Brevet FR2552235A1 — publié le 19850322

La présente invention concerne d'une part des coupleurs à prisme destinés à coupler la lumière à l'entrée et à la sortie de guides d'ondes optiques et d'autre part des procédés en permettant la fabrication. Selon un aspect de la présente invention, il est prévu un procédé de fabrication d'un coupleur à prisme, comprenant les étapes de mise en place d'un prisme à la surface d'un guide d'ondes optiquement planpour que la zone située entre les deux éléments possède une forme permettant un couplage opti10 mal de l'énergie optique entre lesdits éléments, ainsi que la fixation du prisme sur le guide d'ondes sans provoquer de déformation dudit guide d'ondes. Selon un autre aspect de la présente invention, il est prévu un 15 coupleur à prisme comprenant un guide d'ondes optiquement platainsi qu'un prisme mis en place sur la surface du guide d'ondes de telle manière que la zone placée entre les deux éléments possède une forme autorisant un couplage optimal de l'énergie optique entre lesdits éléments, ainsi que des moyens permettant de fixer le prisme sur le guide d'ondes sans provoquer de déformation dudit guide d'ondes. Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant détaillés dans la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées 25 qui représentent: la figure 1, un coupleur à prisme de base classique, les figures 2 a et 2 b, respectivement le profil optimal de l'interstice et la courbe gaussienne de distribution de puissance du faisceau en fonction de la longueur dans la zone de couplage, 30 la figure 3, un autre coupleur à prisme classique, les figures 4, 5 et 6, des structures de coupleurs proposées par la présente invention, la figure 7, sous forme schématique, un agencement réalisable reprenant la formule proposée à la figure 4. Parmi tous les moyens employes pour coupler la lumière à l'entrée et à la sortie de guides d'ondes optiques, le coupleur à prisme est le plus répandu Fondamentalement, comme le représente la figure 1, il se compose d'un prisme 1, d'une couche intermédiaire 2 2 2552235 et d'un guide d'ondes 3, celui-ci reposant sur un substrat 4 L'indice de réfraction du substrat 4 est no, celui du guide d'ondes 3 nl, celui de la couche 2 N 2 et celui du prisme 1,n 3 Le prisme est réalisé dans un matériau possédant un indice de réfraction supérieur 5 à celui du guide d'ondes et la couche intermédiaire dans un matériau possédant un indice de réfraction inférieur; cette couche est souvent constituéepar un interstice d'air A I'intérieur du coupleur, la progression est la suivante: N 3 > N 1) no et N 2 La lumière réfléchie totalement vers l'intérieur à o 10 l'interface prisme-couche s'accompagne d'un champ évanescent pénétrant à travers la couche et dans le guide d'ondes On se trouve donc en présence d'un guide d'ondes couplé,dans lequel l'énergie lumineuse est véhiculée vers l'intérieur ou vers l'extérieur du guide de surface 3. Le fonctionnement des coupleurs à prisme est délicat à évaluer et dépend de plusieurs facteurs difficiles à maîtriser Bien que des coupleurs à prisme de très haut rendement (> 90 %) aient été signalés, il semble difficile d'obtenir les zones de couplage de façon reproductibé, en particulier pour les dispositifs à 20 large ouverture (ex 10 mm). L'une des principales difficultés rencontrées lors de la fabrication des coupleurs est de parvenir à maîtriser le processus de formation de la couche ou de l'interstice entre le prisme et le guide d'ondes Idéalement, la couche ou l'interstice devraient avoir une épais25 seur variantcomme l'indique la figure 2 a, pour la distribution de puissance gaussienne du faisceau d'entrée de la figure 2 b Dans la plupart des coupleurs à prisme classiques, une déformation élastique du substrat du guide d'ondes réalise le profil voulu Ainsi, dans une réalisation connue il30 lustrée à la figure 3, un prisme à base plane 5 et un guide d'ondes 6 reposant sur le substrat 7 sont pressés l'un contre l'autre entre deux enclumes 8 et 9 Un faible interstice se forme dans la zone entourant l'axe commun aux deux enclumes, là o le substrat du guide d'ondes a été déformé, donnant ainsi naissance à une zone de coupla35 ge Les coupleurs à prisme de ce type doivent être associés à des guides d'ondes pouvant être déformés sans casser, ce qui signifie qu'en général il faut faire appel à des substrats "fins". Malheureusement, ce type de substrat a tendance à gauchir 3 2552235 et à ne pas être optiquement plan Par exemple, un substrat à coupe Y en Li Nb 03 de 0,5 x 26 x 45 mm présentait à la mesure un écart de planéité de + I pm le long des 26 mm de l'axe Z En fait, si la surface du guide d'ondes et celle du prisme étaient pla5 nes et si elles pouvaient être rapprochées jusqu'à environ la moitié de la longueur d'onde de la lumière utilisée, une zone de couplage se formerait sur toute la base du prisme; or ce phénomène n'a pas été observé Pour formerune zone de couplage, il est en général nécessaire de presser ensemble un prisme et un guide d'ondes en 10 appliquant une force de plusieurs kilogrammes, l'essentiel de cette force étant utilisé pour aplanir la surface du guide d'ondes Cependant, le processus n'est pas reproductible et la