Le but de la présente invention est en particulier de proposer une structure optique intégrée dans laquelle l'onde lumineuse transmise n'est pas soumise à une biréfringence ou, pour le moins, n'est soumise qu'à une biréfringence réduite. La structure optique intégrée multi-couches selon la présente invention, qui comprend au moins un micro-guide optique intégré présentant un coeur intégré de transmission d'au moins une onde lumineuse, est telle qu'un espace longe ledit coeur de transmission et entoure au moins une partie de sa périphérie. Selon la présente invention, ledit espace peut avantageusement entourer complètement ledit coeur de transmission.
Selon la présente invention, ledit espace est de préférence au moins en partie rempli d'une matière dont l'élasticité ou la capacité de déformation sont supérieures à celles de la couche ou des couches adjacentes audit coeur de transmission.
Selon la présente invention, ledit coeur de transmission est de préférence réalisé sur une couche intermédiaire et dans une couche suivante, cette couche intermédiaire présentant une élasticité ou une capacité de déformation supérieures à celles de cette couche suivante et/ou de la couche sur laquelle elle est formée.
Selon la présente invention, ledit coeur de transmission est de préférence réalisé entre deux couches et sur l'une de ces couches et qu'une bande présentant une élasticité ou une capacité de déformation supérieures à celles d'au moins l'une de ces couches est interposée entre l'une de ces couches et le coeur de transmission.
Selon la présente invention, ledit espace peut avantageusement être ménagé entre au moins une bande intermédiaire et ledit coeur de transmission. Selon la présente invention, ladite bande intermédiaire est de préférence réalisée latéralement audit coeur de transmission.
Selon la présente invention, l'épaisseur dudit espace est de préférence inférieur à la longueur d'onde de l'onde lumineuse transmise via ledit coeur de transmission. Selon la présente invention, ledit coeur de transmission est de préférence de section rectangulaire, ledit espace s'étendant de préférence sur au moins l'un de ses côtés.
La présente invention sera mieux comprise à l'étude de différentes structures optiques intégrées, décrites à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin sur lequel :
- la figure 1 représente une coupe transversale d'une première structure optique intégrée selon la présente invention ;
- la figure 2 représente une coupe transversale d'une seconde structure optique intégrée selon la présente invention ; - la figure 3 représente une coupe transversale d'une troisième structure optique intégrée selon la présente invention ;
- la figure 4 représente une coupe transversale d'une quatrième structure optique intégrée selon la présente invention. En se reportant à la figure 1, on voit qu'on a représenté une structure optique intégrée multi-couches 1 qui comprend successivement, sur une plaquette de base 2 par exemple en silicium, une couche inférieure de substrat 3, une couche intermédiaire 4 et une couche supérieure de superstrat 5. Dans la couche supérieure 5 et sur la couche intermédiaire 4 est formé un coeur longitudinal 6 d'un micro-guide optique 7 pour la transmission d'une onde optique, ce coeur de transmission 6 étant de section légèrement rectangulaire et étant par exemple en silice dopée, en nitrure de silicium ou en oxy nitrure de silicium. La couche intermédiaire 4 délimite ainsi un espace ou un espaceur 8 entre le côté inférieur 6a du coeur de transmission 6 et la face supérieure 3 a de la couche supérieure 3.
Cette couche intermédiaire est réalisée en une matière dont l'élasticité ou la capacité de déformation sont supérieures à celles de la couche inférieure 3 et de préférence aussi à celles de la couche supérieure 5. Dans un exemple de réalisation, la couche inférieure 3 et la couche supérieure 5 sont réalisées en silice non dopée et la couche intermédiaire 4 est réalisée en silice de faible densité.
Ainsi, les contraintes susceptibles d'apparaître dans la structure 1 lors de sa fabrication ou lors de son utilisation ultérieure, principalement entre d'une part la couche inférieure 3 et d'autre part la couche supérieure 5 et le coeur de transmission 6, sont susceptibles d'être absorbées au moins en partie par la couche intermédiaire 4.
Il en résulte que les contraintes et/ou les éventuelles déformations du coeur de transmission 6 peuvent être supprimées ou pour le moins réduites de telle sorte que l'onde lumineuse transmise par le coeur de transmission 6 ne subit pas ou ne subit que peu d'effets de biréfringence. De préférence, l'épaisseur de la couche intermédiaire 4 est nettement inférieure à la longueur d'onde de l'onde lumineuse transmise par le coeur de transmission 6.
