WO2003096083A2 - Composant d'optique integree et son procede de realisation - Google Patents

Composant d'optique integree et son procede de realisation Download PDF

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    • G02B2006/12159—Interferometer

Definitions

  • the present invention relates to an integrated optical component comprising an optical sheath and its production method.
  • the invention finds applications in all fields requiring a modification of the characteristics of the modes propagating in the core of an optical guide and / or the excitation of cladding modes and in particular in the field of optical telecommunications, to achieve in integrated optics, for example a spectral filter or a temperature sensor.
  • Optical sheaths are essentially known in the field of optical fibers. Indeed, the optical sheaths conventionally surround the core of the fibers, they have a refractive index lower than that of the core which allows the propagation of a light wave in the core of these fibers.
  • cladding refraction index By varying the value of the cladding refraction index, it is possible to modify the propagation characteristics of the propagation mode or modes in the core of an optical fiber and in particular to optimize its guiding properties and in particular to reduce the chromatic dispersion. . It is also known to use cladding modes, by making these optical claddings with fiber optic networks in order to couple one or more guided modes in the core of a fiber to the cladding mode (s) of the fiber or vice versa. . Reference may be made to this effect, for example, to US Pat. No. 5,430,817.
  • the fiber core cannot allow correct propagation of a light wave without the optical sheath.
  • the sheath and the heart are dependent and form the fiber.
  • FIGS. 1 and 2 schematically illustrate respectively in perspective and in section, an embodiment of an optical sheath used according to the prior art with a fiber optic network.
  • FIG. 1 we see the core 1 of the fiber of refractive index n c in which the light wave is guided, an optical sheath 2 of index ng which allows the guidance of this light wave by a change in index relative to the heart (n c > ng) and a mechanical sheath 3 which protects the assembly.
  • the mechanical sheath has been voluntarily, partially removed.
  • a network 6, represented in the section of FIG. 2 by an alternation of gray and white areas is produced in the core 1 of the fiber. This network is formed by the creation of zones (the shaded areas) in the heart with a refractive index greater than that of the rest of the heart (the white areas).
  • This network makes it possible to couple a guided mode, symbolically represented by a set of concentric circles referenced 4, to one or more sheath modes 5 propagating in the optical sheath 2, in the same direction as the guided mode 4.
  • the sheath modes are also symbolically represented by sets of concentric circles referenced 5.
  • relation (1) shows us that the periods of the networks are often of the order of a few tens of ⁇ m to a few thousand ⁇ m. Such a component is for example used as a filter element.
  • the coupling results in a transfer of energy between the guided mode 4 and the cladding modes 5 for the wavelengths ⁇ j.
  • the energy coupled in the cladding modes is then dispersed outside the cladding along the propagation of the modes in the cladding, so that the light wave recovered at the output of guide 1 has a power spectrum with energy losses for the wavelengths ⁇ j on so-called filtering spectral bands.
  • the energy coupled in the cladding modes is not reflected by the network, which insulates the filter in terms of parasitic reflections.
  • the guiding of a light wave in the core of a guide is conventionally obtained by confining the core in one or more layers of a substrate, these layers having a refractive index lower than that of the core.
  • US Pat. No. 5,949,934 describes the use of an optical sheath on either side of a network formed in the heart of a guide in integrated optics, this assembly being arranged on a substrate.
  • This sheath is produced by the superposition of layers between which the heart is sandwiched.
  • the heart is therefore dependent on the sheath since it cannot exist without the layers between which it is arranged.
  • the sheath described in this patent makes it possible both to induce sheath modes and to provide support for the core of the guide.
  • the sheath generally having the same refractive index as the substrate, the sheath does not differ optically from the substrate.
  • the object of the present invention is to propose an integrated optical component comprising at least one optical sheath which is independent of the guide core or cores with which it is associated.
  • independence of the core and of the sheath it is meant that they can exist in a substrate independently of one another.
  • Another object of the invention is to provide an integrated optical component comprising at least one optical sheath associated with at least one optical guide core capable of modifying in particular at least one characteristic of the mode or modes propagating in the heart and / or to induce one or more propagation modes in this sheath.
  • the characteristics of the mode or modes propagating in the heart can be in particular the effective index, the size of the mode and / or the phase.
  • the invention relates to an integrated optical component comprising in a substrate at least one optical guide core and at least one optical sheath, the heart and the sheath being independent of one another in the substrate , at least a portion of said sheath surrounding at least a portion of said core so as to define at least one so-called interaction zone between the heart and the sheath, the refractive index of the sheath is different from the refractive index of the substrate and lower than the refractive index of the heart at least in the part of the sheath close to the heart and at least in the interaction zone, a light wave being able to be introduced into said zone by the heart and / or by the sheath.
  • the substrate can of course be produced by a single material or by the superposition of several layers of materials. In the latter case, the refractive index of the cladding is different from the refractive index of the substrate at least in the layers adjacent to the cladding.
  • the sheath and the core are produced from the substrate, by a modification of the refractive index of the substrate and not as in the prior art by transfer of layers.
  • the guide can be a planar guide, when the light confinement is in a plane containing the direction of light propagation or a microguide, when the light confinement is carried out in two directions transverse to the direction of light propagation.
  • the core of the guide and the sheath are independent of each other, that is to say that they can exist in the substrate independently of each other.
  • the sheath surrounds only a portion of the heart of the guide.
  • the sheath acts on the propagation of a light wave in the heart of the guide only in the interaction zone and the sheath can guide or convey light waves independently of the heart.
  • the sheath being independent of the heart, the parameters of the sheath and the heart are easily adaptable to the desired applications.
  • the sheath has a higher refractive index than that of the substrate.
  • the light wave is introduced into the sheath.
  • the interaction zone comprises a network formed in the heart of the guide and / or in the sheath.
  • the guide mode when the light wave is introduced into the core of the guide then the guide mode is coupled to one or more of the sheath modes in the interaction zone and vice versa when the light wave is introduced into the sheath, the sheath mode or modes are coupled to the guided mode of the heart in the interaction zone.
  • the network can be periodic or pseudoperiodic, it can also be composed of a succession of networks.
  • Many components in integrated optics can be produced by combining one or more guide cores with one or more optical sheaths of so as to create several interaction zones each zone which may or may not include a network.
  • a component comprising in a substrate a guide core comprising a first and a second end, an optical sheath and an interaction zone formed by a part of the sheath surrounding a part of the heart, said zone comprising a network. , a light wave being introduced into the heart by one of the ends and recovered at the exit of the heart by the other end.
  • the two ends of the heart are outside the interaction zone, which allows more flexibility in the introduction and / or recovery of the wave and better filtering when this component is used as a filter.
  • this component makes it possible in particular to produce an optical filter: the guided mode of the light wave introduced into the heart is coupled in the area of interaction by the network to one or more cladding modes for wavelengths ⁇ j defined in relation (1).
  • the coupled part of the light wave in the sheath modes may or may not be recovered at the output of the sheath and the non-coupled part of the wave, that is to say the light wave filtered for the lengths of wave ⁇ j is recovered at the outlet of the heart.
  • components according to the invention without a network can be produced.
  • the component of the invention can be an interferometer and comprises at least two guide cores having respectively a first and a second end, the first ends being connected to each other by a first Y junction and the second ends being connected to each other by a second Y junction, this component further comprising at least one sheath surrounding at least a portion of one of the cores .
  • the substrate is glass.
  • the substrate can also be made of other materials such as, for example, crystalline materials of the KTP or LiNb0 3 type , or else LiTa0 3 .
  • the optical sheath and / or the core of the guide and / or the network can be produced by any type of technique making it possible to modify the refractive index of the substrate. Mention may in particular be made of ion exchange techniques, ion implantation and / or radiation, for example by laser exposure or laser photo-registration. More generally, the network can be produced by all the techniques making it possible to change the effective index of the substrate. To the aforementioned techniques, it is therefore possible to add in particular the techniques for producing networks by etching the substrate in the vicinity of the interaction zone. This etching can be performed above the interaction zone or in the sheath portion of the interaction zone and / or optionally in the core portion of the interaction zone. The pattern of the network can be obtained either by laser scanning in the case of the use of a radiation either by a mask. The latter can be the mask which makes it possible to obtain the heart and / or the sheath or a specific mask for the realization of the network.
  • the invention also relates to a method for producing a component in integrated optics comprising in a substrate at least one optical guide core and at least one optical sheath, the heart and the sheath being independent of each other in the substrate, at least a portion of said sheath surrounding at least a portion of at least one heart so as to define at least one so-called interaction zone between the heart and the sheath, the heart and the sheath being produced respectively by a modification of the refractive index of the substrate so that at least in the part of the sheath close to the core and at least in the interaction zone, the refractive index of the sheath is different from the index of refraction of the substrate and lower than the refractive index of the heart.
