Brevet FR2103579A1 — publié le 19720414

. . S. 2103579 la présente invention concerne un agencement pour.cou- ï" • ^ ' ' . pler des ondes lumineuses à un élément de guide dc ondes optique ayant des surfaces opposées et un réseau optique qui s'étend le long de l'élément de guide d'ondes dans la direction 5 de propagation des ondes. L'adaptation des techniques Un bloc de construction fondamental pour des circuits optiques intégrés est le guide d'ondes lumineuses à pellicule mince ,dans lequel la pellicule est généralement d'uae épaisseur 20 proche de la longueur d'onde de la lumière à transmettre«> Ge« pendant, la minceur de la pellicule fait qu'il est très diffi-cile d'introduire de la lumière dans la pelliculà avee "an degré d'efficacité quelconque. ; ' - - Un agencement utilisant un prisme réfléchisseat iatérieiar 25 pour coupler des ondes lumineuses à une pellicule mince à travers une surface principale de ce système» a déjà été proposés Le couplage par prisme s'est avéré être de beaucoup plias @ffi«= cace que les agencements antérieurs ,tels que ceux dans lesquels la lumière est introduite dans le guide par l'une de ses ex-30 trémités. Par contre, l'agencement à prisme est, relativements quelque peu volumineux » et cela empêche la miniaturisation du système. Par conséquent, tin agencement qui réalise une diminution du volume ou des dimensions et qui assure un grand rendement de couplage est très désirable. Dans un agencement proposée 35 la lumière est couplée au guide d'ondes optiques à l'aide d'un réseau optique disposé le long d'une des surfaces du guide. Le degré de couplage peut être modifié en faisant varier l'angle 7T mm s 2103579 d'ineidence'de-la'lumière â coupler. En généralr un coupleur à rééeau efficace doit satisfaire à certaines? exigences de base ët lè -rendement général du coupleur dépendra-de la meslïre dans laquelle œ's conditions sont 5 satisfaites» L'une des conditions d'un rendement élevé est lfemploi de matières exemptes de pertes et exemptes de dispersion » ce que l'on peut obtenir par'CL'emploi de réseaux dié = lectriques ou de réseaux en phase. Une autre condition est d5é-liminer les ordres de fonctionnement indésirables du réseau. 10 Une manière de satisfaire à cette condition consiste à utiliser des réseaux extrêmement fins » la condition étant satisfaite d'autant mieux que le nombre des lignes du réseau par millimètre est plus élevé . Cependants avec les techniques habituelles de fabrication des réseaux, il y a des limites au 15 nombre â® -lignes que l'on peut y former. Finalement„ il faut qu'il y ait une modulation spatiale suffisamment profonde du décalage de phass optique pour produire un couplage énergique sur des longueurs de couplage relativement courtes» Ls problème consistant à produire un coupleur efficace 20 à réseau est résolu suivant les principes de l'invention par un réseîvx du type de Bragg ayant une épaisseur qui ^lorsqu'elle est multipliés par la longueur, d * onde de la lumière9 est égale ou supérieure à-la période du réseau. Dans une forme de réalisation donnée à titre d'exemple 25 de l'invention, une couche de matière telle que de la gélatine bickromée est déposée directement sur un guide d'ondes à pellicule mince et un réseau de diffraction épais comportant plusieurs plans de Bragg orientés suivant un angle avec la surface du guide d'ondes, est formé holographiquement dans la gélatine» 30 Un réseau épais est un réseau 'dans lequel l'épaisseur multipliée par la longueur d'ohde de la lumièreest égale;Ou supérieure à la période du réseau» La lumière tombant sur le réseau sous l'angle de Bragg ou sous un angle approchant est-.couplée au guide d'ondes , avec un degré élevé d'efficacité t sur une lon-35 gueur de couplage relativement courte et avec une suppression sensiblement complète des modes indésirables. Ainsi, la plus grande partie de 1'énergie lumineuse est dans le mode de coupla 71 30693 ? 2103579 ge au guide d'ondes. On considère que la lumière tombe sous l'angle de Bragg ou à peu près sous l'angle de Bragg lorsque la lumière qui tombe sur les plans de Bragg est telle que la diffraction provenant de ces plans est rendue maximale et ceci 5 est fonction à la fois de la longueur d'ondes et de l'angle d'incidence» Sur les dessins g - La figure 1 est une vue en coupe d'une forme de réalisation donnée à titre d'exemple des principes de l'invention? 