Brevet FR2598823A1 — publié le 19871120

L'invention concerne un coupleur optoélectronique directionnel pour un signal de commande non polarisé, le coupleur comprenant a) deux conducteurs couplés pour ondes lumineuses qui sont écartés mutuellement l'un de 5 l'autre et qui s'étendent dans une zone de couplage et sont connectés chacun à une sortie de conducteur d'onde sur le coupleur directionnel, b) des électrodes situées dans la zone de couplage, à l'aide desquelles on peut agir au moyen du signal de commande sur le couplage optique 10 entre les conducteurs d'ondes lumineuses couplés. Des coupleurs optoélectroniques directionnels sont utilisés dans de nombreuses applications dans la modulation d'une onde lumineuse ou dans la commutation de signaux lumineux, par exemple dans des circuits de 15 transmission optiques. On peut trouver une description de coupleurs directionnels dans l'ouvrage IEEE Journal of Qantum EleCtronics, volume QE-12, N 7, juillet 1976, H. Kogelnik et R.V. Schmidt; "Switched Directional Couplers with Alternating AS". Les coupleurs directionnels sont 20 conçus pour deux conducteurs d'ondes lumineuses couplés, qui sont généralement connectés à leurs entréeset sorties individuelles du coupleur. On peut agir sur le couplage optique entre les conducteurs d'ondes lumineuses à l'aide d'un signal électrique qui est appliqué à des électrodes 25 situées aux conducteurs couplés d'ondes lumineuses. Les coupleurs directionnels de l'art antérieur possèdent une fonction de transfert selon laquelle il faut que le signal électrique présente un certain niveau de tension continue, à savoir une polarisation électrique, autour duquel le 30 signal de modulation varie. Dans une modulation à haute fréquence, avec des fréquences de modulation d'environ GHz ou plus, le maintien de ce niveau constant pose des problèmes. Une tension variable peut amener un signal optique à être incomplètement couplé et émis à partir des deux sorties du coupleur directionnel. Un modulateur 15 25 35 sans polarisation, du type Mach-Zender, est illustré dans l'ouvrage Appi. Phys. Lett 43(11), Déc. 1983, C.M. Gee, G.D. Thurmond et H.W. Yen: "17 GHz band-width electrooptic modulator". Ce modulateur comporte deux conducteurs d'ondes entre lesquels une onde lumineuse d'entrée est divisée, l'onde lumineuse étant relativement déphasée dans les conducteurs d'ondes respectives. Le modulateur a pour inconvénient de ne posséder qu'une entrée et une sortie ce qui lui interdit toute possibilité de commuter un signal entre deux sorties. Les problèmes mentionnés ci-dessus sont évités conformément à l'invention par un coupleur directionnel qui possède deux sorties et dont le signal de commande ne contient aucune composante de tension continue. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective 'de dessus du coupleur directionnel selon l'invention; - la figure 2 est une coupe transversale du coupleur de la figure 1; - la figure 3 est une vue en plan de dessus du coupleur de la figure 1, montrant sa connexion à une source de lumière et à une source de tension de modulation; - la figure 4 est un diagramme d'une fonction de transfert du coupleur de la figure 1; - la figure 5 montre des diagrammes d'un signal électrique de modulation et d'un signal lumineux modulé correspondant; - la figure 6 est une vue en plan de dessus du coupleur de la figure 1, comportant une autre forme de réalisation des électrodes; la figure 7 est une vue en plan de dessus d'une autre forme de réalisation du coupleur directionnel selon l'invention; et - la figure 8 est une vue en plan de dessus d'une autre variante de réalisation du coupleur directionnel selon l'invention. Une forme de réalisation du coupleur direction5 nel 1 selon l'invention est illustrée sur la figure 1. Le coupleur comprend une tranche 2 de matière optoélectronique, par exemple de niobate de lithium, qui comporte des moyens 4 conducteurs d'ondes