  • the modification of the refractive index of the substrate is obtained in particular by radiation, for example by laser exposure or by laser photo-inscription and / or by introduction of ionic species.
  • the method of the invention comprises the following steps: a) introduction of a first ionic species into the substrate so as to allow the obtaining, after step c) of the optical sheath, b) introduction of a second ionic species into the substrate so as to allow the core of the guide to be obtained after step c), c) burial of the ions introduced in steps a) and b) so as to obtain the sheath and the core of the guide.
  • steps a) and b) can of course be reversed.
  • the introduction of the first and / or the second ionic species is advantageously carried out by ion exchange, or by ion implantation.
  • the first and second ionic species can be the same or they can be different.
  • the introduction of the first ionic species and / or the introduction of the second ionic species can be carried out with the application of an electric field.
  • the substrate In the case of an ion exchange, the substrate must contain ionic species capable of being exchanged.
  • the substrate is glass and contains previously introduced Na + ions, the first and second ionic species are Ag + and / or K + ions.
  • step a) comprises the production of a first mask comprising a pattern suitable for obtaining the sheath, the introduction of the first ionic species being carried out through this first mask and the step b) comprises the elimination of the first mask and the production of a second mask comprising a pattern suitable for obtaining the heart, the introduction of the second ionic species being produced through this second mask.
  • step a) comprises the production of a mask comprising a pattern capable of obtaining the sheath and of the heart, the introduction of the first and second ionic species of steps a) and b) being made through this mask.
  • the masks used in the invention are for example made of aluminum, chromium, alumina or dielectric material.
  • step c) the burial of the first ionic species is carried out at least partially before step b) and the burial of the second ionic species is carried out at least partially after the step b).
  • step c) the burial of the first ionic species and the burial of the second ionic species are carried out simultaneously after step b).
  • the burial comprises a deposition of at least one layer of material with a refractive index advantageously lower than that of the sheath, on the surface of the substrate.
  • This mode can of course be combined with the two previous modes.
  • the method of the invention can also comprise a burial by rediffusion in an ion bath.
  • This re-diffusion step can be carried out partly before step b) to re-diffuse the ions of the first ionic species and partly after step b) to re-diffuse the ions of the first and second ionic species.
  • This re-diffusion step can also be carried out entirely after step b) to re-diffuse the ions of the first and second ionic species.
  • this re-diffusion is obtained by immersing the substrate in a bath containing the same ionic species as that previously contained in the substrate.
  • Figures 1 and 2 already described, schematically show in perspective and in section an optical sheath associated with a network made in the heart of an optical fiber
  • Figure 3 schematically shows in perspective, an embodiment of the invention an optical sheath associated with a network produced in the heart of an optical guide
  • Figure 4 schematically shows in section
  • the example in Figure 3 Figure 5 gives schematically an example of a refractive index profile n obtained in an interaction zone according to the invention
  • Figure 6 schematically illustrates in section a first example of application of the component of the invention to form a filter
  • FIGS. 7a and 7b schematically illustrate respectively in perspective and in section a second example of application of the component of the invention to form an interferometer
  • FIGS. 9a to 9d schematically illustrate variants of the mask pattern making it possible to obtain a network in the heart
  • Figure 10 shows in section an alternative embodiment of component according to the invention having a network in the sheath.
  • the substrate may comprise one layer or several layers, it is represented in all of these figures as a substrate with a single layer.
  • FIGS. 3 and 4 represent respectively in perspective and in section an example of embodiment in optics integrated in a substrate 7 of an optical sheath 9 associated with a network 13 produced in the heart 11 of an optical guide.
  • the section of Figure 4 is made in a plane parallel to the surface of the substrate and containing the heart 11.
  • the optical sheath 9 surrounds only the portion of the heart 11 which comprises the network 13.
  • the area of the substrate which comprises both the sheath and the core of the guide is called the interaction zone.
  • the sheath is thus created artificially, in the substrate, at least around a portion of the heart comprising the network and independently of the core and the substrate.
  • an artificial sheath will be called this type of sheath produced according to the invention and an artificial sheath network, when the interaction zone comprises a network.
  • the sheath is produced in the substrate so as to have a refractive index between that of the substrate and that of the core of the guide, which allows, thanks to the presence of the network 13, to have sheath modes referenced 15 in FIG. 4.
  • the network 13 produced in the core 11 in the interaction zone is a succession of periodic or pseudo-periodic patterns formed in this example by segmentation of the core 11.
  • mode 17 when the guided mode, referenced 17, of the light wave which propagates in the core 11 arrives in the interaction zone defined by the part of the substrate which comprises both the sheath 9 and the core 11 provided here with the network 13, mode 17 will be coupled to one or more modes of sheath 15.
  • the sheath mode or modes would then have been coupled to the mode guided by the heart by the network.
  • the sheath is made so that one of its ends (referenced 19) is located for example on a side wall of the substrate.
  • the independence of the sheath from the core of the guide makes it possible to adapt the parameters of the sheath (such as dimensions, index level and position) in relation to core parameters (such as dimensions, index level and position), to the intended applications.
  • the coupling force between a guided mode and a given cladding mode is obtained by the product of the network length with the coupling coefficient
  • the coupling coefficient K is given by a relation of the type:
  • ds is an integrating element over the entire transverse surface of the substrate, that is to say in a plane perpendicular to the axis of propagation of the wave.
  • FIG. 5 gives an example of a refractive index profile n obtained in the interaction zone, in a direction x transverse to the direction of propagation of a light wave in the heart.
  • n s of the substrate was taken as a reference.
  • the choice of the level of index of the cladding is also important since it makes it possible to modify the difference in index that one has in equation (3) defined later.
  • the guide core At the level of the guide core, its dimensions and its index level condition the characteristics of the mode which propagates therein and make it possible for example to adapt it to a fiber mode, in the case of a guide core coupling / fiber core.
  • the fields of application of components comprising an optical sheath surrounding a network formed in the heart of a guide are the same as those of optical fibers comprising networks. Mention may in particular be made of applications such as suitable spectrum loss filters (linear filtering for example) or also sensor applications. Furthermore, the independence of the sheath from the heart allows many other applications, impossible to obtain with the concepts of the prior art.
  • the dimensions of the network can also be adapted to the intended applications.
  • they can be networks of the long period type (for example from a few tens of ⁇ m to a few thousand ⁇ m) as well as networks with weaker periods (for example less than a few ⁇ m) such as the jaded or line networks. inclined.
  • FIG. 6 illustrates in section a first example of application of the component of the invention to form a filter.
  • FIG. 6 shows a component in integrated optics comprising in a substrate 7, a guide core 11, a sheath 9 surrounding the heart 11 in an interaction zone 20 comprising a network 13 produced in the heart.
  • the core of the guide enters the sheath by one end of the latter at the level of the interaction zone and emerges from the latter after the interaction zone, by curvature of the heart. The latter is thus separated from the sheath outside the interaction zone and the sheath remains present in the substrate without the core of the guide.
  • part of the signal guided in the heart is coupled to the sheath modes 15 or vice versa.
  • the guided mode of the heart is then coupled in the interaction zone by the network 13, to the sheath mode (s) for one or more filter bands defined spectrally by equation (1).
  • the part of the wave coupled to the sheath mode (s) propagates in the sheath while the rest of the initial wave is carried in the core 11 and can be recovered. by the end 11b of the heart.
  • a light wave would then be introduced into the sheath at the end 17 of the sheath which does not include the heart.
  • the spectral part of the wave which corresponds to the filter band (s) of the network 13 is coupled into the core of the guide 11 and it can be extracted from the component by the end 11a of the heart.
  • an optical sheath according to the invention makes it possible to modify the characteristics of the mode propagating in the heart.
  • FIGS. 7a and 7b respectively illustrate in perspective and in section in a plane perpendicular to the surface of the substrate and containing the interaction zone a second example.
  • This interferometer comprises in the substrate 7 a guide core 51 and a guide core 53 whose ends are respectively connected to junctions Y, referenced Y ⁇ and Y 2 , thus forming two arms.
  • a sheath 52 surrounds a portion of the heart 51 and thus creates an interaction zone.
  • the interferometer for example by the junction Yi, is therefore distributed in the two arms of the interferometer and then recombines at the output in the junction Y 2 .
  • the cumulative phase shift ⁇ between the two arms determines the signal level obtained at the output of the component.
  • phase shift ⁇ at the wavelength ⁇ is expressed as follows:
  • n eff i is the effective index of the guided mode in the core-substrate zone and n eff2 is the effective index of the guided mode in the core-sheath zone and L is the length of the interaction zone which is in this example the length of the sheath.
  • the difference ⁇ eff ⁇ ⁇ n eff i) can reach values of some 10 "2 .
  • the skilled person plays on the length of the hearts.
  • the use of a sheath allows achieving a non-zero phase shift between the two cores, these two cores possibly being of the same length, which simplifies the production of the component.