10 et - la figure 2 est un diagramme vectoriel représentant certaines des relations de l'agencement de la figure 1. A la figure 1, on voit une coupe d'un agencement de couplage de lumière mettant en oeuvre les principes de la pré-15 sente invention dans un coupleur du type de Bragg. Un élément de guide d'ondes optique 11 , de matière convenable, telle que par exemple de verre, est déposé sur un substrat support 12 de matière telle que par exemple du plexiglas, par des techniques de projection ou d'autres techniques 20 de dépôt convenables» Un coupleur à réseau 13 de matière holographique convenable ,par exemple de gélatine bichromée, est déposé directement sur la pellicule 11. La matière du réseau 13 est choisie pour avoir un indice de réfraction ng tel que nf > ng (1) 25 où n^ est l'indice de réfraction de la matière de la pellicule de guide d'ondes ou d*un élément de guide d'ondes optique 11. Le réseau 13 peut être formé par des techniques d'holographie que l'on exposera plus complètement ci-après et peut comporter plusieurs plans d'interférence 14 à un écartement A 30 et orientés suivant un angle 0 avec la surface de 1'élément,13. Le réseau ainsi formé est caractérisé par un vecteur de réseau K orienté perpendiculairement aux plans d'interférence 14 et dont la grandeur est donnée par E = -j*- (2) 35 I>a lumière qui est couplée à la pellicule 11 peut être dirigée dans le réseau 13 à partir d'une source convenable 16 placée avec un angle Q par rapport à la verticale ,comme montré 71 30693 4 2103579 à la figure 1. La.lumière a un vecteur de propagation dans l'espace libre donné par H- où \ est la longueur d'onde de la lumière dans l'espace libre. 5 Dans le réseau 13, le vecteur de propagation de la lumière devient Sg = ngk0 (4> Les plans d'interférence 14 ou, plus justement, les plans de Bragg ,qui sont en fait des régions d'indice de réfraction 10 égal d'un indice variant spatialement dans la matière du réseau 13 » produisent une diffraction de la lumière qui se traduit par une onde diffractée ayant un vecteur de propagation donné par (k + K)• Pour que le couplage se fasse, ce vecteur S de propagation de lumière diffractée doit avoir une composante 15 dans la direction x , comme on le voit à la figure ^correspondant à la constante de propagation p du mode de pellicule désiré» c'est-à-dire P = % + K)x (5) Lorsque la lumière provenant de la source 16 tombe suivant 20 l'angle de Bragg ou suivant un angle proche de celui-ci, c'est-à-dire lorsque 008 w - y= sx (6) où Q est l'angle d'incidence par s rapport à la vertica- c») le dans le réseau 13, sensiblement toute la lumière incidente 25 est diffractée dans un ordre de diffraction, les autres ordres étant sensiblement complètement supprimés. Malheureusement, la condition de Bragg et la condition de couplage, telles qu'elles sont données par les équations (6) et (5) respectivement, ne peuvent être satisfaites toutes les deux pour le même angle 30 d'incidence de la lumière. La figure 2 est -un diagramme vectoriel pour le coupleur de Bragg de la figure 1. Le cercle de rayon n k est le lieu go des vecteurs k pour différentes valeurs de l'angle d'incidence La ligne verticale placée à distance de l'axe Z est la li= 35 gne d'équilibre, c'est-à-dire la ligne qui définit l'équilibre de phase de la lumière avec un mode de propagation de guide 11. L'équilibre de phase se produit lorsque l'équation (5) est sa 71 30693 2103.579 tisfaite, ce qui signifie que le vecteur somme (k + K) se ter- ë mine sur la ligne verticale d'équilibre. Au contraire, d'après l'équation (6), on suppose que la condition de Bragg est satisfaite lorsque la somme vectorielle (k + K) se termine sur le 5 cercle n^kQ. De la figure 2, il apparaît clairement que la condition de Bragg et la condition d'équilibre de phase ne peuvent être satisfaites toutes les deux pour le même angle d'incidence. Cependant, on peut montrer qu'il y a une différence A0^ minimale possible entre l'angle de Bragg et l'angle d'équilibre de 10 phase, donnée approximativement par A0 . v— (n„-n )/n (7) g mm •— f g g où l'on suppose que l'angle de désaccord est petit et que p css n^ (8) En fait, l'angle de désaccord n'est que de quelques degrés d'arc. 15 Pour tirer avantage des effets de Bragg, l'angle d'équilibre doit être aussi proche que possible de l'angle de Bragg, et de préférence, bien que cela ne soit pas nécessaire, dans la demi-largeur de la réponse de Bragg, qui est d'environ A /g, où g est l'épaisseur du réseau 13. On peut voir ainsi que la condi-20 tion de Bragg, telle qu'elle est donnée par l'équation (6), est approximativement satisfaite dans les limites des équations (7) et (8) pour le fonctionnement le plus efficace du coupleur. Dans une forme de réalisation du coupleur de la figure 1 _7 conçue" pour être utilisée à une longueur d'onde de 6328 . 10 mm, 25 et avec un angle d'incidence correspondant à la perpendicularité de la surface du coupleur (0=0°), la valeur optimale de l'angle 0 est d'environ 45° et la valeur optimale de A est d'environ 0,25 . 10"3 mm (4000 lignes/millimètre). Ce dessin d'interférences est produit holographiquement dans la gélatine bichromée, 30 par exemple en exposant la gélatine sensibilisée, qui a été préalablement déposée sur la pellicule de guide de lumière par des techniques convenables, à deux faisceaux de lumière pa- _7 rallèles, d'une longueur d'onde de 4.416 . 10 mm. Des faisceaux de lumière sont introduits dans la gélatine sous des angles 35 différents pour produire un dessin d'interférences dans la gélatine, satisfaisant aux exigences prémentionnées, la cou- -3 che de gélatine est typiquement d'une épaisseur de 4 . 