Brevet FR2676548A1 — publié le 19921120

La présente invention est relative à un coupleur optique et, plus particulièrement, à un tel coupleur constitué d'une pluralité de guides d'onde sensiblement coplanaires raccordant chacun une entrée unique du coupleur à l'une de 2 ' sorties du coupleur, ces guides d'onde étant constitués de parties de guides d'onde connectées de manière arborescente par N jonctions en Y disposées sur chaque guide L'invention est aussi relative à un procédé de fabrication d'un tel coupleur. On connaît de tels coupleurs optiques, appelés aussi diviseurs ou concentrateurs de faisceaux suivant qu'ils divisent ou rassemblent des faisceaux lumineux, utilisés dans diverses applications telles que, par exemple, les télécommunications par fibres optiques multimodes ou monomodes dans un domaine de longueurs d'ondes situé entre 600 et 1600 nm. On a ainsi proposé divers tracés de guides d'onde pour un tel coupleur, intégrables à un substrat par diverses techniques faisant appel à un masquage et une photolithographie associés, suivant le type de substrat employé, à une technique d'échange ionique, de dépôt, de diffusion, de gravure ou de croissance épitaxiale pour constituer les guides d'onde dans ou sur le substrat, suivant un dessin défini par le masque. On a représenté à la figure 1 du dessin annexé, un tel dessin connu, utilisé pour réaliser par exemple un coupleur à une entrée et seize sorties, couramment appelé coupleur de 1 vers 16 La moitié seulement du dessin des guides d'onde du coupleur a été représenté, ce dessin étant symétrique par rapport à l'axe longitudinal X du coupleur La représentation qui en est donnée est fortement anamorphosée parallèlement à l'axe X pour en faire apparaître plus clairement les caractéristiques géométriques. Si l'on suppose que le coupleur est utilisé en diviseur conçu pour recevoir un faisceau lumineux en amont de sa jonction d'entrée JI, et pour diviser ce faisceau de manière arborescente et dichotomique en 2 N faisceaux (n = 4) apparaissant à autant de sorties 51 à 516 distribuées avec un pas constant (seules les sorties S à 58 sont représentées) il apparaît que N étages de jonctions sont nécessaires pour assurer la division du faisceau d'entrée, ces étages de jonction étant constitués respectivement par les jonctions J 11, J 21 etc, J 31, J 32 etc, J 41, J 42 J 43 J 44 etc Si l'on considère maintenant le tracé des parties de guides d'onde qui relient ces jonctions, il apparaît que celles-ci présentent de multiples points d'inflexion, tant aux jonctions ellesmêmes qu'entre ces jonctions o l'on trouve encore un point d'inflexion Ces multiples points d'inflexion sont nécessaires, suivant le parti choisi, pour ramener l'axe de symétrie de chaque jonction parallèlement à l'axe longitudinal X du coupleur Un tel tracé est classique et connu, par exemple, du brevet allemand No 25 16 975. L'encombrement longitudinal L 1 du tracé de la figure 1 est pénalisé par les multiples changements de courbure des portions de guides d'onde raccordant les jonctions Or il est souhaitable de réduire cet encombrement pour plusieurs raisons. D'une part, les coupleurs du type en question étant fabriqués par des techniques de photolithographie sur un substrat d'une pluralité de motifs reproduisant le même dessin élémentaire, une réduction de l'encombrement longitudinal du dessin permettrait de fabriquer plus de coupleurs sur une même surface de substrat et donc d'augmenter les cadences de production du coupleur en abaissant du même coup leur prix de revient de fabrication. D'autre part, les coupleurs réalisés en optique intégrée prennent la forme de barrettes allongées en verre ou en silicium, par exemple, de quelques centimètres de longueur Ces barrettes sont d'autant plus sensibles à des efforts tranchants susceptibles de les briser, qu'elles sont longues Une réduction de leur longueur réduirait leur fragilité. Pour réduire l'encombrement longitudinal du coupleur, on peut songer à déporter latéralement le dessin des guides d'onde, en renonçant à conserver des jonctions parallèles à l'axe longitudinal du coupleur, comme représenté à la figure 2 de la publication de VOIRIN intitulée "Performances of an Ion Exchanged Star Coupler for Multimode Optical Communications", pages 229 à 231 de l'ouvrage intitulé "Integrated Optics Proceedings of the 3rd European Conference, ECIO'85, BERLIN, Germany, May 