  • a single mask of cores can cover a whole range of components which may have different phase shifts because only the parameters of the sheath are used to adjust these phase shifts.
  • this interferometer allows the realization of spectral references (measurements of the pitch of the interfringes) or of attenuator at certain wavelengths (filter).
  • FIGS. 8a to 8d illustrate in section in a plane perpendicular to the surface of the substrate and containing the interaction zone, an example of a method for producing a component according to the invention, using ion exchange technology .
  • a substrate 7 containing B ions is shown in Figure 8a .
  • a first mask 61 is produced for example by photolithography on one of the faces of the substrate; this mask has an opening determined as a function of the dimensions (width, length) of the sheath that it is desired to obtain.
  • a first ion exchange is then carried out between ions A and ions B contained in the substrate, in a zone of the substrate located in the vicinity of the opening of the mask 61. This exchange is obtained for example by dipping the substrate provided with the mask in a bath containing ions A and possibly applying an electric field between the face of the substrate on which the mask is placed and the opposite face. The area of the substrate in which this ion exchange was carried out forms the sheath 63.
  • Figure 8b shows the sheath after a partial burial step thereof.
  • the mask 61 is generally removed before this step.
  • the production of the sheath according to the invention is therefore similar to the production of a guide core but with different dimensions.
  • the next step shown in FIG. 8c consists in forming a new mask 65 on the substrate, for example by photolithography after optionally cleaning the face of the substrate on which it is produced.
  • This mask comprises patterns capable of allowing the production of a guide core 67 and in particular when the core comprises a network, the patterns of the mask 65 can be adapted to the patterns of the network to be formed.
  • a second ion exchange is then carried out between the B ions of the substrate and C ions which may or may not be the same as the A ions.
  • ion exchange can be carried out as previously by soaking the substrate in a bath containing C ions and possibly applying an electric field.
  • FIG. 8d illustrates the component obtained after burial of the core 67 obtained by re-diffusion of the C ions and final burial of the sheath, with or without the assistance of an electric field.
  • the mask 65 is generally removed before this burial step.
  • the conditions of the first and second ion exchanges are defined so as to obtain the desired differences in refractive indices between the substrate, the cladding and the core.
  • the parameters for adjusting these differences are in particular the exchange time, the bath temperature, the ion concentration in the bath and the presence or absence of an electric field.
  • the substrate 7 is glass containing Na + ions
  • the mask 61 is made of aluminum and has an opening of approximately 30 ⁇ m in width (the length of the opening depends on the desired length of sheath for the intended application).
  • the first ion exchange is carried out with a bath comprising Ag + ions at approximately 20% concentration, at a temperature of approximately 330 ° C. and for an exchange time of approximately 5 minutes.
  • a re-diffusion of the ions takes place first in the open air at a temperature of approximately 330 ° C. and for 30 s, then a partial burial of the sheath thus formed in the glass is carried out. This burial is carried out by a re-diffusion in a sodium bath at a temperature of around 260 ° C and for 3 minutes.
  • the mask 65 is also made of aluminum and has an opening pattern approximately 3 ⁇ m wide (the length of the pattern depends on the desired length of core for the intended application).
  • the second ion exchange is carried out with a bath comprising also Ag + ions at approximately 20% concentration, at a temperature of approximately 330 ° C. and during an exchange time of approximately 5 minutes, a redistribution of the ions at any point. 'first place in the open air at a temperature of about 330 ° C and for 30s. Then, a partial burial of the heart thus formed in the glass is carried out by re-diffusion into a sodium bath at a temperature of around 260 ° C. and for 3 min.
  • the final burial of the sheath and of the core is done under an electric field, the two opposite faces of the substrate are in contact with two baths (in this example sodium) capable of making it possible to apply a potential difference between these two baths.
  • two baths in this example sodium
  • the steps of burying the sheath and the heart can be carried out as described previously in two successive steps but they can also be carried out in certain cases simultaneously, the heart having an ionic concentration higher than that of the sheath, it is buried faster than the sheath, which also allows centering of the heart in the sheath.
  • the difference in concentration between the core and the sheath is generally obtained either by a re-diffusion in a bath of the ions forming the sheath or by a difference in concentration of the ions introduced in steps a) and b).
  • a single mask can be used.
  • a mask is produced, for example by photolithography on the substrate, this mask having the pattern of the heart to be produced with or without a network depending on the intended application.
  • the single mask is made of aluminum and has an opening pattern of approximately 3 ⁇ m in width (the length of the pattern depends on the desired length of sheath and core).
  • the first ion exchange is carried out with a bath comprising Ag + ions at low concentration approximately at 1%, at a temperature of approximately 330 ° C. and for an exchange time of approximately 20 minutes with the application of a field. electric.
  • the redistribution of the ions in the glass takes place in the open air at a temperature of 330 ° C. for 30 s.
  • the second ion exchange is carried out with a bath comprising also Ag + ions at about 20% of concentration, at a temperature of approximately 330 ° C. and for an exchange time of approximately 8 minutes.
  • the redistribution of the ions in the glass takes place in the open air at a temperature of 330 ° C. for 30 s.
  • the burial of the core and the sheath is carried out firstly by re-diffusion in a sodium bath at a temperature of around 260 ° C. and for 3 minutes, then by application of an electric field between the two opposite faces. of the substrate.
  • a variant of the method consists in depositing on the substrate 7, a layer of material 68, shown in dotted lines in FIG. 8d. This material, to allow optical guidance must advantageously have a refractive index lower than that of the sheath.
  • the production of the component according to the invention is not limited to the ion exchange technique.
  • the component of the invention can of course be produced by all the techniques which make it possible to modify the refractive index of the substrate.
  • its period, its size, its position relative to the core and to the cladding are parameters which can be adapted according to the applications.
  • the pattern of the network can be defined on the mask allowing the production of the sheath and / or on the mask allowing the production of the core or on the single mask allowing the production of both sheath and heart or even on a specific mask for the realization only of the network.
  • FIGS. 9a to 9d illustrate, by way of example, alternative embodiments of masks Mi, M 2 , M 3 , M 4 making it possible to obtain a network. These figures are top views of the masks and represent only the part of the masks used to obtain the network. The white areas of the mask pattern correspond to the openings of the masks. These masks make it possible to obtain a periodic network of period ⁇ .
  • These masks can be, for example, specific masks for producing the network in the heart and / or in the sheath or a part of the masks enabling the heart and / or the sheath to be obtained, the network then being produced at the same time as the heart and / or the sheath.
  • FIG. 10 illustrates an exemplary embodiment of a network 33 produced in an interaction zone both in the core 11 and in the sheath 9.
  • the network 33 is formed in the sheath 9 by an alternation of period ⁇ of zones 34 of variable width considered in the direction of propagation of a light wave. These zones have an effective index different from that of the rest of the cladding due to a modification of the refractive index of these zones. Since the core is also included in the sheath at least in the interaction zone, the network is also written in the heart, in other words the heart also has zones of refractive index different from that of the rest of the heart.
  • the networks can be formed by all the conventional techniques making it possible to locally modify the effective index of the substrate in the core and / or in the sheath.
  • the network can be obtained by insolation of the heart and / or of the sheath with a C0 2 type laser.
  • the laser by producing localized heating, makes it possible to locally diffuse ions and thus to register the pattern of the network.
  • the substrate can be scanned with a laser beam modulated, for example in amplitude, so as to introduce a modulation of the network at the desired step.
  • the network can be of variable period (chirped network) or of variable efficiency (apodized network).

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Abstract

L'invention concerne un composant en optique intégrée comprenant dans un substrat (7) au moins un cœur (11) de guide optique et au moins une gaine optique (9), le cœur et la gaine étant indépendants l'un de l'autre dans le substrat, au moins une portion de ladite gaine entourant au moins une portion dudit cœur de façon à définir au moins une zone dite d'interaction (20) entre le cœur et la gaine, l'indice de réfraction de la gaine étant différent de l'indice de réfraction du substrat et inférieur à l'indice de réfraction du cœur au moins dans la partie de la gaine voisine du cœur et au moins dans la zone d'interaction, une onde lumineuse étant introduite dans la dite zone par le guide et/ou par la gaine. L'invention trouve des applications en particulier dans le domaine des télécommunications optiques pour réaliser par exemple un filtre spectrale ou spatial, ou encore un interféromètre de type Mach-Zehnder ou un capteur de température.

Description

COMPOSANT D'OPTIQUE INTEGREE COMPRENANT UNE GAINE OPTIQUE ET SON PROCEDE DE REALISATION
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne un composant d'optique intégrée comprenant une gaine optique et son procédé de réalisation.
L'invention trouve des applications dans tous les domaines nécessitant une modification des caractéristiques des modes se propageant dans le cœur d'un guide optique et/ou l'excitation de modes de gaine et en particulier dans le domaine des télécommunications optiques, pour réaliser en optique intégrée par exemple un filtre spectrale ou un capteur de température .
