Brevet FR2090264A1 — publié le 19720114

-1- 71 18593 2090264 La présente invention concerne des procédés et des appareils pour introduire par couplage des ondes lumineuses dans des guides minces d'ondes lumineuses ou films optiques minces. L'utilisation de systèmes optiques intégrés dans les systè-5 mes de télécommunications optiques, d'ensembles de traitement des informations optiques et de divers autres"systèmes utilisant la lumière, est une question qui a soulevé un grand intérêt. Les avantages de l'utilisation des techniques des circuits intégrés dans la région visible du spectre des ondes électromagnétiques 10 sont nombreux, et équivalents aux avantages obtenus à des fréquences plus basses. Par conséquent, la miniaturisation, la réduction au minimum des effets de l'environnement tels que les vibrations et*les variations de température, et la reproductibilité à bas prix sont toutes réalisables avec des circuits optiques intégrés. 15 Un des ensembles les plus prometteurs pour réaliser l'inté gration des circuits optiques est l'utilisation de films optiques minces, dans lesquels ledit film est en général d'une épaisseur voisine de la longueur d'onde de la lumière à transmettre. Cependant, ces films minces donnent lieu à de grandes difficultés pour 20 l'introduction de la lumière dans ledit film mince avec un rendement approprié. On connaît un ensemble comportant un prisme à réflexion totale pour introduire des ondes lumineuses par une grande surface dans un film mince. Le couplage par prisme s'est avéré beaucoup 25 plus efficace que les dispositifs antérieurs ,tels. ceux dans lesquels la lumière est introduite dans le guide d'ondespar une extrémité de celui-ci. Par contre, le dispositif à prisme est relativement encombrant e!t la diminution de cet encombrement permettrait une miniaturisation plus poussée de l'ensemble. De plus, 30 bien que le dispositif à prisme soit beaucoup plus efficace que les dispositifs de la technique antérieure, une augmentation de l'efficacité du couplage est toujours la bienvenue. La présente invention permet de réaliser une diminution du volume ou des dimensions du dispositif de couplage tout, en rendant possible un 35 couplage très efficace. Dans un premier exemple de réalisation de l'invention, de la lumière cohérente est introduite par couplage dans un film optique mince par un réseau optique par réflexion en contact avec ledit guide par la face de celui-ci opposée à la face d'incidence 71 18593 2090264 de la lumière. La lumière incidente traverse le guide d'ondes lumineuses (ou optique) et est réfléchie par le réseau et, suivant l'angle d'incidence de la lumière, une partie de la lumière réfléchie, correspondant à un ou plusieurs ordres de mexiina du réseau, est cap-5 tée dans le guide optique. Une composante de la constante de propagation de la lumière ainsi captée est parallèle à la direction longitudinale du guide et crée un. mode particulier de propagation dans • ce guide en réagissant sur ce dernier, en fonction, en particulier, de 1*angle d'incidence de la lumière et de la période du réseau. 10 Dans une variante du premier exemple de réalisation, le réseau par réflexion est formé sur une face du guide optique lui-même. Dans un second exemple de réalisation de l'invention, un réseau par transmission, à traits, est déposé ou formé sur une face principale du guide optique et on fait tomber la lumière sur ce ré-15 seau. Comme pour la première réalisation de l'invention, un des ma-xima du réseau, dont l'ordre est fonction de l'angle d'incidence, est capté dans le guide -et donne naissance à un mode de propagation particulier dans le guide d'ondes.Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, la lumière est introduite dans un film optique mince 20 servant de guide d'ondes, par un réseau optique qui peut être un réseau par réflexion, à traits ou échelettes, ou par transmission. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, 25 plusieurs formes de réalisations conformes à l'invention. Selon un autre mode de mise en oeuvre de la présente invention, on peut faire varier l'efficacité du couplage et le mode excité dans le guide optique en faisant varier l'angle d'incidence de la lumière à transmettre. 