Brevet FR2633060A1 — publié le 19891222

SEPARATEUR RECOMB INEUR DE POLARISATIONS REALTSE EN OPTIQUE INTEGREE L'invention concerne un séparateur-recombineur de polarisations réalisé en optique intégrée; c'est-à-dire un dispositif optique qui recevant une onde lumineuse permet de séparer et de retransmettre séparément les modes de polarisation transverse électrique et transverse magnétique. La plupart des composants réalisés en Optique Intégrée font actuellement appel au niobate de lithium (LiNbO3). Ce cristal, bien connu pour ses très nombreuses propriétés physiques, est en particulier biréfringent. les guides d'onde monomodes que l'on fabrique 9 la surface de ce substrat véhiculent en fait le plus souvent deux modes de polarisation TE et TM non dégénérés. La modulation par effet électrooptique linéaire ne fait qu'accentuer la levée de dégénérescence car là encore, bien évidemment en fonction de l'orfentation des substrats, l'efficacité de modulation peut être très différente entre TE et TM.S'il semble à priori donc difficile de réaliser des composants indépendants de la polarisation lumineuse incidente, ces propriétés peuvent par contre être mises à profit pour séparer ou recombiner les deux polarisations TE et TM. Des applications en télécommunication (multiplexage en polarisation ou hétérodynage) ou dans le domaine des capteurs (environnement - affectant l'état de polarisation) situent l'intérêt de ce genre de dispositif. Les travaux. actuellement reportés dans la littérature dans ce domaine concernent principalement des transformateurs de polarisation, ou bien, des séparateurs depolarisation. Dans cette dernière catégorie, la sélection des modes se fait soit au sein de structures hautement multimodes ne présentant que peu d'intérêt pratique, soit au sein de structures constituées de guides à un seul mode. Dans l'exemple le plus significatif relevant de ce dernier cas, le principe de fonctionnement est basé sur la biréfringence de coefficient de couplage dans un coupleur directionnel entre polarisations TE et TM.On autorise le transfert d'un guide à l'autre pour TE dans un coupleur à deux sections de ss, alors qu'on l'interdit pour TM en créant un très fort ss qui n'est vu que par cette polarisation en recouvrant un des guides par l'une des électrodes de commande. Les tensions de commande du dispositif sont de l'ordre de 20 volts. On trouvera une illustration de cet état de la technique dans les documents suivants - " Electro optic waveguide TE TM mode converter with low drive voltage" de R.C. Alferness, L.L. Buhl publié dans Optics Letter, vol.5, n04, Nov.80 - "Waveguide electrooptic polarization transformer" de R.C. Alferness, L.L. Buhl, publié dans Applied Physics Letters, vol.58, n09, 1 May 1981; - "TMo - TEo conversion in birefringent waveguide with taper" de D. Vincent, J.W.Y.Lit publié dans Journal of Optical Society of America, vol.70, n010, Oct. ; - "LlNbO coupled-waveguide TE/TM mode splitter" de O. MIXAI, publié dans Applied Physics Letters 36(7), 1 April 1980 - "Passive Tl:LiNbO3 channel waveguide TE-TM mode splitter" de D. Yap, L.M. Johnson, G.W. Pratt Jr., publié dans AppUed Physlcs Letters 44(6), 15.3.84 - "An optical TE-TM mode splltter using a LiNbO3 branching waveguide" de M. Masuda, G.L. Yip, publié dans Applled Physics Letters 37(1), 1 July 1980 - "An improved optical TE-TM mode splltter and modulator using a Ti-LiNbO Y-junction waveguide" de J. Finak, G.L.Ylp, publié dans Optimal and Quantum Electronics 17(1985), 15-21. Les dispositifs connus ne séparent pas à 100 96 les modes de polarisation TE et TM ou sont alors sensibles à la longueur d'onde. L'invention fournit un dispositif séparant efficacement les modes TE et TM dans une large plage de longueurs d'onde. EUe se rapporte à un dispositif séparateur-recombineur de polarisation de type différent. L'invention concerne donc un séparateur-recomE ineur de polarisation réalisé en optique intégré comprenant - un guide optique d'entrée - un premier