Brevet FR2545947A1 — publié le 19841116

La présente invention a pour objet un cou- pleur directif électro-optique Elle trouve une appli- cation en optique intégrée. Parmi les diverses formes que peut prendre un coupleur directif électrooptique, la plus simple est celle qui est représentée sur la figure 1 Il s'agit d'un dispositif comprenant une structure de propagation de la lumière, constituée par un substrat contenant deux guides d'onde optiques Gi et G 2 réalisés en un matériau électro-optique Cette struc- ture est recouverte par une structure d'électrodes comprenant deux microbandes conductrices MB et MB' dé- posées sur le substrat et recouvrant au moins partiel- lement les deux guides optiques L'une des électrodes est reliée à une source de tension continue 12, l'au- tre à la masse La lumière pénètre par le guide Gi et ressort par l'un et/ou l'autre des guides Pour des raisons de commodité d'accès, les guides s'éloignent l'un de l'autre à leurs extrémités suivant la forme évasée représentée sur la figure 1. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant Les deux guides sont suffisamment proches l'un de l'autre pour que, par onde évanescente, un couplage existe entre eux Dans chaque guide, la pro- pagation de la lumière est caractérisée par une cons- tante de propagation, respectivement 01 et O 2 ' dont la valeur peut être modifiée par application d'un champ électrique Lorsque deux champs différents sont appli- qués aux deux guides, un "déphasage" t A 3 = 131-D 2 appa- rait On définit alors une longueur de transfert égale à,/2 k, o k est le coefficient de couplage en- tre guides: c'est la longueur minimum des guides né- cessaire à l'obtention d'un transfert total de la lu- mière d'un guide vers l'autre Si le déphasage Ae est nul, on obtient un transfert total du guide d'entrée Gi vers le guide G 2, lorsque la longueur totale du dispositif L est un multiple entier impair de la lon- gueur de transfert t La lumière incidente pénétrant dans le guide Gl ressort alors par le guide G 2 Cet état sera désigné par "état croisé' et sera noté O Si la longueur L du coupleur est un multiple pair de, la lumière ressort par le guide Gi Cet état sera dé- signé par "état direct" et sera noté O. En appliquant une tension à l'une des élec- trodes, on modifie le déphasage A", et l'on peut pas- ser d'un état croisé à un état direct En d'autres termes, on réalise une modulation de l'intensité lumi- neuse extraite de l'un des guides. Une variante plus élaborée de ce dispositif est représentée sur la figure 2 Selon cette variante, deux sections identiques SI et 52 sont constituées de microbandes M 1, M'1 et M 2 M'2 Ces sections présen- tent des déphasages alternés +AO et -An, l'alternance étant obtenue en permutant les connexions électriques d'une section à l'autre. Le fonctionnement de ce dispositif est illustré par le diagramme de la figure 3, qui repré- sente les divers états du dispositif en fonction de deux paramètres, le premier ^"L, proportionnel à la tension V appliquée et qui est porté en abscisses, et le second L/1 qui est fixé pour une configuration don- née et qui est porté en ordonnées Lorsqu'on module la tension V, le point représentatif du système se dépla- ce sur un segment horizontal Les lignes marquées sur le diagramme correspondent aux états purement croisés ou purement directs De préférence, on choisit un seg- ment de modulation tel que 15, qui s'étend entre un état croisé et un état direct Cette modulation peut être obtenue en appliquant une tension de polarisation continue Vc superposée à une tension alternative Vo, L'intérêt de cette structure, dite à déphasage alterné, est de conduire à une tolérance as- sez grande sur la longueur de la zone active Le dis- positif élémentaire de la figure 1 exigeait au con- traire une très grande précision de fabrication Par ailleurs, avec un coupleur à déphasage alterné le fonctionnement est possible dans une large bande spec- trale. Toutes ces considérations sont connues de l'homme de l'art et sont développées, par exemple, dans l'article de H KOGELNIK et R V SCHMIDT, intitu- lé "Switched Directional Couplers with Alternating Ad", publié dans la revue IEEE Journal of Quantum Electronics, vol QE-12, n 7, Juillet 1976, pages 396-401. En pratique, pour alimenter un coupleur