30 Aux dessins annexés : - la figure 1 représente schématiquement un premier exemple de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement un second exemple de réalisation de l'invention ; et 35- - la figure 3 représente schématiquement un troisième exemple de réalisation de l'invention. La figure 1 représente à très grande échelle un schéma d'une réalisation de l'invention dans laquelle on utilise un réseau par-réflexion pour réaliser le couplage de la lumière incidente avec un 4-0 mince film optique. n^ > n^ , n.2 étant l'indice de réfraction du guide131 n, l'indice de réfraction du substrat 14 et n^ l'indice/de Pair. Il''est pos- 71 18593 • 2090264 L'ensemble de la figure 1 comporte une source lumineuse 11, par exemple un laser hélium-néon émettant une lumière cohérente de longueur d'onde 6328 A. On peut évidemment utiliser toute source de lumière appropriée, celle mentionnée ci-dessus étant simple-5 ment un exemple. On peut utiliser un système optique 12 pour concentrer la lumière, si nécessaire. Un film optique mince 1J, en une matière appropriée transparente guidant la lumière, par exemple du verre, est fixé à un substrat approprié 14 transparent pour la longueur d'onde de la 10 lumière à coupler. Le guide 13 et le substrat 14 sont, bien que cela ne soit pas obligatoire, choisis de préférence de manière que leurs indices de réfraction soient liés par la relation n ;ion du guide 13 5 1 15 sible d'intercaler le guide et le réseau entre deux pièces isolantes d'indices de réfraction égaux ou dont le rapport des indices est prédéterminé, tous deux étant inférieurs à l'indice du guide d'ondes. La figure 1 représente un dispositif dans lequel un réseau 20 16 par réflexion est formé sur la face du guide 13 opposée à la face de ce dernier en contact avec le substrat 14. Pour réaliser une réflexion à peu près totale, le réseau 16, qui peut être taillé, obtenu par pressage, estampage, dépôt ou autrement sur ou dans un guide 13 ou qui peut constituer un élément séparé en contact 25 avec le guide 13 ou très proche de celui-ci, est argenté sur sa surface extérieure. Dans l'étude ci-après, la période du réseau 16 est désignée par la lettre a. La lumière de la source 11 est projetée sur le substrat 14 sous un angle tel que, après avoir traversé le substrat 14 et le 30 guide 13, elle tombe sur le réseau 16 sous un angle 0. (figure 1) et est réfléchie par celui-ci avec des maxima de un ou plusieurs ordres. La figure 1 représente seulement deux ordres du réseau par réflexion, l'ordre zéro qui est renvoyé vers l'extérieur de l'ensemble et l'ordre +1 qui est réfléchi sous l'angle ©m, m re- 35 présentant le numéro de l'ordre égal, dans le cas présent, à 1. L'angle 9m représenté sur la figure 1 est tel que le faisceau correspondant au maximum d'ordre +1 du réseau est capté par le guide optique 13» L'angle 9 est lié à l'angle 9- par la relation m^ 1 sin 0m = sin 0. + —— (1) m x axi^ _4~ 7118593 2090264 dans laquelle \Q est la longueur d'onde de la lumiere dans le vide. Pour que la lumière d'un ordre déterminé du réseau soit" captée par le guide, l'angle 0m doit être supérieur à un minimum donné par : 5 sin (2) "ît, tandis que la valeur maximale de 0m est évidemment 2>au(luel cas la lumière se propage parallèlement à l'axe longitudinal du guide. La constante de propagation ^ de la lumière captée par le guide, c'est-à-dire l'ordre +1 sur la figure 1, a une composante sui-10 vant l'axe du guide, donnée par : 2r[n0 sin 9 P» " —£— (5) L'équation (3) indique qu'on peut faire varier (3 en agissant sur l'angle ©m qui, à son tour et comme l'indique l'équation (1), varie quand 0^ varie. On peut employer tout moyen approprié pour 15 faire varier 9^, par exemple un déplacement de la source 11, l'interposition d'éléments déviant les rayons lumineux ou un déplacement de l'ensemble du guide 13 et du substrat 14 par rapport à la source 11. Il est bien connu qu'un guide optique,tel celui représenté sur la figure 1,peut propager les ondes suivant un grand 20 nombre de modes, chacun avec une constante de propagation caractéristique ^ . En général, les valeurs de ^ pour les divers modes varient entre n^(jo/c et ^Oû/c, où est la pulsation^ = 2^f de la lumière et ç est la vitesse de la lumière dans le vide. Par conséquent, l'adaptation de la phase de la lumière captée et d'un 25 mode de propagation 'dans le guide d'ondes est réalisable entre les limites définies par n3W, Ô avec n2 > n^. Si l'on désire réaliser un couplage avec un mode particulier du guide d'ondes et si sa valeur de^ est connue, 30 alors la constante de' l'équation (3) peut être choisie égale à la constante ^ du mode choisi par un choix approprié de 0^. La figure 2 est une représentation schématique, en principe semblable à celle de la figure 1, mais dans laquelle on utilise un réseau 21 par transmission au lieu d'un réseau par réflexion. 