Brevet FR2549237A1 — publié le 19850118

La présente invention concerne l'optique intégrée, et en particulier des convertisseurs de modes optiques TE à TM électro-optiques accordables en longueur d'onde. Un convertisseur de modes optiques TE à TM trans5 forme le mode TE en mode TM dans un guide d'ondes, et inversement On utilise de tels convertisseurs pour fabriquer divers dispositifs optiques intégrés, comme des filtres de longueur d'onde et des transformateurs de polarisation Les filtres de longueur d'onde sont des composants importants 10 pour des applications de multiplexage/démultiplexage dans des systèmes utilisant des ondes lumineuses D'autre part, les transformateurs de polarisation compensent des changements de polarisation parasites qui se produisent en fonction du temps et de la distance dans un signal optique 15 transmis, et ils sont nécessaires pour une catégorie de techniques interférométriques pour le traitement du signal. Des détecteurs hétérodynes et des interféromètres à fibres utilisent de telles techniques et exigent donc un signal optique polarisé dans une direction spécifiée. Dans un type de convertisseur de mode optique, on soumet à un champ électrique prédéterminé un guide d'ondes optique comprenant une matière biréfringente, pour réaliser une conversion de modes TE à TM Bien que la conversion de modes que procure ce dispositif ait une grande sélectivité 25 de longueur d'onde, on sait également qu'on peut accorder la longueur d'onde du mode converti par l'utilisation d'un second champ électrique appliqué au guide d'ondes optique (voir par exemple le brevet US 4 273 411) Bien que l'utilisation d'un second champ électrique procure une gamme d'accord considérable, les tensions exigées pour établir les champs électriques nécessaires pour la conversion de modes et l'accord sont supérieures à ce qui est souhaitable pour des applications particulières concernant la transmission d'ondes lumineuses. Dans l'invention telle qu'elle est revendiquée, les champs électriques établis pour la conversion de modes et l'accord sont confinés dans des régions séparées et sans chevauchement mutuel d'un guide d'ondes optique qui comprend une matière biréfringente Cette séparation spatiale procure une réduction notable des tensions d'alimentation exigées pour les champs électriques de conversion de modes et d'accord Dans les modes de réalisation décrits, on réalise la séparation spatiale des champs électriques par l'utilisation d'une configuration d'électrodes prédéterminée qui 10 est placée autour du guide d'ondes optique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, donnés uniquement à titre d'exemple, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue en perspective raccourcie d'un premier mode de réalisation de l'invention, La figure 2 est une vue en perspective raccourcie d'un second mode de réalisation de l'invention, et La figure 3 est une vue en perspective raccourcie 20 d'un troisième mode de réalisation de l'invention. On va maintenant considérer les dessins sur lesquels la figure 1 montre un convertisseur de modes optiques TE à TM, 100 Le convertisseur 100 comprend un guide d'ondes diélectrique 101, qui permet la propagation d'un 25 seul mode TE et d'un seul mode TM, encastré dans un substrat électro-optique 102 ayant un indice de réfraction inférieur Le guide d'ondes 101 est fabriqué en une matière biréfringente, comme du tantalate de lithium ou du niobate de lithium avec diffusion de titane et, à titre d'exemple, 30 ce guide est en coupe Z avec propagation dans la direction Y. Comme on le sait, la conversion de modes exige l'application d'un champ électrique au guide d'ondes Une conversion de modes TE à TM efficace de type électro-optique 35 dans un guide d'ondes en une matière biréfringente exige un couplage périodique pour réaliser une adaptation de phase entre les modes TE et TM non synchrones Il en résulte que la conversion de modes présente une très grande sélectivité de longueur d'onde et que la longueur d'onde d'adaptation de phase X est fonction de la biréfringence du guide d'ondes et de la période des électrodes, P On peut exprimer cette fonction sous la forme: 2 Ir IN N 21 r ( 1) A NTE NTM p en désignant respectivement par NTE et NTM les indices effectifs du guide d'ondes pour les modes TE et TM Bien qu'on ne puisse pas changer la période des électrodes, P, une fois que le convertisseur de modes est fabriqué, on peut obtenir un ensemble de longueurs d'onde d'adaptation de phase en mettant en cascade un certain nombre de sections 15 d'électrodes, dans lesquelles chaque section possède une période appropriée pour chaque longueur d'onde d'adaptation de phase Il est cependant généralement plus souhaitable de réaliser un réglage ou un accord de la longueur d'onde d'adaptation de phase en modifiant par des moyens électro20 optiques la différence entre les indices effectifs du guide d'ondes, NTE NTM, par l'application d'un second champ électrique au guide d'ondes. Dans le convertisseur 100, des champs