di- rectif à déphasage alterné, on s'y prend comme illus- tré sur la figure 4: une tension continue Vc est ap- pliquée aux microbandes MB 1 et MB 2 à travers des ré- sistances R 1 et R'2 (par exemple de l Oka); une ten- sion haute fréquence est appliquée aux microbandes MB et MB 2 par des condensateurs C 1 et C 2 (par exemple de 33 n F) et par des résistances R'1 et R'2 (par exemple de valeur 50 a) Les valeurs des éléments résistifs et capacitifs sont choisies pour que la structure globale soit adaptée en impédance au générateur haute fréquen- ce d'alimentation. Avec un matériau électrooptique connu tel que Li Nb O 3 Ti et avec un rayonnement lumineux à 1,06 im, on obtient, avec un tel dispositif, une lar- geur de bande de modulation de 2,5 G Hz. Un tel dispositif est décrit par P THIOULOU- SE, A CARENCO et R GUGLIELMI dans un article intitu- lé "High-Speed Modulation of an Electrooptic Directio- nal Coupler" publié dans "IEEE Journal of Quantum Electronics", vol QE-17, n 4, avril 1981, pages 535-541. -4 Bien que de tels dispositifs donnent satis- faction, ils se heurtent néanmoins à une difficulté lorsqu'on cherche à augmenter encore la largeur de la bande de la modulation Le temps de réponse du circuit élastique est en effet limité par la valeur des constantes localisées des électrodes et de leurs éléments d'adaptation (circuit R, L, C équivalent). Pour éviter cette difficulté, il a été pro- posé d'utiliser, comme structure d'électrodes, des mi- crobandes adaptées à l'impédance de la source formant ligne de propagation pour l'onde électrique d'alimen- tation On obtient alors une structure à onde progres- sive dans laquelle l'interaction électrooptique se maintient d'un bout à l'autre des guides, la limita- tion ultime étant constituée par la différence des vi- tesses de propagation de l'onde optique et de l'onde électrique dans le matériau considéré. Le schéma électrique équivalent d'une telle structure est représenté sur la figure 5 Le généra- teur 20 possède une impédance interne 22 de valeur Zo, la ligne de propagation 24, formée par les microban- des, présente une impédance caractéristique Zm et cette ligne est bouclée sur une résistance de charge 26 de valeur R 1. Les caractéristiques d'une telle structure sont décrites dans l'article de K KUBOTA, J NODA et 0 MIKANI intitulé "Traveling Wave Optical Modulator Using a Directional Coupler Li Nb O 3 Waveguide" publié dans "IEEE Journal of Quantum Electronics", vol QE-16, N O 7, Juillet 1980, pages 754-760. Dans une telle structure, la largeur de ban- de offerte pour la modulation dépend de l'impédance caractéristique de la ligne formée par les microban- -des Ce résultat est illustré sur le graphique de la figure 6, tiré de la dernière référence La fréquence est portée en abscisses et exprimée en G Hz et la ré- ponse de la structure en ordonnées Les courbes cor- respondent à une impédance interne Zo du générateur égale à 50 Ohms, une résistance de charge R 1 de Ohms et une longueur d'électrodes de 16 mm Les courbes correspondent à différentes valeurs de l'impé- dance caractéristique Zm de la ligne Lorsque ZM est inférieure à 50 a, la largeur de bande à 3 d B se rétré- cit Au-dessus de 50 fl, la largeur de bande est à peu près la même qu'à 50 Q mais la désadaptation de la ligne provoque l'apparition d'un taux d'onde station- naire et d'une réflexion de l'onde électrique préjudi- ciable au bon fonctionnement de l'ensemble En prati- que donc, on donnera à la ligne électrique une impé- dance caractéristique de 50 Q La largeur de bande sera alors portée à environ 3,6 G Hz. Le problème est alors de concevoir une structure d'électrodes présentant une impédance don- née La question n'est pas simple du fait de la forme très particulière de la ligne, formée de deux micro- bandes conductrices parallèles déposées sur un subs- trat isolant Le dernier article cité envisage le cas de deux structures particulières, respectivement sy- métrique et asymétrique, qui sont représentées sur les figures 7 a et 7 b La première est formée de deux mi- crobandes identiques, de largeur W, espacées d'un in- tervalle G La seconde est formée d'une microbande de largeur W, et d'une microbande de largeur très grande devant W, les deux bandes étant séparées par un inter- valle G L'impédance