35 Pour simplifier, on a donné aux éléments communs aux deux figures 71 18593 9090264 les mêmes numéros de référence. La lumière"provenant; de la source 11 et de la lentille 12 tombe sur le réseau 21 sous l'angle 9^ et traverse le réseau, lia lumière sortant du réseau correspondant à un ou plusieurs ordres de celui-ci. On a représenté, sur la figu-5 re 2, uniquement l'ordre 0 et l'ordre +1. Avec la réalisation de la figure 2, l'angle ©m est lié à 0^ par la relation ni ' sin 9 = — sin 9. + (5) m n2 i SlB-2 Les conditions de capture sont identiques à celles indiquées pour 11 ensemble de la figure 1, et 11 ordre particulier du maximum du 10 réseau capté et le mode de propagation de la lumière introduite par couplage peuvent être modifiés en agissant sur 9^. * Le réseau 16 ou 21 peut être réalisé sous différentes formes, par exemple de réseau à traits ou de réseaux échelettes. L'efficacité du couplage est accrue par l'emploi d'un réseau échelette 15 "dans le blaze", les réseaux par transmission du type à traits étant moins efficaces étant donné l'absorption et la disparition d'une partie de la lumière incidente. Il n'est pas nécessaire que le réseau 21 soit formé sur ou dans la surface supérieure du guide 13? bien qu'on diminue ainsi l'encombrement. Le réseau 21 peut 20 être un élément séparé très près de la surface du guide 13 ou en contact avec celle-ci. Jusqu'ici, les principes de l'invention ont été expliqués à l'aide de la capture et, par conséquent,du couplage,avec des maxi-ma d'ordre positif du réseau. On peut capter de manière analogue 25 les maxima d'ordre négatif du réseau, éventuellement avec une augmentation de l'efficacité du couplage. La figure 3 représente un ensemble, en principe semblable à celui de la figure 1, dans lequel le guide capte le maximum d'ordre -1 du réseau par réflexion. Pour simplifier, on conserve pour les pièces semblables les numé-30 ros de référence de la figure 1. Avec l'ensemble de la figure 3, la lumière provenant de la source 11 est projetée sur le substrat 14- et le guide 13 de manière qu'elle t'ombe sur le réseau 16 par réflexion sous un angle 9^ tel que l'angle 9+/j correspondant à l'ordre +1 du réseau satis— 35 fasse à la relation 6+1 >£ ^ 2 ce qui exige que. 71 18593 2090264 si* ei> 1 - (7) pour que l'ordre +1 du réseau ne se propage pas. De plus, l'ordre -2 du réseau ne doit pas se propager, ce qui exige que : si* ei 5 Par conséquent, les angles d'incidence limites 0^ sont définis par : 1 ^ sin 6. ^ — - 1 (9) an£ v i ^ an^ ce qui impose à son tour la condition : a 4 | (*|> do) 10 pour la période du réseau. Si la condition (10) est satisfaite, on peut montrer que : 1 - se; 4 e--i - 1 ce qui définit la plage de réglage de 6_-j pour satisfaire à la condition (9). 15 Pour exciter un mode de propagation guidée dans le guide 15, la valeur de 0_^ doit être suffisamment grande pour pouvoir écrire : n sin e . -—r1- (12) - i n2 relation dans laquelle n ^ est l'indice de réfraction effectif 20 pour le mode particulier de propagation guidée intéressant, avec : 4 neff4 n2 (n5>n1). (13) La valeur de a et la plage de variation de ©_^ peuvent être déterminées d'une manière semblable pour un dispositif à réseau par transmission. Il est possible, avec ces dispositifs, de choisir 25 les paramètres de l'ensemble, y compris la période du réseau, de manière à ne permettre la propagation que d'un seul ordre du réseau, qui est alors capté, réalisant ainsi un couplage très efficace. Dans un dispositif à réseau par réflexion du type représenté 30 sur la figure 1, dans lequel le.guide 13 est en un verre ayant un indice de réfraction de 1,52, le substrat est une matière plastique transparente ayant un indice de réfraction de 1,5, la période ■71 18593 20902,64 a du réseau est de 1,9LL et la longueur d'onde de la lumière uti- O * lisée est de 6328 A, on trouve que 0^ est voisin de 55° pour la " capture d'un maximum du premier ordre du réseau et l'adaptation de la phase. Les variations de 9~. créent des modes de propagation 5 différents dans le guide, qui sont adaptés en phase pour différentes valeurs de 0^ et il s'est par ailleurs avéré possible de capter d'autres ordres que l'ordre +1 du réseau, en modifiant Si. Il va de soi que la présente invention a été décrite ci-dessus à titre purement indicatif, mais nullement limitatif,et que 10 l'on pourra lui apporter toutes modifications de détail conformes à son esprit sans sortir de son cadre. 