Brevet FR2513393A1 — publié le 19830325

PROCEDE DE COUPLAGE ENTRE UN GUIDE OPTIQUE REALISE EN OPTIQUE INTEGRE ET UNE FIBRE OPTIQUE MONOMODE L'objet de la présente invention est le couplage entre un guide optique, réalisé en optique intégrée, et une fibre optique monomode. Les fibres optiques monomodes sont utilisées pour les télécommuni- cations optiques, parce qu'elles permettent la propagation de signaux avec des bandes passantes dépassant le gigahertz. En télécommunications optiques, on utilise aussi des modulateurs et des commutateurs que l'on sait réaliser avantageusement en optique inté- grée Les guides de ces modulateurs et commutateurs réalisés en optique intégrfée doivent être couplés aux lignes de télécommunications réalisées en fibres optiques monomodes, et cela en introduisant le minimum de pertes de transmission dues au couplage. On sait coupler une fibre monomode et un guide d'onde intégré en rendant négligeables les erreurs de positionnement par des méthodes qui ont été divulguées notamment par H P HSU et A F MILTON dans la revue Electronics Letters Vol 12, N'16 du 5 Août 1976 Un procédé amélioré d'alignement d'une fibre optique monomode et d'un guide d'onde intégré, faisant partie d'un circuit optique intégré, faisant l'objet d'une demande de brevet N' 80 27 693 déposée le 29 Décembre 1980 par la Demanderesse, est caractérisé en ce qu'il consiste à loger la fibre dans un sillon rectiligne d'une plaquette, cette plaquette reposant sur un premier support, à juxtaposer à ce premier support, un second support par aboutement de faces de glisse- ment planes, le circuit optique intégré étant solidaire de ce second support, à aligner les axes et les extrémités de ce guide d'onde et de cette fibre par déplacement de cette fibre dans ce sillon et par glissement du premier support par rapport au second support, à rendre solidaires l'ensemble de la fibre et de la plaquette et premier support; et à solidariser les supports par un film de matériau adhésif recouvrant ces faces, ce matériau étant appliqué à l'état fluide, au moins dans la phase finale de cet alignement. Toutefois, l'efficacité de couplage dépend du plus ou moins bon recouvrement entre les modes de répartition de l'énergie lumineuse dans la section de la fibre et dans celle du guide d'onde intégré. D'une part, dans la fibre, dont le rayon de coeur n'est que de quelques microns dans le cas d'une fibre monomode, on a une répartition circulaire sensiblement gaussienne du champ électrique La distance W (paramètre de répartition) par rapport à l'axe de la fibre, pour laquelle le champ électrique tombe à l/e par rapport à sa valeur sur l'axe, est également de l'ordre de quelques microns. D'autre part, le champ électrique d'un guide d'onde à confinement latéral réalisé en optique intégrée, a, dans le plan de la section, une répartition elliptique sensiblement gaussienne suivant deux axes rectangulai- res On définit dans le cas du guide à section rectangulaire, deux paramètres de répartition Wx et Wy qui sont les distances mesurées sur les axes rectangulaires x et y auxquelles le champ électrique tombe à 1/e de la valeur au centre du guide. L'invention permet d'améliorer le couplage en adaptant les modes de répartition du champ électrique de façon à -améliorer leur recouvrement mutuel, dans le cas (qui est général) o W O est supérieur àv \WW. 0 xy La présente invention concerne un procédé de couplage d'un guide d'optique intégré et d'une fibre optique monomode, la fibre monomode, propageant un mode de répartition sensiblement gaussien du champ élec- trique de paramètre de répartition W O et le guide d'onde optique intégré à confinement latéral, propageant un mode de répartition de champ électrique présentant, dans le plan de section droite du guide, deux paramètres de répartition distincts W et W Y caractérisé par le fait qu'il comporte une x y étape préliminaire au cours de laquellle au moins un des éléments à coupler est traité sur sa partie terminale de façon à réduire dans la section d'aboutissement l'écart entre W O et V Wi; Le traitement de Pétape préliminaire consiste, en un étirement de la partie terminale de la fibre Mais l'expérience montre qu'en chauffant la fibre suffisamment longtemps, on peut obtenir une migration des dopants, aboutissant à l'adoption désirée. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre illustrée par les figures qui représentent: figure 1 l a vue schématique du coup Jage d'une fibre çptiqu et 44 j guide réalisé en optique intégrée figure 2: les répartitions respectives de champ électrique dans le guide d'optique intégrée et dans la fibre; figure 3: un diagramme explicatif. On a représenté sur la figure 1, un guide en optique intégrée G réalisé sur une lame L Par exemple, le guide G est réalisé par diffusion de titane sur un substrat L de niobate de lithium. La fibre optique monomode F qu'il faut coupler en guide G a ua coeur C de rayon a. Si l'on prend des coordonnées x et y dans la section dentrée du guide, on peut généralement représenté le champ électrique El(x,y) dans la section