caractéristique Zm de chacune de ces lignes est représentée sur le diagramme de la fi- gure 8 o W/G est porté en abscisses et Zm en ordon- nées Les deux courbes correspondent aux deux cas des figures 7 a et 7 b Pour la ligne symétrique, on obtient une impédance caractéristique de 50 N pour W = 1,6 alors que pour la structure asymétrique W/G doit être proche de 0,5 pour obtenir la même impédance D'o ce résultat que, à impédance donnée, la largeur W est beaucoup plus faible dans une structure asymétrique que dans une structure symétrique. A titre d'exemple, on peut choisir, pour obtenir une impédance de 50 Q: une ligne symétrique telle que: G = 5 W = 8 G = 13 W = 20,8 une ligne asymétrique telle que: G = 5 W = 2,5 G = 13 W = 6,5 le tout exprimé en micromètres. Du fait de ses électrodes plus larges, la ligne symétrique offre les avantages suivants sur la ligne asymétrique: le recouvrement de guides optiques larges et faiblement séparés ( la bande passante, qui est affectée égale- ment par les pertes comme le montre le dernier article cité, est plus large, la fabrication est facilitée. Pratiquement, un coupleur directif électro- optique à onde progressive se présente comme illustré sur la figure 9: l'une des microbandes MB reçoit, à l'une de ses extrémités, l'onde électrique d'excita- tion par le conducteur central 30 d'un coaxial 32, le conducteur extérieur de ce coaxial étant à la masse et étant relié à l'autre microbande MB' L'onde électri- que est extraite à l'autre extrémité de la ligne par un conducteur 30 ' et est dissipée dans une charge adaptée 31 de 50 N On observera soigneusement que les cou- pleurs à onde progressive qui viennent d'être décrits sont des dispositifs à une seule section et qu'il n'a pas été question d'utiliser la structure à déphasage alterné, telle qu'elle a été représentée sur la figure 2 C'est qu'en effet les deux structures se concilient très difficilement Cependant, un dispositif a été proposé, pour tirer parti simultanément des qualités de la structure à déphasage alterné et des avantages de la structure à onde progressive Ce dispositif est décrit dans un article de U LANGMANN et D HOFFMAN, intitulé " 200 ps stepped-Ae- operation of an integrated optical directional coupler switchv publié dans les Comptes-Rendus du 8 e Congrès European Conference on Optical Communication ECOC de Cannes ( 1982, session BIII, optique intégrée, pages 234-237). Ce dispositif est représenté sur la figure Il comprend une structure d'électrodes asymétri- ques MB, MB' alimentée par un générateur d'onde haute fréquence et une structure de guidage optique formée de deux guides Gl et G 2, qui ne sont pas situés sous les bandes MB et MB' mais sous des microbandes mb, mb' Ces dernières sont reliées aux bandes MB et MB' par des conducteurs 40, de manière à ce que les micro- bandes mb, mb' recouvrant l'un des guides soient re- liées alternativement à l'une et à l'autre des bandes MB et MB'. La combinaison de la structure progressive, et de la structure à déphasage alternée est donc obte- nue en juxtaposant deux sous-ensembles remplissant les deux fonctions en question et en les réunissant par des conducteurs alternés. Cette structure présente de nombreux incon- vénients: elle est manifestement d'une grande complexité, le recouvrement entre les structures électrique et optique est mauvais, la ligne à onde progressive est asymétrique, ce qui conduit aux inconvénients énoncés plus haut, les connexions 40, qui introduisent des impédances parasites, limitent le fonctionnement en haute fré- quence. Après cet exposé de l'art antérieur, il faut retenir qu'il est très difficile de réunir, dans une même structure, les avantages des coupleurs à onde progressive et ceux des coupleurs à déphasage alterné. La présente invention a justement pour but de résoudre ce problème en proposant une structure très simple, à ligne de propagation symétrique et à déphasage alterné En tant que structure progressive, elle conduit à une très large bande passante; étant symétrique, elle possède des pertes réduites, avec les avantages qui en découlent (cf supra); enfin, étant à déphasage alterné, les tolérances sur la longueur des sections ne sont pas rigoureuses. Tous ces buts sont atteints, selon l'inven- tion, grâce à une structure qui se caractérise