71 18593 2090264 REVENDICATIONS 1. Dispositif de couplage d'ondes lumineuses comprenant un guide optique, ou guide d'ondes lumineuses, en une matière ayant un indice de réfraction n2 et comportant des faces parallèles, 5 ledit guide étant fixé sur un substrat en une matière ayant un indice de réfraction n^ différent de n2, caractérisé en ce qu'un réseau optique est placé contre une première face du guide optique et qu'un ensemble est incorporé pour projeter un faisceau de lumière sous un angle 9^ sur ledit réseau de manière à réaliser 10 une adaptation de phase entre la lumière correspondant à l'un des ordres du réseau et un mode de propagation dans le guide optique. 2. Dispositif de couplage pour ondes lumineuses selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit réseau est du type à transmission. 15 3. Dispositif de couplage pour ondes lumineuses selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit réseau est du type à réflexion. 4-, Dispositif de couplage pour ondes lumineuses selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit réseau optique est 20 formé sur ladite première face dudit guide d'ondes. 5= Dispositif de couplage pour ondes lumineuses selon la revendication 1, caractérisé en ce que les indices de réfraction sont liés par la relation n2> n^ > n^, n^ étant l'indice de réfraction de l'air. 25 6. Dispositif de couplage des ondes lumineuses selon la re vendication 1, caractérisé en ce que l'angle 9^ est lié à l'angle 9ffi correspondant à l'ordre du réseau réalisant une adaptation de phase par la relation sin 0ra = sin 9^, . + —£■ 2 30 dans laquelle m est le numéro de l'ordre du réseau, a est la période du réseau et est la longueur d'onde de la lumière dans le vide. 7. Dispositif de couplage des ondes lumineuses selon la revendication 6, caractérisé en ce que la constante de propagation 35 pour l'ordre du réseau-réalisant l'adaptation en phase est donnée par : n 2rtn0. sin 0 fi 2 m m Xo 71 18593 2090264 8. Dispositif de couplage des ondes lumineuses selon la revendication 6, caractérisé en ce que la valeur minimale de 0 permettant l'adaptation de phase est donnée par : sin em > if 5 9. Dispositif de couplage des ondes lumineuses selon la re vendication 7, caractérisé en ce que les limites cLe|3m pour réaliser une adaptation de phase sont définies par la relation s c . c dans laquelle c est la vitesse de la lumière et w » 2-jrf, £ étant 10 la fréquence des ondes- lumineuses. 10. Dispositif de couplage pour ondes lumineuses selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle 0. est lié à l'an-gle 9^ pour l'ordre du réseau réalisant l'adaptation de phase par : n1 m'\> sin 0 = — sin 0. + m n2 i 15 relation dans laquelle n^ est l'indice de réfraction de l'air, m est le numéro de l'ordre du réseau, est la longueur d'onde de la lumière dans le vide et a est la période du réseau. 11. Dispositif de couplage pour ondes lumineuses selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle 0^ satisfait à la 20 relation sin 9. \ 1 - ^-L 1 ^ 3X1-2 dans laquelle ÀQ est la longueur d'onde de la lumière dans le vide -m; a est la période du réseau. 12. Dispositif de couplage pour ondes lumineuses selon la 25 revendication 11, caractérisé en ce que l'angle 9^ satisfait,de plus,à 1'iné galité /2Ao \ sin 6. / — -1. ) x ^lan-p J 13» Dispositif de couplage pour ondes dumineuses selon la revendication 11, caractérisé en ce que la période du réseau sa-30 tisfait à la relation a/ 2 l£ a4 2 n2 * 71 18593 2090264 14. Dispositif de couplage pour ondes lumineuses selon la revendication 11, caractérisé en ce que les limites de l'angle 0_^ pour l'ordre -1 du réseau permettant l'adaptation de la pha sont définies par :