Brevet FR2559915A1 — publié le 19850823

La présente invention concerne un composant opti- que à guides d'ondes intégrés comprenant un corps monocris- tallin qui présente une surface supérieure plane munie de guides d'ondes et des surfaces d'extrémité planes parallèles, le cristal considéré ayant des plans de clivage suivant les- quels les liaisons cristallines sont plus faibles que les autres liaisons du cristal, en sorte que le clivage du cristal est facilité suivant ces plans de clivage, et le cristal présente des indices de réfraction relativement grand et relativement moindre dans deux directions ortho- gonales, en sorte que peut être défini un axe optique dans la direction duquel l'indice de réfraction du cristal a une valeur donnée indépendante de la direction de polarisa- tion d'un rayon lumineux incident, et les plans de clivage ont une inclinaison donnée par rapport à l'axe optique. Dans le domaine de la transmission d'information par voie optique, il est essentiel que les pertes de trans- mission soient faibles, tant dans les divers constituants du système de transmission qu'au niveau du couplage entre ces constituants. Pour ces systèmes, on connaît des compo- sants à guides d'ondes du type susmentionné, et dans ces composants, l'orientation du corps monocristallin par rap- port à la structure cristalline est telle que l'atténuation et la dispersion de la lumière dans les guides d'ondes soient faibles. Afin que ces composants présentent également de faibles pertes de couplage, les surfaces d'extrémité du corps sont soigneusement polies, et ceci complique la pro- duction de ces composants. On connaît aussi des composants à guides d'ondes dans lesquels les surfaces d'extrémité du corps sont des surfaces de clivage, ce qui procure de fai- bles pertes de couplage. Ces derniers composants sont pro- duits de manière simple, mais l'orientation du corps mono- cristallin par rapport à la structure cristalline est telle que des pertes importantes se produisent dans les guides d'ondes. Ces composants sont par conséquent inutilisables dans de nombreuses applications. Selon la présente invention, on résout les pro- blèmes susmentionnés en choisissant l'orientation du corps monocristallin par rapport à la structure cristalline de telle façon que le couplage lumineux avec les guides d'ondes ait lieu par l'intermédiaire d'une surface de clivage et que la surface supérieure plane du coaposant soit orientée d'une manière particulière par rapport à l'axe optique, de sorte que sont obtenues des propriétés optiques optimales. Les revendications annexées caractérisent précisément l'inven- tion. Un mode de réalisation de l'invention va mainte- nant être décrit en référence aux dessins annexés sur les- quels: la figure 1 est une vue en perspective d'un com- posant optique à guides d'ondes intégrés; la figure 2 représente schématiquement la struc- ture cristalline correspondant au niobate de lithium; la figure 3 montre la manière dont les corps monocristallins sont, dans les composants de l'art antérieur, orientés par rapport à la structure cristalline; la figure 4 montre la manière dont un corps mono- cristallin est, selon la présente invention, orienté par rapport à la structure cristalline; la figure 5 est une vue en perspective d'un corps monocristallin convenant pour un composant à guides d'ondes conforme à l'invention; et la figure 6 est une coupe transversale d'une par- tie d'extrémité d'un composant conforme à l'invention. Sur la figure 1 est représenté à titre d'exemple un composant optique à guides d'ondes intégrés que l'on dénomme "coupleur directionnel". On peut trouver une des- cription plus détaillée à son propos dans l'article "Guided Wave Devices for Optical Communication" de Rod C. Alferness, "IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. QE 17, N 6, juin 1981. Un corps monocristallin 1, par exemple en niobate de lithium LiNbO3 ou en tantalate de lithium LiTaO3, com- porte de facon classique des guides d'ondes lumineuses 3 et 4 sur sa surface supérieure plane 2. Ces guides d'ondes présentent un indice de réfraction plus élevé que celui de la matière cristalline et ils peuvent être formés, par exemple, par diffusion de titane dans le cristal, à une profondeur convenable et en une configuration désirée. La lumière est envoyée dans l'un des guides d'ondes, par exemple 3, au