Brevet FR2652916A1 — publié le 19910412

L'invention a pour objet un composant polyvalent d'optique intégrée et un réseau de distribution avec amplification optique comportant application de ce composant. Elle trouve une application en télécommunications optiques et plus particulièrement pour le filtrage sélectif accordable en longueur d'onde ou pour la modulation de cohérence. L'un des objectifs dans les liaisons par fibre optique est l'accroissement de la quantité d'information transmise sur un même support et en particulier l'accroissement du nombre de voies. Des méthodes de multiplexage essentiellement optiques sont actuellement développées en ce sens. Divers composants, réalisés en optique intégrée, sont nécessaires à ces techniques de multiplexage. La présente invention porte sur un composant polyvalent d'optique intégrée qui s'adapte parfaitement à différents types de multiplexage. Un premier objet de l'invention est de permettre la réalisation d'un modulateur de cohérence intégréa, c'est-à-dire qu'il affecte au signal qui le traverse un retard modulable. Un autre objet de l'invention est de permettre la réalisation, dans une version comptétement intégrée, d'un système de multiplexage par modulation d'un retard optique tel que décrit dans la demande de brevet français déposée par l'Etat Français (représenté par le Ministre des PTT- CNET) le 23 décembre 1986 et publiée sous Le numéro 2 608 869. Un autre objet de l'invention est de permettre La réalisation d'un réseau de distribution intégré transmettant un signal modulé par retard optique et comportant différents étages d'amplification optique. Un autre objet de l'invention est de permettre la réalisation d'un filtre sélectif intégré accordable en fréquence. Le composant de l'invention ne transmet le signal que sur un guide unique. La propagation de l'onde lumineuse dans un matériau biréfringent introduit un retard entre les deux composantes se propageant suivant les axes neutres du matériau. Ce retard peut être modulé en faisant varier électriquement la biréfringence du matériau. Le choix d'un champ électrique continu appliqué permet aussi le filtrage sélectif, par interférence entre les composantes de l'onde lumineuse, du signal introduit dans le composant selon l'invention. De façon plus précise, la présente invention concerne un composant polyvalent d'optique intégrée, comprenant: - un guide de lumière formé sur une face d'un substrat en matériau biréfringent ayant des axes neutres orientés de manière à ce qu'une onde électromagnétique se propageant dans le guide se décompose en deux ondes ayant des polarisations perpendiculaires entre elles et suivant les axes neutres; - des moyens pour appliquer un champ électrique perpendiculairement au guide de lumière et uniformément le long du guide de lumière; - un premier polariseur rectiligne disposé à- une extrémité du guide de lumière; - un second polariseur rectiligne disposé à L'autre extrémité du guide et présentant une direction de polarisation parallèle à celle du premier polariseur; et - des moyens de focalisation. La présente invention concerne aussi un réseau de distribution avec ampLificateurs optiques comprenant un système de multiplexage faisant intervenir des retards optiques comportant plusieurs composants conformes au composant précédemment décrit pour créer ces retards; - une ligne de transmission principale reliée au système de multiplexage; - au moins un coupleur reliant la ligne de transmission principale à des lignes de transmission secondaires; - au moins un amplificateur optique sur une ligne de transmission secondaire; - des coupleurs reliant les lignes de transmission secondaires à des voies de distribution; et - chaque voie de distribution comportant un système de détection. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux après La description qui suit, donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés, sur lesquels: - La figure I représente schématiquement un composant selon l'invention; - la figure 2 représente schématiquement un système de transmission par modulation de cohérence comprenant un composant selon L'invention; - La figure 3 représente schématiquement un réseau de distribution conforme à l'invention; - La figure 4 représente schématiquement la courbe de transmission en fonction de la fréquence d'un composant conforme à l'invention; - la figure 5 représente schématiquement un système de multiplexage et de démultipLexage optique comprenant le composant conforme à l'invention. La figure 1 représente schématiquement un composant selon l'invention. Ce composant 1 comprend un substrat 10 parallélLépipédique en matériau biréfringent, sur lequel est formé un guide de lumière 12. Le substrat 10 présente par exemple une épaisseur de 0,5 mm, une longueur de quelques dizaines de mm et une largeur de 8 mm. Le guide est réalisé par diffusion d'un métal dans le matériau biréfringent. Ce métal est choisi avantageusement parmi le titane (Ti), le magnésium (Mg), le nickel (Ni), le vanadium (Vn) ou d'autres matériaux. Le guide 12 parcourt la longueur du substrat 10 et présente par exemple une largeur de 3 micromètres. Le matériau biréfringent est choisi avantageusement parmi le niobate de lithium (LiNbO3), le tantalate de lithium (LiTaO3) ou d'autres matériaux. Ce matériau est taillé de manière à ce qu'une onde électromagnétique se propageant dans le guide se décompose en deux ondes ayant des polarisations perpendiculaires entre elles et suivant les axes neutres du matériau. Sur l'exemple représenté, le matériau biréfringent étant du LiNbO3, l'axe neutre correspondant à l'indice extraordinaire ne est orienté suivant un axe Z; l'axe neutre correspondant à l'indice ordinaire no est orienté suivant un axe Y; la propagation de la lumière dans le guide s'effectue suivant un axe X. Les axes X, Y, Z forment un repère de l'espace. La face du substrat 10 sur laquelle est formé le guide 12 est recouverte d'une fine couche diélectrique 14, par exemple du SiO ayant une épaisseur d'environ 400 nm. La couche diélectrique 14 est recouverte par deux électrodes 15, 16 par exemple en atuminium et ayant une é'paisseur d'environ 500 nm. Ces électrodes sont avantageusement rectangulaires et présentent une longueur de 20 mm par exemple. L'électrode 15 est disposée de manière à recouvrir le guide 12 sur sa longueur. Le guide 12 divisant la face du substrat 10 en deux parties, l'électrode 15 recouvre largement une des parties et déborde sur l'autre d'environ 6 micromètres. L'autre électrode 16 recouvre une autre partie du substrat: l'écart entre les électrodes est par exemple de 7 micromètres. Les électrodes 15, 16 sont connectées à une source d'alimentation électrique 18. L'ensemble formé par la couche diélectrique 14, Les é'lectrodes , 16 et la source d'alimentation 18, permet d'appliquer un champ électrique dans le substrat , perpendiculairement au guide 12 et uniformément le Long du guide 12. Les tensions délivrées par la source d'alimentation 18 sont de l'ordre de la dizaine de volts. Le composant I comprend aussi un premier et un second polariseurs rectilignes 20, 22 disposés à chaque extrémité du guide de lumière 12. Ces polariseurs 20, 22 présentent des directions de polarisations dl et d2 parallèles et disposées avantageusement à 45 des axes Y et Z, c'est-à-dire à 45 des axes neutres du matériau biréfringent, (dl et d2 sont symbolisées par des flèches sur la figure 1). Le composant I comporte en outre des moyens de focalisation 24, 26, 28, 30 qui permettent la traversée des polariseurs et une focalisation adaptée soit à l'introduction de la Lumière dans le guide 12 soit à son introduction dans une fibre de sortie (non représentée). Les polariseurs 20, 22 et l'ensemble de focalisation 24, 26, 28, 30 peuvent être également réalisés par des fibres optiques. Un faisceau lumineux de polarisation quelconque pénétrant dans le composant 1 est tout d'abord polarisé rectilignement et focalisé dans le guide de lumière 12. Au cours de sa propagation dans le guide 12, en l'absence de tout champ électrique appliqué, l'onde électromagnétique se divise en deux ondes de polarisations dirigées suivant les axes neutres du matériau biréfringent et se propageant à des vitesses différentes. L'application d'un champ électrique permet de faire varier la biréfringence du matériau et donc de modifier le retard entre les deux ondes. Le déphasage introduit par le champ électrique est proportionnel à son amplitude. A la sortie du guide, les deux ondes sont à nouveau polarisées parallèLement. Si la longueur de