Brevet FR2546309A1 — publié le 19841123

La présente invention a pour objet une structure de guidage optique Elle trouve une applica- tion en optique intégrée. La structure de l'invention s'apparente à un dispositif dit à "jonction Y" qui est représenté sché- matiquement sur la figure 1 Un tel dispositif con- prend un guide d'onde optique d'entrée 10, de direc- tion De, prolongé par deux guides de sortie il et 12, de directions Ds 1, Ds 2 inclinées respectivement de +" et -a par rapport à la direction De du guide d'entrée. La structure comprend encore une zone 13 évasée for- mant la jonction entre le guide d'entrée et les guides de sortie Un faisceau optique pénétrant dans la jonc- tion par le guide d'entrée se divise en deux faisceaux * 15;qui se propagent dans las deux guides de sortie. Pour pouvoir mieux préciser les phénomènes rencontrés dans une telle structure, on considèrera, par la suite, deux plans A et B perpendiculaires à la direction De, ces plans délimitant une zone I à gauche de A, qui est celle du guide d'entrée, une zone Il, entre A et B, qui est celle de la jonction proprement dite, et une zone III, à droite de B, qui est celle des guides de sortie Par ailleurs, on notera C l'arête ou se rejoignent les deux guides de sortie. Une telle jonction trouve de nombreuses ap- plications en optique intégrée, notamment dans la réa- lisation de modulateurs dits de Mach-Zehnder. Les propriétés de ces dispositifs sont dé- crits, par exemple, dans l'article de ANDERSON I in- titulé "Transmission performance of Y-junctions in planar dielectric waveguides", publié dans la revue "IEE Proceedings on Nicrowaves Optics and Acoustics", 2, 1 pages 7-12 de Janvier 1978, ainsi que dans l'ar- ticle de BAETS R et LAGASSE P E, intitulé 'Calcula- tion of Radiation Loss in Integrated Optics Tapers and Y-junctions" publié dans la revue Applied Optics 21, 11, pages 1972-1978 de Juin 1982. Ce genre de dispositif soulève trois types de difficultés qu'il faut bien comprendre pour saisir l'intérêt de l'invention qui va être décrite Il s'agit: a) de la conversion de mode dans la région de la jonc- tion (région II), b) de l'apparition d'un rayonnement dans l'angle de la jonction (zone C), c) du couplage entre les deux guides de sortie (région III). En ce qui concerne la conversion de mode, le phénomène est le suivant Le guide d'entrée 10 et les guides de sortie 11 et 12 sont conçus pour fonctionner en monomode Cela signifie que, pour la longueur d'onde de fonctionnement utilisée, la largeur et l'épaisseur des guides sont telles que seul le mode de propagation fondamental peut s'établir A épaisseur donnée, la tolérance sur la largeur du guide est très faible et si cette largeur est excessive, des modes d'ordre supérieur vont pouvoir se propager C'est pré- cisément ce qui'se passe dans la zone II du dispositif o la jonction 13 présente une forme évasée dont la largeur croît constamment entre le plan A et le plan B La condition de maintien du mode le plus bas n'est donc plus respectée dans cette zone et des modes d'ordre supérieur peuvent apparaître Un autre phéno- mène se combine au précédent pour amplifier cette con- version de mode: c'est la diffraction de la lumière dans le plan A En effet, dans ce plan, le guide pré- sente une discontinuité Le vecteur de propagation di- rigé selon De dans la zone I, va présenter, dans le plan A, une dispersion angulaire de sorte que, après A, le vecteur de propagation ne sera plus dirigé selon De dans la totalité du plan de section droite Sur les bords, ce vecteur sera dirigé obliquement. Ces deux phénomènes se conjuguent pour rom- pre le caractère monomode de la structure et provoquer la conversion de mode Comme les guides de sortie 11 et 12 sont, par construction, monomodes il y aura in- compatibilité entre le front de l'onde multimode qui atteint ces guides dans le plan B et le front de l'onde monomode apte à se propager dans les deux gui- des de sortie Une partie de l'énergie lumineuse d'en- trée se trouvera alors diper Saedansl&r 4 gi Ondupn B. La seconde difficulté rencontrée dans les jonctions de ce genre est l'apparition d'un