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WO2006003313A1 - Procede de fabrication d’un bloc optique a circuit optique integre par photopolymerisation localisee d’une matrice organique par absorption a deux photons et bloc optique ainsi obtenu - Google Patents

Procede de fabrication d’un bloc optique a circuit optique integre par photopolymerisation localisee d’une matrice organique par absorption a deux photons et bloc optique ainsi obtenu Download PDF

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WO2006003313A1
WO2006003313A1 PCT/FR2005/001441 FR2005001441W WO2006003313A1 WO 2006003313 A1 WO2006003313 A1 WO 2006003313A1 FR 2005001441 W FR2005001441 W FR 2005001441W WO 2006003313 A1 WO2006003313 A1 WO 2006003313A1
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WO
WIPO (PCT)
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optical
integrated
block
matrix
circuit
Prior art date
Application number
PCT/FR2005/001441
Other languages
English (en)
Inventor
Kokou Dodzi Dorkenoo
Olivier Cregut
Alberto Barsella
Alain Fort
Chantal Andraud
Original Assignee
Universite Louis Pasteur, U.L.P.
Centre National De La Recherche Scientifique, Cnrs
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite Louis Pasteur, U.L.P., Centre National De La Recherche Scientifique, Cnrs filed Critical Universite Louis Pasteur, U.L.P.
Publication of WO2006003313A1 publication Critical patent/WO2006003313A1/fr

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    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device

Definitions

  • a method of manufacturing an integrated optical circuit optical block by localized photopolymerization of an organic matrix by two-photon absorption and optical block thus obtained A method of manufacturing an integrated optical circuit optical block by localized photopolymerization of an organic matrix by two-photon absorption and optical block thus obtained.
  • the present invention relates to an optical integrated circuit optical block with integrated connections to the ends of optical fiber connection and its manufacturing process by photopolymerization by two-photon absorption.
  • an optical integrated circuit optical unit connected to at least one optical fiber and comprising one or more electro-optical modulators, preferably one or more Mach-Zehnder interferometers.
  • fiber optic transmissions are increasingly being used for their considerable bandwidth capacity. They are particularly used in the telecommunications field, for example to transmit long-distance or high-speed communications.
  • optical fibers give rise to new needs, for example that of optical components capable of carrying out operations, such as modulation, multiplexing or the like, directly on the optical signals without having to convert them into electrical signals.
  • CIOs optical integrated circuits
  • optical elements such as waveguides, modulators, interferometers, networks, etc.
  • optical integrated circuits are generally made from inorganic materials, such as lithium niobate (LiNbO 3 ), doped glasses or semiconductors. These materials have the disadvantage of being expensive, to impose multi-step manufacturing processes, complicated and expensive for the realization of optical integrated circuits.
  • inorganic materials such as lithium niobate (LiNbO 3 ), doped glasses or semiconductors.
  • the integrated optical circuit since the integrated optical circuit realized, it must be connected to its input and output to optical fibers transmitting the light signal. With this type of integrated optical circuit, the connection is established after the manufacture of the CIO which is then in the solid state. This connection is delicate and particularly difficult in the case where several fibers must be connected.
  • the photocurable material must be in the form of a layer, apply an electric field so as to align the chromophores, have a mask leaving free an area corresponding to the pattern of the desired optical circuit and illuminate the layer by visible light through this mask to perform photocrosslinking in the area left free by the mask, remove the electric field and illuminate the entire layer to crosslink the rest of the layer.
  • This process based on the photon photon absorption photonticulation principle, has certain advantages over the other techniques previously described. It is simpler and does not require the use of ecotoxic chemicals. In addition, it facilitates the optical connection of the circuit, because it is possible to embed an optical fiber in the material during the first step of the process and start the circuit from this fiber.
  • the wavelength of the light illumination is chosen so that the absorption of a single photon is sufficient to trigger the crosslinking of the material in the illuminated area.
  • the photon density being of the same order over the entire depth of material traversed by the ray, the crosslinking takes place in the illuminated zone over the entire depth of the material.
  • the object of the invention is to provide an integrated optical circuit made from organic materials, much less expensive than the inorganic materials used in the prior art and which can easily be implemented.
  • Another object of the invention is to provide an integrated optical circuit optical unit in which the optical circuit can be made in three dimensions at any depth of the matrix.
  • the invention also aims to provide an integrated optical circuit optical unit already connected to one or more optical fibers.
  • the invention aims to teach a method of manufacturing such an integrated optical circuit that is simple, fast and uses neither mask nor chemical treatment.
  • the invention teaches a method of manufacturing an integrated optical circuit optical block formed of a matrix block in which is inscribed an integrated optical circuit comprising waveguides capable of channeling and transmitting light, which involves the following steps:
  • the invention also teaches an integrated optical circuit optical block formed of a matrix block in which is inscribed an integrated optical circuit comprising at least one optical element formed of waveguides capable of channeling and transmitting the light, which is characterized in that the matrix is composed at least partially of organic materials and in that the optical circuit is the result of localized photopolymerization of the matrix by two-photon absorption.
  • the method for producing optical guides according to the invention makes it possible to inscribe guides with electro-optical properties in a single step, in the volume of the matrix, at any depth. desired, which can be variable, thus making it possible to trace optical circuits in three dimensions.
  • These can be provided with electro ⁇ optical properties addressable by electrodes applied to the sample.
  • the miniaturization of the circuit is obtained thanks to the reduced size of the polymerization, of the order of one cubic micrometer because of the same process of absorption with two photons, and which is moreover controllable in three dimensions inside a matrix may have a significant thickness of several hundred microns.
  • optical blocks with integrated optical circuits have many advantages, such as for example allowing the integration on the same block of numerous functions (optical switches, modulators, tunable filters, etc.). These characteristics make them very attractive, especially as broadband modulators requiring only a low control voltage.
  • the optical connection of the circuit is particularly easy and generates much less losses than optical circuits of the prior art.
  • the end of one or more optical fibers can be previously embedded in the organic matrix and the optical circuit can be traced from this end.
  • the input and output optical fibers can be positioned at any point in the matrix and are not necessarily aligned or at the same height.
  • the process according to the invention is environmentally friendly because it does not require the use of solvents or other chemicals.
  • Figure 1 is a schematic perspective view of an integrated optical circuit optical unit according to the invention containing a Y-divider for connecting an input optical fiber and two output optical fibers;
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of an integrated optical circuit optical unit according to the invention containing a Mach-Zehnder modulator connected to an input optical fiber and an output optical fiber;
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of an integrated optical circuit optical unit according to the invention, connected to three input optical fibers and three output optical fibers and containing three Mach-Zehnder modulators in parallel;
  • FIG. 4 is a simplified block diagram of an assembly making it possible to implement the method according to the invention and to produce an optical block with an integrated optical circuit according to the invention.
  • FIGS. 1 to 3 show an integrated optical circuit optical block 1 according to the present invention formed of a block 2 in which an integrated optical circuit 3 is inscribed.
  • Block 2 is preferably substantially parallelepipedic in shape. and made from a matrix 4 of organic materials.
  • Block 2 may adopt any other suitable form and for example that of a disk.
  • the matrix 4 is in the form of a resin which at room temperature is in a state of viscous liquid, paste or gel, or which can be temporarily placed in a similar state so that it can be easily shaped and allow the insertion of the end 5 of one or more optical fiber sections 6.
  • This matrix 4 is composed in the majority of molecules of a monomer or a mixture of monomers capable of being polymerized by two-photon absorption. It may also contain other constituents useful for the photopolymerization or imparting to the material the optical properties necessary for the desired application.
  • Matrix means that the monomers form a homogeneous structure in which the other elements are distributed in a substantially uniform and homogeneous manner.
  • the matrix 4 contains a photoinitiator compound whose role is to absorb radiation by two-photon absorption, which creates free radicals and initiates the polymerization.
  • a photoinitiator is preferably used which has a large two-photon absorption cross section.
  • the invention is however not limited to organic matrices alone but also matrices made from organic / inorganic hybrid materials called "sol-gel" which are also polymerizable by two-photon absorption.
  • the matrix may also contain molecules with nonlinear optical properties called chromophores.
  • Chromophores are molecules with a dipole moment that causes their orientation when placed in an electric field.
  • the chromophores also have a significant linear polarizability anisotropy that can be likened to birefringence at the molecular level. They possess, in addition, a quadratic hyperpolarizability, at the base of the electro-optical effect.
  • chromophore family groups together very different molecules.
  • the chromophore molecules are dispersed within the matrix, where they are preferentially distributed homogeneously. This distribution is carried out by any suitable means. It can thus be performed for example by simple mixing of the various elements making up the matrix, the latter then being doped with the chromophores.