10 mm 71 30693 6 2103579 et la pellicule de guidage de la lumière est typiquement d'une épaisseur de 0,3 . 10 mm, avec un indice de réfraction de n^ =1,62. Il est concevable que d'autres techniques,"par exemple cellé des cristaux liquides, puissent être "utiliséeé piur 5 produire un réseau du type de Bràgg, épais. Les techniques holo~ graphiques sont, cependant, dans l'état actuel des connaissan-ces, l'un des moyens les plus pratiques pour réaliser de tels réseaux. Avec un tel agencement, on obtient un couplage soit 10 par transmission à travers le réseau, comme montré à la figure 1, soit par réflexion à partir du réseau ,auquel cas la lumière à coupler est introduite par le côté substrat du coupleur. Dans ce dernier cas, il y a une certaine perte de lumière due à la transmittance moins que parfaite du substrat et de la pellicu-15 le.Cependant, avec des angles optimaux d'incidence et des caractéristiques optimales du faisceau, par exemple concernant le diamètre du faisceau , 70$ ou davantage de la lumière incidente peuvent être couplés au guide ,avec un réseau d'une longueur d'environ 5 millimètres. 20 A cause des différences d'indice de réfraction du ré seau et du guide d'ondes,la lumière provenant du réseau n'entre pas directement dans le guide d'ondes. A la jonction entre le guide d'ondes et le réseau, il y a une onde évanescente de mode de guide lumineux , avec laquelle la composante horizontale 25 de la lumière diffractée est équilibrée quant à la constante de propagation et, par suite, elle réagit avec elle pour produire une onde croissante dans le guide. Comme il y a une modulation par décalage de phase cumulatif de la lumière dans le coupleur du type de Bragg, un couplage énergique s'obtient sur des 30 longueurs de couplage relativement courtes» La discussion menée jusqu'à présent a fait allusion à des coupleurs holographiques épais du type de Bragg. Les techniques d'holographie rendent également possible la création de réseaux de diffraction à grand nombre de lignes ou à grand nombre 35 d'interférences sur une longueur donnée ,dépassant de beaucoup le nombre de lignes possibles avec les techniques d'attaque usuelles» Il en résulte un grand angle de diffraction au point 71 30693 7 2103579 que seulement un ordre de diffraction puisse se propager , tous les autres étant coupés. Cet angle de diffraction important conduit à un mode de guide d'ondes à pellicule mince 9qui se propage dans une direction inverse de celle de la lumière inci-5 dente» La forme de réalisation de la figure 1 comprend un réseau épais du type de Bragg , déposé sur une surface de guide d'ondes optiques .11 est possible que le réseau du type de Bragg puisse être incorporé au guide d'ondes optiques lui-10 même, bien qu'une telle structure dépende de l'emploi de techniques et de matières différentes. Cependant, les principes de la présente invention s'appliqueraient également à un tel agencement• 71 30693 8 2103579 REVENDICATIONS 1.- Agencement de couplage d'ondes lumineuses, comprenant un élément de guide d'ondes optiques (11) ayant des surfaces opposées et un réseau optique (13) s'étendant le long de l'élé-5 ment de guide d'ondes dans la direction de la propagation des ondes, caractérisé en ce que le réseau est un réseau de type de Bragg ayant une épaisseur qui, lorsqu'elle est multipliée par la longueur d'onde de la lumière,-est égale à la période du réseau ou supérieure à celle-ci. 10 2.- Agencement de couplage d'ondes lumineuses suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que le réseau du type de Bragg est de matière holographique ayant des plans d'interférences sensiblement également espacés à l'intérieur, orientés suivant un angle avec une surface de l'élément de guide d'ondes. 15 3.- Agencement de couplage d'ondes lumineuses suivant l'une quelconque des revendications- 1 et 2, caractérisé en ce que l'indice de réfraction de l'élément de guide d'ondes est supérieur à l'indice de réfraction de la matière du réseau. 4.- Agencement de couplage d'ondes lumineuses suivant l'une 20 quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la matière holographique est de la gélatine bichromée. 5.- Agencement de couplage d'ondes lumineuses suivant l'une quelconque des revendications 2, 3 et 4, caractérisé en ce que la matière holographique a plusieurs plans d'interférences 25 espacés de A et orientés suivant un angle 0 par rapport à une surface du réseau, et en ce que la lumière ayant une longueur d'onde \ qui doit être couplée dans le réseau est dirigée vers celui-ci de façon que la relation suivante soit satisfaite : cos (0 - 0 ) = 2n K g o 30 dans laquelle 0^ est l'angle de la lumière par rapport à la normale à la surface du réseau,n est l'indice de réfraction du ré- ' g seau optique le long du guide d'ondes dans la direction de propagation, K est le vecteur du réseau défini par K = A 35 et Kq est le vecteur de propagation de la lumière dans l'espace libre défini par K = -^2L- . o X