électriques pour la conversion de modes et pour l'accord sont établis 25 dans des régions séparées et distinctes du guide d'ondes diélectrique 101 Comme le montre la figure 1, la conversion de modes est produite par des électrodes 103 et 104 qui reçoivent respectivement une tension V et le potentiel de la masse L'électrode 103 comprend un grand nombre de doigts 103-1 à 103-N ayant une période P L'application de la tension V 1 provoque l'établissement d'un champ périodique dans le guide d'ondes Comme il est envisagé dans le brevet US 4 273 411 précité, la composante X du champ est en couplage avec un coefficient électro-optique non diagonal, pouar réaliser la con:version TE à TM. On réalise l'accord de la longueur d'onde d'adaptation de phase par l'utilisation d'électrodes 104 et 105, cette dernière recevant une tension de référence V 2 L'élec5 trode 105 comprend un grand nombre de doigts 105-1 à 105-N. Il n'est évidemment pas nécessaire que les nombres de doigts des électrodes 103 et 105 soient égaux Les doigts 105-1 à 105-N sont entrelacés avec les doigts d'électrode 104-1 à 104-M, mais ils n'ont par ailleurs à satisfaire aucune exi10 gence de périodicité Ainsi, toute période des doigts d'accord qui permet l'entrelacement est acceptable Il est cependant préférable que les doigts du convertisseur de modes et des électrodes d'accord aient la même dimension dans la direction longitudinale du guide d'ondes, et que chaque doigt d'accord soit centré entre deux doigts adjacents du convertisseur de modes La composante Z du champ établi par la différence de potentiel entre les électrodes 104 et 105 assure l'accord de la longueur d'onde d'adaptation de phase. La relation entre la tension d'accord et le décalage de lon20 gueur d'onde d'adaptation de phase est une fonction connue des coefficients électro-optiques du cristal, de l'indice de réfraction du substrat pour chaque mode, de l'espace entre l'électrode d'accord et l'électrode de masse et du chevauchement entre la composante Z du champ électrique d'accord 25 et les champs optiques des modes TE et TM Pour avoir des détails supplémentaires, on se référera à un article de R.C Alferness et L L Buhl, intitulé "Tunable Electrooptic Waveguide TE *-> TM Converter/Wavelength Filter", Applied Physics Letters 40 ( 10), 15 mai 1982, pages 1861-1862. 30 Il faut noter que les doigts de l'électrode 103, associés à la configuration en méandres de l'électrode de masse 104, produisent une conversion de modes dans des régions espacées 106 du guide d'ondes, face à chacun des doigts 103-1 à 103-N La conversion de modes dans des régions 107 est négligeable du fait que la composante X du champ électrique de conversion de modes est faible de façon correspondante dans les régions 107 Dans le convertisseur de la figure 1, on élimine pratiquement le champ électrique de conversion de modes dans les régions 107 en choisissant la distance 5120 entre les électrodes 103 et 104 de façon qu'elle soit grande par rapport à la distance 130 entre les extrémités des doigts 103-1 à 103-N et l'électrode 104 A titre d'exemple, un rapport de 10 à 1 entre la distance 120 et la distance 130 est approprié De façon similaire, les doigts de 10 l'électrode 105 et la configuration de l'électrode de masse 104 produisent l'accord dans les régions de guide d'ondes 107 face à chacun des doigts 105-1 à-105-N Il faut en outre noter-qu'aucun accord ne se produit dans les régions 106, à cause de l'absence de champ électrique d'accord dans ces régions Par conséquent, chaque région d'accord est séparée de la région d'accord immédiatement suivante par une région de conversion de modes du guide d'ondes Cette séparation spatiale des champs électriques produit avantageusement une diminution d'environ 50 % des tensions de fonctionnement V 20 et V 2 exigées. Bien que le convertisseur de la figure 1 convienne pour des guides d'ondes en niobate de lithium avec diffusion de titane ou en tantalate de lithium, la biréfringence élevée de la première de ces matières exige une période d'élec25 trodes très fine, par exemple 18 microns pour une longueur d'onde d'adaptation de phase de 1,32 microns, et des effets de champs électriques marginaux peuvent produire une interaction indésirable entre l'accord et la conversion de modes On peut éviter cette interaction en utilisant les 30 configurations d'électrodes des figures 2 et 3. La figure 2 montre un convertisseur de modes optique TE à TM, 200, qui comprend un guide d'ondes 202 en matière biréfringente qui est encastré dans un substrat électro-optique 202 ayant un indice de réfraction inférieur, 35 comme sur la figure 1 A titre d'exemple, on considère que le guide d'ondes 201 est en coupe Z, avec propagation dans la direction Y La conversion de modes est réalisée par un ensemble d'électrodes 203 et 204 qui sont respectivement connectées à la tension V 1 et à la masse Chacune des électrodes 203 et 204 comprend un ensemble de doigts ayant une période P, et les doigts des électrodes 203 et 204 sont situés directement face à