Etat de la technique antérieure
Les gaines optiques sont essentiellement connues dans le domaine des fibres optiques. En effet, les gaines optiques entourent classiquement le cœur des fibres, elles ont un indice de réfraction inférieur à celui du cœur ce qui permet la propagation d'une onde lumineuse dans le cœur de ces fibres.
En jouant sur la valeur de l'indice de réfraction de la gaine, on peut modifier les caractéristiques de propagation du ou des modes de propagation dans le cœur d'une fibre optique et en particulier optimiser ses propriétés de guidage et notamment réduire la dispersion chromatique. Il est connu également d'utiliser des modes de gaines, en réalisant ces gaines optiques avec des réseaux à fibres optiques afin de coupler un ou des modes guidés dans le cœur d'une fibre vers le ou les modes de gaine de la fibre ou inversement. On peut se reporter à cet effet par exemple au brevet US 5 430 817.
Dans tous les cas, le cœur de la fibre ne peut permettre une propagation correcte d'une onde lumineuse sans la gaine optique. La gaine et le cœur sont dépendants et forment la fibre.
Les figures 1 et 2 illustrent schéma- tiquement respectivement en perspective et en coupe, un exemple de réalisation d'une gaine optique utilisée selon l'art antérieur avec un réseau à fibre optique.
Ainsi, sur la figure 1, on voit le cœur 1 de la fibre d' indice de réfraction nc dans lequel se fait le guidage d'une onde lumineuse, une gaine optique 2 d' indice ng qui permet le guidage de cette onde lumineuse par un changement d'indice par rapport au cœur (nc > ng) et une gaine mécanique 3 qui protège l'ensemble. Sur la figure 1, pour simplifier la représentation, la gaine mécanique a été volontairement, partiellement enlevée. Un réseau 6, représenté sur la coupe de la figure 2 par une alternance de zones grisées et blanches est réalisé dans le cœur 1 de la fibre. Ce réseau est formé par la création de zones (les zones grisées) dans le cœur d'indice de réfraction supérieur à celui du reste du cœur (les zones blanches) . Ce réseau permet de coupler un mode guidé, représenté symboliquement par un ensemble de cercles concentriques référencé 4, vers un ou plusieurs modes de gaine 5 se propageant dans la gaine optique 2, dans le même sens que le mode guidée 4. Les modes de gaine sont représentés également symboliquement par des ensembles de cercles concentriques référencés 5.
Le couplage entre les différents modes a lieu pour des longueurs d'onde déterminées λj par la relation connue suivante :
Figure imgf000005_0001
avec :
- n0 l'indice effectif du mode guidé 4,
- nj l'indice effectif du mode de gaine numéro j - λj la longueur d'onde de résonance pour le couplage au mode j ,
- Λ la période du réseau.
En général, il existe un faible écart entre les indices effectif n0 et nj (de quelques 10"2 à quelques 10"3) , et la gamme de longueur d'onde concernée par le guidage optique est autour de 1,5 μm. De ce fait, la relation (1) nous montre que les périodes des réseaux sont souvent de l'ordre de quelques dizaines de μm à quelques milliers de μm. Un tel composant est par exemple utilisé comme élément de filtrage.
En effet, le couplage se traduit par un transfert d'énergie entre le mode guidé 4 et les modes de gaine 5 pour les longueurs d'ondes λj . L'énergie couplée dans les modes de gaine est ensuite dispersée en dehors de la gaine le long de la propagation des modes dans la gaine, si bien que l'onde lumineuse récupérée en sortie du guide 1 présente un spectre de puissance avec des pertes d'énergie pour les longueurs d'ondes λj sur des bandes spectrales dites de filtrage. De plus, l'énergie couplée dans les modes de gaine n'est pas réfléchie par le réseau ce qui assure l'isolation du filtre en terme de réflexions parasites. En optique intégrée, le guidage d'une onde lumineuse dans le cœur d'un guide est obtenu classiquement grâce au confinement du cœur dans une ou des couches d'un substrat, ces couches présentant un indice de réfraction inférieur à celui du cœur.
Par ailleurs, le brevet US 5 949 934 décrit l'utilisation d'une gaine optique de part et d'autre d'un réseau formé dans le cœur d'un guide en optique intégrée, cet ensemble étant disposé sur un substrat. Cette gaine est réalisée par la superposition de couches entre lesquelles le cœur est pris en sandwich. Dans ce brevet, le cœur est donc dépendant de la gaine puisqu'il ne peut exister sans les couches entre lesquelles il est disposé. Ainsi, la gaine décrit dans ce brevet permet à la fois d'induire des modes de gaine et de réaliser un support pour le cœur du guide. De plus, la gaine ayant généralement le même indice de réfraction que le substrat, la gaine ne se différencie pas optiquement du substrat.
Il n'existe donc pas actuellement de gaine optique associée à un cœur de guide optique en optique intégrée ou même à un cœur de fibre, qui soit indépendant de ce cœur et inversement. Exposé de l'invention
La présente invention a pour but de proposer un composant d'optique intégrée comprenant au moins une gaine optique qui soit indépendante du ou des cœurs de guide auquel elle est associée. On entend par indépendance du cœur et de la gaine, le fait qu'ils peuvent exister dans un substrat indépendamment l'un de 1' autre.
Un autre but de l'invention est de réaliser, un composant d'optique intégrée comprenant au moins une gaine optique associée à au moins un cœur de guide optique apte à modifier notamment au moins une caractéristique du ou des modes se propageant dans le cœur et/ou à induire un ou des modes de propagation dans cette gaine.
Les caractéristiques du ou des modes se propageant dans le cœur peuvent être en particulier l'indice effectif, la taille du mode et/ou la phase.
De façon plus précise, l'invention concerne un composant d'optique intégrée comprenant dans un substrat au moins un cœur de guide optique et au moins une gaine optique, le cœur et la gaine étant indépendants l'un de l'autre dans le substrat, au moins une portion de ladite gaine entourant au moins une portion dudit cœur de façon à définir au moins une zone dite d'interaction entre le cœur et la gaine, l'indice de réfraction de la gaine est différent de l'indice de réfraction du substrat et inférieur à l'indice de réfraction du cœur au moins dans la partie de la gaine voisine du cœur et au moins dans la zone d' interaction, une onde lumineuse étant apte à être introduite dans la dite zone par le cœur et/ou par la gaine.
Le substrat peut bien entendu être réalisé par un seul matériau ou par la superposition de plusieurs couches de matériaux. Dans ce dernier cas, l'indice de réfraction de la gaine est différent de l'indice de réfraction du substrat au moins dans les couches voisines de la gaine.
Selon un mode préféré, la gaine et le cœur sont réalisés à partir du substrat, par une modification de l'indice de réfraction du substrat et non comme dans 1 ' art antérieur par report de couches .
Selon l'invention, le guide peut être un guide planaire, lorsque le confinement de la lumière se fait dans un plan contenant la direction de propagation de la lumière ou un microguide, lorsque le confinement de la lumière est réalisé dans deux directions transverses à la direction de propagation de la lumière . Le cœur du guide et la gaine sont indépendants l'un de l'autre, c'est-à-dire qu'ils peuvent exister dans le substrat indépendamment l'un de l'autre.
Aussi, selon un mode avantageux de l'invention, la gaine n'entoure qu'une portion du cœur du guide. Ainsi la gaine n'agit sur la propagation d'une onde lumineuse dans le cœur du guide que dans la zone d' interaction et la gaine peut guider ou véhiculer des ondes lumineuses indépendamment du cœur. La gaine étant indépendante du cœur, les paramètres de la gaine et du cœur sont facilement adaptables aux applications recherchées. Ainsi, on peut jouer facilement sur les dimensions, la valeur de l'indice de réfraction et la position de la gaine par rapport aux dimensions et à la valeur de l'indice de réfraction du cœur du guide. On peut ainsi modifier au moins une caractéristique du ou des modes se propageant dans le cœur du guide et/ou d'un ou des modes de propagation dans la gaine.
Pour induire des modes de propagation de gaine, de façon avantageuse, la gaine présente un indice de réfraction supérieur à celui du substrat.
Par ailleurs, pour induire ces modes de gaine, selon un premier mode de réalisation, l'onde lumineuse est introduite dans la gaine. Et selon un deuxième mode de réalisation qui peut être combiné avec le premier, la zone d'interaction comporte un réseau formé dans le cœur du guide et/ou dans la gaine.
Selon ce deuxième mode de réalisation, lorsque 1 ' onde lumineuse est introduite dans le cœur du guide alors le mode du guide est couplé à un ou plusieurs des modes de gaine dans la zone d'interaction et inversement lorsque 1 ' onde lumineuse est introduite dans la gaine, le ou les modes de gaines sont couplés au mode guidé du cœur dans la zone d'interaction. Le réseau peut être périodique ou pseudopériodique, il peut être également composé d'une succession de réseaux.