6-8, 1985 " publié par SPRINGER-VERLAG Le dessin proposé par VOIRIN, pour un coupleur multimode seulement, comporte néanmoins des points anguleux à toutes les jonctions et d'autres encore entre le dernier étage de jonctions et les sorties du coupleur, ces points anguleux, ou singularités, provoquant une perte d'énergie lumineuse évaluée à 0,2 d B environ par transition. Ces pertes peuvent affecter défavorablement non seulement la puissance du signal optique transmis par le coupleur mais aussi l'uniformité des puissances transmises sur chacune des sorties du coupleur. La présente invention a pour but de réaliser un coupleur optique du type "intégré" qui ne présente pas les inconvénients dus à l'encombrement longitudinal ou aux pertes optiques des coupleurs de la technique antérieure décrits ci-dessus. La présente invention a aussi pour but de fournir un procédé de fabrication d'un tel coupleur optique perfectionné par rapport à ceux de la technique antérieure. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un coupleur optique comprenant une pluralité de guides d'onde sensiblement coplanaires raccordant chacun une entrée unique du coupleur à l'une de 2 ' sorties de ce coupleur, ces guides d'onde étant constitués de parties de guide d'onde connectées de manière arborescente par n jonctions en Y disposées sur chaque guide Suivant l'invention, au moins une première jonction d'axe non parallèle à celui du coupleur est connectée à deux deuxième jonctions par des parties de guide d'onde incurvées dépourvues de singularités, tout point d'inflexion éventuel sur l'un quelconque des guides d'onde, entre l'entrée et le nième étage de jonctions, étant situé à l'une des n jonctions disposées sur le guide. En suivant la règle de dessin ainsi posée, on minimise l'encombrement longitudinal du coupleur tout en assurant l'indispensable déploiement transversal des guides d'onde vers les 2 ' sorties du coupleur, en prévoyant des inflexions du guide d'onde seulement là o elles sont nécessaires à ce déploiement, c'est-à-dire aux jonctions On réduit au minimum les pertes d'énergie lumineuse grâce à la suppression de toute singularité et à la réduction au minimum du nombre d'incurvations au long des guides d'onde, qui permet de maximiser les rayons de courbure des parties incurvées avec réduction concomitante des pertes dues aux courbures. Ainsi, suivant un mode de réalisation préféré du coupleur selon l'invention, chaque jonction, au-delà de l'entrée du coupleur, définit un point d'inflexion sur l'un seulement des guides d'onde passant par cette jonction. Chaque jonction comprend des première et deuxième branches de courbures opposées tangentes à une troisième branche en un point commun aux trois branches De préférence, les première et deuxième branches sont symétriques par rapport à la tangente commune aux trois branches de la jonction. Pour fabriquer le coupleur suivant l'invention, on utilise un procédé de fabrication du type suivant lequel on réalise un masque reproduisant le tracé de guides d'onde et on intègre les guides à un substrat à travers le masque. Selon l'invention, on détermine le tracé d'un des guides d'onde extérieur aux autres et les positions de N jonctions sur ce tracé en fonction d'au moins une contrainte du groupe formé par: une longueur axiale prédéterminée du coupleur, une largeur prédéterminée de ce coupleur, le nombre 2 N des sorties du coupleur, une courbure minimum prédéterminée des guides d'onde, et on détermine les positions des autres jonctions du coupleur et des parties de guides d'onde raccordant ces jonctions par des duplications successives du tracé autour d'axes de symétrie tangents à chaque jonction du guide extérieur, depuis la jonction la plus proche de la sortie du guide jusqu'à la jonction la plus proche de l'entrée de ce guide. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: la figure 1 représente le demi-tracé anamorphosé des guides d'onde d'un coupleur de la technique antérieure, décrit et discuté en préambule de la présente description, la figure 2 représente le demi-tracé anamorphosé des guides d'onde d'un coupleur 1 vers 16 selon l'invention, la figure 3 représente le tracé réel complet des guides d'onde d'un coupleur 1 vers 16 suivant l'invention, et la figure 4 illustre les étapes successives du tracé sur un masque des guides d'onde d'un coupleur 1 vers 8 selon l'invention, suivant un procédé de fabrication préféré de celui-ci. Dans toutes les figures des références identiques désignent des éléments identiques ou similaires. On se réfère à la figure 2 du dessin annexé o le demi tracé des guides d'onde monomodes d'un coupleur 1 vers 16 suivant l'invention utilisable en télécommunications par exemple, est représenté à la même échelle que celui de la figure 1, avec le même pas constant des sorties 51 à 58 et le même coefficient d'anamorphose longitudinal pour permettre une comparaison des deux tracés Il apparaît immédiatement que, comme le dessin de la technique antérieure représentée à la figure 1, mais contrairement à celui donné dans la publication VOIRIN précitée, aucune singularité n'affecte le tracé des guides d'onde Les parties de guides d'onde joignant les jonctions en Y Jll à J 44 (référencées comme celles du tracé de la figure 1) présentent des courbures continues dépourvues de tout point d'inflexion en dehors des jonctions elles-mêmes. On se réfère maintenant à la figure 4 du dessin annexé pour décrire plus complètement les jonctions en Y utilisées dans l'invention et l'interconnexion des jonctions dans le tracé des guides d'onde La figure 4 sera décrite plus loin en détail en liaison avec la description d'un procédé de fabrication d'un coupleur suivant l'invention Sur cette figure il apparaît que, conformément à la présente invention, le tracé comprend au moins une première jonction J 21 d'axe X 1 non parallèle à l'axe longitudinal X du coupleur et connectée à deux deuxième jonctions J 31 et J 32 par des parties de guides d'onde incurvées dépourvues de singularités L'un des deux guides d'onde passant à chacune de ces jonctions présente un point d'inflexion alors que la courbure de l'autre guide d'onde ne change pas de signe au passage de cette jonction C'est ainsi que chacune des jonctions en Y utilisée dans l'invention comprend, comme la jonction J 21, des première et deuxième branches 1 et 2 respectivement de courbures opposées, tangentes à une troisième branche 3 en un point commun aux trois branches. Jusqu'au dernier étage de jonction J 31 à J 34 (dans le cas d'un coupleur 1 vers 8), les parties de guides d'onde reliant les jonctions sont dépourvues de point d'inflexion en dehors des jonctions elles-mêmes On limite ainsi suivant l'invention, le nombre de points d'inflexion au minimum nécessaire au déploiement des guides d'onde Il faut noter incidemment que les jonctions du type utilisé dans l'invention permettent de réduire les pertes de 0,1 d B par jonction, par rapport aux pertes observées avec les jonctions à points singuliers représentées dans la publication VOIRIN précitée. On revient au dessin de la figure 2, établi conformément aux règles qui viennent d'être énoncées Sur ce dessin, il apparaît qu'à l'exception de la jonction d'entrée J 11, les autres jonctions présentent une tangente commune à leurs trois branches, non parallèle à l'axe longitudinal X du coupleur, les inclinaisons des tangentes par rapport à l'axe X étant généralement de même signe et cette inclinaison s'accroissant avec l'écartement de la jonction par rapport à l'axe X. Si l'on compare les dessins des figures 1 et 2, il apparaît que cette inclinaison résulte d'un déport latéral du dessin de la figure 1, qui permet de développer plus transversalement les différents guides d'onde ce qui, pour un nombre de jonctions donné sur chaque guide, assure une réduction de l'encombrement longitudinal de ces guides On notera encore que ce déport latéral a pour effet de "redresser" les guides d'onde en supprimant les inflexions des guides entre deux jonctions et en augmentant généralement les rayons de courbure des portions de guides comprises entre les jonctions, ce qui est favorable à la réduction des pertes de puissance lumineuse dites "pertes de courbure". Il en résulte un regroupement des jonctions dans une zone de surface plus petite que celle qui porte les jonctions dans le tracé de la figure 1, et une réduction considérable de l'encombrement axial L 2 des guides d'onde du coupleur suivant l'invention par rapport à celui L, du coupleur de la technique antérieure représenté sur la figure 1, ces encombrements étant mesurés entre la jonction d'entrée J 11 du coupleur et des sorties des guides d'onde parallèles à l'axe longitudinal X de ce coupleur Suivant l'invention, cette réduction d'encombrement peut atteindre 