  • the matrix can also be provided with chromophores grafted onto the polymer chains, by main or lateral chain grafting.
  • an optical circuit 3 is inscribed inside the block 2 formed by the matrix 4 of organic materials.
  • the optical circuit 3 is composed of waveguides 8, capable of channeling and transmitting light, produced by localized photopolymerization of the organic matrix 4 by means of the method described below of two-photon absorption.
  • These waveguides 8 extend in the heart of the constituent material of the block 2. They are not necessarily planar and can follow any curved path as long as they remain able to guide the light. They thus realize the three-dimensional plot of the various optical elements 9 constituting the integrated optical circuit 3.
  • waveguides 8 are connected to the input and the output of the optical integrated circuit optical unit 1 according to the invention to integrated connections 10 which make it possible to connect the optical unit 1 to the optical fibers of connection transmitting the light signal. .
  • the integrated connections 10 are preferably in the form of optical fiber sections 6, one of the ends 5 of which is integrated in the block 2.
  • the end 5 of the fiber section 6 is integral part of the block 2 and can for this be embedded in the matrix 4 during the formation of the block 2.
  • the waveguides 8 of the integrated optical circuit 3 originate and lead to these integrated connections 10. According to the method of the invention, the waveguides 8 are produced after the introduction of the optical fiber sections 6 and are drawn from the sunken ends of these sections 6. The losses at the interface are thus particularly low.
  • the sections of optical fiber 6 can then be easily connected to the optical fiber connection carrying the light signal.
  • This connection not shown, can be carried out by any appropriate known means for connecting two optical fibers and presents no difficulty for the skilled person.
  • the integrated optical circuit optical unit 1 comprises at least two integrated connections 10, an input connection 11 and an output connection 12, located at any location on the edges of the block 2 and to any depth which is not necessarily the same for both connections.
  • the number of integrated connections 10 is not limited to two. Any higher number may be freely chosen depending on the nature of the optical circuit 3 and the application for which it is intended.
  • the distribution and the disposition at the edge of the block of these connections are unspecified, which offers many possibilities of connection.
  • optical block 1 shown in FIG. 2 comprises only two integrated connections 10, an input connection 11 and the
  • the integrated optical circuit 3 comprises one or more optical elements 9, which may be identical or different and of variable nature depending on the desired application.
  • the optical circuit 3 is composed of a Y-divider 13. This comprises an input waveguide 14, which starts from the integrated input connection 11 and is divided at the level from a nodal point 15 to two output waveguides 16 terminating at the two integrated output connections 12. Such a circuit makes it possible to divide the incoming light beam into two outgoing light beams.
  • the invention makes it possible to produce many other integrated optical circuits 3 that can be much more complex.
  • An example of a circuit comprising a Mach-Zehnder type interferometer 17 has been represented in FIG.
  • an input waveguide 18 starts from the integrated input connection 11 and divides at a first node 19 into two waveguides forming the two arms 20 and 21 of the interferometer 17. These two branches 20 and 21 meet again at a second node 22 to form a single output waveguide 23 leading to the integrated output connection 12.
  • the integrated circuit 3 is not necessarily flat or limited to a single depth as with the prior methods of production in layers.
  • the circuit can thus, for example and as shown in FIG. 2, be inclined so as to the
  • the two branches 20 and 21 must constitute a different optical path for the light signal.
  • the chromophores incorporated in the matrix make it possible to obtain such an effect. For this, it causes the orientation of the chromophore molecules located at one of the so-called active branches, for example, the interferometer 17 by placing it in an electric field.
  • the remainder of the optical block 1 and in particular the other branch 21, so-called passive, of the interferometer are excluded from the electric field.
  • the chromophore molecules of these zones therefore do not have a preferential orientation of their dipole moment, which results in isotropy at the macroscopic level.
  • the difference in orientation of the molecules between the active branch 20 and the passive branch 21 generates a phase shift between the two light beams and causes the creation of interference during the recomposition of the signal at the second nodal point 22 and the guide of output wave 23.
  • the electric field is applied via electrodes 24 deposited on the optical block 1. These electrodes 24 are arranged around the active branch 20 of the interferometer 17 so as to place the modulation zone of this waveguide 20 in FIG. an electric field capable of orienting the chromophore molecules that it contains.
  • the electrodes 24 are on the surface, one 24a on the lower face 25 and the
  • Electrodes in the volume of the matrix 4 on either side of the active branch 20, using, for example, electrodes in the form of wires embedded in the block 2.
  • the electrodes 24 are not always limited to two. It is thus possible to imagine an embodiment comprising two pairs of crossed electrodes, which advantageously makes it possible to obtain a device that is insensitive to the polarization state of the light beam, such a configuration that can be sought in certain optical applications.
  • the electrodes of the first pair are disposed one on the upper face 26 and the other on the lower face 25 of the block 2 and establish a substantially vertical electric field, while the electrodes of the second pair pair are substantially vertical and placed in the volume of the block 2 on each side of the active branch 20 so as to create a substantially horizontal field.
  • the electric field generated by the electrodes 24 may be static. In this case, the orientation of the chromophores of the branch 20 remains fixed once established. We then obtain a so-called passive Mach-Zehnder interferometer, always producing the same interference.
  • Such a configuration can also be obtained during the manufacture of interferometer by blocking the chromophores of the active branch 20 in a selected oriented position.
  • the zone of the matrix intended to contain the active interferometer branch 20 is placed, before the optical circuit is made, in a static electric field suitable for inducing the desired orientation of the chromophores of this zone.
  • the monomers of this zone of the matrix polymerize by two-photon absorption and trap the chromophores by fixing their orientation. The electric field can then be removed.
  • a passive Mach-Zehnder interferometer is thus obtained which no longer needs an electric field to function, the electrodes 24 being omitted.
  • its properties are determined and fixed to the design and can not be changed thereafter, unlike the previous embodiment in which it is sufficient to modify the parameters of the applied electric field by means of the electrodes 24.
  • the chromophores used to be completely frozen during the polymerization are generally larger than those to remain free. They are also preferably grafted and no longer simply doped. This blocking in the manufacture of the orientation of the chromophores advantageously makes it possible to control the nonlinear optical properties of the guides produced, which makes possible other applications, for example the doubling of optical frequencies realized in integrated guides.
  • the electric field created at the level of the electrodes 24 is variable, which results in a variation of the orientation of the chromophores and thus by a modification of the interferences produced at the output of the the
  • the Mach-Zehnder interferometer 17 can function as a two-state switch, whether or not to let the light pass. It is then possible to carry out and transmit via it an optical signal coded in binary.
  • it can also be used as an opto-electronic modulator which makes it possible to transform an electrical modulation into optical modulation and which outputs a modulated optical signal.
  • the integrated optical circuit optical unit 1 can contain several optical elements 9 grouped on the same block 2. These optical elements 9 may be identical or different, independent or interconnected, connected in series or in parallel ... They are arranged in space in any suitable manner with respect to each other.
  • FIG. 3 shows an optical block 1 containing three Mach-Zehnder interferometers, respectively lower 27, intermediate 28 and higher 29, arranged parallel to one another above each other.
  • Each of these interferometers 27, 28 and 29 conventionally comprises an active branch, respectively 30, 31 and 32, and a passive branch, respectively 33, 34 and 35, and is connected on the one hand with an integrated input connection 36 , 37 or 38 via an input waveguide 29, 40 or 41, and on the other hand with an integrated output connection 42, 43 or 44 via a control guide. output wave 45, 46 or 47.
  • the lower interferometer 27 is independent of the other two interferometers 28 and 29.
  • the intermediate interferometer 28 and upper 29 are connected at their output waveguide, 46 and 47, respectively, by means of a guide. transverse link wave 48.
  • a distinct pair, respectively 49, 50 and 51, of electrodes 24 surrounds each of these branches.
  • Each of these pairs 49, 50 and 51 of electrodes here comprises a lower electrode, respectively 49a, 50a and 51a, placed on the lower face of the block 2 and an upper electrode, respectively 49b, 50b and 51b, placed on the upper face. from block 2.
  • Active branches of different Interferometers are, in this case, shifted relative to each other so that the electric field produced by each pair of electrodes 24 affects only one active branch.
  • a pair of electrodes 24 act simultaneously on several interferometers.
  • the integrated optical circuit optical unit 1 may comprise, depending on the intended application, one or more optical elements or components 9 which are not limited to those previously described and shown.
  • An additional example is a directional coupling module, a multimode interferometer (MMI) or any other optical component that can be produced by the two-photon absorption photopolymerization process which will now be described.