moyen d'un système à lentille ou bien, comme le montre la figure 1, d'une fibre optique 5. La fibre est orientée en direction du débouché du guide d'ondes situé sur la surface d'extrémité 7 du corps, à une courte distance de la surface d'extrémité. La lumière se propage sur une petite partie du cristal et peut être envoyée sur l'autre guide d'ondes 4, le long d'une distance L d'inter- action des guides d'ondes, grâce aux oscillations couplées se produisant entre les guides d'ondes. Ce couplage peut être totalement ou partiellement contrecarré par une ten- sion électrique qui est appliquée aux électrodes métalli- ques 6 placées sur la surface du cristal le long de la distance d'interaction des guides d'ondes. Il est ainsi possible de commander électriquement la distribution de la lumière entre les sorties du composant. Lorsqu'une onde lumineuse est transmise par un composant du type décrit, il se produit des pertes de transmission en partie au niveau des couplages d'entrée et de sortie de l'onde lumineuse des guides d'ondes, et en partie lors du passage de l'onde lumineuse à travers les guides d'ondes. Les pertes de couplage dépendent de la qualité optique des surfaces d'extrémité du cristal dans les zones o débouchent les guides d'ondes, et les pertes dans les guides d'ondes dépendent fortement de l'orientation des guides d'ondes par rapport à la structure cristalline. La manière dont est orienté le corps monocristallin par rapport à la structure cristalline est par conséquent essentielle. La figure 2 représente schématiquement la struc- ture correspondant au niobate de lithium, grâce à l'orien- tation d'un système de coordonnées rectangulaires dont les axes x,y,z sont, par rapport à la cellule élémentaire hexa- gonale, placés de la façon normalement employée pour le niobate de lithium. On peut trouver une description plus détaillée de la structure, par exemple, dans "J. Phys. Chem. Solids", Pergamon Press 1966, Vol. 27, pages 997-1012, "Ferroelectric Lithium Niobate. 3. Single Crystal X-ray Diffraction Study at 24 C". Le niobate de lithium est doté d'un double indice de réfraction et présente son indice de réfraction le plus faible dans la direction de l'axe z et son indice de réfraction le plus élevé dans le plan xy, indépendamment de la direction choisie dans ce plan. Un rayon lumineux 9, ayant la direction de l'axe z, subit, dans le cristal, l'effet de l'indice de réfraction, celui- ci étant constant pour toutes les directions de polarisation situées dans le plan xy. La réfraction d'un rayon lumineux dans cette direction est ainsi indépendante de la direction de polarisation du rayon lumineux et, étant donné que ceci s'applique seulement à l'axe z, cet axe est déterminé sans ambiguïté et définit l'axe optique du cristal. Le niobate de lithium présente des plans de clivage suivant lesquels les liaisons du cristal sont plus faibles que les autres liaisons du cristal. Des plans de clivage 10 sont indiqués sur la figure 2 par des lignes ponctuées, ces plans étant associés à une série de plans de clivage parallèles. Il existe également dans le cristal d'autres séries de plans- de clivage dont l'orientation est, dans le système de coor- données représenté, déterminée par les propriétés de symé- trie du cristal. Les plans font un angle " = 32,75 avec l'axe optique. Le cristal peut être clivé de manière simple suivant ces plans et les surfaces de clivage ainsi obtenues présentent une très bonne qualité optique. Comme on l'a précédemment mentionné, cette propriété est utilisée pour produire des composants à guides d'ondes intégrés à faibles pertes de couplage. La figure 3 représente la manière dont les corps monocristallins sont orientés par rapport à la structure cristalline dans les composants à guides d'ondes connus. Un composant peut avoir un corps monocristallin 11 avec une surface supérieure plane 12, dont la normale est paral- lèle à l'axe z, et des surfaces d'extrémité 13 qui sont parallèles au plan xy. Avec cette orientation, les surfaces d'extrémité sont polies de telle facon que les pertes de couplage soient faibles. Un composant peut également avoir un corps monocristallin 15 avec une surface supérieure plane 16, dont la normale est parallèle à l'axe x, et des surfaces d'extrémité 17 qui consistent en des surfaces de clivage. Avec cette orientation, des guides d'ondes situés