Conception des masques SWIR et MWIR

Pour rappel, deux configurations ont été dimensionnées : une première pour un circuit à λ=2,3 µm en polarisation TE (i.e. réseau SWIR) et une deuxième à λ=4,5 µm en polarisation TM (i.e. réseau MWIR). Le réseau SWIR permet de vérifier la validité de la méthode de conception en caractérisant un réseau de couplage dans le domaine MIR tout en utilisant du matériel relativement standard, en particulier une fibre optique à base de silice. Le réseau MWIR oblige à mettre en place du matériel plus fragile, comme des fibres en chalcogénure. Afin de pouvoir caractériser optiquement ces réseaux, il est nécessaire de définir des motifs de test les contenant. A l’image de ce qui a été fait pour la caractérisation des fonctions optiques du PIC SiGe à saut d’indice en technologie standard. Tout d’abord, le jeu de masque du réseau SWIR sera exposé puis celui du réseau MWIR.

1.1.Réseaux SWIR avec inclusion

Le premier lot réalisé à l’aide de la technologie damascène (cf. Chapitre IV) avait pour but de mettre au point les procédés de fabrication ainsi que de faire une première évaluation des performances et limitations de la technologie. Nous avons pu constater que cette technologie engendre des guides avec de trop fortes pertes pour être utilisable en l’état. Or les réseaux SWIR présentés ici nécessitent d’utiliser une grande partie de la technique de fabrication damascène. Historiquement, le choix de la configuration choisie pour les réseaux SWIR (i.e. inclusion d’air) a été faits alors que les limitations du procédé damascène étaient encore inconnues. En effet, pour des raisons de délai de fabrication, ceux-ci ont été incorporés dans un deuxième lot damascène fabriqué en parallèle du premier. Au vu des résultats exposés au chapitre IV, nous savons désormais que la technologie damascène n’est pas viable en l’état mais il est important de vérifier la fonctionnalité des réseaux fabriqués. On pourra en particulier valider ou non les techniques de conception du chapitre précédent. Cependant, les voids présents nous empêchent de transposer tel quel le réseau de couplage précédemment dimensionné.

1.1.2.Redimensionnement

Figure VI-1 : Jeu de masque du 2° lot damascène contenant des fonctions optiques de tests et des variantes de réseau de couplage pour λ=2,3 µm en polarisation TE.

Le lot damascène comportant les réseaux de couplage a été conçus en supposant que des guides carrées 1,3 x 1,3 µm2 _{pour la longueur d’onde λ=2,3 µm étaient réalisables. A l’image du PIC du}

Chapitre VI- Fabrication et caractérisation de réseaux de couplage pour le moyen infrarouge sur plateforme silicium

chapitre III pour évaluer la technologie standard de fabrication des circuits SiGe, le jeu de masque (Figure VI-1) défini un circuit comportant un ensemble de fonctions optiques permettant d’évaluer les performances de la technologie damascène. Ce jeu de masque initial comportait donc un premier niveau pour définir le PIC et un deuxième pour définir les réseaux. Afin d’éviter les voids tout en minimisant le nombre de niveau à refaire, le choix a été fait de conserver le premier niveau de masque en diminuant la profondeur de gravure. Les fonctions optiques autres que les réseaux deviennent ainsi inutilisables mais la présence de voids constatées en technologie damascène aurait empêché leur caractérisation. Dans la suite, nous nous intéresserons donc qu’aux réseaux de couplage et non aux autres fonctions optiques présentes sur le circuit. L’adaptation des paramètres des réseaux de couplage a été faites avec des simulations FDTD couplées à un algorithme d’optimisation globale basé sur la méthode EGO. L’optimisation a porté sur la maximisation de l’efficacité de couplage en faisant varier la période, le facteur de remplissage, la profondeur de gravure et l’épaisseur du guide. Après évaluation d’un plan d’expérience initiale de 40 points, l’algorithme EGO converge en seulement 15 itérations (Tableau VI-1). La configuration idéale trouvée a une période de 725 nm, un facteur de remplissage de 0,731, une gravure de 254 nm avec un guide de 800 nm de haut. L’efficacité de couplage est beaucoup plus élevée que pour la configuration initiale avec η=6,3 % (Figure VI-2). A l’origine, un antireflet constitué de 290 nm de SiN devait être déposé. Celui-ci n’ayant pas été déposé lors de la fabrication, les résultats de simulation sans antireflet sont également présentés. L’efficacité de couplage est alors réduite à η=4,1 %.

Figure VI-2 : Efficacité de couplage théorique des réseaux de couplage fabriqués avec inclusions d’air.