  • MMI multimode interferometer
  • the first step of the manufacturing process consists in preparing and shaping the organic or hybrid organic-inorganic matrix 4 which constitutes the polymerizable material by two-photon absorption.
  • This preparation step consists in mixing the various constituents of this matrix, namely the monomer (s), the photoinitiator compound, the possible chromophores and / or any other compound that is useful for producing the optical block according to the invention. A so-called “functionalized” resin is then obtained.
  • This mixture can be made directly or in any solvent that can be removed later.
  • the chromophores can be incorporated into the matrix by grafting instead of simple doping by mixing.
  • the matrix 4 is also shaped, that is to say that it is placed under conditions allowing the further process and in particular the insertion of the integrated connections 10.
  • the matrix must be sufficiently fluid or flexible . It can be naturally or treated to achieve this result for example by heating, dissolution, or other more appropriate treatment.
  • the layout of the matrix also consists of making it take the shape and dimensions chosen for block 2.
  • the inventors have for example proceeded as follows.
  • the monomer which was in the solid state at room temperature, was dissolved in chloroform and the other components were added.
  • the solution was then deposited on a glass plate and then heated at 65 0 C to evaporate the chloroform.
  • a homogeneous layer was obtained, on which a second glass plate was applied parallel to the first, at a distance of about 150 microns.
  • the second step of the method according to the invention consists in inserting the integrated connections 10 at the edge of the matrix block 2. For this, the ends 5 of the optical fiber sections 6 forming these connections 10 are simply introduced at the desired position in the block 2 whose texture allows the insertion of these optical fibers.
  • This insertion can also take place during the shaping of the matrix and therefore simultaneously with the first step of the process. This is for example the case when positioning the integrated connections 10 prior to depositing the matrix layer which then drown them.
  • This prepolymerization which is preferably carried out by controlled exposure of the matrix to white light, makes it possible to increase the very low viscosity of the initial mixture so that the waveguides 8 remain at their original location after their training.
  • the method according to the invention then comprises the essential step of producing the structures or guides 8 of the optical integrated circuit 3 within the volume of the matrix block 2 by photopolymerization by two-photon absorption.
  • This step is preferably carried out by means of a modified confocal microscope optical assembly such as that illustrated by way of example in FIG. 4.
  • the sample or block 2 is positioned on a support plate 52 located under the objective 53 of a modified confocal microscope 54.
  • the support plate 52 is movable in the three directions x, y and z and its movements are very precisely controlled by a computer 55.
  • the absolute position of the end 5 of the integrated connections 10, and in particular the core of the optical fibers 6 which constitute them, is preferably marked by optical means and in particular by means of a laser pointing not shown.
  • a precise identification of the position of the core of the optical fibers 6, constituting the starting and finishing points of the waveguides 8 to be produced, is particularly important because it makes it possible to ensure the alignment of the waveguides 8 inscribed during the method according to the invention with the integrated connections 10 of arrival and output of the block. The coupling losses at the junction between the optical fibers and the waveguides can thus be minimized.
  • a two-dimensional scanning of two orthogonal planes is carried out successively, by means of the photopolymerization laser, on the axis of the optical fiber 6 serving as an integrated connection 10, these planes being both located. a little before the end of it.
  • the photoinitiator molecules present in the matrix re-emit a portion of the received energy and thereby generate a detectable fluorescence.
  • the beam is focused on the end of the optical fiber 6 in silica, no fluorescence occurs.
  • the core of the optical fiber lies precisely in the center of these disks.
  • a simple computer processing makes it possible to determine the spatial coordinates of these centers and by a linear extrapolation to determine the equation describing the core of the fiber in its end portion.
  • the path of the waveguide begins and ends inside the corresponding optical fiber 6 and follows the core of the fiber to beyond its end according to the previously calculated equation , even if the laser beam does not have effect as long as it is focused in the optical fiber.
  • the photopolymerization is carried out by means of a femtosecond laser 56, whose characteristics correspond for example to 910 nm, 100 fs and 80 MHz. After having passed through a series of lenses 57 and having been reflected against a dichroic mirror 58, the light beam 59 coming from the laser 56 is focused by the objective 53 of the microscope at any point in the volume of the block 2.
  • the polymerization is limited to a very small volume of material, of the order of a few cubic micrometers, located around the focal point 60.
  • the relative displacement of the focal point 60 is preferably obtained by a displacement of the support 52 carrying the block 2.
  • a displacement of the laser beam although more difficult to implement, is also conceivable.
  • this arrangement also makes it possible to observe and characterize the optical circuit 3 produced with the same optical microscopy system.
  • the light 61 diffused by the optical circuit 3 produced, coming from a conventional backlighting or from a fluorescence can be detected by a photomultiplier 62 and / or a CDD camera 63, after passing through the objective 53 and the dichroic mirror 58.
  • the characterization of the beam is preferably completed by one or more spectrographs 64 analyzing the wavelengths.
  • the beam is preferentially divided by means of a splitter plate 65.
  • the collected data can be viewed and / or recorded using computer 55 or any other independent data acquisition system.
  • the corresponding part of the matrix 4 is immersed in a suitable electric field by means of a generator 69 and electrodes of any suitable type, arranged on either side of the block 2 prior to the production of the optical guides 8.
  • the glass plates used during the forming step of the matrix 4 may be conductive plates, for example of the "ITO" (indium tin oxide) type, on which the appropriate electrodes have been drawn.
  • ITO indium tin oxide
  • the method according to the invention also comprises a step of placing electrodes 24 which may take place at any time before or after the polymerization step.
  • the electrodes may be of any suitable type, but are preferably made from conductive glass plates, in particular of the ITO type, placed for example during the shaping step of the matrix 4.
  • the last step of the process consists of allowing the entire volume of the optical block 1 to be cured by exposing it to white light. Under the influence of this radiation, a less complete polymerization than that obtained by two-photon absorption will be accomplished in the areas left free of the block 2.
  • the integrated optical circuit optical block 1 obtained is thus stabilized and rigid enough to be then easily used in all kinds of applications. However, thanks to this difference in nature of the polymerization, it retains a suitable difference in refractive index between the polymerized matrix and the optical circuit 3.

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Abstract

Le procédé de fabrication selon l'invention d'un bloc optique à circuit optique intégré (1), formé d'un bloc (2) de matrice (4) dans lequel est inscrit un circuit optique intégré (3), comporte les étapes suivantes . Préparation d'une matrice au moins partiellement organique polymérisable par absorption à deux photons et mise en forme de celle-ci sous la forme d'un bloc ; • Insertion d'au moins deux connexions intégrées (10) en bordure de ce bloc ; Réalisation du circuit optique dans le volume du bloc par photopolymérisation localisée de la matrice par absorption à deux photons ; Polymérisation de l'ensemble du volume restant du bloc par exposition à la lumière blanche. L'invention concerne également un bloc optique à circuit optique intégré obtenu selon ce procédé et notamment un bloc contenant un ou plusieurs interféromètres Mach-Zehnder (17).

Description

Procédé de fabrication d'un bloc optique à circuit optique intégré par photopolymérisation localisée d'une matrice organique par absorption à deux photons et bloc optique ainsi obtenu.
La présente invention concerne un bloc optique à circuit intégré optique à connexions intégrées aux extrémités de fibres optiques de liaison et son procédé de fabrication par photopolymérisation par absorption à deux photons.
Plus particulièrement, elle se rapporte à un bloc optique à circuit intégré optique connecté à au moins une fibre optique et comprenant un ou plusieurs modulateurs électro-optiques, de préférence un ou plusieurs interféromètres de type Mach-Zehnder.
Avec le développement des nouvelles technologies, on fait de plus en plus appel à des transmissions par fibres optiques pour leur capacité considérable en bande passante. Elles sont notamment très utilisées dans le domaine des télécommunications, par exemple pour transmettre les communications longues distances ou à gros débit.
Ces applications récentes des fibres optiques font naître des besoins nouveaux comme par exemple celui de composants optiques capables de réaliser des opérations, telle qu'une modulation, un multiplexage ou autre, directement sur les signaux optiques sans avoir besoin de les convertir en signaux électriques.
On a développé pour cela des composants appelés circuits intégrés optiques ou « CIO » qui comprennent un ou plusieurs éléments optiques, tels que des guides d'ondes, des modulateurs, des interféromètres, des réseaux etc., réalisé(s) et associé(s) sur un unique substrat, ces éléments présentant un indice de réfraction différent de celui du substrat.
