Brevet FR2609180A1 — publié le 19880701

S9180 MULTIPLEXEUR-DEMULTIPLEXEUR UTILISANT UN RESEAU CONCAVE ELLIPTIQUE ET REALISE EN OPTIQUE INTEGREE DESCRIPTION La présente invention a pour objet un multiplexeur- démultiplexeur optique. Elle trouve une application en télécommunications optiques. On sait que le multiplexage en longueur d'onde permet d'accroître le débit d'information d'une liaison optique. Cette technique consiste à introduire à l'une des extrémités de la liaison plusieurs (N) faisceaux lumineux de longueurs d'onde différentes >1, X2,..., N dans une même fibre optique (opération de multiplexage), puis à extraire, à l'autre extrémité de la liaison, les différentes longueurs d'onde pour restituer les faisceaux d'origine (opération de démultiplexage). Bien que très intéressante, cette technique n'est cependant pas sans poser quelques problèmes. Il faut en effet que: - les pertes globales des dispositifs de multiplexage et de démultiplexage soient faibles, - les dispositifs de multiplexage ou de démultiplexage soient réversibles, c'est-à-dire qu'ils puissent fonctionner en multiplexeur dans un sens et en démultiplexeur dans l'autre, - le coût soit faible. Le dispositif de l'invention permet de répondre à ces trois exigences grâce à l'utilisation de L'optique intégrée et d'un réseau de diffraction d'un type particulier. Une structure de guidage en optique intégrée comprend classiquement un substrat recouvert d'un empilement de trois couches transparentes, la couche intermédiaire ayant un indice de réfraction plus fort que l'indice des deux couches qui l'encadrent. Selon l'invention, cette structure de guidage comprend: t609180 - une pluralité de microguides optiques, en nombre égal au nombre de longueurs d'onde de travail, ces microguides ayant des premières extrémités qui affleurent à la surface de l'une des faces de la structure de guidage avec un écartement suffisant pour pouvoir être couplées à autant de fibres optiques, ces microguides se resserrant les uns vers les autres en pénétrant dans la structure et présentant des secondes extrémités resserrées et réparties le long d'un segment, - un microguide optique unique ayant une première extrémité affleurant à la surface d'une autre face de la structure de guidage et une seconde extrémité disposée à l'intérieur de la structure, - un réseau de diffraction concave et réfléchissant constitué de facettes gravées dans l'empilement de couches, les facettes ayant comme section droite des morceaux d'ellipses dont les deux foyers coïncident respectivement, pour l'un, avec la seconde extrémité du guide optique unique et pour l'autre, avec Les différentes secondes extrémités de la pluralité de guides optiques pour chacune des longueurs d'onde de travail de ces guides. De toute façon, les caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une vue schématique du multiplexeurdémultirlexeur de l'invention, - la figure 2 est une figure géométrique montrant le principe de la focalisation par une famille de miroirs elliptiques fonctionnant à une Longueur d'onde >1; - la figure 3 est une figure géométrique analogue à la précédente mais pour une longueur d'onde A N, - la figure 4 est une figure géométrique montrant une famille d'hyperboles, - la figure 5 illustre une construction géométrique permettant de définir les différentes facettes du réseau, - la figure 6 montre en coupe un réseau blazé plan, - La figure 7 montre, en coupe, la structure de guidage optique au niveau d'une facette réfléchissante du réseau, - la figure 8 montre, en coupe, un microguide optique, - la figure 9 montre une première disposition des différents éléments du multiplexeur-démultiplexeur de l'invention, - la figure 10 montre une seconde disposition de ces mêmes éléments. La structure représentée sur la figure 1 présente deux faces F1 et F2. Une pluralité de N microguides G1, G2,..., GN (dans le cas illustré N=4) affleurent à la surface de la face Fl. Sur cette face, l'écartement des microguides est par exemple de ,,m environ pour permettre un couplage avec des fibres optiques (non représentées) qui ont sensiblement ce diamètre. En pénétrant dans la structure de guidage, ces microguides se resserrent. Leurs