De nombreux composants en optique intégrée peuvent être réalisés en combinant un ou plusieurs cœurs de guide avec une ou plusieurs gaines optiques de façon à créer plusieurs zones d' interactions chaque zone pouvant comporter ou non un réseau.
Ainsi, on peut réaliser un composant comprenant dans un substrat un cœur de guide comportant une première et une deuxième extrémité, une gaine optique et une zone d' interaction formée par une partie de la gaine entourant une partie du cœur, ladite zone comportant un réseau, une onde lumineuse étant introduite dans le cœur par une des extrémités et récupérée en sortie du cœur par l'autre extrémité.
Avantageusement, les deux extrémités du cœur sont en dehors de la zone d'interaction, ce qui permet plus de souplesse dans l'introduction et/ou la récupération de l'onde et un meilleur filtrage lorsque ce composant est utilisé en tant que filtre.
En effet, ce composant permet en particulier de réaliser un filtre optique : le mode guidé de l'onde lumineuse introduite dans le cœur est couplé dans la zone d' interaction par le réseau à un ou plusieurs modes de gaine pour les longueurs d'onde λj définis dans la relation (1). La partie couplée de l'onde lumineuse dans les modes de gaine peut être ou non récupérée en sortie de la gaine et la partie non couplée de l'onde, c'est-à-dire l'onde lumineuse filtrée pour les longueurs d'onde λj est récupérée en sortie du cœur.
De même, des composants selon l'invention sans réseau peuvent être réalisés.
En particulier, le composant de l'invention peut être un interféromètre et comprend au moins deux cœurs de guide présentant respectivement une première et une deuxième extrémité, les premières extrémités étant reliées entre elles par une première jonction Y et les deuxièmes extrémités étant reliées entre elles par une deuxième jonction Y, ce composant comportant en outre au moins une gaine entourant au moins une portion d'un des cœurs.
De façon avantageuse, le substrat est du verre .
Bien entendu, le substrat peut être également en d'autres matériaux tels que par exemple en matériaux cristallins de type KTP ou LiNb03, ou encore du LiTa03.
Par ailleurs, la gaine optique et/ou le cœur du guide et/ou le réseau peuvent être réalisés par tous types de technique permettant de modifier l'indice de réfraction du substrat. On peut citer notamment les techniques d'échanges d'ions, l'implantation ionique et/ou le rayonnement par exemple par l'insolation laser ou la photo inscription laser. De façon plus générale, le réseau peut être réalisé par toutes les techniques permettant de changer l'indice effectif du substrat. Aux techniques précédemment cités, on peut donc rajouter notamment les techniques de réalisation de réseaux par gravure du substrat au voisinage de la zone d'interaction. Cette gravure peut être réalisée au-dessus de la zone d'interaction ou dans la portion de gaine de la zone d'interaction et/ou éventuellement dans la portion de cœur de la zone d'interaction. Le motif du réseau peut être obtenu soit par balayage laser dans le cas de l'utilisation d'un rayonnement soit par un masque . Ce dernier peut être le masque qui permet l'obtention du cœur et/ou de la gaine ou un masque spécifique pour la réalisation du réseau.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un composant en optique intégrée comprenant dans un substrat au moins un cœur de guide optique et au moins une gaine optique, le cœur et la gaine étant indépendants l'un de l'autre dans le substrat, au moins une portion de la dite gaine entourant au moins une portion d'au moins un cœur de façon à définir au moins une zone dite d' interaction entre le cœur et la gaine, le cœur et la gaine étant réalisés respectivement par une modification de l'indice de réfraction du substrat de façon à ce qu'au moins dans la partie de la gaine voisine du cœur et au moins dans la zone d'interaction, l'indice de réfraction de la gaine soit différent de l'indice de réfraction du substrat et inférieur à l'indice de réfraction du cœur. La modification de l'indice de réfraction du substrat est obtenue notamment par rayonnement par exemple par insolation laser ou par photo- inscription laser et/ou par introduction d'espèces ioniques.
Selon un mode préféré de réalisation, le procédé de l'invention comporte les étapes suivantes : a) introduction d'une première espèce ionique dans le substrat de façon à permettre l'obtention après l'étape c) de la gaine optique, b) introduction d'une deuxième espèce ionique dans le substrat de façon à permettre l'obtention après l'étape c) du cœur du guide, c) enterrage des ions introduits aux étapes a) et b) de façon à obtenir la gaine et le cœur du guide .
L'ordre des étapes a) et b) peut bien entendu être inversé.
L' introduction de la première et/ou de la deuxième espèce ionique est réalisée de façon avantageuse par un échange ionique, ou par implantation ionique . Les première et deuxième espèces ioniques peuvent être les mêmes ou elles peuvent être différentes.
L'introduction de la première espèce ionique et/ou l'introduction de la deuxième espèce ionique peuvent être réalisées avec l'application d'un champ électrique .
Dans le cas d'un échange ionique le substrat doit contenir des espèces ioniques aptes à être échangés . Selon un mode préféré de réalisation, le substrat est du verre et contient des ions Na+ préalablement introduits, les première et deuxième espèces ioniques sont des ions Ag+ et/ou K+ .
Selon un premier mode de réalisation, l'étape a) comprend la réalisation d'un premier masque comportant un motif apte à l'obtention de la gaine, l'introduction de la première espèce ionique étant réalisée à travers ce premier masque et l'étape b) comprend l'élimination du premier masque et la réalisation d'un deuxième masque comportant un motif apte à l'obtention du cœur, l'introduction de la deuxième espèce ionique étant réalisée à travers ce deuxième masque .
Selon un deuxième mode de réalisation, l'étape a) comporte la réalisation d'un masque comportant un motif apte à l'obtention de la gaine et du cœur, l'introduction des première et deuxième espèces ioniques des étapes a) et b) étant réalisées à travers ce masque .
Les masques utilisés dans l'invention sont par exemple en aluminium, en chrome, en alumine ou en matériau diélectrique.
Selon un premier mode de réalisation de l'étape c) , l' enterrage de la première espèce ionique est réalisée au moins partiellement avant l'étape b) et l' enterrage de la deuxième espèce ionique est réalisé au moins partiellement après l'étape b) .
Selon un deuxième mode de réalisation de l'étape c) , l' enterrage de la première espèce ionique et l' enterrage de la deuxième espèce ionique sont réalisés simultanément après l'étape b) .
Selon un troisième mode de réalisation de l'étape c) , l'enterrage comporte un dépôt d'au moins une couche de matériau d'indice de réfraction avantageusement inférieur à celui de la gaine, sur la surface du substrat.
Ce mode peut être bien entendu combiné avec les deux modes précédents .
De façon avantageuse, au moins une partie de l'enterrage est réalisée avec l'application d'un champ électrique. Généralement avant l'enterrage sous champ et/ou le dépôt d'une couche, le procédé de l'invention peut comporter en outre un enterrage par rediffusion dans un bain ionique . Cette étape de rediffusion peut être réalisée en partie avant l'étape b) pour rediffuser les ions de la première espèce ionique et en partie après l'étape b) pour rediffuser les ions des première et deuxième espèces ioniques. Cette étape de rediffusion peut également être réalisée en totalité après l'étape b) pour rediffuser les ions des première et deuxième espèces ioniques .
A titre d'exemple cette rediffusion est obtenue en plongeant le substrat dans un bain contenant la même espèce ionique que celle contenue préalablement dans le substrat .
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif.
Brève description des figures
Les figures 1 et 2, déjà décrites, représentent schématiquement en perspective et en coupe une gaine optique associée à un réseau réalisé dans le cœur d'une fibre optique, la figure 3, représente schématiquement en perspective, un exemple de réalisation selon l'invention d'une gaine optique associée à un réseau réalisé dans le cœur d'un guide optique, la figure 4 représente schématiquement en coupe, l'exemple de la figure 3, la figure 5 donne schématiquement un exemple de profil d'indice de réfraction n obtenu dans une zone d'interaction selon l'invention, la figure 6 illustre schématiquement en coupe un premier exemple d'application du composant de l'invention pour former un filtre, les figures 7a et 7b illustrent schématiquement respectivement en perspective et en coupe un deuxième exemple d'application du composant de l'invention pour former un interféromètre, les figures 8a à 8d illustrent schématiquement et en coupe un exemple de procédé de réalisation d'un composant selon l'invention, les figures 9a à 9d illustrent schématiquement des variantes de réalisation de motif de masque permettant d'obtenir un réseau dans le cœur, et - la figure 10 représente en coupe une variante de réalisation de composant selon l'invention présentant un réseau dans la gaine.