et un deuxième guides optiques de sortie intégrés dans un cristal selon un même plan et couplés entre eux sur une longueur de couplage déterminée ;; - une jonétion optique. en forme de Y connectant optiquement le guide d'entrée aux deux guides de sortie recevant une onde d'entrée par le guide d'entrée et répartissant cette onde de façon symétrique vers le premier et le deuxième guide de sortie - au moins une première électrode El associée au premier guide de sortie et au moins une électrode associée au deuxième guide de sortie, ces électrodes permettant d'appliquer au moins un champ électrique suxdits guides de sortie selon une longueur d'interaction caractérisé en ce que - les guides de sortie sont réalisés dans le cristal de façon à ce que les coefficients de couplage pour les polarisations tranverse électrique et transverse magnétique soient égaux. Les - différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, une vue d'un exemple de réalisation du séparateur-recombineur de polarisation selon l'invention - la figure 2, une vue en coupe du dispositif de la figure 1; - les figures 3 et 4, des courbes illustrant le fonctionnement du dispositif selon l'invention et mettant en évidence l'efficscité de transfert d'énergie pour les polarisations TE, TM d'un guide couplé sur l'autre guide couplé. Sur la figure 1 on a représenté un mode de réalisation du dispositif de l'invention. Ce dispositif comporte un guide d'entrée Gl couplé par une jonction en Y à deux guides G2 et G3. Au voisinage des guides G2, G3 on a disposé des électrodes El et E2 connectées à une source de tension. Comme cela est représenté en figure 2, les guides G2 et G3 sont réalisés dans un substrat 1, selon les techniques de réalisation de dispositifs en optique intégrée. Par exemple, le substrat 1 est un cristal du type LlNbO3 et les guides sont réalisés par dopage de ce cristal (diffusion de titane). Les électrodes El et E2 sont disposées au-dessus des guides G2 et G3 respectivement et séparées de ces derniers par une couche tampon isolante diélectrique 2 d'épaisseur suffisante pour éviter l'atténuation différentielle entre les polarisations TE et TM due au métal des électrodes. Les électrodes El et E2 ont une longueur L définissant une longueur d'interaction. L'originalité du dispositif de l'invention tient à ce que, au lieu d'exagérer la biréfringence de coefficient de couplage entre les deux guides G2 et G3, on essaie de la dégénérer autant que faire se peut. Les guides G2 et G3 sont réalisés de telle façon que la lumière se propage selon l'axe Z, l'axe Z étant l'axe extraordinaire du cristal 1. De cette façon, les deux polarisations voient l'indice ordinaire du cristal et ont donc la plus faible biréfringence. II est donc possible de rendre presque égaux les coefficients de couplage pour TE et TM. Dans l'exemple de réalisation des figures 1 et 2, l'application d'un champ électrique est dirigée selon l'axe cristallographique Y, à l'aide des électrodes El et E2, au voisinage des deux guides G2 et G3. Ceci se traduit par des changements d'indices de signes contraires et de même valeur absolue An TE et An TM pour les polarisations TE et TM. Par ailleurs, on peut montrer que les intensités lumineuses normalisées à la sortie de chacun des guides G2 et G3 du dispositif de la figure 1 sont données par les relations I2 =1- I 1 avec r = x + y Dans ces relations L est la longueur d'interactions des deux guides G2 et G3 L - est la longueur de couplage et vaut c R Lc = 2K où K est un coefficient de couplage qui est fonction de la distance entre les deux guides. A ss est la variation de vecteur d'onde entre les deux guides et a pour valeur où n représente la différence d'indice pour les deux polarisations. On peut voir alors que pour un échange total d'énergie entre les deux guides G2 et G3 peut avoir lieu comme cela est représenté par la figure 3 D'autre part, sous tension appliquée ( - 13 = O), la moitié de l'énergie est présente dans chacun des guides, ce