sur la surface 16 s'entachent de propriétés optiques indé- sirables, telles que celles qui amènent la rotation du plan de polarisation de la lumière et la diffusion de la lumière dans le cristal. La figure 4 représente la manière dont un corps monocristallin 20 destiné à un composant à guides d'ondes intégrés est, conformément à la présente invention, orienté par rapport à la structure cristalline. Le corps 20 présente des surfaces d'extrémité 21 constituant des surfaces de clivage, et une surface supérieure plane 22 orientée de telle façon que l'axe optique du cristal, l'axe z, se trouve dans un plan défini par les normales respectives nl et n2 aux surfaces d'extrémité 21 et à la surface supérieure 22. La figure 5 représente le corps monocristallin 20 muni de guides d'ondes 23, indiqués sur sa surface supérieure. Le plan que définissent les normales nl et n2 est désigné sur la figure 5 par la référence numérique 24 et il est indiqué par des lignes mixtes. Conformément à ce qui précède, ce plan contient l'axe optique ou axe z du cristal et, pour le niobate de lithium, cet axe fait un angle = 32,75 avec le plan de clivage du cristal. Pour un composant conforme à l'invention, il résulte d'une analyse numérique de la propagation de la lumière dans les guides d'ondes que, pour que les pertes dans les guides d'ondes soient minimales, un rayon lumineux doit arriver sur la surface d'extrémité avec un angle d'in- cidence donné. La figure 6 montre la manière dont un rayon lumineux 25 arrive sur le guide d'ondes 23 avec un angle d'incidence t. Ce guide d'ondes débouche sur la surface d'extrémité 21 du composant, laquelle est perpendiculaire à la surface supérieure 22. Il est cependant souvent sou- haitable, pour des raisons pratiques, que le rayon lumineux ait une incidence parallèle à la surface supérieure du com- posant, comme le rayon indiqué sur la figure 6 en trait interrompu fléché. Comme mentionné précédemment, ceci donne lieu à des pertes si la surface supérieure et la surface d'extrémité sont perpendiculaires. Il est possible de com- penser ces pertes en inclinant la surface d'extrémité d'un angle p, comme indiqué sur la figure 6 par la ligne en trait interrompu. Pour un composant en niobate de lithium, un angle t = 4,0 procure le minimum de pertes dans les guides d'ondes si la surface d'extrémité est perpendiculaire à la surface supérieure. Si le rayon lumineux a une incidence parallèle à la surface supérieure, un angle J= 3,3 pro- cure le minimum de pertes. -2559915 REVENDICATIONS 1. Composant optique à guides d'ondes intégrés, comprenant un corps monocristallin (20) qui présente une surface supérieure plane (22) munie de guides d'ondes (23) et des surfaces d'extrémité (21) planes parallèles, le cristal considéré ayant des plans de clivage suivant les- quels les liaisons cristallines sont plus faibles que les autres liaisons du cristal, en sorte que le clivage du cristal est facilité suivant ces plans de -clivage, le cristal présentant des indices de réfraction relativement élevé et relativement moindre dans deux directions ortho- gonales, en sorte que peut être déterminé un axe optique (z) dans la direction duquel l'indice de réfraction du cristal a une valeur donnée indépendante de la direction de polarisation d'un rayon lumineux incident, et les plans de clivage ayant une inclinaison donnée (c) par rapport à l'axe optique, caractérisé en ce que les surfaces d'extrémité (21) constituent des plans de clivage (10), en sorte que sont classiquement obtenues de faibles pertes dans le couplage lumineux aux guides d'ondes(23), et en ce que la surface supérieure plane est orientée par rapport à la structure cristalline de telle façon que l'axe optique du cristal se trouve dans un plan (24) défini par les normales respectives (n2, nl) à la surface supérieure plane et aux surfaces d'extrémité, en sorte que sont obtenues des conditions avantageuses de propagation dans les guides d'ondes. 2. Composant à guides d'ondes selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'angle entre la surface supérieure plane(22) et les surfaces d'extrémité (21) diffère de l'angle droit par un angle (3) d'au-plus 10 degrés, lequel est l'angle d'incidence optimum pour la matière cristal- line considérée, en sorte que la direction de la lumière incidente puisse être parallèle à la surface supérieure plane.