par trois points: a) la structure d'électrodes comprend, dans chaque section, trois microbandes parallèles, de même lar- geur, la première et la seconde de ces microbandes recouvrant respectivement le premier et le second guides optiques et étant séparées par une largeur donnant à la ligne de propagation qu'elles consti- tuent une impédance caractéristique égale à l'impé- dance d'adaptation souhaitée; la troisième micro- bande est suffisamment écartée de la deuxième pour que sa contribution à ladite impédance caractéristi- que soit négligeable; par ailleurs, la première et la troisième microbandes sont reliées électrique- ment au conducteur extérieur de la ligne d'alimenta- tion et la deuxième microbande au conducteur central de cette ligne; b)le recouvrement du premier et du second guides opti- ques par les première et deuxième microbandes pré- sente une alternance d'une section à la suivante, en ce sens que, pour une première section, c'est la première microbande qui recouvre le premier guide et la seconde microbande qui recouvre le second guide, tandis que pour une seconde section, consécutive à la première, c'est la deuxième microbande qui recou- vre le premier guide et la première microbande qui recouvre le second guide; c)le passage d'une première section à une deuxième section est obtenu par une zone de transition com- prenant: un premier tronçon de microbande incliné reliant la première microbande de la première sec- tion à la troisième microbande de la deuxième sec- tion, un deuxième tronçon de microbande incliné re- liant la deuxième microbande de la première section à la deuxième microbande de la deuxième section et un troisième tronçon de microbande incliné reliant la troisième microbande de la première section à la première microbande de la deuxième section. Les caractéristiques d'un tel dispositif apparaîtront mieux après la description qui suit, d'un exemple de réalisation donné à titre explicatif et nullement limitatif Cette description se réfère à des dessins annexés, qui contiennent des figures déjà dé- crites, à savoir: la figure 1 représente un coupleur direc- tif connu de type simple, la figure 2 représente un coupleur direc- tif connu à déphasage alterné, la figure 3 est un diagramme explicatif du fonctionnement du coupleur précédent, la figure 4 représente un mode particulier de réalisation d'un coupleur à deux sections avec ses composants d'interconnexion, selon l'art antérieur, la figure 5 représente le schéma électri- que équivalent à une structure à ondes progressives, la figure 6 est un diagramme illustrant le comportement en fréquence d'une structure à onde pro- gressive en fonction de son impédance caractéristique, les figures 7 a et 7 b montrent des structu- res d'électrodes symétrique et asymétrique. la figure 8 est un diagramme illustrant la variation d'impédance des structures précédentes en fonction de leurs dimensions, la figure 9 illustre un mode de réalisa- tion d'un coupleur à onde progressive, selon l'art an- térieur, la figure 10 représente une tentative con- nue pour combiner une structure à onde progressive et une structure à déphasage alterné, la figure 11 représente la structure uti- lisée selon l'invention, la figure 12 illustre un exemple de réali- sation d'un coupleur selon l'invention, la figure 13 représente diverses étapes d'un procédé de fabrication du dispositif de l'inven- tion. Le coupleur de la figure 11 comprend deux sections S et S' (mais il pourrait en comporter davan- tage, S" etc) et une zone de transition T La structure d'électrodes comprend, dans chaque section, une première, une deuxième et une troisième microban- des parallèles, de même largeur W, respectivement MB 1, MB 2 et MB 3 La première (MB 1) et la seconde (MB 2) de ces microbandes recouvrent respectivement le premier et le second guides optiques G 1 et G 2 Ces deux micro- bandes sont séparées par un intervalle de largeur G donnant à la ligne de propagation constituée par ces deux microbandes une impédance caractéristique égale à l 1 l'impédance d'adaptation souhaitée, c'est-àdire, en pratique, 50 Q La courbe de la figure 8 permet de déterminer W/G Les exemples donnés plus haut peuvent être retenus La troisième microbande, MB 3, est suffi- samment écartée de la deuxième, MB 2, pour que sa con- tribution