Dans un exemple de réalisation, dans la mesure où le coeur de transmission 6 présente une largeur environ égale à 6,5 microns et une épaisseur environ égale à 4,5 microns, l'épaisseur de la couche intermédiaire 4 peut être comprise entre 0,1 micron et 0,5 micron. Cette épaisseur est compatible avec la transmission d'une onde optique dans le coeur de transmission dont la longueur d'onde est comprise entre par exemple 1,2 micron et 1,6 micron dans le domaine des télécommunications optiques par fibres optiques.
En se reportant à la figure 2, on voit qu'on a représenté une structure optique intégrée 9 qui se différencie de celle décrite en référence à la figure 1 par le fait que la couche intermédiaire 4 est supprimée de part et d'autre du coeur de transmission 6 de façon à ne laisser subsister qu'une bande intermédiaire 10 constituant un espaceur entre la face inférieure 6a du coeur de transmission 6 et la face supérieure 3a de la couche inférieure 3, la couche supérieure 5 étant directement formée sur la face supérieure 3 a de la couche inférieure 3, de part et d'autre de la bande longitudinale 9.
En se reportant à la figure 3, on voit qu'on a représenté une structure optique intégrée 11 dans laquelle le coeur de transmission 6 est complètement entouré, sur ses quatre côtés, par un espace 12, de préférence d'épaisseur constante. La couche supérieure 5 est directement formée sur la face supérieure 3a de la couche inférieure 3, de part et d'autre de cet espace 12.
Cet espace 12 est rempli d'une matière 13 constituant un espaceur périphérique, dont l'élasticité ou la capacité de déformation sont supérieures à celles de la première couche 3 et/ou de la couche supérieure 5. Dans un exemple de réalisation, cette matière 13 peut être formée par un aérogel de silice.
L'espace 12 peut présenter une épaisseur comprise entre 0,1 micron et 0,5 micron. En se reportant à la figure 4, on voit qu'on a représenté une structure optique intégrée 14 dans laquelle la face inférieure 6a du coeur de transmission 6 est en contact avec la face supérieure 3a de la couche inférieure 3. De part et d'autre des côtés latéraux 3b et 3c du coeur de transmission 6 sont prévues des bandes verticales intermédiaires 15 et 16 qui sont placées à distance de ces côtés de façon à former des espaces 17 et 18 sans matière.
Ces bandes 15 et 16 présentent la même hauteur que le coeur de transmission 6, la couche supérieure 5 étant formée sur la surface
3a de la couche 3, de part et d'autre des bandes 15 et 16, et recouvrant le coeur de de transmission 6, les espaces 17 et 18 et l'extrémité supérieure des bandes 15 et 16.
Dans un exemple de réalisation, les bandes intermédiaires 15 et 16 sont en silice et présentent une épaisseur comprise entre 0,25 micron et un micron.
Dans un exemple de réalisation, les espaces 15 et 16 peuvent présenter une épaisseur comprise entre 0,1 micron et 0,5 micron.
D'une manière générale, les opérations permettant là réalisation des couches, du coeur de transmission et des bandes intermédiaires des structures optiques qui viennent d'être décrites peuvent être effectuées par des procédés de photolithographies, de gravures, de dépôts et de planarisations mécano-chimiques connus et utilisés couramment dans le domaine de la micro-électronique et par les techniques de réalisation d'espaceurs par dépôts de couches conformes suivies de gravures anisotropes.
En ce qui concerne la structure optique 1 de la figure 1, on peut procéder de la manière suivante.
On dépose la couche inférieure 3 de silice non dopée sur la couche de silicium 2.
On dépose la couche intermédiaire 4 de silice de faible densité par une méthode sol-gel.
On dépose une couche de silice dopée, de nitrure de silicium ou d'oxynitrure de silicium, que l'on grave sélectivement de façon à réaliser le coeur de transmission 6. On procède enfin au dépôt conforme de la couche supérieure
5 de silice non dopée.
En ce qui concerne la structure optique 9 de la figure 2, on rajoute aux étapes ci-dessus de fabrication de la structure optique 1 de la figure 1, une étape de gravure de la couche intermédiaire 4, de part et d'autre du coeur de transmission 6 réalisé, de façon à constituer la bande 10.
