Brevet FR2678744A1 — publié le 19930108

- Commutateur optique à commande électrique. La présente invention concerne un commutateur optique du type dit "à seuil" ou "numérique" De tels commutateurs trouvent application dans des systèmes de télécommunication à fibres optiques5 pour y constituer des points de branchement actifs. La réalisation de tels points de branchement sur une ligne à fibre optique nécessite que les commutateurs utilisés aient un fonctionnement indépendant de la polarisation de la lumière qui les traverse Parmi les diverses technologies utilisables pour cela, celle10 qui utilise le niobate de lithium, cristal électro-optique, est l'une des mieux développées à ce jour A terme, les polymères électro-optiques pourront aussi être utilisés. Des commutateurs "à seuil" à guide d'entrée unique et monomodal comportent deux guides de sortie monomodaux raccordés au guide d'entrée sur un substrat électro-optique en formant un coupleur en Y. Des électrodes sont formées sur ce substrat pour appliquer des champs électriques de commande à ce coupleur Ces champs modifient des indices de réfraction internes de ces guides de manière que la lumière qui arrive au coupleur en Y par le guide d'entrée se dirige soit vers20 l'un soit vers l'autre des deux guides de sortie. De tels commutateurs connus ont une structure de sortie symétrique Ils ont des guides de sortie identiques (donc de même largeur), et se comportent en l'absence de champ électrique comme des coupleurs 3 d B c'est-à-dire que la lumière se partage également entre25 les deux guides de sortie Un tel commutateur est décrit dans un article de P GRANESTRAND et al, Elec Letters, 26,4 ( 1990). Un autre commutateur à seuil connu est analogue au précédent mais utilise deux guides d'entrée dissymétriques et passifs (sans électrodes) qui alimentent un guide commun constituant la branche d'entrée d'un coupleur en Y Il a été décrit dans un article de Y. SILBERBERG, P PERMUTTER, J E BARAN, Appl Phys Lett, 16, 51 ( 1987). Avec les commutateurs précédemment cités, il faut toujours appliquer une tension électrique (non nulle) pour obtenir un état commuté, c'est- à-dire pour que toute la lumière sorte sur un seul des 2 - deux guides de sortie, cette tension étant inversée lorsqu'on veut faire sortir la lumière par l'autre guide de sortie. La présente invention a notamment pour but de permettre la réalisation simple d'un commutateur optique différent des commutateurs connus et grâce auquel un état commuté est obtenu pour une tension nulle. Et, dans ce but, elle a pour objet un commutateur à coupleur en Y caractérisé par le fait que les deux branches de sortie de ce coupleur présentent des indices effectifs différents en l'absence de10 champ électrique. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même15 signe de référence. La figure 1 représente une vue de dessus du substrat d'un premier commutateur réalisé selon la présente invention, sans ses électrodes. La figure 2 représente une vue de dessus de ce commutateur avec ses électrodes. La figure 3 représente une vue de dessus d'un deuxième commutateur selon la présente invention. La figure 4 représente une vue de dessus d'un troisième commutateur selon la présente invention, sans ses électrodes. En se reférant aux figures 1 et 2 à titre d'illustration on va maintenant indiquer certaines dispositions qui sont communes aux commutateurs connus précédemment mentionnés et aux commutateurs selon la présente invention Chacune de ces dispositions sera décrite d'abord de manière générale puis de manière plus particulière à titre30 d'exemple. Conformément à une telle disposition commune le premier commutateur selon la présente invention comporte: un substrat électro-optique 2 présentant une face supérieure 4 et constitué d'un matériau électro- optique dont un indice de réfraction peut être soit un indice de repos en l'absence de champ électrique, 3 - soit, en présence d'un champ électrique de commande, un indice commandé par ce champ et augmenté ou diminué par rapport à cet indice de repos. Ce substrat