et des électrodes 5a et 5b sur sa surface plane supérieure 3. Les conducteurs d'ondes peuvent être réalisés par un procédé tel que la diffusion de titane dans la tranche 2 jusqu'à une profondeur souhaitée. Dans une zone de couplage, les moyens conducteurs d'ondes 4 comprennent deux conducteurs d'ondes couplés, parallèles 6a et 6b de longueur L, situés à un écartement mutuel d. 15 Cet écartement est choisi de façon due la lumière d'un conducteur d'ondes couplé agisse sur l'autre conducteur d'ondes couplé et puisse migrer vers lui. On peut agir sur le couplage à l'aide des électrodes 5a et 5b qui sont de la longueur L et qui s'étendent le long de leur conducteur 20 d'ondes couplé respectif 6a et 6b. A leurs extrémités, les conducteurs d'ondes sont connectés à leurssortiesrespectives 7a et 7b sur le coupleur directionnel 1. A leurs autres extrémités, les conducteurs d'ondes 6a et 6b sont connectés par leur entrée respective à des conducteurs supplémentaires 25 8a et 8b d'ondes lumineuses. Ces derniers conducteurs sont connectés l'un à l'autre et à une entrée 9 de conducteur d'ondes sur le coupleur directionnel I pour former un embranchement. La figure 2 représente en coupe transversale 30 le coupleur directionnel 1, avec les conducteurs d'ondes lumineuses couplés 6a et 6b, réalisés par diffusion, et les électrodes Sa et 5b situées sur la surface plane supérieure de la tranche 2. La figure 3 montre en plan le coupleur 35 directionnel 1. L'entrée 9 des conducteurs d'ondes est i o; À û J :J À :.. / R :: connectée par une fibre optique 10 à un laser 1il illustré schématiquement, qui émet une onde lumineuse P vers le coupleur. Un conducteur 12 connecte l'électrode 5a à une source 13 de signal, illustrée schématiquement, qỉ transmet un signal de commande S à l'électrode 5a. L'électrode 5b est connectée au potentiel de masse et les deux électrodes, qui sont couplées en tant qu'électrodes dites à ondes progressives, sont à terminaison sans réflexion du fait de la présence d'une résistance R connectée entre elles. L'onde lumineuse d'entrée P est divisée dans l'embranchement entre les conducteurs supplémentaires 8a et 8b d'ondes lumineuses en deux ondes lumineuses partielles P1 et P2. Aux entrées sur les conducteurs d'ondes couplés 6a et 6b, les Ondes lumineuses partielles sont mutuellement en phase, et l'embranchement est formé de manière que l'onde partielle P1 possède sensiblement la même puissance que l'onde partielle P2. Si le signal de commande S est égal à zéro, les ondes lumineuses partielles parcourent les conducteurs d'ondes couplés 6a et 6b et sont émises à partir des sorties 7a et 7b. Si le signal de commande prend une valeur S=VO, le couplage est soumis à une action entre les conducteurs d'ondes lumineuses couplés afin que l'onde lumineuse partielle P2 soit commutée du conducteur 6b vers le conducteur 6a. Un signal lumineux P3 de sortie, possédant la totalité de la puissance de l'onde lumineuse P d'entrée, est émis à partir de la sortie 7a conductrice d'ondes. Pour le signe opposé du signal de commande, S=-VO, la totalité de la puissance de l'onde lumineuse d'entrée P est émise à partir de la sortie conductrice 7b. La figure 4 montre la fonction de transfert A du coupleur directionnel 1, cette figure illustrant plus en détail comment la puissance de l'onde lumineuse d'entrée P est répartie entre les sorties 7a et 7b des conducteurs d'ondes en réponse à la force du signal de commande S. On a décrit ci-dessus comment l'onde lumineuse d'entrée P est divisée et commutée entre les conducteurs 5 d'ondes lumineuses couplés. Lorsque la tension du signal est S=IVO, le coupleur directionnel 1 transmet l'onde lumineuse d'entrée P totalement à partir de la sortie 7a ou de la sortie 7b. Cependant, ceci n'a lieu que dans le cas o la longueur L de la zone de couplage est dans une 10 relation donnée avec une longueur Lc de couplage pour les conducteurs d'ondes