Composants à HAuts facteurs de forme pour les Résonateurs Acousto-électriques et les Dispositifs Electro-optiques sur Substrats mono-cristallins – CHARADES

Un des objectifs a été la mise en œuvre d’outils d’usinage efficaces pour confiner les champs dans des volumes pouvant descendre jusqu’à quelques µm3 tout en préservant des pertes faibles, pour la réalisation de composants compacts. D’un point de vue technologique, l’enjeu était de taille puisqu’il s’agissait de réaliser des structures à hauts facteurs de forme, présentant des flancs quasi-verticaux avec une faible rugosité.

Pour cela, nous avons développé tout particulièrement une méthode d’usinage utilisant une scie diamantée capable de polir les flancs de découpe. La découpe de barreaux consiste à réaliser deux tranchées dans le matériau, en laissant un espace entre celles-ci, cette arête alors réalisée constitue notre structure. Les résultats obtenus avec cette technique sont les suivants : rapport de forme de 300, largeur minimale de 1µm, une rugosité des flancs de l’ordre de 4nm ainsi qu’une verticalité supérieure à 88°. Les développements réalisés ont ainsi complètement rempli les objectifs initiaux du projet.

En parallèle des technologies à base d’usinage réactif ionique profond (RIE/ICP-RIE) en chimie fluorée ont été élaborées pour permettre des réalisations sur tranche de façon collective, intéressant plus particulièrement nos partenaires industriels. Des structures présentant un profil de 70°, des vitesses de gravure faibles (25 nm/mn) ainsi qu’une rugosité importante des flancs ont été obtenues. Ces essais ont été validés par la fabrication d’une tranchée entre deux bras de MZH afin d’augmenter le taux d’extinction à 1550nm. L’objectif principal était de définir des guides ridges optiques à faibles rugosités et à faibles pertes optiques mais la persistance d’ondulations, même après le post-recuit à haute température permettant de lisser des flancs, n’a pas permis de répondre aux spécifications exigées (collaboration Photline). Cependant des travaux récents mettant en œuvre un procédé de gravure par plasma Ar se sont révélés prometteurs pour la suite.

Le projet CHARADES a réussi à mettre au point des outils, en rupture avec les techniques existantes, permettant la réalisation de structures à haut rapport de forme et faible rugosité. Ces dispositifs de type barreaux élancés ont pour originalité d’autoriser à la fois la propagation d’ondes optiques et d’ondes acoustiques. Ceci a ainsi ouvert la voie à de nombreuses réalisations, principalement sur le matériau niobate de lithium, touchant différents domaines d’application:

- réalisation d’un séparateur de polarisation intégré et d’un capteur opto-fluidique compact avec des faisceaux auto-focalisés
- obtention de guides ridges optiques à faibles pertes de propagation (< 1dB/cm pour les deux polarisations) et à confinements élevées (gain d’un facteur 2 par rapport à des guides standards sur niobate de lithium)
- tapers optiques en entrée et sortie des ridges optiques définis par des structures de type B-ridges: amélioration des pertes de couplage avec une fibre optique de 1.6 dB par face d’injection
- réalisation par gravure FIB de cristaux photoniques 1D à haut rapport de forme à l’état de l’art international sur niobate de lithium et présentant un coefficient de réflexion de plus de 50% à 1.55µm et par suite de cavités photoniques de 200µm constituées de 2 réseaux de Bragg avec un facteur de qualité de 3250.
- augmentation du taux d'extinction de +15dB à 1550nm des modulateurs d'intensité intégrés sur LiNbO3 coupe X par gravure d’une tranchée profonde entre les bras des IMZ grâce à un procédé RIE approprié sans aucune perte optique supplémentaire induite
- réalisation de structures de type résonateur acoustique sur barreaux élancés et polés présentant un couplage électromécanique record (20%) associé à des vitesses équivalentes de phase proche de 10000 m.s-1. Obtention de filtres à large bande présentant une bande passante à -3dB de 10% de la fréquence centrale (à 16 MHz) et de 2% à 250 MHZ avec un autre type de structure.

Le projet CHARADES a permis d’identifier clairement les verrous technologiques pour la réalisation de structures à fort élancement et à faible rugosité sur substrats monocristallins afin de définir des guides d’ondes optiques à fort confinement et des structures de piégeage pour les résonateurs et capteurs à ondes élastiques.