rayonne- ment dans l'angle C Le front quasi-sphérique de l'onde qui se propage du plan A vers le plan B, dans la région Il, heurte l'arête C ou se forme une onde de diffraction ayant pour centre ladite arête Cette onde rayonne dans tout le dispositif, y compris vers le guide d'entrée Seule une faible partie de cette onde diffractée satisfait aux conditions permettant sa pro- pagation dans les guides de sortie; le reste est dif- fusé et perdu. La dernière difficulté concerne la proximi- té des guides de sortie dans la région III Cette pro- ximité a pour effet de coupler les guides l'un à l'au- tre, ce qui entraîne (comme dans un coupleur directif o cet effet est utilisé) le transfert de l'énergie d'un guide à l'autre Ce transfert présente une quasi- périodicité lorsqu'on s'éloigne du plan B Cet effet est d'autant plus marqué que la valeur de l'ouverture angulaire ( 2 c) est plus faible Or, dans les jonctions Y, cet angle est nécessairement faible (inférieur à quelques degrés) si l'on veut obtenir un bon transfert d'énergie du guide d'entrée vers les guides de sortie. Ce couplage est donc important. Le but de l'invention est justement de sur- monter toutes ces difficultés Ce but est atteint grâce à l'utilisation d'un réseau de diffraction dis- posé entre le guide d'entrée et la jonction, ce réseau ayant un pas qui définit seulement deux directions de diffraction d'ordres différents de zéro, respective- ment + 1 et -1, ce pas étant en outre choisi pour que ces deux directions de diffraction coïncident avec les directions des deux guides de sortie. Selon une variante privilégiée, la structu- re comprend un troisième guide de sortie monomode, si- tué entre les deux premiers et ayant même direction que celle du guide d'entrée, ce troisième guide cor- respondant à l'ordre O de diffraction. Les caractéristiques de l'invention appa- raitront mieux après la description qui suit, d'un'r exemple de réalisation donné à titre explicatif et nullement limitatif Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels: la figure 1, déjà décrite, représente une jonction Y selon l'art antérieur, la figure 2 illustre un exemple de réali- sation d'une structure de guidage conforme à l'inven- tion, la figure 3 représente la répartition énergétique dans les modes d'ordre O et 1, la figure 4 représente schématiquement une coupe de la structure utilisant un réseau d'indice, la figure 5 représente schématiquement une coupe de la structure utilisant un réseau à ondula- tion,* la figure 6 représente une variante dans laquelle on effectue une modulation électrooptique, la figure 7 illustre les différentes étap- es d'un procédé de fabrication d'un motif permettant la réalisation d'un réseau, la figure 8 illustre le mécanisme de dif- fusion (a) et le profil de diffusion obtenu (b), la figure 9 illustre le mécanisme d'échan- ge ionique (a) et le profil obtenu (b), la figure 10 montre les différentes étapes d'un procédé d'obtention d'un guide à réseau par in- terférométrie. Telle que représentée sur la figure 2, la structure-de l'invention comprend un guide d'entrée monomode 20, de direction De, deux guides de sortie monomodes symétriques 21 et 22, de directions Ds 1 et Ds 2 inclinées de + O et -G par rapport à la direction De, et un troisième guide de sortie 23, situé dans le prolongement du guide d'entrée, c'est-àdire ayant une direction Ds 3 confondue avec la direction De La jonc- tion entre le guide d'entrée et les guides de sortie s'effectue par une zone évasée 25 La structure com- prend encore un réseau de diffraction 24, situé à l'extrémité du guide 20 et à l'entrée de la jonction Ce réseau possède un pas p. On sait, de manière générale, que lorsqu'un réseau de pas p est traversé par un rayonnement opti- que de longueur d'onde X, il apparaît des faisceaux diffractés de divers ordres m (m entier positif ou négatif) dans des directions V définies par sin Y = m X np n étant l'indice de réfraction du matériau. Dans le cas de l'invention, on utilise un réseau pour lequel seuls les ordres + 1 et -l existent,, à l'exclusion des ordres supérieurs à 1 Cette condi- tion est réalisée en rendant la