lumineuses couplés 6a et 6b. On entend ici par longueur de couplage Lc la longueur demandée aux conducteurs d'ondes lumineuses couplés pour qu'une onde lumineuse d'un conducteur soit entièrement commutée sur l'autre conducteur 15 lorsque le signal est S=O. La condition s'appliquant au coupleur directionnel de la figure 3 est L=1/ f x Lc. La figure 5 illustre un exemple de la façon dont l'onde lumineuse P provenant du laser 11 est modulée à l'aide du signal de commande S. Dans ce cas, la ligne a de la figure 5 montre par un diagramme comment le signal de commande S varie avec le temps T entre les tensions +VO et -VO. Le signal de commande représente une information sous la forme de uns et zéros logiques, comme indiqué sous le diagramme. La ligne b de la figure 5 illustre le signal 25 lumineux correspondant P3 qui est émis à partir de la sortie conductrice d'ondes 7a. La figure 6 illustre un coupleur directionnel selon l'invention comportant des conducteurs d'ondes lumineuses 21 de la même réalisation que celle utilisée 30 pour le cduplage directionnel 1 décrit ci-dessus. Deux conducteurs parallèles d'ondes lumineuses couplés 22a et 22b, d'une longueur L1, s'étendent sur une zone de couplage. Ces conducteurs couplés sont connectés par une extrémité aux sorties 23a et 23b du coupleur directionnel 20 et ils sont connectés par leurs autres extrémités l'un à l'autre et j -.- à l'entrée 24 du coupleur au moyen d'un embranchement. Dans la zone de couplage, le coupleur directionnel 20 comporte des électrodes 25a et 25b qui sont divisées en tronçons, à savoir deux tronçons dans cette forme de réalisation. - On peut trouver une description plus détaillée de ce type d'électrode dans l'article de H. Kogelnik et R.V. Schmidt, cité précédemment. En divisant les électrodes en tronçons, on peut réaliser un réglage électrique du couplage entre les conducteurs couplés 10 obtient une commutation à partir de l'une ou de] longueur Ll s'écarte de 1 par suite d'un manque de le coupleur directionnel 15 o Lc est la longueur de La figure 7 réalisation d'un coupleur Le coupleur comprend une nique portant des moyens 22a et 22b. En conséquence, on ?resque complète de la lumière.'autre des sorties, même si la.a longueur souhaitée, par exemple précision de fabrication. Pour 20, on a la relation: L1=1,85xLc, couplage mentionnée précédemment illustre une autre forme de directionnel 30 selon l'invention. tranche 31 de matière optoélectroconducteurs d'ondes 32. Dans une zone de couplage, les moyens conducteurs d'ondes comprennent deux conducteurs couplés parallèles 33a et 33b d'ondes lumineuses, d'is écartement mutuel de d2 et d'une longueur L2. On peut agir sur le couplage de commutation entre les conducteurs couplés d'ondes lumineuses à l'aide de deux..25 électrodes 34a et 34b s'étendant chacune le long de son conducteur respectif 33a ou 33b. Ces conducteurs sont connectés par une extrémité à leurs sorties individuelles a et 35b situées sur le coupleur directionnel. A leurs autres extrémités, les conducteurs sont connectés, chacun 30 par son entrée, à un conducteur supplémentaire 36a et 36b d'ondes lumineuses. Ces derniers conducteurs sont parallèles et s'étendent sur une longueur L3 dans une zone supplémentaire de couplage dans laquelle de la lumière peut être couplée entre les donducteurs supplémentaires. On peut agir sur cette commutation à l'aide d'électrodes supplé- mentaires 37a et 37b qui s'étendent dans la zone de couplage supplémentaire, le long des conducteurs correspondants 36a et 36b d'ondes lumineuses. Ces conducteurs sont connectés par leurs entrées conductrices respectives 38a et 38b sur le coupleur directionnel 30. Le laser 11 est connecté à l'entrée conductrice d'ondes 38b par l'intermédiaire d'une fibre optique 10 et il émet l'onde lumineuse P vers cette entrée. L'onde lumineuse P parcourt le conducteur supplémentaire 36b et est commutée vers le conducteur