Description détaillée de modes de mise en œuyre de 1' invention
Pour simplifier la description de l'ensemble de ces figures, on a représenté des cœurs de guide et des gaines à profondeur d' enterrage constante dans le substrat étant bien entendu que suivant les applications visées, les cœurs et les gaines peuvent présenter des profondeurs d' enterrage variables. On décrit dans un souci de simplification des gaines présentant un indice de réfraction constant, mais bien entendu, on peut tout à fait envisager dans le cadre de cette invention d'utiliser des gaines présentant un indice variable, du moment que leurs indices au voisinage du cœur soit plus petit que l'indice de réfraction du cœur.
De même, bien que le substrat puisse comporter une couche ou plusieurs couches, il est représenté dans l'ensemble de ces figures comme un substrat à une seule couche .
Les figures 3 et 4 représentent respectivement en perspective et en coupe un exemple de réalisation en optique intégrée dans un substrat 7 d'une gaine optique 9 associée à un réseau 13 réalisé dans le cœur 11 d'un guide optique. La coupe de la figure 4 est réalisée dans un plan parallèle à la surface du substrat et contenant le cœur 11. Sur cette figure, la gaine optique 9 entoure uniquement la portion du cœur 11 qui comporte le réseau 13. La zone du substrat qui comporte à la fois la gaine et le cœur du guide est appelée zone d'interaction.
On voit bien sur ces figures, que le cœur 11 existe indépendamment de la gaine 9 puisqu'en dehors de la zone d'interaction, le cœur n'est plus situé dans la gaine mais uniquement dans le substrat 7 qui permet l'isolement optique du cœur.
La gaine est crée ainsi artificiellement, dans le substrat, au moins autour d'une portion du cœur comportant le réseau et indépendamment du cœur et du substrat .
D'une façon générale, on appellera gaine artificielle ce type de gaine réalisé selon l'invention et réseau à gaine artificielle, lorsque la zone d'interaction comporte un réseau.
Dans cet exemple de réalisation, la gaine est réalisée dans le substrat de façon à avoir un indice de réfraction compris entre celui du substrat et celui du cœur du guide, ce qui permet grâce à la présence du réseau 13 d'avoir des modes de gaines référencées 15 sur la figure 4.
Le réseau 13 réalisé dans le cœur 11 dans la zone d'interaction, est une succession de motifs périodiques ou pseudo-périodiques formés dans cet exemple par une segmentation du cœur 11.
Ainsi, lorsque le mode guidé, référencé 17, de l'onde lumineuse qui se propage dans le cœur 11 arrive dans la zone d' interaction définie par la partie du substrat qui comporte à la fois la gaine 9 et le cœur 11 muni ici du réseau 13, le mode 17 va être couplé vers un ou plusieurs modes de la gaine 15.
On aurait pu également introduire directement l'onde lumineuse dans la gaine 15, le ou les modes de gaine auraient alors été couplés au mode guidé du cœur par le réseau. Pour permettre cette introduction, la gaine est réalisée de façon à ce qu'une de ses extrémités (référencée 19) soit située par exemple sur une paroi latérale du substrat . L'indépendance de la gaine vis-à-vis du cœur du guide permet d'adapter les paramètres de la gaine (tels que les dimensions, le niveau d'indice et la position) par rapport aux paramètres du cœur (tels que les dimensions, le niveau d'indice et la position), aux applications visées. La force du couplage entre un mode guidé et un mode de gaine donné est obtenue par le produit de la longueur du réseau avec le coefficient de couplage
K. Ce dernier est proportionnel à l'intégrale de recouvrement des deux modes couplés, pondérés par le profil du réseau.
Si on note ξ0 et ξj les profils transversaux des modes respectivement guidés et de gaine et Δn le profil du réseau, le coefficient de couplage K est donné par une relation du type :
Figure imgf000019_0001
où ds est un élément d' intégration sur toute la surface transversale du substrat c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire à l'axe de propagation de l'onde.
La figure 5 donne un exemple de profil d'indice de réfraction n obtenue dans la zone d'interaction, selon une direction x transverse à la direction de propagation d'une onde lumineuse dans le cœur. Sur ce profil on voit clairement la dimension Lx de la gaine d' indice ng, selon cette direction ainsi que la dimension lx du cœur d'indice nc, selon cette même direction. L'indice ns du substrat a été pris comme référence. En faisant varier les paramètres de la gaine et du cœur suivant les applications visées, on obtient bien entendu, d'autres profils d'indice. Ainsi, au niveau de la gaine, plus ses dimensions et son niveau d' indice seront importants plus on aura de modes de gaines admis à se propager et plus on aura donc dans l'application filtrage de bandes de filtrage possibles. Cela peut être un avantage si on cherche des filtrages multiples ou pour avoir plus de marge dans le choix d'un mode de filtrage.
Si on cherche à limiter le nombre de modes de gaine pouvant être couplé, il est intéressant à l'inverse de réduire les dimensions opto-géométriques de la gaine .
Pour d'autres applications de type interféromètre, le choix du niveau d'indice de la gaine est aussi important puisqu'il permet de modifier la différence d'indice que l'on a dans l'équation (3) défini ultérieurement.
Au niveau du cœur du guide, ses dimensions et son niveau d' indice conditionnent les caractéristiques du mode qui s'y propage et permettent par exemple de l'adapter à un mode de fibre, dans le cas d'un couplage cœur de guide/cœur de fibre.
Par ailleurs, plus les écarts d'indice entre le cœur, la gaine et le substrat seront importants et plus on aura potentiellement de chance d' avoir des couplages pour des périodes de réseaux faibles comme le montre l'équation (1) (à une longueur d'onde de résonance donnée, la période est inversement liée à la différence d'indice entre les modes guidé et de gaine).
Les domaines d'applications de composants comportant une gaine optique entourant un réseau formé dans le cœur d'un guide sont les mêmes que celles des fibres optiques comportant des réseaux. On peut citer notamment les applications telles que des filtres de perte à spectre adapté (filtrage linéaire par exemple) ou encore des applications capteur. Par ailleurs, l'indépendance de la gaine par rapport au cœur permet de nombreuses autres applications, impossibles à obtenir avec les concepts de l'art antérieur.
Les dimensions du réseau peuvent également être adaptées aux applications visées. Ainsi, ils peuvent être aussi bien des réseaux de type longues périodes (par exemple de quelques dizaines de μm à quelques milliers de μm) que des réseaux à plus faibles périodes (par exemple inférieur à quelques μm) tels que les réseaux blasés ou à traits inclinés. A titre d'exemple, la figure 6 illustre en coupe un premier exemple d'application du composant de l'invention pour former un filtre.
Ainsi, la figure 6 présente un composant en optique intégrée comportant dans un substrat 7, un cœur 11 de guide, une gaine 9 entourant le cœur 11 dans une zone d'interaction 20 comportant un réseau 13 réalisé dans le cœur. Dans cet exemple de réalisation, le cœur du guide pénètre dans la gaine par une extrémité de celle-ci au niveau de la zone d' interaction et ressort de celle-ci après la zone d' interaction, par courbure du cœur. Ce dernier est ainsi séparé de la gaine en dehors de la zone d'interaction et la gaine reste présente dans le substrat sans le cœur du guide.
Au niveau du réseau 13 dans la zone d'interaction, une partie du signal guidé dans le cœur est couplé aux modes de gaines 15 ou inversement. Ainsi, lorsqu'une onde lumineuse est introduite dans le composant par l'extrémité lia du cœur 11, le mode guidé du cœur est alors couplé dans la zone d'interaction par le réseau 13, au (x) mode (s) de gaine pour une ou des bandes de filtrage définies spectralement par la relation (1) . En sortie de la zone d'interaction, la partie de l'onde couplée au(x) mode (s) de gaine se propage dans la gaine tandis que le reste de l'onde initiale est véhiculé dans le cœur 11 et peut être récupéré par l'extrémité 11b du cœur.
On aurait pu également prévoir un fonctionnement en sens inverse. Une onde lumineuse serait alors introduite dans la gaine au niveau de l'extrémité 17 de la gaine qui ne comporte pas le cœur. Au passage dans la zone d'interaction 20, la partie spectrale de l'onde qui correspond à la ou aux bandes de filtrage du réseau 13 est couplée dans le cœur du guide 11 et elle peut être extraite du composant par l'extrémité lia du cœur.
Comme on l'a vu précédemment, le fait de réaliser une gaine optique qui entoure localement une portion de cœur de guide peut trouver de nombreuses autres applications que celles du couplage par un réseau.
En effet, l'utilisation d'une gaine optique selon l'invention permet de modifier les caractéristiques du mode se propageant dans le cœur.
A titre d'exemple, les figures 7a et 7b illustrent respectivement en perspective et en coupe dans un plan perpendiculaire à la surface du substrat et contenant la zone d'interaction un deuxième exemple d'application du composant de l'invention pour former un interféromètre de type ach-Zehnder, ce composant ne comportant pas de réseau dans la zone d'interaction.