quantité Po au moins é g a l eà0,5 E N effet, p o u ru N et e l l e v a l e u r, t oun p égale à 0,5 En effet, pour une telle valeur, tout ordre m supérieur à 1 conduira à une quantité Mnp supé- np rieure à 1, pour laquelle il n'existe pas de valeur réelle de l'angle f Pour une longueur d'onde donnée, on choisira donc un pas p inférieur à 2 X; pour À = 1,55;m et n= 3 3 par exemple, le pas sera de l'ordre du micron. Les directions des faisceaux d'ordre + 1 et -1 font alors des angles + f et M avec la normale, l'angle O, sa direction est celle du faisceau incident. En d'autres termes, un faisceau incident em- pruntant le guide d'entrée 20 donne naissance, après traversée du réseau 24, à trois faisceaux et à trois seulement: un faisceau d'ordre + 1 empruntant le guide 21,'un faisceau d'ordre -l empruntant le guide 22, et un faisceau d'ordre O empruntant le guide 23. En ce qui concerne la répartition énergéti- que dans les différents guides de sortie, on observera que, de manière classique, l'énergie diffractée par un réseau dans les ordres i: lest proportionnelle à J 2 (x) o Ji est la fonction de Bessel d'ordre 1 et o x est un paramètre fonction de la longueur L du réseau Pour un réseau d'indice, ou l'indice varie périodiquement d'une quantité Ln, le paramètre x est égal à T-An L L'énergie correspondant à l'ordre O est, elle, propor- tionnelle à J 2 (x) o Jo est la fonction de Bessel d'ordre O Selon les valeurs que l'on donne à la lon- gueur L du réseau, donc au paramètre x, on peut répar- tir la proportion d'énergie dans les guides dans cer- taines limites. Cette question peut être précisée à l'aide de la figure 3 o sont tracées schématiquement les deux courbes Jo(x) et J 2 (x) Le point de fonctionne- ment M correspond à un maximum d'énergie dans les or- dres l, l'énergie dans le mode O n'étant toutefois pas nulle Le point N correspond à une égalité d'éner- gie dans les trois modes Le point P, pour lequel J 2 (x) = 0, correspond à l'absence d'énergie dans l'or- dre 0, auquel cas on peut se passer du troisième guide 23, l'énergie diffractée étant uniquement concentrée dans les deux guides 21 et 22 Mais en général, on utilisera ce troisième guide, qui peut servir à des fins diverses, par exemple à une détection, à une contre réaction, etc Les figures 4 et 5 montrent schématiquement la disposition du réseau dans le cas d'un réseau d'in- dice (figure 4) et dans celui d'un réseau par ondula- tion, dit encore par corrugation (figure 5). Le réseau d'indice (figure 4) est formé de tranches d'indices N 1 et N 2 qui alternent périodique- -ment Les variations d'indice peuvent être obtenues par diffusion comme on le verra plus loin. Le réseau à ondulation (figure 5) comprend une structure ondulée 72 qui a pour effet de faire varier périodiquement l'épaisseur effective du guide optique 40 On sait que l'épaisseur effective d'un guide d'onde est égale à la somme de trois termes: l'épaisseur géométrique du guide, la profondeur à la- quelle, dans le substrat, l'amplitude de l'onde guidée tombe à 1/e de sa valeur et la distance à laquelle, dans le superstrat, l'amplitude de l'onde guidée tombe à 1/e de sa valeur Avec une structure telle que celle de la figure 5, o l'épaisseur du guide optique varie périodiquement, l'épaisseur effective du guide varie donc elle aussi périodiquement Cette périodicité dans les conditions de propagation crée le réseau de dif- fraction. Dans un réseau à ondulation, l'effet de celle-ci est limité à la zone du guide située à proxi- mité de la surface corruguée et ne s'étend pas à la totalité du guide Dans un réseau d'indice (figure 4) les zones d'indices différents peuvent affecter la to- talité du guide Il en résulte que l'efficacité d'un réseau corrugué est en général plus faible que celle d'un réseau d'indice On compensera cette faiblesse en donnant au réseau une longueur plus grande. Les avantages de l'invention sont clairs. Grâce à la présence du réseau de diffraction, le vec- teur d'onde du rayonnement incident, vecteur qui dicte la propagation de l'onde, se trouve modifié en vec- teurs d'onde adaptés aux directions des guides de sor- tie