supplémentaire 36a. La commutation est commandée à l'aide d'une source 39 de tension continue montée entre les électrodes. Il est souhaitable, ici, que la commutation donne une onde lumineuse partielle P4 et P5S, respectivement, aux entrées des conducteurs couplés 33a et 33b, afin que l'onde lumineuse partielle P4 possède sensiblement la même puissance que l'onde lumineuse partielle P5 et que le déphasage mutuel entre les ondes partielles soit sensiblement de 180 . Un calcul des oscillationscouplées apparaissant entre les conducteurs supplémentaires 36a et 36b d'ondes lumineuses montre qu'il est possible de donner la valeur L3 à la longueur de la zone de couplage supplémentaire, la valeur d2 à la distance comprise entre les conducteurs supplémentaires d'ondes lumineuses et la valeur U à la tension de sortie de la source de tension continue d'une 25 manière telle que ce souhait soit satisfait. L'électrode 34a est connectée à la source 13 de signal, l'électrode 34b est connectée au potentiel de masse et les deux électrodes sont couplées sous forme d'électrodes à ondes progressives et connectées l'une à l'autre par la résistance 30 R. La source 13 de signal émet le signal de commande S destiné à commander les ondes lumineuses partielles P4 et P5 entre les sorties 35a et 35b du coupleur directionnel 30, de la manière décrite ci-dessus en regard de la figure 3. Une autre variante d'un coupleur directionnel 35 40 selon l'invention est illustrée sur la figure 8. De même 1 1 - 1 e que dans les formes de réalisation décrites précédemment, le coupleur directionnel 40 comporte une tranche 41 de matière optoélectronique portant, sur sa surface supérieure, des moyens conducteurs d'ondes 42. Dans une zone de couplage, les moyens conducteurs d'ondes comprennent deux conducteurs couplés parallèles 43a et 43b d'ondes lumineuses, d'une longueur L4 et d'un écartement mutuel d4, ainsi que des électrodes 44a et 44b. Les conducteurs 43a et 43b sont connectés chacun par une extrémité à leurs sorties 45a 10 et 45b sur le coupleur directionnel et, à leurs autres extrémités, ils comportent une entrée connectée à des conducteurs supplémentaires 46a et 46b d'ondes lumineuses. Ces conducteurs supplémentaires sont parallèles et s'étendent dans une zone supplémentaire de couplage de longueur L5. A mi-distance entre les conducteurs supplémentaires 46a et 46b, s'étend un conducteur 47 de distribution de lumière qui est connecté à l'entrée 48 du coupleur directionnel 40. L'onde lumineuse P arrivant à cette entrée est distribuée par des oscillations couplées du conducteur 47 de distri20 bution d uièreentre l'esondcturs supplémentaires 46a et 46b. La totalité de l'énergie lumineuse de l'onde P est commutée vers les condûcteurs supplémentaires qui transmettent des ondes lumineuses partielles respectives P6 et P7 aux entrées des conducteurs couplés 43a et 43b d'ondes lumineuses. Ces ondes lumineuses partielles sont mutuellement en phase et sont dans une relation telle qu'elles possèdent sensiblement la même puissance. Les ondes lumineuses partielles peuvent être couplées entre les sorties 45a et 45b du coupleur directionnel 40 à l'aide des électrodes 30 44a et 44b, comme décrit précédemment en regard de la figure 3. e ' 1' t 1 e - Les coupleurs directionnels selon l'invention tels que décrits ci-dessus ont pour avantage d'avoir une fréquence limite supérieure relativement élevée, d'un ordre de grandeur de 7 GHz, à une tension de modulation S relativement basse. Cette tension de modulation ne possède aucune composante de tension continue et elle est donc relativement simple à produire. Les formes de réalisation montrées sur les figures 3 et 8 ont pour avantage que leur zone de couplage, L et L4, respectivement, est courte, de sorte que la tranche optoélectronique 2 et 41 est petite et qu'elle ne comporte pas d'électrodes supplémentaires polarisées par une tension continue. Leur inconvénient