à ladite impédance caractéristique soit né- gligeable En pratique, on donnera à l'intervalle en- tre MB 2 et MB 3 une valeur D supérieure à 10 fois la valeur de G et par exemple égale à 20 G La première et la troisième microbandes (MB 1, MB 3) sont reliées élec- triquement au conducteur extérieur de la ligne d'ali- mentation, c'est-à-dire, en pratique, à la masse et la deuxième microbande, au conducteur central de cette ligne. La seconde section du dispositif comprend, comme la première, trois microbandes MB'1 MB'2, MB'3. Les deux premières MB'1 et MB'2 sont écartées d'un intervalle G et la deuxième et la troisième MB'2 et MB'3 de D Mais, dans cette seconde section et selon la deuxième caractéristique du dispositif de l'inven- tion, le recouvrement du premier et du second guides optiques par les première et seconde microbandes MB'1 et MB'2 est symétrique de ce qu'il est dans la premiè- re Cela signifie que, pour la première section S c'était la première microbande MB 1 qui recouvrait lepremier guide G 1 et la seconde microbande MB 2 le second guide G 2,, tandis que pour la seconde section, c'est la deuxième microbande MB'2 qui recouvre le pre- mier guide G 1 et la première microbande MB'1 qui re- couvre le second guide G 2. Le passage entre la première section S et la deuxième S' s'effectue par une zone de transition T comprenant: un premier tronçon de microbande mb 1 re- liant la première microbande MB 1 de la première sec- tion S à la troisième microbande MB'3 de la deuxième section S', un deuxième tronçon de microbande mb 2 re- liant la deuxième microbande MB 2 de la première sec- * tion S à la deuxième microbande MB'2 de la deuxième section, et un troisième tronçon de microbande mb 3 re- liant la troisième microbande MB 3 de la première sec- tion à la première microbande MB'1 de la deuxième sec- tion. Naturellement, cette zone de transition T perturbe la propagation dans la ligne Mais on obser- vera qu'à ses deux extrémités, cette zone de transi- tion présente une impédance de 50 Q, de sorte que, si elle est assez courte, la désadaptation qu'elle intro- duit est faible Par ailleurs, en son centre, cette zone de transition est formée de deux lignes en paral- lèle formées de deux conducteurs écartés de G + D et il est toujours possible de choisir D pour que l'impé- dance de chacune de ces parties soit de 100 n, afin que l'ensemble présente une impédance de 50 Q La va- riation d'impédance le long de la zone de transition est alors pratiquement nulle, puisque cette impédance est égale-à 50 N à chaque extrémité et au centre. La figure 12 montre un exemple de réalisa- tion, qui n'est pas à l'échelle pour plus de clarté. Il correspond à W = 8 gm et D = 100 um L La longueur totale de la zone d'interaction est de 9 mm et la lon- gueur de la zone de transition est de 100 um Pour faciliter les connexions électriques, les électrodes sont courbées pour dégager les entrées-sorties opti- ques. La figure 13 représente diverses étapes d'un procédé de fabrication pouvant être utilisé pour réa- liser le dispositif qui vient d'être décrit Le procé- dé comprend essentiellement les opérations suivan- tes: 1 Préparation d'un échantillon de niobate de lithium et coupe selon l'axe z . 2 Diffusion de titane à haute température dans deux rubans correspondant aux futurs guides d'on- de optique; l'opération s'effectue dans une enceinte contenant du lithium et de l'oxygène; la durée est de 10 h environ et la température de 10000 C On obtient, sur un substrat 50 des guides 51, 52, (figure a). 3 Dépôt d'une couche d'isolement en Si O 2 et d'une couche d'accrochage en Ti/Au par pulvérisation cathodique; sur la figure b le substrat 50 est en Li Nb O 3, la couche 53 en Si O 2 de 3000 A, la couche 54 en Ti ( 200 A) et la couche 55 en Au ( 2000 A). 