cohérence L du faisceau lumineux (L = X2/ AX; = longueur d'onde du faisceau lumineux; AX= largeur spectrale du faisceau) est inférieure au retard introduit (ou plutôt son équivalent en termes de longueur, c'est-à-dire ce retard multiplié par la vitesse de la lumière), les deux ondes ne vont pas interférer entre elles à la sortie du guide, et l'information constituée par la durée du retard est conservée. Si la longueur de cohérence L du faisceau lumineux est supérieure au retard introduit, le composant 1 joue le rôLe d'un interféromètre. On va voir dans la suite comment ces deux situations peuvent être exploitées. La figure 2 représente schématiquement un système de transmission par modulation de cohérence comprenant un composant selon l'invention. Une source lumineuse 32 délivre, par l'intermédiaire d'une fibre optique 34, un faisceau lumineux à l'entrée d'un composant I tel que décrit précédemment. Ce peut être, par exemple, une diode laser émettant un faisceau lumineux de longueur d'onde X = 1 300 nm et de longueur de cohérence Lc = 200 gm ou une diode superluminescente de longueur de cohérence Lc = 40 gm. Le composant i joue ici le rôle de modulateur de cohérence. En effet, la source d'alimentation 18 permet l'application d'un champ électrique variable introduisant des variations dans le retard entre les deux ondes se propageant dans le guide de lumière. La source d'alimentation 18 peut consister en un amplificateur vidéo relié à une camera vidéo (non représentée) et dont la tension de sortie est proportionnelle au signal délivre par la caméra. L'information contenue dans ce signal est transportée sous forme de retard par le faisceau lumineux à l'intérieur d'une fibre optique monomode 36. Pour qu'un tel dispositif fonctionne, le retard introduit dans le matériau biréfringent doit être supérieur à la longueur de cohérence L du faisceau lumineux. De cette manière, les ondes produites dans le modulateur à partir du faisceau lumineux n'interfèrent pas en sortie du modulateur. La démodulation est assurée par un interféromètre intégr_é 38 de type Mach-Zehnder à fibres optiques accordé sur le retard introduit par Le composant 1 en l'absence de champ appliqué. Une photodiode 40, du type à détecteur en HgCdTe par exemple, permet la transformation du faisceau Lumineux démodulé en signal électrique. Ce signal est amplifié par un amplificateur 42 et permet la visualisation des images enregistrées par la caméra vidéo. Ce type de transport d'informations se prête particulièrement bien au multiplexage et l'on peut construire, grâce au composant de l'invention, un système de multiplexage du type de celui décrit dans le brevet français déjà mentionné, publié sous le numéro 2 608 869, dans une version totalement intégrée. Ledit composant se prête particulièrement bien à la réalisation d'un réseau de distribution d'un signal. En référence à la figure 3, un système de multiplexage 50 délivre des signaux multiplexés sur une ligne de transmission principale 52. Le système de multiplexage 50 combine une architecture série à une architecture parallèle. Le système 50 est constitué d'un ensemble de sources lumineuses 54 et de modulateurs réalisés par des composants 1 conformes à l'invention permettant une modulation par retards optiques des signaux Lumineux délivrés par les sources 54. Les sources lumineuses 54 peuvent être des diodes laser monomodes ou multimodes, des diodes électroluminescentes ou des diodes superluminescentes ou toute combinaison de ces différents types de sources. Les modulateurs 1 introduisent des retards optiques supérieurs aux longueurs de cohérence des sources; plus géné;ralement, -ils sont tels qu'aucune modulation de l'intensité lumineuse de sortie n'apparait quand le retard optique est module par le signal à transmettre. Les différents étages du système 50 sont reliés aux entrées d'un coupleur 56 qui est connecté à La ligne de transmission principale 52. Des coupleurs 58 connectés à la ligne de transmission, dérivent une partie des signaux multiplexés vers des lignes de transmission secondaires 60. La sortie de chaque coupleur 58 est connecté;e à l'entrée d'un amplificateur optique 62 dont la bande passante est adaptée aux signaux à transmettre. On peut utiliser des amplificateurs à fibres, à effet