50 % et s'accompagne d'une réduction sensible des pertes optiques "de courbure" grâce à l'accroissement des rayons de courbure des portions de guides d'onde du coupleur suivant l'invention, pour une longueur de composant donnée, et à l'absence totale de singularités sur ceux-ci La diminution des pertes obtenues par la présente invention est particulièrement sensible aux grandes longueurs d'onde telles que celles utilisées en télécommunications (par exemple dans la fenêtre de transmission centrée sur 1550 nm) là o l'invention trouve notamment application. En ce qui concerne l'encombrement longitudinal d'un coupleur suivant l'invention, on a constaté que si l'on choisit par exemple un rayon de courbure minimum de 100 mm, l'invention permet de réaliser un coupleur 1 vers 16 de 35 mm de longueur alors qu'un coupleur classique dépasse couramment 60 mm, un coupleur 1 vers 8 de 25 mm de longueur et un coupleur 1 vers 4 de 17 mm de longueur seulement. On a représenté à titre d'exemple à la figure 3, le tracé non anamorphosé des guides d'onde d'un coupleur 1 vers 16, tel qu'il est utilisé pour la réalisation d'un masque sur un substrat, avant l'intégration des guides d'onde par l'une quelconque des techniques mentionnées en préambule de la présente description Le masque comprend en fait une pluralité de tels dessins identiques et adjacents en vue de l'exposition simultanée d'une couche d'un produit photosensible répandu sur un substrat, à l'ensemble de ces dessins, comme il est bien connu La réduction d'encombrement obtenue par la présente invention permet d'accroître très sensiblement le nombre des dessins auxquels la couche photosensible est exposée et donc la capacité de production de l'opération Elle permet aussi d'accroître la densité d'intégration pour des circuits optiques constitués d'un coupleur suivant l'invention associé à d'autres fonctions optiques de manière monolithiques. On se réfère maintenant de nouveau à la figure 4 du dessin annexé pour décrire, à titre d'exemple seulement, un procédé de dessin d'un motif de masque utilisable dans la fabrication d'un coupleur suivant l'invention Le tracé partiel représenté à la figure 4 correspond à celui d'un coupleur 1 vers 8 mais les règles qui vont être énoncées sont assurément applicables à tout coupleur de 1 vers 2 '. Partant d'un encombrement longitudinal donné L et d'un demi- encombrement transversal H donné et lié au nombre de sorties et au pas de ces sorties, on trace d'abord un guide d'onde extérieur à tous les autres, par exemple celui qui va de la jonction Jil à la sortie 51 On respecte pour cela le rayon de courbure minimum imposé par les pertes tolérées et on prévoit les emplacements des jonctions J 2 et J 31 nécessaires au déploiement des sorties des guides d'onde Un programme de dessin est chargé en ordinateur avec les contraintes énoncées ci-dessus et d'autres contraintes posées par l'invention, à savoir l'absence de point d'inflexion en dehors des jonctions, jusqu'aux jonctions J 31 à J 34 et, éventuellement, la symétrie des première et deuxième branches de chaque jonction par rapport aux tangentes communes X, X 1 ou X 2 aux jonctions J 11, J 21 et J 31 respectivement Par une succession d'essais et de corrections du dessin, on localise les positions des jonctions J 21 et J 31 qui satisfont à toutes les contraintes posées et à des conditions de raccordement données de ces jonctions, par exemple par des arcs de cercle de rayon R 1 entre les jonctions JI, et J 21, R 2 entre les jonctions J 21 et J 31, R au-delà de la jonction J 31, ces rayons respectant la condition de courbure minimum imposée des parties de guides d'onde On déduit ensuite par des symétries successives autour de la tangente X 2 à la jonction J 31, de la tangente X 1 à la jonction J 21 et de la tangente X à la jonction Jl, les positions des autres jonctions et les tracés qui les relient On termine le tracé en raccordant par tâtonnement et dans le respect du minimum de courbure imposé, les extrémités du tracé obtenu au-delà des jonctions J 31 à J 34, aux diverses sorties du coupleur, comme on l'a illustré à titre d'exemple en pointillé pour la sortie 51, à l'aide d'un arc de cercle de rayon R 4 De tels raccordements peuvent exiger la présence d'un point d'inflexion au-delà du dernier étage de jonction, comme c'est le cas de la partie de guide d'onde qui raccorde la jonction J 31 à la sortie 51. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple Ainsi d'autres règles de dessin pourraient être adoptées, dans la mesure o elles respectent les enseignements de la présente invention. Ainsi, les différentes parties de guides d'onde pourraient être constituées chacune de plusieurs portions mises bout à bout et présentant des courbures différentes Les règles suivant lesquelles chaque jonction ne définit qu'une inflexion et qu'aucune inflexion n'est présente entre deux jonctions peuvent souffrir des exceptions locales pour des raisons topologiques sans que l'on sorte de l'esprit de la présente invention Bien que l'on a décrit l'invention dans une application à la réalisation d'un coupleur monomode, elle s'applique évidemment aussi à des coupleurs multimodes, utilisés en télécommunications par fibres optiques ou dans toute autre technique faisant appel à des guides d'onde En outre l'invention n'est pas limitée à un coupleur réalisé en optique intégrée et pourrait évidemment s'étendre à un tel coupleur réalisé avec des composants discrets c'est- à-dire avec des fibres optiques individualisées Enfin la présente invention peut aussi trouver application en hyperfréquences à la réalisation de coupleurs à ligne "microruban" sur substrat diélectrique par exemple. il REVENDICATIONS 1 Coupleur optique comprenant une pluralité de guides d' onde sensiblement coplanaires raccordant chacun une entrée unique du coupleur à l'une de 2 ' sorties de ce coupleur, ces guides d'onde étant constitués de parties de guide d'onde connectées de manière arborescente par N jonctions en Y disposées sur chaque guide, caractérisé en ce qu' au moins une première jonction (J 21) d'axe non parallèle à celui du coupleur est connectée à deux deuxième jonctions (J 31,J 32) par des parties de guide d'onde incurvées dépourvues de singularités, tout point d'inflexion éventuel sur l'un quelconque des guides d'onde, entre l'entrée et le nième étage de jonctions, étant situé à l'une des N jonctions disposées sur le guide. 2 Coupleur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que chaque jonction du coupleur, au-delà de l'entrée, définit un point d'inflexion sur l'un des guides d'onde passant par cette jonction. 3 Coupleur conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque jonction comprend des première ( 1) et deuxième ( 2) branches de courbures opposées tangentes à une troisième branche ( 3) en un point commun aux trois branches. 4 Coupleur conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que les première ( 1) et deuxième ( 2) branches sont symétriques par rapport à la tangente (X 1) commune aux trois branches de la jonction. Coupleur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les guides d'onde sont, au niveau des sorties ( 51 à 58), parallèles à un guide d'onde d'entrée du coupleur, le tracé des guides d'onde étant symétrique par rapport à un axe (X) passant par la jonction la plus proche de l'entrée du coupleur. 6 Coupleur conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les guides d'onde sont monomodes. 7 Coupleur conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les guides d'onde sont intégrés à un substrat. 8 Procédé de fabrication du coupleur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, du type suivant lequel on réalise un masque reproduisant le tracé des guides d'onde et on intègre les guides à un substrat à travers le masque, caractérisé en ce qu'on détermine le tracé d'un des guides d'onde extérieur aux autres et les positions de N jonctions sur ce tracé en fonction d'au moins une contrainte du groupe formé par: une longueur axiale prédéterminée du coupleur, une largeur prédéterminée de ce coupleur, le nombre 2 " de sorties, une courbure minimum prédéterminée des guides d'onde, et on détermine les positions des autres jonctions du coupleur et des portions de guides d'onde raccordant ces jonctions par des duplications successives du tracé autour d'axes de symétrie (X 2,X 1,X) tangents à chaque jonction (J 31,J 21,J 1 l) du guide extérieur, depuis la jonction (J 31) la plus proche de la sortie du guide jusqu'à la jonction (J 1 l) la plus proche de l'entrée de ce guide. 9 Procédé conforme à la revendication 8, caractérisé en ce qu'on raccorde les jonctions (J 31 à J 34) les plus proches des sorties ( 51 à 58) du coupleur en respectant une condition de courbure minimum des guides d'onde.