extrémités se répartissent sur un segment entre des points extrêmes P1 et PN. Sur l'autre face F2, on trouve un microguide unique G dont une extrémité affleure à la surface de F2 et dont l'autre extrémité S est à l'intérieur de la structure. Entre la pluralité des N microguides G1, G2,..., GN et le microguide unique G se trouve un réseau de diffraction R, constitué de facettes réfléchissantes de section elliptique dont La forme va être décrite en liaison avec les figures 2 à 5. Sur la figure 2, on voit un point S, supposé être un point source, et un point P1 supposé être un point image. Des miroirs elliptiques conjuguent optiquement ces deux points pour une longueur d'onde I1. Chaque ellipse Em est le lieu des points pour lesquels on a la relation: SMm + MmP1 = m X1 (1) o m est un entier, relation qui traduit la constance du chemin optique entre les points S et P1 (principe de Fermat). A chaque valeur de m correspond une ellipse. La figure 2 montre ainsi une famille d'ellipses Em-1, Em, Em+1, etc. paramétrées par l'entier m. La figure 3 représente une autre famille d'ellipses correspondant au même point S mais à un autre point conjugué, soit PN, et pour une autre longueur d'onde > N. Chaque ellipse E'm correspond à la relation: SMm + MmPN = m XN (2) o m est encore un entier. Un point Mm peut être à la fois sur l'ellipse Em de la première famille et sur l'ellipse E'm correspondant à la seconde famille, si les relations (1) et (2) sont toutes deux satisfaites pour ce point. Si tel est le cas, par soustraction membre à membre, de ces deux relations, on obtient la condition: MmP1 - MmPN = m( Xl -XN) (3) La relation (3) signifie que le point Mm est sur une hyperbole dont les foyers sont les points P1 et PN. La figure 4 montre une famille d'hyperboles Hm-1, Hm, Hm+1, etc. ayant pour foyers les points P1 et PN. Ces hyperboles sont les lieux de points satisfaisant à la relation (3). La figure 5 montre cette famille d'hyperboles (Hm) et l'une des deux familles d'ellipse en l'occurrence la famille Em. L'intersection de l'hyperbole Hm avec l'ellipse Em donne un point Mm qui est, évidemment, sur l'ellipse Em, mais qui est aussi sur l'ellipse E'm (représentée en tirets). Les points Mm+l, Mm+2, etc. situés sur les hyperboles Hm+l, Hm+2,... se trouvent donc être à la fois sur les ellipses Mm+l et M'm+l, Mm+2 et M'm+ 2, etc. Si l'on trace une ligne allant de point en point selon ce principe, on obtient le profil d'un réseau de diffraction qui aura la particularité de conjuguer optiquement les points S et P1 pour la longueur d'onde A 1 et les points S et PN pour la 9 Y I8 u Longueur d'onde A N. Naturellement, il reste un certain arbitraire pour passer d'une ellipse à l'autre: sur la figure 5, la marche est perpendiculaire aux ellipses mais on pourrait tout aussi bien choisir un profil incliné. C'est de cette manière qu'est conçu le réseau R de la figure 1. Les points P1 et PN sont les deux points extrêmes du segment sur lequel débouchent les différents microguides fonctionnant aux longueurs d'onde > 1 et AN. Les points intermédiaires seront conjugués de S mais pour les longueurs d'onde intermédiaires. Si l'on en revient à la figure 1, on voit que le dispositif représenté, lorsqu'il fonctionne en multiplexeur, reçoit une pluralité de faisceaux lumineux sur sa face F1 et délivre un faisceau unique multi-longueurs d'onde sur sa face F2 (flèche M). En démultiptexeur, le dispositif reçoit un faisceau multi-longueurs d'onde sur sa face F2 et délivre une pluralité de faisceaux de longueurs d'onde différentes sur sa face F1 (flèche D). La dispersion du réseau de l'invention peut être calculée approximativement en considérant qu'au voisinage de son axe, le réseau peut être assimilé à un réseau plan, tel que représenté sur la figure 6. Les angles i et r désignent les angles des faisceaux incident sur et réfléchi par les facettes, comptés à partir de la normale aux facettes des miroirs. L'angle a désigne l'angle de blaze du réseau. On peut montrer que la différence r entre les angles de réflexion des faisceaux correspondant aux longueurs d'onde > 1 et AN est égale à m(AN -Al)/p.cos(i-CL). On aura par exemple, un pas moyen de 40*m, un angle a de 