Cet interféromètre comporte dans le substrat 7 un cœur de guide 51 et un cœur de guide 53 dont les extrémités sont reliées respectivement à des jonctions Y, référencée Yτ et Y2, formant ainsi deux bras.
Une gaine 52 entoure une portion du cœur 51 et crée ainsi une zone d'interaction. Une onde lumineuse introduite dans
1' interféromètre, par exemple par la jonction Yi, est donc répartie dans les deux bras de l' interféromètre puis se recombine en sortie dans la jonction Y2. Le déphasage Δφ cumulé entre les deux bras détermine le niveau de signal obtenu en sortie du composant.
En absence de la gaine 52, 1 ' interféromètre est équilibré et Δφ = 0.
En présence de la gaine 52 le déphasage Δφ à la longueur d'onde λ s'exprime de la façon suivante :
Δφ = γ(neffl -ne£f2)xL (3)
neffi est l'indice effectif du mode guidé dans la zone coeur-substrat et neff2 est l'indice effectif du mode guidé dans la zone coeur-gaine et L est la longueur de la zone d'interaction qui est dans cet exemple la longueur de la gaine. La différence ψeff\ ~ n effi ) peut atteindre jusqu'à des valeurs de quelques 10"2.
Classiquement pour réaliser un déphasage non nul, l'homme du métier joue sur la longueur des cœurs. Selon l'invention, l'utilisation d'une gaine permet de réaliser un déphasage non nul entre les deux cœurs, ces deux cœurs pouvant être de même longueur, ce qui simplifie la réalisation du composant. En particulier, un seul masque de cœurs peut couvrir toute une gamme de composants pouvant présenter des déphasages différents car seuls les paramètres de la gaine servent à régler ces déphasages .
De nombreuses applications de cet interféromètre sont possibles et en particulier il permet la réalisation de références spectrales (mesures du pas des interfranges) ou d'atténuateur à certaines longueurs d'ondes (filtre).
Il permet également la réalisation de capteur de température . En effet, dans l'équation 3, la différence ψeffx - neff2 ) entre les indices effectifs de propagation du mode guidé avec ou sans gaine dépend notamment de la température, si bien que le déphasage en sortie du composant est aussi une fonction de la température. Les figures 8a à 8d illustrent en coupe dans un plan perpendiculaire à la surface du substrat et contenant la zone d'interaction, un exemple de procédé de réalisation d'un composant selon l'invention, à partir de la technologie par échange d'ions. Ainsi, sur la figure 8a est représentée un substrat 7 contenant des ions B.
Un premier masque 61 est réalisé par exemple par photolithographie sur une des faces du substrat ; ce masque comporte une ouverture déterminée en fonction des dimensions (largeur, longueur) de la gaine que l'on souhaite obtenir. Un premier échange ionique est alors réalisé entre des ions A et les ions B contenus dans le substrat, dans une zone du substrat située au voisinage de l'ouverture du masque 61. Cet échange est obtenu par exemple en trempant le substrat muni du masque dans un bain contenant des ions A et en appliquant éventuellement un champ électrique entre la face du substrat sur laquelle est disposée le masque et la face opposée. La zone du substrat dans laquelle a été réalisé cet échange ionique forme la gaine 63.
Pour enterrer cette gaine, une étape de rediffusion des ions A est réalisée avec l'assistance ou non d'un champ électrique appliqué comme précédemment. La figure 8b, représente la gaine après une étape d' enterrage partielle de celle-ci. Le masque 61 est enlevé généralement avant cette étape.
La réalisation de la gaine selon l'invention s'apparente donc à la réalisation d'un cœur de guide mais avec des dimensions différentes. L'étape suivante représentée figure 8c consiste à former un nouveau masque 65 sur le substrat par exemple par photolithographie après éventuellement un nettoyage de la face du substrat sur lequel il est réalisé. Ce masque comporte des motifs aptes à permettre la réalisation d'un cœur 67 de guide et en particulier lorsque le cœur comporte un réseau, les motifs du masque 65 peuvent être adaptés aux motifs du réseau à former.
Un deuxième échange ionique est alors réalisé entre les ions B du substrat et des ions C qui peuvent être les mêmes ou non que les ions A. Cet échange ionique peut être réalisé comme précédemment en trempant le substrat dans un bain contenant des ions C et en appliquant éventuellement un champ électrique.
Enfin, la figure 8d illustre le composant obtenu après enterrage du cœur 67 obtenu par rediffusion des ions C et enterrage final de la gaine, avec l'assistance ou non d'un champ électrique. Le masque 65 est généralement supprimé avant cette étape d' enterrage . Les conditions des premier et deuxième échanges ioniques sont définies de façon à obtenir les différences d'indices de réfraction souhaitées entre le substrat, la gaine et le cœur. Les paramètres d'ajustement de ces différences sont notamment le temps d'échange, la température du bain, la concentration en ions du bain et la présence ou non d'un champ électrique.
A titre d'exemple de réalisation, le substrat 7 est du verre contenant des ions Na+, le masque 61 est en aluminium et présente une ouverture d'environ 30 μm de large (la longueur de l'ouverture dépend de la longueur désirée de gaine pour l'application visée) .
Le premier échange ionique est réalisé avec un bain comportant des ions Ag+ environ à 20% de concentration, à une température d'environ 330°C et pendant un temps d'échange de 5mn environ. Une rediffusion des ions a tout d'abord lieu à l'air libre à une température d'environ 330°C et pendant 30s, puis on effectue un enterrage partiel de la gaine ainsi formée dans le verre. Cet enterrage est réalisé par une rediffusion dans un bain de sodium à une température d'environ 260°C et pendant 3mn.
Le masque 65 est aussi en aluminium et présente un motif d'ouverture environ 3 μm de large (la longueur du motif dépend de la longueur désirée de cœur pour l'application visée) .
Le deuxième échange ionique est réalisé avec un bain comportant des ions également Ag+ environ à 20% de concentration, à une température d'environ 330°C et pendant un temps d'échange de 5 mn environ, une rediffusion des ions a tout d'abord lieu à l'air libre à une température d'environ 330°C et pendant 30s. Puis on réalise, un enterrage partiel du cœur ainsi formé dans le verre par une rediffusion dans ,un bain de sodium à une température d'environ 260°C et pendant 3 mn.
L'enterrage final de la gaine et du cœur se fait sous champ électrique les deux faces opposées du substrat sont en contact de deux bains (dans cet exemple du sodium) apte à permettre d'appliquer une différence de potentiel entre ces deux bains.
De nombreuses variantes du proσédé décrit précédemment peuvent être réalisées. Notamment, les étapes d' enterrage de la gaine et du cœur peuvent être réalisées comme décrit précédemment au cours de deux étapes successives mais elles peuvent également être réalisées dans certains cas simultanément, le cœur ayant une concentration ionique supérieure à celle de la gaine, il est enterré plus vite que la gaine, ce qui permet en outre le centrage du cœur dans la gaine. La différence de concentration entre le cœur et la gaine est généralement obtenue soit par une rediffusion dans un bain des ions formant la gaine soit par une différence de concentration des ions introduits aux étapes a) et b) .
Par ailleurs, au lieu d'utiliser un masque pour réaliser la gaine et un masque pour réaliser le cœur du guide, lorsque le cœur et la gaine ont la même longueur on peut utiliser un seul masque. Pour cela, on réalise un masque, par exemple par photolithographie sur le substrat, ce masque présentant le motif du cœur à réaliser avec ou sans réseau suivant l'application visée.
On effectue le premier échange ionique pour former la gaine, puis un deuxième échange ionique pour former le cœur et on enterre le cœur et la gaine.
A titre d'exemple dans ce mode de réalisation pour un substrat 7 en verre contenant des ions Na+, le masque unique est en aluminium et présente un motif d'ouverture d'environ 3 μm de large (la longueur du motif dépend de la longueur désirée de gaine et du cœur) .
Le premier échange ionique est réalisé avec un bain comportant des ions Ag+ à faible concentration environ à 1%, à une température d'environ 330°C et pendant un temps d'échange de 20 mn environ avec l'application d'un champ électrique. La rediffusion des ions dans le verre a lieu à l'air libre à une température de 330 °C pendant 30 s. Le deuxième échange ionique est réalisé avec un bain comportant des ions également Ag+ environ à 20% de concentration, à une température d'environ 330°C et pendant un temps d'échange de 8mn environ. La rediffusion des ions dans le verre a lieu à l'air libre à une température de 330°C pendant 30 s. Enfin, l'enterrage du cœur et de la gaine est réalisée tout d'abord par rediffusion dans un bain de sodium à une température d'environ 260°C et pendant 3mn, puis par application d'un champ électrique entre les deux faces opposées du substrat . Comme on l'a vu précédemment, pour .réaliser l'enterrage de la gaine et du cœur, une variante du procédé consiste à déposer sur le substrat 7, une couche de matériau 68, représentée en pointillés sur la figure 8d. Ce matériau, pour permettre un guidage optique doit présenter avantageusement un indice de réfraction inférieur à celui de la gaine.