A ce jour, les circuits intégrés optiques sont généralement réalisés à partir de matériaux inorganiques, comme le niobate de lithium (LiNbO3), les verres dopés ou les semi-conducteurs . Ces matériaux présentent l'inconvénient d'être onéreux, d'imposer des procédés de fabrication à plusieurs étapes, compliqués et coûteux pour la réalisation des circuits intégrés optiques.
En outre, une fois le circuit optique intégré réalisé, il doit pouvoir être raccordé à son entrée et à sa sortie aux fibres optiques transmettant le signal lumineux. Avec ce type de circuit optique intégré, le raccordement est établi postérieurement à la fabrication du CIO qui se trouve alors à l'état solide. Cette connexion est délicate et particulièrement difficile dans le cas où plusieurs fibres doivent être reliées.
Pour pallier ces inconvénients, on cherche actuellement à mettre au point des matériaux organiques susceptibles de remplacer les matériaux inorganiques.
Il est alors nécessaire de créer dans ces matériaux une variation localisée et permanente de l'indice de réfraction et de leur conférer les propriétés électro-optiques appropriées, afin de tracer le circuit et ses différents éléments optiques.
On connaît ainsi des composants préparés par masquage et attaque chimique d'une matrice organique. Un tel procédé, similaire à ceux utilisés en microélectronique, comprend de nombreuses étapes successives. Il est long et complexe, en particulier lors de l'étape finale de développement. En outre, il nécessite l'utilisation de nombreux solvants, acides et autres produits chimiques de traitement, toxiques et néfastes pour l'environnement. On connaît également le brevet FR 2.817.049 au nom du CNRS qui se rapporte à un matériau photoréticulable par la lumière visible formé d'une matrice d'un monomère à trois fonctions réticulables contenant un chromophore et un photosensibilisateur qui présente un pic d'absorption dans le visible distinct de celui du chromophore. Ce document décrit également un circuit intégré optique obtenu à partir de ce matériau après réticulation et le procédé de préparation de ce circuit.
Pour réaliser le circuit selon ce procédé antérieur, il faut mettre le matériau photoréticulable sous la forme d'une couche, appliquer un champ électrique de manière à aligner les chromophores, disposer un masque laissant libre une zone correspondant au motif du circuit optique désiré et éclairer la couche par de la lumière visible à travers ce masque pour réaliser la photoréticulation dans la zone laissée libre par le masque, supprimer le champ électrique et éclairer l'ensemble de la couche afin de réticuler le reste de la couche.
Ce procédé basé sur le principe de la photoréticulation par absorption photonique à un photon, présente certains avantages par rapport aux autres techniques précédemment décrites. Il est plus simple et ne nécessite pas l'utilisation de produits chimiques écotoxiques . En outre, il permet de faciliter la connexion optique du circuit, car il est possible de noyer une fibre optique dans le matériau lors de la première étape du procédé et de commencer le circuit à partir de cette fibre.
Cependant, il nécessite toujours l'utilisation d'un masque et ne permet d'obtenir qu'un circuit optique plan sous forme de couche.
En effet, dans ce procédé par absorption à un photon, la longueur d'onde de la lumière d'éclairement est choisie de manière à ce que l'absorption d'un unique photon soit suffisante pour déclencher la réticulation du matériau dans la zone éclairée. De ce fait, la densité de photons étant du même ordre sur toute la profondeur de matière traversée par le rayon, la réticulation s'effectue dans la zone éclairée sur toute la profondeur du matériau.
Avec un tel procédé selon l'art antérieur, on est limité à un circuit intégré plan, réalisé sous forme de couche, car il est impossible de contrôler la profondeur de réalisation du circuit.
Le but de l'invention est de fournir un circuit optique intégré réalisé à partir de matériaux organiques, beaucoup moins chers que les matériaux inorganiques utilisés dans l'art antérieur et qui peuvent facilement être mis en oeuvre.
Un autre but de l'invention est de fournir un bloc optique à circuit optique intégré dans lequel le circuit optique peut être réalisé en trois dimensions à une profondeur quelconque de la matrice.
L'invention a également pour but de fournir un bloc optique à circuit optique intégré déjà connecté à une ou plusieurs fibres optiques.
Enfin, l'invention vise à enseigner un procédé de fabrication d'un tel circuit optique intégré qui soit simple, rapide et qui n'utilise ni masque, ni traitement chimique.
Pour résoudre ce problème technique, l'invention enseigne un procédé de fabrication d'un bloc optique à circuit optique intégré formé d'un bloc de matrice dans lequel est inscrit un circuit optique intégré comprenant des guides d'ondes capables de canaliser et de transmettre la lumière, qui comporte les étapes suivantes :
. préparation d'une matrice organique ou hybride organique-inorganique polymérisable par absorption à deux photons et mise en forme de celle-ci sous la forme d'un bloc ; . insertion d'au moins deux connexions intégrées en bordure du bloc de matrice ;
. réalisation au sein du volume du bloc de matrice des guides d'ondes du circuit intégré optique, partant et aboutissant à ces connexions intégrées, par une photopolymérisation . localisée par absorption à deux photons, photopolymérisation non-solitonique induite par un faisceau laser focalisé à l'intérieur du bloc de matrice et dont le point focal se déplace relativement au bloc de matrice, selon le tracé des guides d'ondes à réaliser ;
. polymérisation de l'ensemble du volume restant du bloc par exposition à la lumière blanche.
L'invention enseigne également un bloc optique à circuit optique intégré formé d'un bloc de matrice dans lequel est inscrit un circuit optique intégré comportant au moins un élément optique formé de guides d'ondes capables de canaliser et de transmettre la lumière, qui se caractérise en ce que la matrice est composée au moins partiellement de matériaux organiques et en ce que le circuit optique est le résultat d'une photopolymérisation localisée de la matrice par absorption à deux photons.
L'utilisation de photopolymères fonction¬ nalisés permet de structurer très facilement les propriétés optiques linéaires et non linéaires, sans avoir à recourir à de nombreuses étapes à base de technologies sophistiquées et coûteuses.
Le procédé de réalisation de guides optiques selon l'invention permet d'inscrire des guides à propriétés électro-optiques en une seule étape, dans le volume de la matrice, à une profondeur quelconque souhaitée pouvant être variable, permettant ainsi de tracer des circuits optiques en trois dimensions. Ceux-ci peuvent être dotés de propriétés électro¬ optiques adressables par des électrodes appliquées à 1'échantillon.
La miniaturisation du circuit est obtenue grâce à la taille réduite de la polymérisation, de l'ordre du micromètre cube du fait du processus même d'absorption à deux photons, et qui est de plus contrôlable en trois dimensions à l'intérieur d'une matrice pouvant présenter une épaisseur importante de plusieurs centaines de microns.
Les blocs optiques à circuits optiques intégrés obtenus présentent de nombreux avantages comme par exemple de permettre l'intégration sur un même bloc de nombreuses fonctions (commutateurs optiques, modulateurs, filtres accordables... ) . Ces caractéristiques les rendent très attrayants, notamment en tant que modulateurs à large bande ne nécessitant qu'une tension de commande peu élevée.
En outre, la connexion optique du circuit est particulièrement facile et engendre beaucoup moins de pertes qu'avec les circuits optiques de l'art antérieur. En effet, l'extrémité d'une ou de plusieurs fibres optiques peut être préalablement noyée dans la matrice organique et le circuit optique peut être tracé à partir de cette extrémité. Avantageusement, les fibres optiques d'entrée et de sortie peuvent être positionnées à un endroit quelconque de la matrice et ne sont pas forcément alignées ou à la même hauteur.
Enfin, le procédé selon l'invention est respectueux de l'environnement, car il ne requiert pas l'utilisation de solvants ou autres produits chimiques.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la l'
description détaillée qui va suivre, description faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
. la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un bloc optique à circuit optique intégré selon l'invention contenant un diviseur en Y servant à relier une fibre optique d'entrée et deux fibres optiques de sortie ;
. la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un bloc optique à circuit optique intégré selon invention contenant un modulateur de type Mach- Zehnder, relié à une fibre optique d'entrée et à une fibre optique de sortie ;
. la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un bloc optique à circuit optique intégré selon l'invention, relié à trois fibres optiques d'entrée et à trois fibres optiques de sortie et contenant trois modulateurs de type Mach-Zehnder en parallèle ;
. la figure 4 est un schéma bloc simplifié d'un montage permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention et de réaliser un bloc optique à circuit optique intégré selon l'invention.
Le bloc optique à circuit optique intégré selon la présente invention et son procédé de fabrication vont maintenant être décrits de façon détaillée en référence aux figures 1 à 4. Les éléments équivalents représentés sur les différentes figures porteront les mêmes références numériques.