est qu'elles ne possèdent qu'une entrée 9 ou 48, respec10 tivement, de sorte qu'il n'est pas possible d'établir un couplage croisé de deux signaux lumineux à l'aide d'un coupleur directionnel. La forme de réalisation de la figure 7 a pour avantage de posséder deux entrées 38a et 38b. Son inconvénient est qu'elle exige une tension continue et qu'elle présente deux zones de couplage L2 et L3 munies d'électrodes, ce qui signifie que le coupleur directionnel 30 exige une grande tranche 31 de matière optoélectronique. Dans chacune des formes de réalisation illustrée, le coupleur directionnel possède une tranche 2, 31 ou 41 dont l'orientation des axes cristallins est telle que la lumière se propage dans la direction de l'axe optique. Il est possible d'appliquer l'invention à des coupleurs directionnels dont l'orientation des axes cristallins s'écarte de ceci. Cependant, l'implantation des électrodes est alors réglée en fonction de cette orientation cristalline déviée et elles présentent un aspect s'écartant de celui des électrodes illustrées sur les figures. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au coupleur optoélectronique directionnel décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. -1 î. j-. - z 1. - 0 REVENDICATIONS 1. Coupleur optoélectronique directionnel comprenant a) deux conducteurs couplés d'ondes lumineuses mutuellement espacés, s'étendant dans une zone de couplage et connectés chacun à une sortie guide d'ondes du coupleur directionnel, des électrodes, situées dans la zone de couplage, permettant d'agir sur le couplage optique entre les conducteurs couplés à l'aide d'un signal de commande, b) des conducteurs supplémentaires d'ondes lumineuses dont au moins l'un est en communication avec une entrée conductrice d'ondes du coupleur directionnel, les conducteurs supplémentaires étant agencés de façon qu'une onde lumineuse arrivant à l'entrée conductrice d'ondes du coupleur directionnel soit divisée entre les -15 conducteurs supplémentaires d'ondes lumineuses en deux ondes lumineuses partielles ayant chacune sensiblement la même puissance et en phase l'une avec l'autre, ou déphasées d'une demi-période l'une par rapport à l'autre, le coupleur optoélectronique directionnel étant caractérisé en ce que les conducteurs couplés d'ondes lumineuses ? (6a, 6b; 22a, 22b; 33a, 33b; 43a, 43b) sont connectés chacun à l'un des conducteurs supplémentaires d'ondes lumineuses (8a, 8b.; 36a, 36b; 4Ea, 46b) et en ce que l'onde lumineuse arrivant (P) peut être commutée entre les sorties (7a, 7b; 35a; 45a, 45b) du coupleur directionnel (1; 30; 40) par commutation des ondes lumineuses partielles (P1, P2; P4, P5; P6, P7) entre les conducteurs d'ondes lumineuses couplés à l'aide du signal de commande i- -' (S) appliqué à l'une des électrodes (5a; 34a; 44a), le : 30 signal prenant un potentiel positif (+VO) ou un potentiel négatif (-VO) lors de la commutation, par rapport à un potentiel de référence auquel l'autre électrode (5b; 34b; 44b) est connectée, le potentiel positif (+VO) ayant sensiblement la même valeur numérique que le potentiel négatif (-VO). 2. Coupleur optoélectronique directionnel selon la revendication 1, dans lequel chacun des onducteurs couplés d'ondes lumineuses possède une électrode continue, caractérisé en ce que les électrodes ontune longueur (L) pour laquelle s'applique la relation L=1/V Lc, o Lc est une longueur de couplage pour les conducteurs couples d'ondes lumineuses (6a, 6b; 33a, 33b; 43a, 43b). 3. Coupleur optoélectronique directionnel selon la revendication 1, dans lequel chacun des conducteurs 10 couplés d'ondes lumineuses comporte une électrode qui est divisée en deux tronçons de longueur sensiblement égale, caractérisé en ce que les électrodes ont une longueur (LI) pour laquelle la relation L1=1,85 x Lc peut s'appliquer, Lc étant une longueur de couplage pour les conducteurs 15 couplés d'ondes lumineuses {22a, 22b).