face Il en résulte que la conversion de modes se produit dans des régions de guide d'ondes 207 entre chaque paire de doigts face à face des électrodes 203 et 10 204. L'accord de la longueur, d'onde d'adaptation de phase dans le convertisseur 200 est réalisé par un ensemble d'électrodes 205 et 206, respectivement connectées à une tension de référence V 2 et à la masse Les électrodes 205 15 et 206 sont disposées en paires placées face à face entre des sections successives des électrodes 203 et 204 Le champ électrique d'accord est donc confiné dans des régions 208 du guide d'ondes 201 Il faut noter que des parties correspondantes formant des doigts dans des sections successives des 20 électrodes 203 et 204 doivent être en phase Sur la figure 2, la distance entre de telles parties correspondantes est n P, en désignant par N un entier et par P la période des électrodes du convertisseur de modes Il faut noter que l'obtention d'un accord effectif dans le convertisseur de 25 la figure 2 exige la mise en cascade de nombreux éléments alternés d'électrodes de conversion de modes et d'électrodes d'accord Il est par exemple préférable d'employer au moins 20 sections distinctes de chacune des électrodes 203 à 206. La figure 3 montre une configuration d'électrodes 30 dans un troisième mode de réalisation 300 de l'invention La structure de guide d'ondes 301 et le substrat 302 sont identiques à ceux décrits précédemment, à l'exception du fait que la matière biréfringente du guide d'ondes est en coupe X avec propagation dans la direction Y Des électrodes 303 et 304 qui produisent la conversion de modes sont respective- ment connectées à des tensions V 1 et à la masse et ont des doigts interdigités L'accord est réalisé par des électrodes 305 et 306 qui sont disposées face à face entre des ensembles successifs d'électrodes 303 et 304 La conversion de modes se produit donc dans les régions du guide d'ondes qui se trouvent sous les doigts interdigités des électrodes 303 et 304, sous l'action de la composante X du champ électrique qui est formé entre ces électrodes De plus, l'accord se produit dans les régions du guide d'ondes situées entre les 10 électrodes 305 et 306, sous l'action de 1 a composante Z du champ électrique présent entre ces électrodes Comme sur la figure 2, bien qu'on puisse faire varier la dimension des électrodes 305 et 306 dans la direction longitudinale du guide d'ondes, on doit maintenir la période des doigts d'électrodes de conversion de mode pour que le convertisseur de modes fonctionne efficacement à la longueur d'onde d'adaptation de phase. L'homme de l'art notera qu'on peut employer des matières biréfringentes électro-optiques autres que le nio20 bate de lithium avec diffusion de titane ou le tantalate de lithium pour l'élément de guide d'ondes On peut en outre utiliser d'autres orientations cristallines, comme il est connu dans la technique A titre d'exemple, on peut utiliser pour la conversion de modes n'importe quelle coupe de cris25 tal et n'importe quel champ électrique donnant lieu à un couplage avec un élément non diagonal du tenseur électrooptique, en compagnie d'un champ électrique d'accord approprié qui modifie de manière électro-optique la différence NTE-NTM entre les indices effectifs du guide d'ondes On notera enfin qu'on peut aisément incorporer le convertisseur de modes TE à TM accordable en longueur d'onde conforme à l'invention dans un filtre de longueur d'onde ou un transformateur de polarisation, comme l'indiquent respectivement les brevets US 4 273 411 et 4 384 760. Il va de soi que de nombreuses autres modifica- tions peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Convertisseur de modes optiques TE à TM accordable en longueur d'onde, comprenant un guide d'ondes biréfringent ( 101; 201; 301) capable de guider des modes de 5 signal optique TE et TM, des moyens ( 103, 104; 203, 204; 303, 304) pour convertir l'un de ces modes de signal pour donner l'autre mode, à une longueur d'onde présélectionnée, en produisant un premier champ électrique dans des premières régions ( 106; 207) du guide d'ondes qui sont séparées 10 dans l'espace, et des moyens ( 104, 105; 205, 206; 305, 306) pour décaler la longueur d'onde présélectionnée en produisant un second champ électrique, caractérisé en ce que le second champ électrique est pratiquement confiné dans des secondes régions ( 107; 208) du guide d'ondes qui 15 ne chevauchent pas les premières régions. 2 Convertisseur de modes selon la revendication 1, dans lequel les moyens de conversion de modes comprennent une structure d'électrodes à périodicité spatiale ( 103, 104; 203, 204; 303, 304), caractérisé en ce que les moyens 20 de décalage de longueur d'onde comprennent une seconde structure d'électrodes ( 104, 105; 205, 206; 305, 306) qui est entrelacée avec la première structure d'électrodes. 3 Convertisseur de modes selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les premiè25 res régions ( 106) et les secondes régions ( 107) alternent le long du guide d'ondes.