Raman stimulé ou autre, des amplificateurs à semi-conducteurs ou tout autre amplificateur dont la bande passante est suffisante. Des coupleurs 64 relient les lignes de transmissions secondaires à des voies de distribution 66. Dans un système de télédistribution, ces voies 66 desservent les usagers. Elles sont connectées à des systèmes de détection 68 pour démultiplexer et démoduler les signaux transmis dans les voies de distribution. Chaque coupleur 64 présente, en sortie, autant de voies de distribution 66 que d'usagers. Les signaux arrivant à l'entrée du système de détection sont entachés d'un bruit d'intensité inhérent aux sources lumineuses utilisées. Etant donnée l'information transmise, codée sous forme de retard et extraite par interfeérences constructives, le bruit apporté par la source intervient comme un terme multiplicatif des signaux. Le système de détection 68 présente sur la figure 3 permet de s'affranchir du bruit d'intensité engendré par les sources lumineuses et L'amplificateur optique 62. Il comprend un séparateur 70 du signal transmis sur la voie de distribution 66 à Laquelle iL est connecté. Ce signal est donc divisé' en un premier signal et un second signal. Un détecteur 72 du type photodiode délivre un signal électrique proportionnel au premier signal. Le second signal est transmis à un moyen 74 de démodulation: par exemple, un interféromètre de type Mach Zehnder accordé sur le retard introduit par un des composants 1 du système de multiplexage 50. Ce moyen 74 est connecté à un second détecteur du type photodiode 76 délivrant un signal électrique proportionnel au second signal démodulé. Un diviseur 78 effectue la division du signal délivré issu du second détecteur 76 par le signal délivré par le premier détecteur 72. On obtient en sortie du diviseur 78 un signal dé-modulé, débarrassé du bruit dû aux sources lumineuses 54 et à l'amplificateur optique 62. Le composant selon l'invention assure aussi la fonction de filtre sélectif intégré accordable. La figure 4 représente schématiquement la courbe de transmission d'un composant conforme à l'invention en fonction de la fréquence de l'onde lumineuse guidée à l'intérieur du composant. Lorsque la source lumineuse associée au composant délivre un faisceau lumineux dont la longueur de cohérence est supérieure au retard introduit lors de la propagation du faisceau lumineux à l'intérieur du guide de lumière, les composantes du faisceau polarisées selon les deux axes neutres du matériau biréfringent interfèrent en sortie du composant: ce dernier constitue un interféromètre.. La transmission T du composant "a alors L'allure d'une sinusoïde en fonction de la fréquence du faisceau lumineux. Les interférences sont constructives pour les fréquences fo, f2,... et il T vaut 1, alors qu'elles sont destructrives pour les fréquences fl, f3,... et T vaut 0. Les valeurs de fo, f1,... dépendent des caractéristiques du composant (maté.riau biréfringent utilisêi, longueur du guide, valeur de la tension appliquée... Y. Seules certaines fréquences peuvent se propager dans le guide: le composant est donc dans ce cas un filtre sélectif. La valeur de ces fréquences dépend du champ électrique appliqué: le filtre est accordable. La figure 5 représente schématiquement un système de multiplexage en longueur d'onde et de démultiplexage comprenant le composant conforme à l'invention. Dans cet exemple, seules quatre sources lumineuses 80, 82, 84, 86 sont représentées, mais un tel dispositif peut en comporter bien d'autres. Les sources lumineuses 80, 82, 84, 86 émettent des faisceaux lumineux à des longueurs d'onde différentes, respectivement X1, X2, X3, X4. Ces faisceaux lumineux sont dé-livrés sur les entrées d'un coupleur 88 qui réalise leur multiplexage et qui délivre les faisceaux multiplexés sur des fibres optiques de transmission 90. Ces dernières sont connectées à des systèmes de démultiplexage comprenant un composant I conforme à l'invention et un photodétecteur 92. Les faisceaux lumineux aux longueurs d'onde X1, X2, X3, X4 présentent des longueurs de cohérence supérieures au retard introduit par le composant I qui joue ici Le rôle de filtre sélectif accordable. En effet, selon le champ électrique applique, on peut choisir la longueur d'onde qui est transmise par le