est par exemple constitué d'une plaque horizontale d'un cristal tel que le niobate de lithium Il présente un axe d'interaction électro-optique qui est généralement désigné par la lettre Z et qui est orienté selon une direction horizontale transversale dans le premier commutateur donné en exemple Les champs électriques de commande sont orientés selon cet axe dans un sens ou dans l'autre selon que l'on veut augmenter ou diminuer l'indice de réfraction du matériau électro-optique. Conformément à ces dispositions communes, des guides de lumière Gi, G 2 et G 3 sont formés dans la face supérieure 4 Dans chacun de ces guides l'indice de réfraction du matériau électro-optique est un indice interne Il est "de repos" ou "commandé" selon qu'un champ électrique de commande est absent ou présent, respectivement. L'indice interne de repos est plus grand qu'un indice externe qui est l'indice de repos de ce matériau en dehors de ces guides Pour des champs électriques usuels l'indice interne commandé est lui aussi plus grand que l'indice externe. Les dimensions transversales de certains de ces guides, à savoir des guides G 2 et G 3, sont choisies pour guider un seul mode de propagation d'une lumière guidée qui traverse ce commutateur Cette lumière guidée présente par exemple une longueur d'onde 1 = 1,325 micromètre. On peut définir, pour chacun de ces guides, un indice effectif qui dépend notamment de ses dimensions transversales tout en restant intermédiaire entre son indice interne et l'indice externe Cet indice effectif est égal au rapport de la vitesse de la lumière dans le vide30 à la vitesse de la lumière guidée dans ce guide Il est dit "de repos" ou "commandé" selon l'absence ou la présence d'un champ électrique de commande Il augmente lorsque les dimensions transversales augmentent. Les guides sont par exemple formé par diffusion à partir d'une couche superficielle de titane suivant des conditions bien connues (voir35 chapitre 4 "Titanium-Diffused Lithium Niobate Waveguide Devices" du livre "Guided Wave Optoelectronics" Collection Springer-Verlag). Pour des raisons de facilité de fabrication, ces guides sont réalisés à partir d'une même épaisseur de la couche de titane Il en résulte que les indices effectifs dépendent seulement des largeurs des guides et des champs électriques de commande qui leur sont appliqués. Selon une dite disposition commune ces guides de lumière forment: un guide commun Gl présentant une direction d'entrée de coupleur pour recevoir et guider une onde d'entrée de coupleur constituée de ladite lumière guidée, et un premier G 2 et un deuxième G 3 guides de sortie Ces derniers présentent une première et une deuxième directions de sortie faiblement inclinées sur la direction d'entrée de coupleur Il se raccordent par un coupleur en Y 5 au guide commun de manière que15 chacun de ces guides de sortie puisse recevoir et guider une fraction de la lumière de ladite onde d'entrée de coupleur et que cette lumière se dirige préférentiellement vers celui de ces guides dont l'indice effectif est le plus grand quand l'onde d'entrée présente le mode fondamental (figure 1) Lorsque l'onde d'entrée présente le premier mode antisymétrique, la lumière ressort préférentiellement par le guide de sortie dont l'indice effectif est le plus petit (figure 4). Le fonctionnement d'un coupleur passif présentant deux tels guides de sortie est décrit dans un article de W K BURNS, A F MILTON, IEEE J Quant Elec, 16, N 04 Avril 1980.25 Les deux directions de sortie font par exemple un angle A = 0,1 degré et sont symétriques par rapport au prolongement de la direction d'entrée De manière générale il convient qu'un paramètre F soit supérieur et de préférence très supérieur à un seuil Fo = 0,43. Dans le cas simple de guides à saut d'indice ce paramètre peut être30 défini comme suit: F = 2 pi(ne 2 ne 3) d/ (A l) ne 2 et ne 3 étant des indices effectifs de repos des guides G 2 et G 3 ne 2 étant le plus grand, d étant la distance de pénétration de l'onde évanescente de la lumière guidée à partir du guide dans le matériau