L'optimisation du transfert d'énergie est ainsi obtenue, ce qui n'était pas le cas dans l'art anté- rieur De ce fait, les pertes par diffraction dans les coins D et E sont réduites. En ce qui concerne le phénomène de conver- sion de mode, on peut observer ceci Le réseau utilisé a une faible résolution en longueur d'onde, parce qu'il comprend un faible nombre de "traits" En effet, comme il a été exposé plus haut, le pas du réseau est de l'ordre du micromètre, alors que la largeur du guide d'onde est de l'ordre de 8 à 10 1 lm Le réseau ne comprend donc pas plus d'une dizaine de traits La faible résolution qui en découle entraîne que l'éner- gie d'un mode d'ordre élevé, tel qu'il résulte du phénomène de conversion évoqué plus haut, sera dif- fractée vers les deux guides 21 et 22 avec un très faible écart angulaire par rapport au mode fondamen- tal De cette manière, les pertes dues à la conversion de mode se trouvent réduites par rapport à l'art anté- rieur. En outre, il est toujours possible de chan- ger la forme du réseau pour améliorer la distribution de l'énergie On peut par exemple donner aux différen- tes zones du réseau des longueurs différentes, par exemple courte sur les bords du guide et grande au Ci centre. Enfin, l'ouverture angulaire 28 peut être grande (par exemple plusieurs dizaines de degrés), ce qui réduit considérablement les phénomènes de couplage entre guides de sortie Les inconvénients évoqués plus haut sont donc bien évités. La structure qui vient d'être décrite peut être constituée de matériaux à fort coefficient élec- tro-optique (Li Nb O 3, In P, Ga As, etc) On peut alors disposer des électrodes au voisinage de la jonction, pour obtenir une modulation de la lumière Le phénomè- ne mis en oeuvre est un peu différent de celui des modulateurs classiques Il peut être expliqué à l'aide de la figure 3, déjà décrite et de la figure 6 qui représente un réseau d'indice 24 inséré entre deux électrodes 30, 31; la première est reliée à la masse et la seconde est portée à une tension V réglable Le champ électrique appliqué au matériau électro-optique constituant le réseau modifie les indices N 1 et N 2 des différentes zones du réseau donc l'écart An, et par conséquent le paramètre x évoqué plus haut Si la ten- sion V appliquée est modulée entre deux valeurs V 1 et v 2, cela équivaut à une variation de x entre deux va- leurs X 1 et x 2 > Si l'on se reporte à la figure 3, on voit que l'énergie diffractée dans les ordres + 1 et -l varie alors entre deux valeurs E 1 et E 2, On obtient ainsi une modulation de la lumière dans les deux gui- des de sortie 21 et 22 (et naturellement dans le guide 23). A titre d'exemple, les quelques valeurs nu- inériques suivantes peuvent être indiquées: répartition de l'énergie: 34 % dans les deux guides extrgmes 21 et 22 et 8 % dans le guide central 23, avec x=l,9, ce qui correspond sensiblement au point M de la figure 3, répartition égale dans les trois guides de sortie (point N) avec x de l'ordre de 1,4 à 1,5, avec un guide de Ti:Li Nb O 3 de largeur 8 im, O = 30 à la longueur d'onde de 1,55 ihm; le pas p du réseau est de 1,4 am et la longueur L est égale à 78 im; le paramètre x vaut 1,9; pour e = 45 , X = 1,55 mn, p = 1,0 Dam et L = 60 lim, le paramètre x est égal à 1,45. En ce qui concerne la fabrication du dispo- sitif qui vient d'être décrit, on peut utiliser des techniques connues telles que celles qui sont décrites dans l'article de PUN Eo Y B et YI-YAN Alfredo intitu- lé "Fabrication of Periodic Waveguides by Ion Exchan- ge" publié dans la revue ''Applied Physics Letters", 38, 9, p 873-874 (Mai 1981) ainsi que dans l'article de PUN E Y B Ot WONG K K, ANDONOVIC I, LAYBOURN P J R et DE LA RUE R M intitulé "Efficient Wave Guide BraggDeflection Grating on Li Nb O 3 " publié dans la revue Electronics Letters 18, 17, p 740-742 (Août 1982). Les figures 7 à 10 montrent quelques étapes de procédés de fabrication possibles. Sur la figure 7, tout d'abord, on dépose sur un substrat 40, une couche 41 de matériau dopant (fi- gure a) puis une couche 42 de photorésine (figure b) laquelle est insolée (figure c) à travers un masque 43 