En ce qui concerne la structure optique 11 de la figure 3, on peut procéder de la manière suivante. On dépose la couche inférieure 3 de silice non dopée sur la couche de silicium 2.
On dépose une couche d'aérogel de silice, dont l'épaisseur correspond à l'épaisseur de l'espaceur 12.
On dépose une couche de silice dopée, de nitrure de silicium ou d'oxynitrure de silicium, que l'on grave sélectivement de façon à réaliser le coeur de transmission 6.
On procède à une attaque de la couche d'aérogel de silice, de part et d'autre du coeur de transmission 6, de façon à constituer la partie 12a de l'espaceur 12 située entre la couche inférieure 3 et le coeur de transmission 6.
On dépose une couche conforme d'aérogel de silice, dont l'épaisseur correspond à l'épaisseur de l'espaceur 12. On attaque sélectivement cette couche de façon à ne laisser subsister que les parties latérales 12b et 12c et la partie supérieure 12d de l'espaceur 12, sur les faces latérales et sur la face supérieure du coeur de transmission 6.
On procède enfin au dépôt conforme de la couche supérieure 5 de silice non dopée.
En ce qui concerne la structure optique 14 de la figure 4, on peut procéder de la manière suivante.
On dépose la couche inférieure 3 de silice non dopée sur la couche de silicium 2.
On dépose une couche de silice dopée, de nitrure de silicium ou d'oxynitrure de silicium, que l'on grave de façon à réaliser le coeur de transmission 6. On effectue un dépôt conforme intermédiaire par exemple en silicium, dont l'épaisseur est égale à l'épaisseur des espaces 17 et 18 à obtenir. On grave sélectivement cette couche de façon à ne laisser subsister que de la matière correspondant aux espaces 17 et 18. On effectue un dépôt conforme de silice non dopée, dont l'épaisseur correspond à l'épaisseur des bandes intermédiaires 15 et 16 à obtenir. On grave cette couche de façon à ne laisser subsister que les bandes intermédiaires 15 et 16.
On procède à une attaque sélective de la matière intermédiaire remplissant les espaces 17 et 18, de façon que ces espaces ne contiennent plus de matière.
On procède enfin au dépôt conforme de la couche supérieure 5 de silice non dopée. Compte tenu de la finesse des espaces 17 et 18, la matière constituant la couche supérieure 5 ne pénètre pas ou peu dans ces espaces.
La présente invention ne se limite pas aux exemples ci- dessus décrits. Il est notamment envisageable de combiner les solutions proposées.

Claims

REVENDICATIONS
1. Structure optique intégrée multi-couches comprenant au moins un micro-guide optique intégré présentant un coeur intégré de transmission d'au moins une onde lumineuse, caractérisée par le fait qu'un espace (8, 12, 17) longe ledit coeur de transmission (6) et entoure au moins une partie de sa périphérie.
2. Structure selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit espace (12) entoure complètement ledit coeur de transmission.
3. Structure selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que ledit espace est au moins en partie rempli d'une matière (4, 13, 19) dont l'élasticité ou la capacité de déformation sont supérieures à celles de la couche ou des couches adjacentes audit coeur de transmission.
4. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ledit coeur de transmission est réalisé sur une couche intermédiaire (4, 10) et dans une couche suivante (5), cette couche intermédiaire présentant une élasticité ou une capacité de déformation supérieures à celles de cette couche suivante et/ou de la couche sur laquelle elle est formée. 5. " Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ledit coeur de transmission est réalisé entre deux couches (3,
5) et sur l'une de ces couches et qu'une bande (8) présentant une élasticité ou une capacité de déformation supérieures à celles d'au moins l'une de ces couches est interposée entre l'une de ces couches et le coeur de transmission.
6. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ledit espace est ménagé entre au moins une bande intermédiaire (15) et ledit coeur de transmission (6).
7. Structure selon la revendication 6, caractérisée par le fait que ladite bande intermédiaire (15) est réalisée latéralement audit coeur de transmission.
8. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'épaisseur dudit espace (8, 12, 17) est inférieur à la longueur d'onde de l'onde lumineuse transmise via ledit coeur de transmission.
9. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ledit coeur de transmission (6) est de section rectangulaire, ledit espace (8, 12, 17) s'étendant sur au moins l'un de ses côtés.
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