électro-optique environnant, cette distance étant exprimée en micromètres, A étant l'angle formé entre les deux guides de sortie, exprimé en radians, i étant la longueur d'onde de la lumière guidée en micromètres. Selon une autre dite disposition commune, des électrodes 6, 8 et 10 permettent d'appliquer sélectivement desdits champs électriques de commande à ces premier et deuxième guides de sortie de manière à commander une augmentation relative de l'indice effectif de l'un de ces guides de sortie qui est choisi pour recevoir et guider ladite lumière, cette augmentation étant relative par rapport à l'indice10 effectif de l'autre guide de sortie qui n'est pas choisi. Cette augmentation relative est avantageusement réalisée par une augmentation absolue de l'un des indices effectifs et par une diminution absolue simultanée de l'autre Pour cela, par exemple, dans le cas du premier commutateur donné en exemple, on relie à la masse15 les électrodes latérales 6 et 10 qui sont déposées extérieurement par rapport à l'ensemble des deux guides G 2 et G 3, et on alimente par une source de commande 12 l'électrode centrale 8 qui est déposée entre ces deux guides. Selon maintenant une disposition propre à la présente invention, le premier guide de sortie G 2 présente un indice effectif de repos ne 2 suffisamment supérieur à l'indice effectif de repos ne 3 du deuxième guide de sortie G 3 pour que toute la lumière du guide commun soit reçue et guidée par un seul guide de sortie en l'absence de tout champ électrique de commande, ce guide de sortie étant le premier ou le deuxième selon que le mode de propagation de la lumière dans le guide commun Gl est le mode fondamental ou le premier mode antisymétrique, respectivement. Cette différence des indices effectifs de repos résulte de préférence seulement du fait que la largeur du guide G 2 est supérieure à celle du guide G 3 Ces largeurs sont par exemple de 7 et 8 micro- mètres, respectivement Cette différence est suffisamment importante pour que la condition sur F soit respectée (avec A= 0,10) et ces largeurs sont suffisamment petite pour que les guides soient monomodes.35 Le guide commun Gi du coupleur en Y peut être connecté à un seul 6 - guide monomode GO qui constitue le guide d'entrée d'un commutateur 1 X 2, (Figure 1) Il peut aussi être connecté à deux guides passifs monomodes et dissymétrique (Pl et P 2) pour former deux guides d'entrée d'un commutateur 2 X 2 (figure 4). Dans le cas d'un commutateur comportant un seul guide d'entrée GO monomode, la figure 1 montre une succesion de diagrammes DO D 5 représentatifs des amplitudes du mode fondamental de l'onde formée par la lumière guidée Ces amplitudes sont portées parallèlement à un axe E à partir d'axes de coupes CO, C 5 propres chacun à l'un de ces10 diagrammes Ces axes de coupes passent par les points o ces amplitudes se manifestent Chaque amplitude est portée parallèlement à l'axe E à partir du point o elle se manifeste Ces diagrammes correspondent au cas o aucun champ électrique de commande n'est appliqué.15 Il apparatt que l'énergie de l'onde lumineuse se rassemble progressivement dans le guide G 2. Dans le cas (figure 2) o une tension électrique ( 100 volts par exemple) est appliquée par la source 12, celle-ci inverse l'ordre des indices effectifs, les diagrammes représentatifs d'amplitude sont20 inversés entre les deux branches de sortie du coupleur Ils font alors apparaître un rassemblement de cette énergie dans le guide G 3 Un commutateur 1 X 2 est donc réalisé qui présente, pour une tension nulle, un état commuté prédéterminé. Le deuxième commutateur 1 X 2 (figure 3) donné en exemple est généralement analogue au premier Son substrat 102 présente un axe d'interaction électro-optique Z vertical Ses guides HO, Hi, H 2 et H 3 sont identiques aux guide GO, Gi G 2 et G 3. Ses deux électrodes de commandes 114 et 116 recouvrent respectivement les guides de sortie H 2 et H 3 pour y appliquer des champs électriques vertiaux de sens opposés Elle sont connectées aux deux bornes d'une source de commande 