Sur les figures 1 à 3, on peut voir un bloc optique à circuit optique intégré 1 selon la présente invention, formé d'un bloc 2 dans lequel est inscrit un circuit optique intégré 3. Le bloc 2 est préférentiellement de forme sensiblement parallélépi- pédique et réalisé à partir d'une matrice 4 de matériaux organiques. Le bloc 2 peut adopter toute autre forme appropriée et par exemple celle d'un disque.
La matrice 4 se présente sous la forme d'une résine qui, à température ambiante se trouve dans un état de liquide visqueux, de pâte ou de gel, ou qui peut être provisoirement placée dans un état similaire afin de pouvoir être facilement mise en forme et de permettre l'insertion de l'extrémité 5 d'un ou de plusieurs tronçons de fibre optique 6.
Cette matrice 4 est composée en majorité de molécules d'un monomère ou d'un mélange de monomères susceptibles d'être polymérisées par absorption à deux photons. Elle peut également renfermer d'autres constituants utiles pour la photopolymérisation ou conférant au matériau les propriétés optiques nécessaires à l'application recherchée.
Par matrice, on entend que les monomères forme une structure homogène dans laquelle les autres éléments sont répartis de manière sensiblement uniforme et homogène.
En plus du monomère, la matrice 4 contient un composé photoinitiateur dont le rôle est d'absorber le rayonnement par absorption à deux photons, ce qui crée des radicaux libres et déclenche la polymérisation. Pour plus d'efficacité, on utilise préférentiellement un photoinitiateur qui présente une grande section efficace d'absorption à deux photons.
A titre d'exemple, on peut citer une résine formée de 70% en masse d'un monomère de triacrylate d'isocyanurate qui présente un niveau d'inhibition radicalaire de 100 ppm, de 29,5% en masse de poly(styrène-co-acrylonitrile) en tant que liant et de 0,5% en masse de (E,E,E,E,E,E)-I, 13-bis-[4- (diéthylamino)phényl]-tri-déca-1, 3,5,6,8,10, 12-héxaèn- 7-one comme photoinitiateur.
L'invention n'est cependant pas limitée aux seules matrices organiques mais vise aussi les matrices réalisées à partir de matériaux hybrides organiques/inorganiques dits « sol-gel » qui sont également polymérisables par absorption à deux photons.
Lorsque l'on veut utiliser cette matrice photopolymérisable pour réaliser un circuit optique intégré 3 selon l'invention, il peut être nécessaire de lui ajouter d'autres composants afin de lui conférer des propriétés supplémentaires.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention qui vise à réaliser un modulateur électro¬ optique intégré 7 de type Mach-Zehnder, il est indispensable de doter le matériau de propriétés électro-optiques macroscopiques. Dans ce but, la matrice peut également contenir des molécules à propriétés optiques non linéaires appelées chromophores.
Les chromophores sont des molécules présentant un moment dipolaire qui provoque leur orientation lorsqu'elles sont placées dans un champ électrique. Les chromophores possèdent également une anisotropie de polarisabilité linéaire importante qui peut être assimilée à une biréfringence à l'échelle moléculaire. Ils possèdent, en outre, une hyperpolarisabilité quadratique, à la base de l'effet électro-optique.
La famille des chromophores regroupe des molécules très différentes. Cependant, dans les applications visées par l'invention, on utilise préférentiellement des chromophores a transfert de charge intramoléculaire également appelés molécules « push-pull ». Il s'agit de molécules possédant à la fois un groupement accepteur d'électrons et un groupement donneur d'électrons, ces groupements étant liés par un chemin de conjugaison permettant la délocalisation des électrons sur l'ensemble de la molécule.
Les molécules de chromophore sont dispersées au sein de la matrice, où elles sont réparties préférentiellement de manière homogène. Cette répartition est réalisée par tout moyen convenable. Elle peut ainsi s'effectuer par exemple par simple mélange des différents éléments composant la matrice, cette dernière se retrouvant alors dopée par les chromophores. La matrice peut également être dotée de chromophores greffés sur les chaînes polymères, par greffage en chaîne principale ou latérale.
Selon l'invention, un circuit optique 3 est inscrit à l'intérieur du bloc 2 formé par la matrice 4 de matériaux organiques.
Le circuit optique 3 est composé de guides d'ondes 8, capables de canaliser et de transmettre la lumière, réalisés par photopolymérisation localisée de la matrice organique 4 au moyen du procédé décrit ci- dessous d'absorption à deux photons .
Ces guides d'ondes 8 s'étendent au coeur de la matière constitutive du bloc 2. Ils ne sont pas forcément plans et peuvent suivre un tracé courbe quelconque du moment qu'ils restent capables de guider la lumière. Ils réalisent ainsi le tracé en trois dimensions des différents éléments optiques 9 composant le circuit optique intégré 3.
Ces guides d'ondes 8 sont raccordés à l'entrée et à la sortie du bloc optique à circuit intégré optique 1 selon l'invention à des connexions intégrées 10 qui permettent de relier le bloc optique 1 aux fibres optiques de liaison transmettant le signal lumineux.
Les connexions intégrées 10 se présentent préférentiellement sous la forme de tronçons de fibre optique 6 dont l'une des extrémités 5 est intégrée au bloc 2. L'extrémité 5 du tronçon de fibre 6 fait partie intégrante du bloc 2 et peut pour cela être noyée dans la matrice 4 lors de la formation du bloc 2.
Les guides d'ondes 8 du circuit optique intégré 3 prennent naissance et aboutissent à ces connexions intégrées 10. Selon le procédé de l'invention, les guides d'ondes 8 sont réalisés postérieurement à la mise en place des tronçons de fibre optique 6 et sont tracés à partir des extrémités 5 noyées de ces tronçons 6. Les pertes à l'interface sont ainsi particulièrement faibles.
Les tronçons de fibre optique 6 peuvent ensuite être aisément raccordés aux fibres optiques de liaison transportant le signal lumineux. Ce raccordement, non représenté, peut s'effectuer par tout moyen connu approprié permettant de relier deux fibres optiques et ne présente aucune difficulté pour 1'homme du métier.
Le bloc optique à circuit optique intégré 1 selon l'invention comporte au moins deux connexions intégrées 10, une connexion d'entrée 11 et une connexion de sortie 12, situées à un emplacement quelconque sur les bords du bloc 2 et à une profondeur quelconque qui n'est pas obligatoirement la même pour les deux connexions.
Le nombre des connexions intégrées 10 n'est pas limité à deux. Un nombre quelconque supérieur peut être librement choisi en fonction de la nature du circuit optique 3 et de l'application à laquelle il est destiné. Avantageusement, la répartition et la disposition en bordure du bloc de ces connexions sont quelconques, ce qui offre de très nombreuses possibilités de raccordement.
Ainsi par exemple, le bloc optique 1 représenté sur la figure 2 ne comporte que deux connexions intégrées 10, une connexion d'entrée 11 et l'
une connexion de sortie 12 , alors que le mode de réalisation de la figure 1 en comporte trois, une connexion d'entrée 11 et deux connexions de sortie 12, et celui de la figure 3 en comporte six, dont trois entrées 11 et trois sorties 12.
Le circuit optique intégré 3 selon l'invention comporte un ou plusieurs éléments optiques 9, pouvant être identiques ou différents et de nature variable selon l'application recherchée.
Sur la figure 1 par exemple, le circuit optique 3 est composé d'un diviseur en Y 13. Celui-ci comporte un guide d'onde d'entrée 14, qui part de la connexion intégrée d'entrée 11 et se divise au niveau d'un point nodal 15 en deux guides d'ondes de sortie 16 aboutissant aux deux connexions intégrées de sortie 12. Un tel circuit permet de diviser le faisceau lumineux entrant en deux faisceaux lumineux sortants .
L'invention permet de réaliser de nombreux autres circuits optiques intégrés 3 pouvant être beaucoup plus complexes . Un exemple de circuit comportant un interféromètre de type Mach-Zehnder 17 a été représenté sur la figure 2.
Dans cette variante, un guide d'onde d'entrée 18 part de la connexion intégrée d'entrée 11 et se divise au niveau d'un premier point nodal 19 en deux guides d'ondes formant les deux branches 20 et 21 de interféromètre 17. Ces deux branches 20 et 21 se réunissent à nouveau au niveau d'un deuxième point nodal 22 pour former un unique guide d'onde de sortie 23 aboutissant à la connexion intégrée de sortie 12.