qui réalise la mise au biais automatique du dispositif employé comme modulateur d'amplitude. Les coefficients de couplage entre TE et TM étant Identiques ou rendus très volsins grâce à l'orientation choisie (propagation selon l'axe Z) du cristal, on peut interrompre l'intéraction de manière que L = Lc/ /i pour les deux polarisations. L'application d'une tension permet donc, en partant du point de biais d'intensité 2 commun à TE et TM dans un guide, 2 d'abaisser l'énergie TE et d'augmenter celle de TM puisque les échanges dépendent du signe de ^ 13 , donc de x dans les équations précédentes. Dans un des guides, on peut assister aux transferts définis par la figure 4. Avec une tension de commande telle que A ssL =~, on réalise la séparation en polarisation. I1 est courant de relever des efficacités de modulation permettant de moduler complètement une onde guidée dans un coupleur Y de 10 mm de long avec 5 volts en profitant du coefficient r33 à = 1.3 pin. Le coefficient r22 employé conduirait à des tensions de l'ordre de 25 volts dans les mêmes conditions. Comme on ne doit appliquer que la moitié de la tension de commande d'un modulateur à jonction Y pour séparer les deux polarisations TE et TM, on peut prévoir, à paramètres optogéométriques des guides constants, une tension de commande inférieure à 15 volts pour ce type de séparateur de polarisation. Selon un autre exemple de réalisation représenté en figures 5 et 6, les champs électriques appliqués aux guides G2 et G3, sont selon le plan des guides mais toujours dirigés selon l'axe cristallographique Y du cristal. La propagation se fait également toujours selon l'axe cristallographique- Z. Pour cela les guides sont réalisés dans un plan parallèle aux axes Y et Z. De plus, sur la couche isolante sont disposées - une électrode E4 située entre les deux guides G2 et G3 - deux électrodes E3 et E5 située de part et d'sutre des deux guides. L'électrode E4 est connectée à une borne d'une source de tension S et les électrodes E3 et E5 sont connectées à l'autre borne de la source S. Les champs appliqués aux guides ont donc les allures Indiquées en pointillés sur la figure 6. II est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple non limitatif. Les exemples numériques notamment n'ont été fournis que pour illustrer la description. D'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de- l'invention. REVENDICATIONS 1 - Séparateur-recombineur de polarisation réalisé en optique intégré comprenant - un guide optique d'entrée (G1); - un premier et un deuxième guides optiques (G2, G3) de sortie intégrés dans un cristal (1) selon un même plan et couplés entre eux sur une longueur de couplage déterminée - une jonction optique en forme de Y connectant optiquement le guide d'entrée (Gi) aux deux guides de sortie (G2, G3) recevant une onde d'entrée (G1) par le guide d'entrée et répartissant cette onde de façon symétrique vers le premier et le deuxième guide de sortie (G2, G3) - au moins une première électrode El associée au premier guide de sortie (G2) et au moins une électrode (E2) associée au deuxième guide de sortie (G3), ces électrodes permettant d'appliquer au moins un champ électrique auxdits guides de sortie (G2, G3) selon une longueur d'interaction caractérisé en ce que - les guides de sortie (G2, G3) sont réalisés dans le cristal de façon que les coefficients de couplage pour les polarisations TE et TM soient égaux, 2 - Séparateur-recombineur de polarisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat(1) est en niobate de lithium (LiNbO3) 3 - Séparateur-recombineur de polarisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les guides de sortie sont orientés selon l'axe extraordinaire (Z) du cristal de façon à permettre une propagation selon cet axe. 4. Séparateur recombineur de polarisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ électrique de commande est appliqué au voisinage des guides préférentiellement selon l'axe cristallographique Y du cristal (1).