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Longueur d'onde (µm) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 Efficacité de couplage

Avec antireflet SiN Sans antireflet SiN

Chapitre VI- Fabrication et caractérisation de réseaux de couplage pour le moyen infrarouge sur plateforme silicium DOE (40 itérations) Paramètres Facteur de remplissage Période (nm) Profondeur de gravure (nm) Hauteur du guide (nm) Borne inf 0,2 600 5 700 Borne sup 0,9 850 600 1000 Précision 1.10-3 _1.10-3 _1.10-3 ₁₀₀ EGO (15 itérations) Paramètres Facteur de remplissage Période (nm) Profondeur de gravure (nm) Hauteur du guide (nm) η (λ=2,3 µm) Psup Psub Ptr Pr α Résultats 0,731 725 254 800 6,81 % 0,08 0,14 0,57 0,21 0,018

Tableau VI-1 : Résumé des paramètres et résultats de l’optimisation par méthode EGO pour le redimensionnement du masque.

1.1.3.Description des motifs du jeu de masque

Le réseau de couplage SWIR ainsi redimensionné a permis de redessiner le 2° niveau de masque. Celui-ci est constitué de plusieurs versions du réseau dont les valeurs de période et de facteur de remplissage diffèrent entre deux variantes. Les variantes sont regroupées par paire et reliées par un guide de 2 cm de long pour pouvoir être caractérisées (Figure VI-3). Un taper permet d’élargir le guide pour récolter une plus grande partie du faisceau venant éclairer la puce, soit 10 µm de large. Il y a au total 100 variantes de réseaux regroupées par série de 10 réseaux ayant la même période mais dont le facteur de remplissage varie. Entre chaque série la période varie entre 690 nm et 790 nm par pas de 10 nm. Pour chaque série, le facteur de remplissage varie entre 0,3 et 0,7 par pas de 0,04.

Figure VI-3 : Schéma de la structure de caractérisation des coupleurs par fibre.

1.2.Réseaux MWIR suspendus

1.2.1.Modification de la géométrie

Les réseaux MWIR précédemment dimensionnés ont été légèrement changés à cause de certaines limitations dans les techniques de fabrication. Le double taper s’est révélé impossible à fabriquer et le choix a été fait de ne garder que le taper suspendu (Figure VI-4). Il en résulte des pertes supplémentaires à la transition entre le guide suspendu et le guide enterré. La transmission est ainsi réduite à 30 % entre ces deux sections au lieu de 100 %. Deux types de réseaux ont été dessinés sur le jeu de masque à partir des simulations de conception du chapitre précédent. Le premier est un réseau dit linéaire, identique à ceux conçus pour le SWIR. Le deuxième est un réseau dit courbe qui permet de réduire la longueur du taper avec une structure de réseau agissant comme une lentille venant focaliser la lumière à l’entrée du guide. Les motifs de tests sont similaires à ceux pour le SWIR à l’exception que le guide les séparant est plus court et mesure 1 mm de long.

2 cm 230 µm

Chapitre VI- Fabrication et caractérisation de réseaux de couplage pour le moyen infrarouge sur plateforme silicium

Figure VI-4 : Schéma 2D et 3D des deux géométries de réseau présentes sur le masque : a) réseau linéaire nécessitant un taper pour convertir le mode large en sortie du réseau et b) un réseau courbe permettant de focaliser la lumière directement à l’entrée du guide. Pour des raisons de faisabilité technologique, le double

taper a été retiré et seul le taper suspendu a été conservé.

1.2.2.Variantes : réseaux linéaires et courbes

Les réseaux linéaires se caractérisent par une corrugation qui est strictement perpendiculaire à la direction de propagation du guide (Figure VI-4a). Ce sont les mêmes types de réseau que ceux fabriqués pour le SWIR. Les variantes présentes sur le masque sont au nombre de 61 et consistent en une variation de la période et du facteur de remplissage pour lesquels l’efficacité de couplage est supérieure à 30 % en simulation FDTD-2D. La période est comprise entre 2,3 µm et 3,3 µm et le facteur de remplissage entre 0,25 et 0,8. Ces réseaux dits « linéaires » nécessitent de convertir le mode très large en sortie du réseau vers le mode du guide « standard » constituant l’ensemble du PIC. La conversion entre ces deux modes se fait à l’aide d’un taper adiabatique qui est très long. L’empreinte du réseau complet est donc importante sur la puce. Pour remédier à ce problème il est possible d’utiliser un réseau dont les lignes sont courbées (Figure VI-4b). Ces lignes décrivent des ellipses qui partagent toutes le même point focal situé à l’entrée du guide optique. Ainsi, par un jeu d’interférence constructive la lumière sera focalisée au niveau du point focal commun de ces ellipses. Pour que ces interférences constructives se produisent, la géométrie des lignes doit suivre la relation suivante [213] :

÷2 = K cos 0 − qà + K , ÷ = 1, 2, … ( 48 )

Où, (y,z) sont les coordonnées décrivant les ellipses avec un repère dont l’origine est située au point focal des ellipses, nc est l’indice de la gaine supérieure du réseau (l’air dans notre cas), θ est l’angle

de couplage avec la fibre et neff l’indice effectif du mode optique au sein du réseau. En plus de faire

varier le facteur de remplissage et la période, les variantes des réseaux courbes consistent également en une modification du demi-angle du taper droit allant de 10° à 50°.