112. Un troisième commutateur (figure 5) donné en exemple est généralement analogue au premier mais comporte deux guides d'entrée dissymétriques passifs Pl et P 2 pour constituer un commutateur 2 X 2. -7- REVENDICATIONS 1/ Commutateur optique à commande électrique, comportant deux guides de sortie (G 2, G 3) monomodaux raccordés par un coupleur en Y ( 5) à un guide commun (Gl) sur un substrat électro-optique ( 2), ce commutateur comportant en outre des électrodes ( 6, 8, 10) pour commander une différence entre les indices effectifs de ces deux guides de sortie, et étant caractérisé par le fait que ces deux guides de sortie (G 2, G 3) présentent des indices effectifs (ne 2, ne 3) différents en l'absence de champ électrique. 2/ Commutateur selon la revendication 1, comportant: un substrat électrooptique ( 2) présentant une face supérieure ( 4) et constitué d'un matériau électro-optique dont un indice de réfraction peut être soit un indice de repos en l'absence de champ électrique, soit, en présence d'un champ électrique de commande, un indice commandé par ce champ et augmenté ou diminué par rapport à cet indice de repos, et des guides de lumière (Gi, G 2, G 3) qui sont formés dans cette face supérieure ( 4) et dans chacun desquels l'indice de réfraction dudit matériau électro- optique est un indice interne de repos ou commandé selon qu'un dit champ électrique de commande y est absent ou présent, respectivement, cet indice interne de repos étant plus grand qu'un indice externe qui est l'indice de repos de ce matériau en dehors de ces guides, chacun de ces guides ayant un indice effectif qui dépend notamment de ses dimensions transversales tout en restant25 intermédiaire entre son dit indice interne et ledit indice externe, cet indice effectif étant égal au rapport de la vitesse de la lumière dans le vide à la vitesse de ladite lumière guidée dans ce guide et étant de repos ou commandé selon l'absence ou la présence d'un dit champ électrique de commande, ces guides de lumière formant un guide commun (Gi) présentant une direction d'entrée de coupleur pour recevoir et guider une onde d'entrée constituée de ladite lumière guidée, et un premier (G 2) et un deuxième (G 3) guides de sortie présentant des dimensions transversales tendant à imposer une propagation 8 - momonodale à la lumière, ces guides s'étendant selon une première et une deuxième directions de sortie faiblement inclinées sur ladite direction d'entrée de coupleur et se raccordant par un coupleur en Y ( 5) audit guide commun de manière que chacun de ces guides de sortie puisse recevoir et guider une fraction de la lumière d'entrée et que cette lumière se dirige préférentiellement vers celui de ces guides dont l'indice effectif est le plus grand ou le plus petit selon que la lumière se propage dans le guide commun selon le mode fondamental ou le premier mode antisymétrique, respectivement,10 ledit commutateur comportant encore des électrodes ( 6, 8, 10) pour appliquer sélectivement desdits champs électriques de commande à ces premier et deuxième guides de sortie de manière à commander une augmentation relative de l'indice effectif de l'un de ces guides de sortie, cette augmentation étant relative par rapport à l'indice15 effectif de l'autre guide de sortie, ledit commutateur étant caractérisé par le fait que ledit premier guide de sortie (G 2) présente un indice effectif de repos (ne 2) suffisamment supérieur à l'indice effectif de repos (ne 3) dudit deuxième guide de sortie (G 3) pour que toute la lumière de ladite onde20 d'entrée soit reçue et guidée par un seul de ces deux guides de sortie en l'absence de tout dit champ électrique de commande. 3/ Commutateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit premier guide de sortie (G 2) présente une largeur supérieure à celle dudit deuxième guide de sortie (G 3).25 4/ Commutateur selon la revendication 2, dans lequel ledit substrat est un cristal électrooptique présentant un axe d'interaction électro-optique (Z), lesdits champs électriques de commande étant orientés selon cet axe.