composant et, filtrer les autres. Afin d'améliorer la sélectivité d'un tel dispositif, on peut connecter en série plusieurs composants dont les transmissions T sont toutes centrées sur la même longueur d'onde, mais dont la périodicité de la courbe de transmission est double, triple,... de celle du premier composant. Dans l'état actuel de la technique, à l'aide d'un composant unique, on peut séparer des Longueurs d'onde distantes d'environ 0,3 nm. Les descriptions qui précédent ne sont données qu'à titre d'exemples non limitatifs; de nombreuses variantes peuvent être envisagées, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Composant polyvalent d'optique intégrée, caractérisé en ce qu'il comprend: - un guide de Lumière (12) formé sur une face d'un substrat (10) en matériau biréfringent ayant des axes neutres orientés de manière à ce qu'une onde électromagnétique se propageant dans le guide (12) se décompose en deux ondes ayant des polarisations perpendiculaires entre elles, et suivant les axes neutres; - des moyens (14, 15, 16, 18) pour appLiquer un champ électrique perpendiculairement au guide de lumière (12) et uniformément le Long du guide de lumière (12); - un premier polariseur rectiligne (20) disposé à une extrémité du guide de lumière (12); - un second polariseur rectiligne (22) disposé à l'autre extrémité du guide (12) et présentant une direction de polarisation (d2) parallèLe à celle (dl) du premier polariseur (20); et - des moyens de focalisation (24, 26, 28, 30). 2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ électrique comporte au moins une composante variable. 3. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ électrique comporte au moins une composante continue. 4. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (14, 15, 16, 18) pour appliquer un champ électrique comprennent: - une couche diélectrique (14) recouvrant la face du matériau biréfringent sur laquelle est formé le guide (12); - une première électrode (15) recouvrant partiellement la couche diélectrique (14) au moins au-dessus du guide de lumière (12); - une seconde électrode (16) recouvrant une autre partie de la couche diélectrique (14); - une source d'alimentation électrique (18) connectée aux électrodes (15, 16). 5. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction de polarisation (dl, d2) des polariseurs rectilignes (20, 22) est à 45 des axes neutres du matériau biréfringent (10). 6. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue un filtre optique accordable permettant de réaliser des fonctions de démultiplexage optique par séparation des fréquences optiques. 7. Réseau de distribution, caractérisé en ce qu'il comprend: - un système de multiplexage (50) faisant intervenir des retards optiques comportant plusieurs composants (1) selon la revendication 1 pour créer ces retards; - une ligne de transmission principale (52) reliée au système de multiplexage (50); - au moins un coupleur (58) reliant la ligne de transmission principale (52) à des lignes de transmission secondaires (60) ; - au moins un amplificateur optique (62) permettant de remonter le niveau de puissance optique sur une ligne de transmission secondaire (60). 8. Réseau de distribution selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre - des coupleurs (64) reliant les lignes de transmission secondaires (60) à des voies de distribution (66), chaque voie de distribution (66) comportant un système de détection (68) qui introduit des retards appropriés. 9. Réseau de distribution selon la revendication 8, caractérisé en ce que les systèmes de détection (68) comportent chacun: - un séparateur (70) du signal transmis sur la voie de distribution (66) en un premier signal et un second signal; et - un moyen pour réduire le niveau de bruit. 10. Réseau de distribution selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moyen pour réduire le niveau de bruit comporte: - un premier détecteur (72) délivrant un signal électrique proportionnel au premier signal; - un moyen (74) pour démoduler le second signal; - un second détecteur (76) délivrant un signal proportionnel au second signal démodulé; - un diviseur (78) effectuant la division du signal délivré par le second détecteur (72) par le signal délivré par le premier détecteur (76).