force nécessaire à la formation des zones de couplage est indésirable dans la mesure o la surface des prismes peut être détériorée par des contraintes éle15 vées et o le substrat peut se casser La concentration de contraintes élevées autour des zones de couplage peut donner naissance à des microfissures pouvant nuire au rendement du coupleur à prisme et accroôtre les pertes optiques dans le guide d'ondes D'autre part, une installation relativement complexe et onéreuse doit être prévue pour 20 réaliser le pressage du prisme et du guide d'ondes. Pour réduire au minimum le coût des coupleurs à prisme, il est souhaitable de s'affranchir de la mise en oeuvre d'équipements complexes et, alors que le prisme pourrait simplement être collé au guide d'ondes à l'aide d'un composé époxy ou de tout autre agent 25 adhésif, les pressions importantes (de l'ordre de I kg mm 2) nécessaires à la formation des zones de couplage des coupleurs décrits cidessus rendraient cette opération difficile à réaliser. Plusieurs coupleurs à prisme sont connus, mais leur prix de revient est élevé, leur efficacitéest difficilement contrôlable et 30 leur structure complexe. La présente invention a donc pour objet de proposer des agencements pratiques, dont l'efficacité peut facilement être contrôlée, permettant de coupler la lumière entrant ou sortant de guides d'ondes optiquement plans en Li Nb 03, ou encore d'autres formes de guides d'ondes comme des guides en bande et des guides faisant appel à d'autres matériaux que le Li Nb 03, notamment ceux travaillant en dehors du spectre visible. Pour obtenir l'interstice nécessaire, au lieu d'appliquer 4 2552235 une pression entre le prisme et le guide d'ondes pour déformer celuici, la surface du guide d'ondes proposé dans la présente invention est maintenue optiquement plane dans la zone o le prisme et le guide d'ondes doivent être en "contact" En général, ce contact ne peut pas être réalisé dans la mesure o des particules de poussière et des défauts superficiels maintiendront le prisme et le guide d'ondes éloignés l'un de l'autre d'une fraction de micron Il est indispensable que la surface du guide d'ondes soit optiquement plane pour éviter l'apparition de contraintes mécaniques élevées dans la zone de 10 couplage L'interstice est obtenu en jouant sur la configuration de la base du prisme ou en utilisant des pièces d'écartement placées entre le prisme et le guide d'ondes pour créer entre ces deux éléments une zone dont la forme assure un couplage optimal Les pièces d'écartement peuvent être constituées par un film mince d'aluminium déposé 15 par évaporation, par exemple, qui sera déposé sur le guide ou à la surface du prisme Il est important que la surface du guide d'ondes soit optiquement plane pour éviter l'apparition de contraintes mécaniques élevées dans la zone de couplage La structure représentée à la figure 4 met en oeuvre un prisme 10 à base courbe reposant sur un guide d'on20 des 11 lui-même placé sur un substrat 12 La figure 5 représente une structure de coupleur comprenant un prisme 13 séparé d'un guide d'ondes 14 par un interstice défini par les pièces d'écartement 15 et 16 La figure 6 représente une structure de coupleur comprenant un prisme 17 isolé d'un guide d'ondes 18 par une pièce d'écartement trapézoldale 19. 25 Dans les deux cas, les pièces d'écartement peuvent être mises en place sur le prisme et/ou sur le guide d'ondes L'interstice n'étant pas obtenu par déformation de matériau, il ne sera pas nécessaire d'appliquer une force importante pour presser l'un contre l'autre le prisme et le guide d'ondes; certains paramètres comme la longueur de couplage et le profil 30 de l'interstice pourront donc mieux être contr 8 lés qu'auparavant. Les prisns possédant une base partiellement cylindrique peuvent être utiliséspour réaliser des coupleurs semblables à celui de la figure 4, possédant un profil d'interstice pratiquement optimal La longueur de couplage et le profil de l'interstice peuvent 35 être contr 8 lé par l'intermédiaire du rayon de courbure de la base du prisme qui peut par exemple s'établir dans la fourchette 100-1000 mm. D'autres formes courbes peuvent également être employées pour la base du prisme comme, par exemple, la forme parabolique. 2552235 Pour éviter tout phénomène de gauchissement, les guides d'ondes optiquement plans peuvent être obtenus à partir de substrats plus épais que ceux employés jusqu'ici L'épaisseur des substrats la plus couramment rencontréeactuellement oscille entre 0,5 et I mm. L'expression "optiquement plan" correspond à une planéité supérieure à environ ?