1.2 Description du réseau de couplage

Le réseau de couplage est un dispositif couplant la lumière sortant de la fibre optique afin de l’injecter dans le guide d’onde optique du circuit intégré en silicium. Il est utilisé comme port d’entrée et de sortie entre les éléments optiques et les éléments extérieurs, comme la fibre optique en réception ou la source laser en émission vers la fibre optique. Le type de réseau de couplage utilisé dans cette thèse est appelé SPGC (pour Single Polarization Grating Coupler). Il couple la lumière depuis la fibre optique efficacement selon une seule direction de polarisation optique, perpendiculaire aux lignes du réseau de Bragg (cf. Fig. II.1.11) et à la direction de propagation [II-Taillaert], [II-Sirohi].

Comme on peut le constater figure II.1.6, il existe une épaisseur d’oxyde idéale permettant de diminuer au maximum les pertes de couplage [II-Galan], [II-Bœuf]. Cette épaisseur idéale est dépendante de la longueur d’onde d’utilisation, et varie entre 670 et 830 nm d’épaisseur de BOX pour une longueur d’onde allant de 1310 à 1550 nm.

Figure II.1.6 Optimisation de l’épaisseur de BOX pour des applications à longueurs d’ondes distinctes en technologie PIC25G [II-Bœuf]

Un bon compromis est une épaisseur de 720 nm, optimisée pour les longueurs de 1310 et 1490 nm, qui sont les seules utilisées par STMicroelectronics (utilisées pour des applications de télécommunication).

Un réseau de couplage possède un arrangement de fentes de forme conique afin de former un réseau de Bragg. Le faisceau optique incident venant de la fibre optique est alors diffracté en fonction du profil de gravure du réseau (Fig. II.1.7). Cette diffraction est dépendante à la fois de la longueur d’onde, de la polarisation optique et de l’angle du faisceau incident [II-

Mekis]. L’angle choisi lors du dessin d’un réseau de couplage PIC25G est de 8° quelle que soit la longueur d’onde choisie (1310, 1490 ou 1550 nm) et fait partie des spécifications de cette technologie.

Figure II.1.7 – Schéma du couplage entre la fibre optique et le réseau de couplage.

Le réseau est de forme conique afin de confiner l’ensemble de la lumière reçue (sur une surface de 18 µm² environ) dans un guide d’onde. La position de la fibre optique sur le réseau de couplage doit être très précise ; le maximum d’absorption de l’onde incidente par le réseau se fait en un point en son centre, comme on peut le constater sur la figure 3D ci-dessous (Fig. II.1.8).

Figure II.1.8 – Pertes de couplage du réseau PIC25G 1310 nm en fonction de la position du centre de la fibre optique au-dessus.

Une position idéale de la fibre au centre du réseau, en position (15 ; 17) par rapport au bord inférieur gauche, correspond à des pertes de couplage minimales de 2.75 dB pour ce réseau 1310 nm. Un écart de 1 µm vis-à-vis de ce centre entraine une perte de 0.5 dB environ.

Une vue de dessus du réseau de couplage par un microscope électronique à balayage (MEB) est présentée en Figure II.1.9.

Figure II.1.9 – Vue de dessus du réseau de couplage par un microscope électronique à balayage

Le réseau est de forme conique afin de confiner l’ensemble de la lumière reçue (sur une surface de 18 µm² environ) dans un guide d’onde.

La couche de passivation qui recouvre la plaque de silicium est enlevée au-dessus du réseau, afin d’améliorer son absorption du signal optique (Fig. II.1.10). De même, toutes les métallisations sont retirées au-dessus du réseau de couplage sur 3.37 µm de hauteur.

Figure II.1.10 – Vue en coupe du changement de BEOL au-dessus du réseau de couplage (i.e. Grating Coupler) en technologie PIC25G [II-Bœuf]

Il n’y a que 3 facteurs sur lesquels on pourra jouer afin d’optimiser les performances d’un réseau de couplage: la polarisation du signal optique, la longueur d’onde de travail et l’angle d’incidence de la fibre optique [II-Mekis].

En effet, le motif périodique des réseaux les rend très dépendant de la longueur d’onde incidente et de l’angle auquel ils seront attaqués par le signal optique. La relation qui les lie est donnée en Eq II.1.1. L’angle (θ) de la fibre optique en degré est pris par rapport à une incidence normale, Λ est la distance entre chaque créneau du réseau, et k est le vecteur d’onde égal à 2π/λ, où λ est la longueur d’onde (Fig. II.1.11).

𝑛

𝑘 +2𝜋

𝛬

= 𝑛

𝑘. 𝑠𝑖𝑛𝜃

Figure II.1.11 – Schéma d’absorption de l’onde par le réseau d’indice ne

Dans cette relation, ne et nf sont respectivement les indices effectifs du réseau et de

l’espace libre. Ainsi, pour une valeur fixe de Λ, et une valeur fixe d’angle θ de la fibre optique, on peut estimer la longueur d’onde correspondant au minimum de pertes de couplage du réseau de couplage (appelée « pic lambda »). En revanche, il est nécessaire de varier cette distance Λ entre chaque créneau le long du cône du réseau, afin de ressortir un profil gaussien de champ optique pour en diminuer les pertes de couplage [II-Halir].

Cette valeur théorique du « pic lambda » a été vérifiée en effectuant un balayage en longueur d’onde sur le réseau, autour de la longueur d’onde recherchée de 1310 nm (Fig. II.1.12).

Figure II.1.12 – Dépendance en longueur d’onde des pertes d’insertions du réseau de couplage 1310 nm en technologie PI25G -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 01290 1300 1310 1320 1330 P er tes d 'in se rt ion s (d B) Longueur d'onde (nm) Angle : 8°

Sur ce réseau de couplage étudié ici, la valeur de longueur d’onde optimale est de 1308 nm. Une déviation standard de ± 2.5 nm du « pic lambda » est observée entre tous les réseaux de couplage d’une même plaque de silicium.

L’effet de l’angle de la fibre optique pour une longueur d’onde donnée a aussi été étudié afin de vérifier l’importance de cette spécificité lors de la mesure. Pour cela, nous nous sommes placés à une longueur d’onde fixe de 1550 nm et nous avons mesuré les pertes d’insertion d’un réseau 1550 nm pour un angle variant de 8 à 12° (Fig. II.1.13).

Fig II.1.13 – Effet de l’angle de la fibre optique par rapport à la normale sur les pertes d’insertions du réseau de couplage 1550 nm en technologie PIC25G

On peut ainsi constater que pour une longueur d’onde de 1550 nm, l’angle optimal de la fibre est de 10° pour ce réseau étudié. En revanche, dans le cas de réseau de couplage 1310 nm, l’angle idéal est de 8°, tel que explicité dans le cahier des charges de la technologie. Cela serait principalement dû au fait que les réseaux de couplage 1550 nm ont été dessinés afin d’avoir un maximum d’absorption pour un angle de 8°, mais aucun balayage en longueur d’onde n’a pu être réalisé pour vérifier que le « pic lambda » se trouve à 1550 nm. Ainsi, en fixant la longueur d’onde à 1550 nm, il est nécessaire de rattraper cet écart en changeant l’angle de la fibre.

Les performances des SPGC de la technologie PIC25G de STMicroelectronics sont à l’état de l’art avec des valeurs médianes de 2.15 dB de pertes à 1310 nm de longueur d’onde, et 1.9 dB à 1550 nm. La déviation standard des pertes de couplage des réseaux sur une même plaque de silicium est de ± 0.14 dB. La variation de la longueur d’onde correspondant au pic d’absorption est, elle, de 5 nm.