percé d'ouvertures 44 Après développement, il subsis- te des bandes 45 de résine séparant des ouvertures 46 (figure d) A travers ces ouvertures une attaque chi- mique ou ionique de la couche 41 est effectué Ensuite on retire les bandes de résine 45, ce qui laisse sub- il sister des bandes de dopant 47 sur le substrat 40 (fi- gure e). Un autre procédé qui mène au même résultat consiste à effectuer sur le substrat 40 un dépôt d'une couche 51 de photorésine (figure f), à insoler cette couche à travers un masque 52 percé d'ouvertures 53 (figure g) Après développement, il subsiste des ban- des 54 de résine (figure h) On effectue ensuite un dépôt d'une couche métallique 55 (figure i) puis, par enlèvement ("lift-off"), on fait disparaître les par- ties de cette couche métallique qui recouvrent les bandes de résine On obtient alors le motif de la fi- gure e. Ayant obtenu ce motif soit par une voie, soit par l'autre, le procédé se poursuit comme indiqué sur la figure 8 Les bandes 47 sont alors constituées d'un matériau dopant, lequel diffuse dans le substrat Cette diffusion est essentiellement transversale mais comporte également une partie latérale Cette diffusion est schématisée par les flèches de la figure a Après diffusion on obtient une couche de guidage 50 de dopage continu tel qu'illustré sur la figure b. Au lieu d'utiliser la diffusion d'un dopant, on peut avoir recours à un procédé d échange ionique, comme indiqué sur la figure 9 Les zones 47 sont alors constituées par un masque qui recouvre le substrat. Mise au contact avec une solution ionique 54, cette structure est le siège d'un échange ionique Par exem- ple des ions Na+( 56) provenant du substrat de verre s'échangent avec des ions Ag++ ( 58) provenant de la solution Cet échange s'effectue préférentiellement selon une direction transverse, mais également selon une direction latérale (flèches de la partie a) Dès que l'échange icngiueestterminé,1 e rnmase 47 estretiré La couche de guidage 60 obtenuefinalement est encore con- 12 - tin C et est représentéesur la partie b EU est analo- gue à c du masque alors que, dans le cas précédent, la diffu- sion y était minimum Dans les deux cas, la couche de guidage ( 50 ou 60), sur son substrat 40, voit son in- dice varier périodiquement. La figure 10 illustre un dernier procédé-de fabrication Sur un substrat 40 revêtu d'une couche de guidage 64 (figure a) on dépose une couche 66 de pho- torésine (figure b) Celle-ci est insolée par deux rayonnements cohérents 67 et 68 qui interfèrent sur la photorésine (figure c) Les franges d'interférence ainsi obtenues permettent, après développement, d'ob- tenir une couche de photorésine 70 d'épaisseur pério- dique (figure d) Par usinage ionique, à travers cette couche (figure e), on obtient une couche de guidage ondulée 72 surmontant le substrat 40. REVENDICATIONS 1 Structure de guidage optique comprenant un guide d'entrée monomode ( 20) ayant une certaine di- rection (De), deux guides de sortie monomode ( 21, 22) ayant des directions (Ds 1, Ds 2) inclinées de manière symétrique par rapport à la direction (De) du guide d'entrée et une zone évasée de jonction ( 25) entre le guide d'entrée et les guides de sortie, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un réseau de diffrac- tion ( 24) disposé entre le guide d'entrée-et la jonc- tion, ce réseau ayant un pas qui définit seulement deux directions de diffraction d'ordres différents de zéro, respectivement + 1 et -1, ce pas étant choisi pour que ces deux directions de diffraction coincident avec les directions des deux premiers guides de sor- tie. 2 Structure selon la revendication 1 ca- ractérisée en ce qu'elle comprend un troisième guide de sortie monomode ( 23) situé entre les deux premiers et ayant même direction que celle du guide d'entrée. 3 Structure selon la revendication 1, ca- ractérisée en ce que le réseau est encadré par deux électrodes rents. 4 Structure selon la revendication 1, ca- ractérisée en ce que le réseau ( 24) est un réseau d'indice. Structure selon la revendication 1, ca- ractérisée en ce que le réseau ondulation de l'épaisseur de la couche de guidage.