/4, X étant la longueur d'ondes de la lumière utilisée. Pour obtenir la planéité voulue, il est possible de polir des substrats plus épais que la normale (plusieurs mm d'épaisseur); quant aux substrats moins épais que la normale, tels que ceux utilisés ac10 tuellement, ils peuvent être collés sur un support avant d'être polis. Etant donné que, dans ce cas, le substrat sera fixé définitivement sur son support, cette formule ne pourra pas toujours être utilisée. L'exemple de coupleur à prisme de la figure 7 comprend un prisme 20 à base partiellement cylindrique, un guide d'ondes plan 21 reposant sur un substrat 22,avec support 23,ainsi que des moyens, notés symboliquement par la flèche 24, permettant d'appliquer une légère pression, suffisante pour maintenir le prisme en place. Comme il suffit d'une force réduite pour maintenir ensemble le prisme et le guide d'ondes, le prisme pourra être simplement collé à la 20 surface du guide d'ondes à l'aide, par exemple, d'une composition époxy pour matériaux optiques tel que le "EPO-TER 353 ND" de Epoxy Technology Inc (Etats-Unis) L'utilisation d'un agent adhésif augmentera l'indice de réfraction de l'interstice; cet indice ne doit pas toutefois dépasser la valeur de celui du guide d'ondes et les champs évanes25 cents présents dans la zone de l'interstice disparaîtront moins rapidement et allégeront la tolérance imposée à la couche devant être obtenue. En raison de leur simplicité et de leur faible coût potentiel, les coupleurs à prisme et les procédés de fabrication proposés dans la présente invention permettent de coupler la lumière entrant et sortantde dispositifs optiques intégrés commercialisés, notamment les explorateurs optiques à cristal de Braggs, les analyseurs de spectre et d'autres équipements de traitement-des signaux. L'un des avantages des coupleurs à prisme proposés par la 35 présente invention est qu'ils permettent de contr 8 ler les conditions de couplage; ils ne nécessitent qu'une force réduite pour maintenir 6 2552235 ensemble le prisme et le guide d'ondes; l'agencement du coupleur est simple; enfin, la fabrication de coupleurs simples et peu onéreux grace au collage du prisme sur le guide d'ondes peut être automatisée. Il est bien évident que les descriptions qui précèdent ont été données qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un coupleur à prisme, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de mise en place d'un prisme ( 10) à la surface d'un guide d'ondes ( 11) optiquement plan, de manière que la zone située entre les deux éléments possède une forme permettant un couplage optimal de l'énergie optique entre lesdits éléments et de fixation du prisme sur le guide d'ondes sans provoquer de déformation dudit guide d'ondes. 2 Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la surface du prisme ( 10) faisant face au guide d'ondes ( 11) possède une section transversale courbe. 3 Procédé conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que la surface du prisme ( 10) faisant face au guide d'ondes ( 11) possède 15 une section transversale partiellement cylindrique. 4 Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la surface du prisme ( 13) faisant face au guide d'ondes ( 14) est sensiblement plane et en ce que des pièces d'écartement ( 15, 16) sont prévues entre le prisme et le guide d'ondes pour donner la configuration voulue à ladite zone. 20 5 Procédé conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que les pièces d'écartement sont constituées par des films minces déposés sur le prisme et/ou le guide d'ondes. 6 Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la surface du prisme ( 17) faisant face au guide d'ondes ( 18) est très plane et en ce qu'une pièce d'écartement trapézoïdale ( 19) est disposée entre le prisme et le guide d'ondes. 7 Procédé conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le prisme est fixé sur le guide d'ondes par un composé adhésif. 8 Procédé conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que le composé adhésif est une composition époxy pour matériaux optiques. 9 Coupleur à prisme caractérisé en ce qu'il comporte un guide d'ondes ( 11) optiquement plan, un prisme ( 10) placé sur ledit guided'on35 des de façon que la zone existant entre ces deux éléments ait une configuration propice au couplage optimal de l'énergie optique s'y trouvant: et des moyens permettant de fixer le prisme sur le guide d'ondes sans provoquer de déformation dudit guide d'ondes. 8 2552235 Coupleur à prisme conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que la surface du prisme ( 10) faisant face au guide d'ondes ( 11) possède une section transversale courbe. 11 Coupleur à prisme conforme à la revendication 10, carac5 térisé en ce que la surface du prisme ( 10) faisant face au guide d'ondes ( 11) possède une section transversale partiellement cylindrique. 12 Coupleur à prisme conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que la surface du prisme ( 13) faisant face au guide d'ondes ( 14) est très plane et en ce que des pièces d'écartement ( 15, 16) sont prévues 10 entre le prisme et le guide d'ondes pour donner la configuration voulue à cette zone. 13 Coupleur à prisme conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que la surface du prisme ( 17) faisant face au guide d'ondes ( 18) est très plane et en ce qu'une pièce d'écartement trapézoidale ( 19) couvrant 15 toute la zone est prévue entre le prisme et le guide d'ondes. 14 Coupleur à prisme conforme à l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que les moyens de fixation consistent en un composé adhésif. Coupleur à prisme conforme à la revendication 14, carac20 térisé en ce que le composé adhésif est une composition époxy pour matériaux optiques. 16 Coupleur à prisme réalisé selon un procédé conforme à l'une des revendications I à 8.