Grâce au procédé particulièrement avantageux de l'invention, le circuit intégré 3 n'est pas forcément plan ou limité à une profondeur unique comme avec les procédés antérieurs de réalisation par couches. Le circuit peut ainsi, par exemple et comme représenté sur la figure 2, être incliné de façon à l'
relier deux connexions intégrées 10 de profondeur différente.
Afin de produire des interférences en sortie, les deux branches 20 et 21 doivent constituer un chemin optique différent pour le signal lumineux. Les chromophores incorporés dans la matrice permettent d'obtenir un tel effet. Pour cela, on provoque l'orientation des molécules de chromophore situées au niveau de l'une des branches dite active, 20 par exemple, de l'interféromètre 17 en la plaçant dans un champ électrique. Le reste du bloc optique 1 et en particulier l'autre branche 21, dite passive, de 1'interféromètre sont exclus du champ électrique. Les molécules de chromophore de ces zones ne présentent donc pas d'orientation préférentielle de leur moment dipolaire, ce qui se traduit par une isotropie au niveau macroscopique.
La différence d'orientation des molécules entre la branche active 20 et la branche passive 21 génère un déphasage entre les deux faisceaux lumineux et provoque la création d'interférences lors de la recomposition du signal au niveau du deuxième point nodal 22 et du guide d'onde de sortie 23.
Le champ électrique est appliqué par l'intermédiaire d'électrodes 24 déposées sur le bloc optique 1. Ces électrodes 24 sont disposées autour de la branche active 20 de interféromètre 17 de manière à placer la zone de modulation de ce guide d'onde 20 dans un champ électrique capable d'orienter les molécules chromophores qu'elle renferme.
Plusieurs dispositions peuvent être envisagées, en surface ou en volume, pour les électrodes 24 du moment que le champ électrique généré est approprié pour remplir la fonction attendue. Dans le mode de réalisation représenté, elles se trouvent en surface, l'une 24a sur la face inférieure 25 et l'
l'autre 24b sur la face supérieure 26 du bloc 2.
On peut également imaginer placer les électrodes dans le volume de la matrice 4 de part et d'autre de la branche active 20, en utilisant par exemple des électrodes se présentant sous forme de fils noyés dans le bloc 2.
Selon d'autres variantes, les électrodes 24 ne sont pas toujours limitées à deux. On peut ainsi notamment imaginer un mode de réalisation comportant deux paires d'électrodes croisées, ce qui permet avantageusement d'obtenir un dispositif insensible à l'état de polarisation du faisceau lumineux, une telle configuration pouvant être recherchée dans certaines applications optiques.
On peut par exemple utiliser pour cela une première paire d'électrodes placées en surface et un peu plus loin le long de la branche 20 une deuxième paire d'électrodes en profondeur ou l'inverse. Selon un exemple préférentiel de réalisation, les électrodes de la première paire sont disposées l'une sur la face supérieure 26 et l'autre sur la face inférieure 25 du bloc 2 et établissent un champ électrique sensiblement vertical, alors que les électrodes de la seconde paire sont sensiblement verticales et placées dans le volume du bloc 2 de chaque côté de la branche active 20 de manière à créer un champ sensiblement horizontal.
Le champ électrique généré par les électrodes 24 peut être prévu statique. Dans ce cas, l'orientation des chromophores de la branche 20 reste fixe, une fois établie. On obtient alors un interféromètre Mach-Zehnder dit passif, produisant toujours les mêmes interférences.
Une telle configuration peut également être obtenue lors de la fabrication de interféromètre par un blocage des chromophores de la branche active 20 dans une position orientée choisie. l'
Pour cela, la zone de la matrice destinée à contenir la branche active 20 de interféromètre est placée, préalablement à la réalisation du circuit optique, dans un champ électrique statique approprié pour induire l'orientation souhaitée des chromophores de cette zone. Lors de la réalisation du guide d'ondes 20, les monomères de cette zone de la matrice se polymérisent par absorption à deux photons et emprisonnent les chromophores en figeant leur orientation. Le champ électrique peut alors être supprimé.
On obtient ainsi un interféromètre Mach- Zehnder passif qui n'a plus besoin de champ électrique pour fonctionner, les électrodes 24 pouvant être omises. Cependant, ses propriétés sont déterminées et fixées à la conception et ne peuvent plus être changées par la suite, contrairement au mode de réalisation précédent dans lequel il suffit de modifier les paramètres du champ électrique appliqué au moyen des électrodes 24.
Dans ce cas, les chromophores utilisés pour être totalement figés au cours de la polymérisation sont généralement plus volumineux que ceux devant rester libres. Ils sont en outre préférentiellement greffés et non plus simplement dopés. Ce blocage à la fabrication de l'orientation des chromophores permet avantageusement de contrôler les propriétés optiques non linéaires des guides réalisés, ce qui rend possibles d'autres applications comme par exemple le doublage de fréquences optiques réalisé dans des guides intégrés .
Selon une autre variante préférentielle, le champ électrique créé au niveau des électrodes 24 est variable, ce qui se traduit par une variation de l'orientation des chromophores et de ce fait par une modification des interférences produites en sortie de l'l'
1'interféromètre. La modulation électrique appliquée au niveau des électrodes est ainsi transformée en modulation optique du signal lumineux traversant 1'interféromètre Mach-Zehnder 17 selon l'invention. Ce dernier devient alors un interféromètre dit actif, c'est-à-dire un véritable modulateur électro-optique 7.
On peut enfin envisager une autre variante dans laquelle les deux branches 20 et 21 de 1'interféromètre 17 sont toutes les deux actives et soumises chacune à l'influence d'une paire différente d'électrodes 24. Dans ce cas, on peut avantageusement appliquer un champ électrique de signe opposé sur chacune des branches de interféromètre afin d'orienter les chromophores en sens inverse dans les deux branches. Une telle configuration est très intéressante, car elle permet d'utiliser un champ électrique beaucoup moins puissant pour obtenir une même différence entre les deux branches que dans le cas où interféromètre ne comporte qu'une unique branche active.
L' interféromètre Mach-Zehnder 17 selon l'invention peut fonctionner comme un commutateur à deux états, en laissant ou non passer la lumière. Il est alors possible de réaliser et de transmettre par son intermédiaire un signal optique codé en binaire.
Avantageusement, il peut également être utilisée comme un modulateur opto-électronique qui permet de transformer une modulation électrique en modulation optique et qui délivre en sortie un signal optique modulé.
Grâce à la précision et à la miniaturisation de la polymérisation qui peut s'accomplir à un endroit quelconque du volume de la matrice 4, le bloc optique à circuit optique intégré 1 selon l'invention peut contenir plusieurs éléments optiques 9 regroupés sur le même bloc 2. Ces éléments optiques 9 peuvent être identiques ou différents, indépendants ou reliés entre eux, raccordés en série ou en parallèles... Ils sont disposés dans l'espace d'une manière convenable quelconque les uns par rapport aux autres .
A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 3 un bloc optique 1 contenant trois interféromètres Mach-Zehnder, respectivement inférieur 27, intermédiaire 28 et supérieur 29, disposés parallèlement les uns au-dessus des autres.
Chacun de ces interféromètres 27, 28 et 29 comporte classiquement une branche active, respectivement 30, 31 et 32, et une branche passive, respectivement 33, 34 et 35, et est en liaison d'une part avec une connexion intégrée d'entrée 36, 37 ou 38 par l'intermédiaire d'un guide d'onde d'entrée 29, 40 ou 41, et d'autre part avec une connexion intégrée de sortie 42, 43 ou 44 par l'intermédiaire d'un guide d'onde de sortie 45, 46 ou 47.
L'interféromètre inférieur 27 est indépendant des deux autres interféromètres 28 et 29. Au contraire, les interféromètres intermédiaire 28 et supérieur 29 sont reliés au niveau de leur guide d'onde de sortie, respectivement 46 et 47, au moyen d'un guide d'onde de liaison 48 transversal.
Pour permettre une orientation sélective des chromophores des branches actives 30, 31 et 32 de chacun des interféromètres, une paire distincte, respectivement 49, 50 et 51, d'électrodes 24 entoure chacune de ces branches. Chacune de ces paires 49, 50 et 51 d'électrodes comprend ici une électrode inférieure, respectivement 49a, 50a et 51a, placée sur la face inférieure du bloc 2 et une électrode supérieure, respectivement 49b, 50b et 51b, placée sur la face supérieure du bloc 2.
Les branches actives des différents interféromètres sont, dans ce cas, décalées les unes par rapport aux autres afin que le champ électrique produit par chacune des paires d'électrodes 24 n'affecte qu'une unique branche active. On peut toutefois envisager que, dans d'autres applications, une paire d'électrodes 24 agisse simultanément sur plusieurs interféromètres.