4 et m=l. La distance focale du miroir sera de l'ordre de 10 mm. L'espacement entre les points P1, P2,...PN sera voisin de 12, m pour un écart de longueur d'onde entre les différents canaux de 20 nm. L'angle i peut être choisi relativement élevé (par exemple proche de 65 ). La figure 7 montre, en coupe, une structure de guidage avec un substrat 20, par exemple en silicium, une première couche 22 en SiO2, de 6 à 8.im d'épaisseur, une seconde couche 24 en Si02 dopé en phosphore, d'épaisseur environ 4 à 5.m, une troisième couche 26, en SiO d'épaisseur 6 à 8Am. L'écart d'indice entre la couche 24 et les couches -3 -2 adjacentes 22 et 26 est faible et de l'ordre de 10 à 10C, comme c'est le cas pour les fibres optiques entre le coeur et la gaine. Cet empilement peut être gravé jusqu'au substrat pour constituer une face réfléchissante fonctionnant en réflexion totale. Cette face gravée peut également être recouverte d'une couche métallique 28, par exemple d'aluminium. Pour constituer le réseau, on dessinera donc, sur la structure de guidage, des segments elliptiques, répondant au critère de la figure 5, par exemple par masquage électronique, et l'on gravera la structure le long de ces segments. Pour obtenir des microguides, on peut graver la couche 24 de la figure 7, comme illustré sur la figure 8, puis recouvrir l'ensemble gravé par une couche 30 de SiO. Le faisceau lumineux dont la section est hachurée sur la figure sera guidé par le conduit 24. Les figures 9 et 10 montrent deux dispositions de l'ensemble décrit. Sur la figure 9, la plaquette 40 travaille sur ses faces 42 et 44 qui sont orthogonales et sur la figure 10 sur ses faces 42 et 46 qui sont parallèles. Le multiplexeur-démultiplexeur qui vient d'être décrit fonctionne avec des faisceaux lumineux dont les Longueurs d'onde sont proches (environ 20 nm). Il peut être combiné avec un multiplexeur-démultiplexeur tel que celui qui est décrit dans la demande de brevet français n 2 579 044 déposée le 13 mars 1983 au nom du Demandeur. Un tel dispositif comprend des réseaux de diffraction placés en série, chacun diffractant une plage de longueur d'onde particulière. A La sortie de chacun de ces réseaux, on peut disposer un dispositif selon la présente invention, qui fonctionnera sur des faisceaux dont les longueurs d'onde seront situées dans cette plage. On obtient aussi un multipLexage-démultiplexage dans chaque plage sur des longueurs d'onde rapprochées. REVENDICATION Multiplexeur-démultiplexeur en optique intégrée destiné à travailler à une pluralité de longueurs d'onde différentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une structure de guidage composée d'un substrat (20) recouvert d'un empilement de trois couches transparentes, une première couche (22), une deuxième couche (24) et une troisième couche (26), la deuxième couche (24) ayant un indice de réfraction plus fort que l'indice des première (22) et troisième (26) couches qui l'encadrent; cette structure de guidage comprenant: - une pluralité de microguides optiques (G1, G2,..., GN), en nombre (N) égal au nombre de longueurs d'onde de travail, ces microguides ayant des premières extrémités qui affleurent à la surface de l'une des faces (F1) de la structure de guidage avec un écartement suffisant pour pouvoir être couplées à autant de fibres optiques, ces microguides se resserrant les uns vers les autres en pénétrant dans la structure et présentant des secondes extrémités (PI, P2, ., PN) resserrées et réparties le long d'un segment, - un microguide optique unique (G) ayant une première extrémité affleurant à la surface d'une autre face (P2) de la structure de guidage et une seconde extrémité (S) disposée à l'intérieur de la structure, - un réseau de diffraction (R) concave et réfléchissant constitué de facettes gravées dans l'empilement de couches, les facettes ayant comme section droite des morceaux d'ellipses dont les deux foyers coïncident, respectivement, pour l'un, avec la seconde extrémité du guide optique unique (S) et pour l'autre, avec les différentes secondes extrémités (P1, P2,..., PN) de la pluralité de guides optiques (G1, G2,..., GN) pour chacune des..CLMF: longueurs d'onde de travail de ces guides.