4 Définition d'un masque selon l'une ou l'autre de deux techniques * masque négatif ou masque positif Selon la variante utilisée, le procédé se poursuit selon deux voies différentes correspondant respectivement aux figures c à h de la colonne de gauche et aux figures i à m de la colonne de droite. A Cas de l'utilisation d'un masque négatif: A 5) Dépôt d'une réserve négative épaisse 56 d'épaisseur supérieure à 3 1 jm (figu- re c), A 6)Mise en place du masque au chrome 57, dont les parties vides dessinent les électrodes et insolation par des ultra- violets (figure d), A 7)Retrait des zones 58 insolées (figu- re e), A 8)Remplissage des vides par de l'or 59, par électrolyse (figure f), A 9)Dégagement de la résine pour ne laisser subsister que des dépôts d'or 59 corres- pondant aux microbandes (figure g), A 10) Usinage ionique de l'or et de la couche d'accrochage Ti/Au (figure h), B Cas de l'utilisation d'un masque positif: B 5)Dépôt par électrolyse d'une couche d'or uniforme 60 (figure i), B 6)Dépôt d'une résine positive mince 61 ( 1 _ 1 m) (figure j) , B 7)Mise en place d'un masque positif 62, alignement et insolation; les parties pleines dessinent les futures électrodes (figure k), B 8)Retrait des zones non insolées, ce qui laisse des microbandes 63 (figure 1), B 9) Usinage ionique de la couche d'or et de la couche d'accrochage Ti/Au (figure m). REVENDICATION Coupleur directif électrooptique, du genre de ceux qui comprennent une structure de propagation de la lumière constituée par un substrat contenant un. premier-guide d'onde optique (Gi) et un second guide d'onde optique (G 2) parallèle au premier, cette struc- ture étant recouverte par une structure d'électrodes comprenant au moins deux microbandes conductrices dé- posées sur le substrat et recouvrant chacune au moins partiellement l'un des deux guides optiques, ces mi- crobandes ayant une extrémité électriquement reliée respectivement au conducteur central et au conducteur extérieur d'une ligne d'alimentation coaxiale elle- même reliée à un générateur d'onde électrique, l'autre extrémité des microbandes étant reliée à une charge adaptée, cette structure d'électrodes se comportant, pour l'onde électrique d'alimentation, comme une ligne t de propagation ayant une certaine impédance caracté- ristique, les dimensions des microbandes (largeur et écartement) étant choisies pour que cette impédance caractéristique ait une valeur déterminée d'adapta- tion, ce coupleur étant caractérisé en ce que, afin de pouvoir utiliser une structure à déphasage alterné comprenant une suite de sections dans lesquelles les déphasages entre les ondes optiques se propageant dans les deux guides ont des signes opposés, a) la structure d'électrodes comprend, dans chaque section, une première, une deuxième et une troisième microbandes parallèles (MB 1, MB 2, MB 3) de même largeur, la première (Gi) ou le second (G 2) guides optiques, ces deux mi- crobandes étant séparées par une largeur donnant à la ligne de propagation constituée par ces deux microban- des une impédance caractéristique égale à l'impédance d'adaptation souhaitée, la troisième microbande étant suffisamment écartée de la deuxième pour que sa con- tribution à ladite impédance caractéristique soit né- gligeable, la première et la troisième microbandes étant reliées électriquement au conducteur extérieur de la ligne d'alimentation et la deuxième microbande au conducteur central de cette ligne, b) le recouvrement du premier (Gl) et du se- cond (G 2) guides optiques par les première et deuxième microbandes alterne d'une section à la suivante en ce sens que, pour une première section, c'est la première microbande (MB 1) qui recouvre le premier guide (Gl) et la seconde microbande (MB 2) qui recouvre le second guide (G 2), tandis que pour une seconde section (S') consécutive à la première (S), c'est la deuxième mi- crobande (MB'2) qui recouvre le premier guide (Gl) et la première microbande (MB'1) qui recouvre le second guide (G 2), c) le passage entre une première section et une deuxième section est obtenu par une zone de tran- sition comprenant: un premier tronçon de microbande incliné (mbl) reliant la première microbande (MB 1) de la première section (S) située sur le premier guide optique (G 1) à la troisième microbande (MB'3) de la deuxième section (S'), un deuxième tronçon de micro- bande incliné (mb 2) reliant la deuxième microbande (MB 2) de la première section (S) située sur le second guide optique (G 2) à la deuxième microbande (MB'2) de la deuxième section (S') située sur le premier guide optique (Gi) et un troisième tronçon de microbande incliné (mb 3) reliant la troisième microbande (MB 3) de la première section (S) à la première microbande (MB'3) de la deuxième section (S') située sur le se- cond guide optique (G 2).