II doit être bien compris que le bloc optique à circuit optique intégré 1 selon l'invention peut comprendre, en fonction de l'application envisagée, un ou plusieurs éléments ou composants optiques 9 qui ne sont pas limités à ceux précédemment décrits et représentés. On peut citer à tire d'exemple supplémentaire un module de couplage directionnel, un interféromètre multimode (MMI) ou tout autre composant optique susceptible d'être réalisé par le procédé de photopolymérisation par absorption à deux photons qui va maintenant être décrit.
Pour réaliser 'un bloc optique à circuit optique intégré 1 selon l'invention la première étape du procédé de fabrication consiste à préparer et à mettre en forme la matrice 4 organique ou hybride organique-inorganique qui constitue le matériau polymérisable par absorption à deux photons.
Cette étape de préparation consiste à mélanger les différents constituants de cette matrice, à savoir le ou les monomères, le composé photoinitiateur, les éventuels chromophores et/ou tout autre composé utile pour la réalisation du bloc optique selon l'invention. On obtient alors une résine dite « fonctionnalisée » .
Ce mélange peut être réalisé directement ou dans un solvant quelconque pouvant être éliminé par la suite.
Comme déjà indiqué précédemment les chromophores peuvent être incorporés à la matrice par greffage au lieu d'un simple dopage par mélange.
La matrice 4 est également mise en forme, c'est-à-dire qu'elle est placée dans des conditions permettant la suite du procédé et notamment l'insertion des connexions intégrées 10. Pour cela, la matrice doit être suffisamment fluide ou souple. Elle peut l'être naturellement ou être traitée pour obtenir ce résultat par exemple par chauffage, mise en solution, ou tout autre traitement plus approprié.
La mise en forme de la matrice consiste également à lui faire prendre la forme et les dimensions choisies pour le bloc 2.
Elle est ainsi préférentiellement déposée de manière homogène sur une première plaque de verre, puis recouverte par une deuxième plaque de verre de façon à former un bloc d'épaisseur généralement comprise entre 50 et 500 μm.
Avec la résine citée précédemment, les inventeurs ont par exemple procédé de la façon suivante. Le monomère, se trouvant à l'état solide à température ambiante, a été mis en solution dans du chloroforme et les autres constituants ont été ajoutés. La solution a ensuite été déposée sur une plaque de verre, puis chauffée à 650C pour faire évaporer le chloroforme. Une couche homogène a été obtenue, sur laquelle on a appliqué une seconde plaque de verre parallèlement à la première, à une distance d'environ 150 μm.
La deuxième étape du procédé selon l'invention consiste à insérer les connexions intégrées 10 en bordure du bloc 2 de matrice 4. Pour cela, les extrémités 5 des tronçons de fibre optique 6 formant ces connexions 10 sont simplement introduites à la position souhaitée dans le bloc 2 dont la texture permet l'insertion de ces fibres optiques.
Cette insertion peut également avoir lieu pendant la mise en forme de la matrice et donc simultanément à la première étape du procédé. C'est par exemple le cas lorsque l'on positionne les connexions intégrées 10 préalablement au dépôt de la couche de matrice qui vient alors noyer celles-ci.
Avant d'opérer l'inscription dans le volume de la matrice 4 des guides d'ondes optiques 8 par photopolymérisation localisée, on peut avantageusement réaliser une étape supplémentaire et optionnelle de pré-polymérisation contrôlée de la matrice en volume.
Cette pré-polymérisation, qui s'effectue de préférence par une exposition contrôlée de la matrice à la lumière blanche, permet d'augmenter la viscosité très faible du mélange initial afin que les guides d'ondes 8 restent à leur emplacement d'origine après leur formation.
Elle a également pour effet de permettre une maîtrise des valeurs de l'indice de réfraction des différentes zones de l'échantillon, afin que la différence d'indice de réfraction entre les guides 8 réalisés ultérieurement par photopolymérisation à deux photons et le reste du bloc 2 soit convenable pour que ces guides 8 puissent guider la lumière de façon satisfaisante.
Le procédé selon l'invention comporte ensuite l'étape essentielle de réalisation des structures ou guides 8 du circuit intégré optique 3 au sein du volume du bloc 2 de matrice 4 par photopolymérisation par absorption à deux photons. Cette étape est préférentiellement réalisée au moyen d'un montage optique de microscopie confocale modifiée tel que celui illustré à titre d'exemple sur la figure 4.
L'échantillon ou bloc 2 est positionné sur une platine support 52 située sous l'objectif 53 d'un microscope confocal modifié 54. La platine support 52 est mobile dans les trois directions x, y et z et ses déplacements sont très précisément pilotés par un ordinateur 55.
Avant d'initier la polymérisation, la position absolue de l'extrémité 5 des connexions intégrés 10, et notamment le coeur des fibres optiques 6 qui les constituent, est repérée de préférence par des moyens optiques et notamment à l'aide d'un laser de pointage non représenté.
Un repérage précis de la position du coeur des fibres optiques 6, constituant les points de départ et d'arrivée des guides d'ondes 8 à réaliser, est particulièrement important car il permet d'assurer l'alignement des guides d'ondes 8 inscrits lors du procédé selon l'invention avec les connexions intégrées 10 d'arrivée et de sortie du bloc. Les pertes de couplage à la jonction entre les fibres optiques et les guides d'onde peuvent ainsi être minimisées .
On peut pour cela utiliser le procédé de repérage automatisé préférentiel suivant.
Pour chacune des fibres optiques 6 à caractériser, on réalise successivement, au moyen du laser de photopolymérisation, un balayage à deux dimensions de deux plans orthogonaux à 1 ' axe de la fibre optique 6 servant de connexion intégrée 10, ces plans étant situés tous deux un peu avant l'extrémité de celle-ci.
Lorsque le faisceau du laser est focalisé dans la matrice, les molécules de photoinitiateur présentes dans la matrice ré-émettent une partie de l'énergie reçue et génèrent ainsi une fluorescence qui peut être détectée. Au contraire, lorsque le faisceau est focalisé sur l'extrémité de la fibre optique 6 en silice, aucune fluorescence ne se produit.
Simultanément au balayage, on détecte la fluorescence émise en chaque point. On peut ainsi réaliser une image de fluorescence de ces deux plans dans laquelle la fibre optique est matérialisée par une zone de fluorescence nulle qui est, après corrections dues aux différences d'indices, en forme de disque.
Dans chacun de ces plans de mesure, le coeur de la fibre optique se situe précisément au centre de ces disques. Un simple traitement informatique permet de déterminer les coordonnées spatiales de ces centres et par une extrapolation linéaire de déterminer l'équation décrivant le coeur de la fibre dans sa portion d'extrémité.
Ces équations, définissant le début et la fin des guides 8 à réaliser, sont utilisées par l'ordinateur 55 pour calculer les déplacements qu'il doit imposer à la platine support 52 en fonction du tracé du circuit optique 3 choisi par l'utilisateur.
Pour obtenir un raccordement le plus parfait possible, le tracé du guide d'onde débute et finit à l'intérieur de la fibre optique 6 correspondante et suit le coeur de la fibre jusqu'au-delà de son extrémité selon l'équation calculée précédemment, même si le faisceau laser n'a pas effet tant qu'il est focalisé dans la fibre optique.
La photopolymérisation est effectuée au moyen d'un laser femtoseconde 56, dont les caractéristiques correspondent par exemple à 910 nm, 100 fs et 80 MHz. Après avoir traversé une série de lentilles 57 et avoir été réfléchi contre un miroir dichroïque 58, le faisceau lumineux 59 issu du laser 56 est focalisé par l'objectif 53 du microscope à un endroit quelconque du volume du bloc 2.
De part la nature du phénomène d'absorption à deux photons, la polymérisation est limitée à un tout petit volume de matériau, de l'ordre de quelques micromètres cubes, situé autour du point focal 60. En déplaçant la platine support 52 selon une séquence programmée à l'avance, on réalise une figure de polymérisation correspondant au tracé du circuit optique 3 souhaité.
On peut ainsi réaliser au sein du volume du bloc 2 de matrice 4, les guides d'ondes 8 du circuit intégré optique 3 souhaité, partant et aboutissant aux connexions intégrées 10, au moyen d'une photopolymérisation localisée par absorption à deux photons. Cette photopolymérisation non-solitonique est induite par le faisceau laser 59 focalisé à l'intérieur du bloc 2 de matrice 4 et dont le point focal 60 se déplace relativement au bloc 2 de matrice 4, selon le tracé des guides d'ondes 8 à réaliser.