Ainsi, la possibilité de définir des guides ridges optiques à faible rugosité et faibles pertes optiques par la méthode d’usinage par plasma représente toujours une étape technologique restant à franchir du fait du transfert et de la persistance des défauts du masque sur les flancs des ridges. Cependant les premiers travaux mettant en œuvre un procédé de gravure par plasma Ar se sont révélés prometteurs et Photline et l’équipe technologique de FEMTO-ST continueront à collaborer sur le sujet. Le dépôt d’électrodes de façon localisée sur ces structures fortement non-planaires reste également un problème à résoudre mais de nombreuses pistes sont à l’étude notamment grâce à l’acquisition de nouveaux équipements au sein de FEMTO-ST et à la collaboration sur la technique par ALD mise en place avec l’University of Eastern Finland. Concernant le capteur de champ électrique (collaboration avec Kapteos), nous avons levé les verrous qui empêchaient jusque-là d’obtenir des cavités résonantes Fabry-Perot fibrées et compactes sur niobate de lithium : il reste encore à assembler les solutions pour fournir un prototype final.

Pour conclure, certaines techniques mises au point au cours du projet ouvrent la voie à de nombreuses réalisations dans un avenir proche notamment la technique d’amincissement et de réalisation de membranes à l’aide de la scie, l’usinage par laser femto-seconde (collaboration Femto-Engineering), la gravure sèche par plasma Ar ainsi que la possibilité d’usiner par FIB des nanostructures à haut rapport de forme et permettent d’envisager le dépôt d’un nouveau projet fortement pluridisciplinaire.

Le projet CHARADES était de nature pluridisciplinaire et a permis la valorisation de nombreux travaux dans différents domaines d'application (micro-nano-technologies, optique guidée, nanophotonique, optique non-linéaire, acoustique…). Ce projet a ainsi donné lieu à la publication de 8 articles dans des revues internationales (Optics Letters, IEEE Photonics Technology Letters, Optics Express, Optical Materials, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control et Applied Physics Letters), 1 chapitre dans l’ouvrage « Ferroelectric Crystals for Photonic Applications », à la présentation de nos travaux en conférence à 29 reprises dont 7 invitées. Distinction : best poster award à la conférence Joint ISAF ECAPD PFM en 2012 par Fabien Henrot et finaliste en 2015.

Lors du projet, deux brevets ont également été déposés :

- « Méthode de fabrication d'un guide d'onde optique à structure «ridge« à faibles pertes de couplage entre le guide d'onde optique à structure «ridge« et une fibre optique, et guide d'onde optique à structure «ridge« fabriqué par cette méthode » par N. Courjal, A. Gerthoffer, F. Henrot, JY Rauch, C. Guyot et B. Guichardaz, n° de demande 1450795, demande internationale PCT/EP2015/051853, 29 janvier 2015
- « Méthode de fabrication d'un guide photonique et guide photonique fabriqué par cette méthode» par N. Courjal, F. Henrot, C. Guyot et E. Fiziaine, n° de demande 1463008, 19 décembre 2014

Enfin, deux thèses liées au projet ont été soutenues :

- C. Guyot : « Etude, fabrication et caractérisation de cristaux photoniques à haut facteur de forme en niobate de lithium pour la réalisation de modulateurs électro-optiques ultra-compacts »
- F. Henrot : « Composants à hauts facteurs de forme pour les résonateurs acousto-électriques et les dispositifs électro-optiques sur substrats monocristallins »

Le traitement du signal radio-fréquence (RF) fait abondamment recours à des composants divers réalisés sur matériaux monocristallins mis en forme principalement à l'aide de technologies planaires sur tranche pour la réalisation de dispositifs acousto-électriques (dispositifs à ondes élastiques de volume ou de surface), optiques (guides) ou électro-optiques (modulateurs, interféromètres). On peut ainsi réaliser un grand nombre de fonction mais certains des composants correspondants souffrent de défauts fonctionnels non pas lié à la qualité des matériaux utilisés, généralement matures au niveau industriel de longue date (quartz, niobate ou tantalate de lithium), mais à la capacité de mise en forme tridimensionnelle des structures de guidage ou d'excitation optimales, permettant de transcender les propriétés fonctionnelles des composants actuels. Le projet CHARADES est donc dédié au développement de technologies capables de révolutionner ces domaines et de donner lieu à des avancées majeures pour la réalisation de nouveaux composants innovants tirant le meilleur parti des matériaux monocristallins sur lesquels ceux-ci sont développés. Nous développons tout particulièrement une méthode d'usinage de structures de type barreaux à haut facteur de forme utilisant une scie diamantée capable de polir les flancs de découpe et donnant lieu ainsi à des guides à forte capacité de guidage et de confinement. De nouvelles fonctionnalités sont alors accessibles et démontrées pour les applications de résonateurs acousto-électriques pour les capteurs, sources et filtres et en optique pour les guides d'ondes, capteurs et modulateurs électro-optiques pour les communications. En parallèle, des technologies à base d'usinage réactif ionique profond sont élaborées pour permettre d'une part des réalisations sur tranche de façon collective et de pousser au maximum les limites opérationnelles (fréquences, compacité) des dispositifs étudiés. Enfin, une part du projet est réservée à l'analyse théorique et la recherche expérimentale de phénomènes physiques croisés, favorisés par la structuration et la configuration particulière des objets développés au sein de CHARADES.