du guide par une expression de la forme: El(x,y) 4 W S exp 2 ( + xy x Wy o Wx et Wy dépendent des dimensions et des indices de réfraction du guide optique G. On peut distinguer entre fibres monomodes à indice de réfraction à variation continue ou à variation brusque. Pour les fibres à indice de réfraction à variation brusque, on a, si r est la distance à Paxe z de la fibre et n(r) l'indice de réfraction: n(r) = n(g) pour r > a ( 2) n(r) = n(g) + An pour r le rayon du coeur, A N est appelé aussi "saut d'indice"'. Pour les fibres à indices de réfraction continu, n(r) est donre par la relation suivante o on suppose que n(r) est Ga Ciaussien n(r) = n(g) + An exp -r 2 a 2 3) Pour simplifier, on appellera par la suite a le rayon du coeur et N la variation d'indice pour les deux sortes de libres, les mêmes lois de propagation s'appliquant pratiquement dans ces deux cas ( 2) et t). Dans le cas o la variation d'indice est discontinue on peut montrer que pour, qu'une fibre soit monomode, il faut que: V a 2 w T V 2 n An 5) avec V = -Y o est la longueur d'onde. Le mode fondamental, qui seul peut se propager si la relation ( 4) est remplie, est pratiquement tel que: E 2 (r) = 2 exp r /W 02 ( 6) 1 O2 e p 2 r/ 02 o E (r) est le champ électrique, W O est sensiblement donné, pour une répartition Gaussienne par le relation: o Vest donné par ( 5) Par contre pour une variation brusque de l'indice, W O est donné par: Wo= a 0 Ln(V 2) Si l'on suppose que l'axe z de la fibre F est bien centré par rapport au guide G avec une erreur angulaire négligeable et que d'autre part l'extrémité de la fibre F est pratiquement en contact de l'entrée du guide G, le couplage y fibre-guide est donné par la relation: y {ff El(x, y) E 2 (x,y) dxdyl 2 ( 8) o El-xy) et E 2 (x y) sont les valeurs normalisées des champs électri- ques des modes dans le guide intégré G et dans la fibre F l'intégration se faisant dans le plan de wr la figure 1. D'après les relations ( 1), ( 6) et ( 8) on peut montrer que est maximum si 0 xy La figure 2 montrent schématiquement les courbes CG et CF corres- pondant aux points pour lesquels El(x,y) et E 2 (xy) prennent les valeurs à l/e du maximum. Suivant l'invention partant d'une fibre optique monomode d'un certain W O (i) on traite l'extrémité de la fibre pour obtenir à la sortie un W(t), tel que: w( = yx Wy Suivant un premier mode de réalisation, l'augmentation de W O en sortie de la fibre est obtenue par étirage de la parties terminale T sur une longueur 11. On prend typiquement 11 supérieure à 100 lim Sur la figure 3 on a représenté la variation de Wt en sortie en fonction o du rayon du coeur de sortie a' pour une variation Gaussienne de l'indice d'après la relation ( 7). Suivant un deuxième mode de réalisation de l'invention la valeur de W o en sortie Wt est augmentée par un chauffage qui a pour effet une migration O des dopants Cette opération produit pour une répartition Gaussienne de l'indice une augmentation du rayon du coeur et une diminution de n. Il faut noter que 'les deux traitements qui viennent d'être décrits qui concernent l'adaptation en agissant sur la fibre, sont transposables au cas o l'on voudrait agir sur les paramètres Wx et Wy du guide d'onde optique intégré pour obtenir la relation W =Wx Wy On agira par exemple par migration de dopant sur la partie terminale d'un guide de largeur constante ou par modification progressive de la largeur de la région terminale du guide d'onde intégré. REVENDICATIONS 1 Procédé de couplage d'un guide d'optique intégré (G) et d'une fibre optique monomode (F), la fibre monomode propageant un mode de réparti- tion sensiblement gaussien du champ électrique de paramètre de répartition W O et le guide d'onde d'optique intégrfé à confinement latéral, propageant un mode de répartition de champ électrique présentant, dans le plan de section droite du guide, deux paramètres de répartition distincte Wx et Wys caractérisé par le fait qu'il comporte une étape préliminaire au cours de laquelle au moins un des éléments à coupler est traité sur sa partie terminale de façon à réduire dans la section d'aboutissement l'écart entre W O et V 7 2 Procédé de couplage suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le traitement de la partie terminale consiste à étirer la fibre F de façon à obtenir sur sa face terminale un rayon de coeur a, at ayant une valeur prédéterminée. 3 Procédé de couplage suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le traitement de la partie terminale (T) consiste à la chauffer pour obtenir une migration des dopants ayant pour effet de modifier sur cette partie de façon prédéterminée la valeur du rayon de coeur. 4 Procédé de couplage suivant les revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que le rayon terminal at est choisi de façon à réaliser la condition: Wt = VW y, o Wt est le paramètre de la fibrfe dans le plan terminal (ir). Procédé de couplage suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la partie terminale du guide intégré est traitée thermiquement pour obtenir l'adaptation fibre-guide intégré.