La réalisation du composant selon l'invention n'est pas limitée à la technique d'échange d'ions. Le composant de l'invention peut être réalisé bien entendu par toutes les techniques qui permettent de modifier l'indice de réfraction du substrat.
Dans le cas de l'utilisation dans la zone d'interaction d'un réseau, sa période, sa taille, sa position par rapport au cœur et à la gaine sont des paramètres qui peuvent être adaptées en fonction des applications .
Le motif du réseau peut être défini sur le masque permettant la réalisation de la gaine et/ou sur le masque permettant la réalisation du cœur ou sur le masque unique permettant la réalisation à la fois de la gaine et du cœur ou encore sur un masque spécifique pour la réalisation uniquement du réseau.
Les figures 9a à 9d illustrent à titre d'exemple des variantes de réalisation de masques Mi, M2, M3, M4 permettant d'obtenir un réseau. Ces figures sont des vues de dessus des masques et ne représentent que la partie des masques permettant d'obtenir le réseau. Les zones blanches du motif des masques correspondent aux ouvertures des masques . Ces masques permettent d'obtenir un réseau périodique de période Λ.
Ces masques peuvent être par exemple des masques spécifiques pour la réalisation du réseau dans le cœur et/ou dans la gaine ou une partie des masques permettant l'obtention du cœur et/ou de la gaine, le réseau étant réalisé alors en même temps que le cœur et/ou la gaine.
La figure 4 précédemment décrite illustre un exemple de réseau formé dans le cœur du guide . La figure 10 illustre un exemple de réalisation d'un réseau 33 réalisé dans une zone d'interaction à la fois dans le cœur 11 et dans la gaine 9.
Ainsi, sur la figure 10, le réseau 33 est formé dans la gaine 9 par une alternance de période Λ de zones 34 de largeur variable considérée dans le sens de propagation d'une onde lumineuse. Ces zones ont un indice effectif différent de celui du reste de la gaine grâce à une modification de l'indice de réfraction de ces zones. Le cœur étant par ailleurs inclus dans la gaine au moins dans la zone d'interaction, le réseau est également inscrit dans le cœur, autrement dit le cœur comporte également des zones d'indice de réfraction différent de celui du reste du cœur.
Les réseaux peuvent être formés par toutes les techniques classiques permettant de modifier localement l'indice effectif du substrat dans le cœur et/ou dans la gaine.
Il peut donc être réalisé au cours des échanges ioniques permettant de réaliser le cœur et/ou la gaine ou au cours d'un échange ionique spécifique. Il peut également être obtenu par une gravure du substrat au niveau de la zone d' interaction ou par un rayonnement. En particulier, le réseau peut être obtenu par insolation du cœur et/ou de la gaine avec un laser de type C02. Le laser en produisant des échauffements localisés permet de rediffuser localement des ions et inscrire ainsi le motif du réseau.
A titre d'exemple on peut balayer le substrat avec un faisceau laser modulé par exemple en amplitude de manière à introduire une modulation du réseau au pas souhaité.
Le motif du réseau dépend des applications visées. En particulier, le réseau peut être à période variable (réseau chirpé) ou à efficacité variable (réseau apodisé) .

Claims

REVENDICATIONS
1. Composant en optique intégrée comprenant dans un substrat (7) au moins un cœur (11) de guide optique et au moins une gaine optique (9) , le cœur et la gaine étant indépendants l'un de l'autre dans le substrat, au moins une portion de ladite gaine entourant au moins une portion d'au moins un cœur de façon à définir au moins une zone dite d' interaction (20) entre le cœur et la gaine, l'indice de réfraction de la gaine étant différent de l'indice de réfraction du substrat et inférieur à l'indice de réfraction du cœur au moins dans la partie de la gaine voisine du cœur et au moins dans la zone d' interaction, une onde lumineuse étant apte à être introduite dans la dite zone par le cœur et/ou par la gaine.
2. Composant selon la revendication 1 caractérisé en ce que la gaine présente un indice de réfraction supérieur à celui du substrat.
3. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la zone d'interaction comporte un réseau formé dans le cœur et/ou dans la gaine.
4. Composant selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comprend dans le substrat (7) un cœur (11) de guide comportant des première et deuxième extrémités (lia, 11b) , une gaine optique (9) et une zone d'interaction (20) formée par une partie de la gaine entourant une partie du cœur, ladite zone comportant un réseau (13), une onde lumineuse étant introduite dans le cœur par une des extrémités et récupérée en sortie du cœur par l'autre extrémité.
5. Composant selon la revendication 4 caractérisé en ce que les deux extrémités du cœur sont en dehors de la zone d'interaction.
6. Composant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comprend dans le substrat (7) au moins deux cœurs de guide (51, 53) présentant respectivement des première et deuxième extrémités, les premières extrémités étant reliées entre elles par une première jonction Y (Yj et les deuxièmes extrémités étant reliées entre elles par une deuxième jonction Y (Y) , ce composant comportant en outre au moins une gaine (52) entourant au moins une portion d'un des cœurs (51).
7. Procédé de réalisation d'un composant en optique intégrée selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le cœur (11) et la gaine (9) sont réalisés respectivement par une modification de l'indice de réfraction du substrat de façon à ce qu'au moins dans la partie de la gaine voisine du cœur et au moins dans la zone d'interaction, l'indice de réfraction de la gaine soit différent de l'indice de réfraction du substrat et inférieur à l'indice de réfraction du cœur.
8. Procédé de réalisation selon la revendication 7 caractérisé en ce que la modification de l'indice de réfraction du substrat est obtenue par rayonnement et/ou par introduction d'espèces ioniques
9. Procédé de réalisation selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a) introduction d'une première espèce ionique dans le substrat de façon à permettre l'obtention après l'étape c) de la gaine optique, b) introduction d'une deuxième espèce ionique dans le substrat de façon à permettre l'obtention après l'étape c) du cœur du guide, - c) enterrage des ions introduits aux étapes a) et b) de façon à obtenir la gaine et le cœur du guide .
10. Procédé de réalisation selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'introduction de la première et/ou de la deuxième espèces ioniques est réalisée par un échange ionique ou par implantation ionique .
11. Procédé de réalisation selon la revendication 10 caractérisé en ce que le substrat est du verre et contient des ions Na+, les première et deuxième espèces ioniques étant des ions Ag+ et/ou K+ .
12. Procédé de réalisation selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'étape a) comprend la réalisation d'un premier masque (61) comportant un motif apte à l'obtention de la gaine, l'introduction de la première espèce ionique étant réalisée à travers ce premier masque et l'étape b) comprend l'élimination du premier masque et la réalisation d'un deuxième masque (65) comportant un motif apte à l'obtention du cœur, l'introduction de la deuxième espèce ionique étant réalisée à travers ce deuxième masque .
13. Procédé de réalisation selon la revendication 9 caractérisé en ce que le l'étape a) comporte la réalisation d'un masque comportant un motif apte à l'obtention de la gaine et du cœur, l'introduction des première et deuxième espèces ioniques étant réalisée à travers ce masque.
14. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la zone d'interaction (20) comportant un réseau (13) celui-ci est obtenu par modification de l'indice effectif du substrat dans la gaine et/ou le cœur, selon un motif approprié.
15. Procédé de réalisation selon la revendication 14 caractérisé en ce que le motif approprié du réseau est obtenu par introduction d'espèces ioniques à travers un masque permettant l'obtention du cœur et/ou de la gaine ou par un masque spécifique.
16. Procédé de réalisation selon la revendication 14 caractérisé en ce que le motif approprié du réseau est obtenu par des échauffements locaux .
17. Procédé de réalisation selon la revendication 14 caractérisé en ce que le motif approprié du réseau est obtenu par gravure du substrat au voisinage de la zone d'interaction.
18. Procédé de réalisation selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'enterrage de la première espèce ionique est réalisée au moins partiellement avant l'étape b) et l'enterrage de la première et de la deuxième espèces ioniques est réalisée après l'étape b) .
19. Procédé de réalisation selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'enterrage de la première espèce ionique et l'enterrage de la deuxième espèce ionique sont réalisés après l'étape b) .
20. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 19 caractérisé en ce qu'au moins une partie de l'enterrage est réalisée avec l'application d'un champ électrique.
21. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 20 caractérisé en ce qu'au moins une partie de l'enterrage est réalisée par- une rediffusion dans un bain ionique.
22. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 21 caractérisé en ce que tout ou partie de l'enterrage est réalisé par un dépôt d'au moins une couche sur la surface du substrat.
23. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 22 caractérisé en ce que l'introduction de la première espèce ionique et/ou l'introduction de la deuxième espèce ionique sont réalisées avec l'application d'un champ électrique.
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