Le déplacement relatif du point focal 60 est de préférence obtenu par un déplacement du support 52 portant le bloc 2. Cependant, un déplacement du faisceau laser, bien que plus délicat à mettre en oeuvre, est également envisageable.
Avantageusement, ce montage permet également d'observer et de caractériser le circuit optique 3 réalisé, avec le même système de microscopie optique.
Pour cela, la lumière 61 diffusée par le circuit optique 3 réalisé, provenant d'un rétro¬ éclairage classique ou d'une fluorescence peut être détectée par un photomultiplicateur 62 et/ou une caméra CDD 63, après avoir traversée l'objectif 53 et le miroir dichroïque 58. La caractérisation du faisceau est préférentiellement complétée par un ou plusieurs spectrographes 64 analysant les longueurs d'onde.
Dans le cas où ces deux moyens de détection sont présents, le faisceau est préférentiellement divisé au moyen d'une lame séparatrice 65. Un certain nombre d'autres éléments optiques classiques, tels que des filtres 66, des lentilles 67 ou un trou 68, apparaissent sur la figure 4. Leur fonction sera aisément comprise par l'homme du métier.
Les données recueillies peuvent être visualisées et/ou enregistrées au moyen de l'ordinateur 55 ou de tout autre système indépendant d'acquisition de données.
Dans le cas où l'on souhaite réaliser un interféromètre de Mach-Zehnder passif, il peut être intéressant d'orienter les chromophores de l'une de ses branches dès la fabrication. Pour cela, on plonge la partie correspondante de la matrice 4 dans un champ électrique approprié au moyen d'un générateur 69 et d'électrodes d'un type convenable quelconque, disposées de part et d'autre du bloc 2 préalablement à la réalisation des guides optiques 8.
Avantageusement, les plaques de verre utilisées lors de l'étape de mise en forme de la matrice 4 peuvent être des plaques conductrices par exemple de type « ITO » (indium tin oxide) sur lesquelles on a dessiné les électrodes appropriées.
Dans le cas où l'on veut obtenir un modulateur Mach-Zehnder actif, le procédé selon l'invention comporte également une étape de mise en place d'électrodes 24 qui peut avoir lieu à un moment quelconque avant ou après l'étape de polymérisation des guides d'ondes optiques 8 par absorption à deux photons.
Là encore, les électrodes peuvent être de tout type convenable, mais sont préférentiellement réalisées à partir de plaques de verre conductrices notamment de type ITO, mises en place par exemple lors de l'étape de mise en forme de la matrice 4.
La dernière étape du procédé consiste à laisser polymériser l'ensemble du volume du bloc optique 1 en l'exposant à la lumière blanche. Sous l'influence de ce rayonnement, une polymérisation moins complète que celle obtenue par absorption à deux photons va s'accomplir dans les zones restées libres du bloc 2.
Le bloc optique à circuit optique intégré 1 obtenu est ainsi stabilisé et suffisamment rigide pour pouvoir être ensuite aisément utilisé dans toute sorte d'applications. Cependant, grâce à cette différence de nature de la polymérisation, il conserve une différence convenable d'indice de réfraction entre la matrice polymérisée et le circuit optique 3.
De manière évidente, l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation préférentiels décrits précédemment et représentés sur les différentes figures, l'homme du métier pouvant y apporter de nombreuses modifications et imaginer d'autres variantes sans sortir du cadre et de la portée de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d'un bloc optique à circuit optique intégré (1) formé d'un bloc (2) de matrice (4) dans lequel est inscrit un circuit optique intégré (3) comprenant des guides d'ondes (8) capables de canaliser et de transmettre la lumière, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
. préparation d'une matrice (4) organique ou hybride organique-inorganique polymérisable par absorption à deux photons et mise en forme de celle-ci sous la forme d'un bloc (2) ;
. insertion d'au moins deux connexions intégrées (10) en bordure du bloc (2) de matrice (4) ;
. réalisation au sein du volume du bloc (2) de matrice (4) des guides d'ondes (8) du circuit intégré optique (3), partant et aboutissant à ces connexions intégrées (10), par une photopolymérisation localisée par absorption à deux photons, photopolymérisation non-solitonique induite par un faisceau laser (59) focalisé à l'intérieur du bloc (2) de matrice (4) et dont le point focal (60) se déplace relativement au bloc (2) de matrice (4), selon le tracé des guides d'ondes (8) à réaliser ;
. polymérisation de l'ensemble du volume restant du bloc (2) par exposition à la lumière blanche.
2. Procédé de réalisation d'un bloc optique à circuit optique intégré selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'étape de préparation de la matrice (4) comprend le mélange et/ou le greffage des différents constituants de cette matrice.
3. Procédé de réalisation d'un bloc optique à circuit optique intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'étape de mise en forme de la matrice (4) et l'étape d'insertion des connexions intégrées (10) ont lieu simultanément.
4. Procédé de réalisation d'un bloc optique à circuit optique intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de pré¬ polymérisation contrôlée du volume de la matrice (2), préalable à l'étape de réalisation des guides du circuit intégré optique (3) par photopolymérisation par absorption à deux photons.
5. Procédé de réalisation d'un bloc optique à circuit optique intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'étape de réalisation des guides d'ondes (8) du circuit intégré optique (3) par photopolymérisation par absorption à deux photons est précédée d'une étape de repérage de la position absolue de l'extrémité (5) des connexions intégrés (10).
6. Procédé de réalisation d'un bloc optique à circuit optique intégré selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'étape de repérage comprend :
. le balayage par le faisceau laser (59) de photopolymérisation de deux plans orthogonaux à l'axe de la fibre optique (6) servant de connexion intégrée (10), ces plans étant situés tous deux un peu avant l'extrémité de celle-ci ;
. la détection de la fluorescence émise en chaque point de ces deux plans ;
. le calcul du centre du coeur de la fibre (6) au niveau de chacun de ces plans ; et
. la détermination de l'équation décrivant le coeur de la fibre (6) dans sa portion d'extrémité.
7. Procédé de réalisation d'un bloc optique à circuit optique intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'étape de réalisation des guides d'ondes (8) du circuit intégré optique (3) par photopolymérisation par absorption à deux photons est réalisée au moyen d'un montage optique de microscopie confocale modifiée.
8. Procédé de réalisation d'un bloc optique à circuit optique intégré selon la revendication précédente caractérisé en ce que la photopolymérisation par absorption à deux photons est réalisée au moyen d'un laser femtoseconde (56), dont le faisceau lumineux (59) est focalisé par l'objectif (53) du microscope à un endroit quelconque du volume du bloc (2) .
9. Procédé de réalisation d'un bloc optique à circuit optique intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape d'observation et de caractérisation du circuit optique (3) réalisé.
10. Procédé de réalisation d'un bloc optique à circuit optique intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de mise en place d'électrodes (24).
11. Procédé de réalisation d'un bloc optique à circuit optique intégré selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'étape de mise en place d'électrodes (24) consiste à placer la matrice (4) entre deux plaques de verre conductrices sur lesquelles sont dessinées les électrodes (24) .
12. Bloc optique à circuit optique intégré caractérisé en ce qu'il est réalisé en mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes .
13. Bloc optique à circuit optique intégré formé d'un bloc (2) de matrice (4) dans lequel est inscrit un circuit optique intégré (3) comportant au moins un élément optique (9) formé de guides d'ondes (8) capables de canaliser et de transmettre la lumière, caractérisé en ce que la matrice est composée au moins partiellement de matériaux organiques et en ce que le circuit optique (3) est le résultat d'une photopolymérisation localisée de la matrice (4) par absorption à deux photons.
14. Bloc optique à circuit optique intégré selon la revendication précédente caractérisé en ce que la matrice (4 ) comporte des molécules de chromophore.
15. Bloc optique à circuit optique intégré selon la revendication 13 ou 14 caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins deux connexions intégrées (10) permettant de relier le circuit optique intégré (3) aux fibres optiques de liaison transmettant le signal lumineux.
16. Bloc optique à circuit optique intégré selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'une au moins des connexions intégrées (10) est un tronçon de fibre optique (6) dont l'une des extrémités (5) est intégrée au bloc (2).
17. Bloc optique à circuit optique intégré selon l'une quelconque des revendications 13 à 16 caractérisé en ce que le circuit optique (3) comporte au moins un diviseur en Y (13).
18. Bloc optique à circuit optique intégré selon l'une quelconque des revendications 13 à 17 caractérisé en ce que le circuit optique (3) comporte au moins un interféromètre de type Mach-Zehnder (17).
19. Bloc optique à circuit optique intégré selon l'une quelconque des revendications 13 à 18 caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une électrode (24) .
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