Brevet FR2678455A1 — publié le 19921231

DISPOSITIF DE MODULATION ELECTROOPTIQUE INTEGRE. La présente invention se rapporte aux dispositifs qui permettent de moduler un signal optique à partir d'un signal électrique. De tels dispositifs sont le plus souvent intégrés à la surface d'un substrat constitué d'un matériau dont les propriétés optiques changent sous l'effet d'un champ électrique qui lui est appliqué. Ces dispositifs permettent notamment de moduler un signal lumineux pour permettre de transmettre des signaux analogiques, par exemple des signaux de télévision modulée en amplitude à bandes latérales réduites (MABLR), sur des réseaux de télévision câblés mettant en oeuvre des fibres optiques. Afin d'améliorer la linéarisation de la réponse électrooptique d'un modulateur optique intégré, la demanderesse a déposé une demande de brevet français sous le NO 90/15678.Cette invention est basée sur la modulation simultanée de deux zones distinctes d'un coupleur à jonction Y. La modulation d'une zone de type "coupleur" a pour inconvénient d'être peu efficace car elle nécessite une structure d'électrode à deux conducteurs et donc un champ électrique vertical (sur LiNbQ3 coupe 1). L'objet de la présente invention est d'améliorer encore la linéarisation de la réponse électrooptique d'un modulateur optique intégré, et également de réduire la tension de commande nécessaire pour la modulation. Pour cela la présente invention est basée sur la modulation simultanée de deux zones différentes d'un interféromètre, c'est-à-dire de deux zones pour lesquelles les guides sont suffisamment éloignés. Ceci permet l'utilisation d'une structure à trois électrodes, plus efficace d'un point de vue électrooptique, et donc une tension de commande réduite. Cette structure est compatible avec une coupe X sur niobate de lithium LiNbO3, et donne de surcroît plusieurs avantages inhérents à cette coupe, et notamment une sensibilité moindre à la température et une possibilité d'intégration d'un polariseur permettant un fonctionnement monomode, monopolarisation. L'invention concerne plus particulièremen. un dispositif de modulation électrooptique comprenant - une première section comprenant une jonction en Y destinée à recevoir le signal optique à moduler et à le diviser en deux parties égales - une première zone de modulation d'une longueur L1 comprenant deux guides optiques parallèles pour recevoir les deux parties du signal optique sortant de la première section, lesdits guides étant suffisamment éloignés pour empêcher le couplage optique entre-eux, ladite zone comprenant également trois électrodes s'étendant sur le substrat le long des guides pour appliquer un champ électrique de modulation en fonction d'un signal électrique de modulation d'amplitude V1 appliqué auxdites électrodes - une troisième section dans laquelle les guides optiques se prolongent en restant parallèles et couplés entre eux sur une longueur L2 en déterminant une longueur de couplage lc2, cette troisième section n'étant pas soumise à modulation - une deuxième zone de modulation d'une longueur L3 comprenant deux guides optiques parallèles pour recevoir les deux parties du signal optique sortant de la troisième section, lesdits guides étant suffisamment éloignés pour empêcher le couplage optique entre eux, ladite zone comprenant également trois électrodes s'étendant sur le substrat le long des guides pour appliquer un champ électrique de modulation, en fonction d'un signal électrique de modulation d'amplitude V2 appliqué auxdites électrodes - une cinquième section dans laquelle les guides optiques se prolongent en restant parallèles et couplés entre eux sur une longueur L4, en déterminant une longueur de couplage lc4, cette cinquième section n'étant pas soumise à modulation ;; - une sixième section pour séparer les guides optiques et délivrer deux signaux optiques (PR, Ps) de valeurs moyennes identiques modulés par le signal électrique de façon complémentaire.- D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront de façon plus complète dans la description qui suit, faisant référence à titre d'exemple non limitatif à un schéma en plan d'un modulateur selon l'invention - la figure 1 représente une vue schématique d'un premier exemple de réalisation; - la figure 2 représente la courbe des valeurs a en fonction du paramètre Y; - la figure 3 représente la courbe des valeurs ss en fonction du paramètre Y; - la figure 4 représente les courbes de réponse du modulateur selon l'invention;; - les figures 5 à 7 représentent des vues en coupe transversale d'exemples de réalisation de la section de couplage du modulateur selon l'invention; - les figures 8 à 10 représentent des schémas en plan de variantes de modulateurs selon l'invention. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, le coupleur selon l'invention est formé de six sections (1 à 6). La première section (1) comprend une jonction en Y de type connu, dans laquelle le signal lumineux arrivant par un guide d'entrée (101) est divisé en deux parties sensiblement égales par deux bras (102 et 103) qui s'écartent du guide (101). La deuxième section (2), d'une longueur L1, comprend deux guides (104, 105) s'étendant parallèlement entre eux, suffisamment écartés pour éviter le couplage optique par le biais de l'onde évanescente. Cette deuxième section (2) comprend par ailleurs une structure à trois électrodes (106, 107, 108) pour la modulation électrooptique des deux guides (104, 105) en fonction d'un signal électrique V1 appliqué à ladite structure. Les électrodes extérieures (106 et 108) sont reliées à la masse, alors que l'électrode centrale (107) est reliée d'un côté à une source de modulation qui lui applique un signal électrique V1 et de l'autre à la masse par une résistance (109), elle même reliée à la masse. La polarisation avec l'électrode centrale présente l'avantage de nécessiter une tension de commutation inférieure à celle nécessaire pour les solutions à deux électrodes qui utilisent la composante verticale du champ électrique, moins efficace que la composante horizontale utilisée ici. La représentation du système d'alimentation des électrodes est illustrée sur la figure 1, de façon schématique. Les guides (104, 105) s'étendent ensuite à travers la section (3) sur une longueur L2. Les guides (110 et 111) sont écartés d'une distance G1 suffisamment réduite pour permettre le couplage entre lesdits guides par le biais de l'onde évanescente. Cette zone est L2 caractérisée par un paramètre Y = lC2 ou 1c2 - L2 est la longueur physique du coupleur et, - 1C2 est la longueur du couplage, c'est-à-dire la longueur pour laquelle toute la lumière est transférée d'un guide à l'autre. La longueur de couplage est fixée par construction par l'écartement entre les deux guides optiques. Le paramètre Y est donc fixé par construction, mais peut également être ajusté selon une variante décrite ultérieurement. Cette zone (3) de couplage n'est pas soumise à modulation. Les guides d'onde (110, 111) s'écartent ensuite à nouveau, au niveau de la section (4) pour présenter deux branches (112, 113) suffisamment éloignées pour éviter tout couplage optique. Une structure à trois électrodes (106', 107', 108') permet la modulation en fonction d'un signal électrique d'amplitude V2 appliqué à un côté de l'électrode centrale (107') dont l'autre extrémité est reliée à la masse via une résistance (114). Le fonctionnement de cette section (4) est similaire à celui de la section (2). La cinquième zone (5) est constituée d'un coupleur semblable à celui constituant la troisième section (3) et d'une caractéristique Y'= l où 1c4 - L4 est la longueur physique du coupleur et - 1C4 est la longueur du couplage de ce coupleur. Le paramètre Y' est fixé, comme le paramètre Y, par construction ou par ajustage électrique. Ensuite dans la section (6), les deux guides s'éloignent pour que l'interaction entre eux cesse. Ils arrivent alors sur des guides de sortie (115, 116) qui délivrent respectivement les signaux optiques modulés PR et Ps. Si l'on définit V2L3 &alpha; = V1L1, &alpha; désignant le coefficient de V1L1 ' proportionnalité entre les tensions appliquées sur les deux zones de modulation, pondéré par le rapport des longueurs. p étant le coefficient de proportionnalité du couplage entre les deux zones de couplage, a priori fixé par construction, mais éventuellement ajustable électriquement. On constate que pour un choix approprié des valeurs de a, , Y, on obtient une réponse électrooptique linéarisée en ce sens que toutes les distorsions d'ordre pair sont nulles car le dispositif est autobiaisé, et la distorsion d'ordre 3 est également annulée. L'annulation des distorsions d'ordre 3 est obtenue lorsque tan (7C Y) - - sin (TtY) (3CL2+1) cos (ltY) + &alpha;(&alpha;+3) Afin de moduler 100 % de la puissance optique, une autre relation entre les paramètres a, ss, et Y, doit être vérifiée, relation qui n'a pas été déterminée de façon analytique, mais qui a été obtenue de façon numérique : les solutions peuvent être classées en deux groupes: Les solutions du type "alterné", pour lesquelles les deux sections de modulation (2, 4) sont soumises à des signaux de modulation V1, V2 de signaux opposés. Dans ce cas, a est négatif. Elles nécessitent donc une inversion préalable du signal de modulation ce qui peut être obtenu, par exemple, par un inverseur électronique placé devant l'une des deux zones de modulation. Ces solutions de type alterné, sont obtenues lorsque n Des solutions de type "uniforme", pour lesquelles les deux sections sont soumises à un signal de modulation de même signe, sont obtenues lorsque n+0,5 Dans ce qui suit, seules les~solutions du type "uniforme" seront décrites, les solutions du type "alterné", pouvant être décrites à partir des relations Ya = 1Yu Y'a = l-Y'u c'est-à-dire ssaYa = 1 - ssuYU aa=- au où Yu, Y'u et ssu, au décrivent les solutions uniformes étudiées et Ya, Y'a et ssa, aa sont les paramètres de la solution alternée associée. Les figures 2 et 3 représentent la valeur des paramètres respectivement &alpha; et ss en fonction du paramètre Y pour la définition d'un ensemble de solutions linéarisées. Les valeurs des courbes A et A' correspondant au paramètre a permettent obtenir simultanément l'annulation des distorsions respectivement d'ordre 3 (courbe A) et d'ordre 5 (courbe A') et un taux de modulation de 100 % de la puissance optique. Les valeurs de ss indiquées en figure 3 en courbe B et B' correspondent aux valeurs de base pour vérifier ces conditions, et notamment l'annulation des distorsions respectivement d'ordre 3 (courbe B) et d'ordre 5 (courbe B'). Il existe une série de valeurs de ss vérifiant également ces conditions, déduites de la solution décrite par la relation ssi = + ss avec n entier 2 0 où: Pi ssi désignant les autres valeurs possibles obtenues sur la base de la valeur ss - ss désigne les valeurs déterminées graphiquement à la figure 3. Le choix d'une solution particulière de cet ensemble peut être fait en tenant compte d'un critère supplémentaire tel que la diminution de la puissance de commande, la moindre sensibilité du dispositif à la température ou une tolérance importante aux paramètres de fabrication. Les courbes A' et B' représentent les meilleurs choix de a, ss, qui annulent l'ordre 5 tout en préservant une profondeur de modulation de l'ordre de 100 %. Selon des applications envisagées, le meilleur choix de paramètres a et ss sera compris entre les deux limites annulant l'ordre 3 et l'ordre 5. Cela définit une plage de choix possible représentée par les zones hachurées comprises entre les deux courbes respectivement A et A' et B et B'. La figure 4 représente la réponse électrooptique, c' est-à-dire la puissance optique délivrée sur les sorties (PR) et (Ps) en fonction de la tension de commande V appliquée aux électrodes, comparée à la réponse électrooptique d'un dispositif de type Mach Zhender autobiaisé. On constate une amélioration sensible de la linéarité de la réponse. La figure 4 a été tracée pour le cas particulier ou Y = 0,6 a = 0,53 '3 = 1,3044. L2 Le paramètre Y est fixé par le rapport de la troisième zone, c'est-à-dire par la longueur de cette zone et l'écartement entre les deux guides. Le paramètre Y' = ssY peut être obtenu par construction soit - en utilisant le même écartement G2 entre les guides de la deuxième zone de modulation (5) que l'écartement G1 prévu entre les guides (110, 111) de la première section de couplage (3) . Dans ce cas, 1c4 = lC2 et le choix d'une valeur ss est donné par le choix d'une longueur L4=ssL2. - Si l'écartement G1 est différent de l'écartement G2, il est possible de fixer le paramètre ss indépendamment de la longueur L4. Il est également possible d'ajuster électriquement les paramètres Y et Y' = DY afin de corriger le point de fonctionnement fixé par construction. Ceci permet d'augmenter les tolérances de fabrication et de corriger d'éventuelles fluctuations de ces paramètres. Cette correction peut être effectuée en appliquant une tension continue d'ajustement, soit sur la section (3) afin d'ajuster la valeur de Y, soit sur la section (5), afin d'ajuster le paramètre Y', soit encore sur les deux sections , afin d'ajuster indépendamment les valeurs de Y et de Y'. L'ajustement peut se faire en utilisant trois types de structures d'électrodes représentés respectivement par les figures 5 à 7. La figure 5 décrit une structure à deux électrodes placées symétriquement par rapport aux guides (110, 111). Les électrodes (201, 202) permettent d'applique une tension continue VDc. La figure 6 décrit une structure à trois électrodes, les deux électrodes extérieures (203, 204) étant reliées à la masse et l'électrode centrale (205) étant reliée à une source de tension VDc. L'électrode centrale (205) est disposée entre les deux guides (110, 111). Une troisième possibilité de structure est représentée en figure 7, elle comporte deux électrodes (206, 207) décalées, l'un des guides d'onde (110) étant placé entre les deux électrodes (206 et 207). L'une des électrodes (206) est reliée à une source de tension VDC alors que l'autre électrode (207) est reliée à la masse. Ces deux dernières solutions agissent sur la différence de synchronisme du coupleur. Les deux dernières solutions représentées en figures 6 et 7 sont les plus efficaces du point de vue électrooptique. Par contre, elles ont pour inconvénient de débiaiser la zone interférométrique qui précède le coupleur (zone de modulation (2) pour les coupleurs de la section (3), les zone de modulation (4) pour le coupleur en zone de couplage (5)). Ce défaut de biais fait apparaître des distorsions d'ordre pair, sauf si elles sont compensées dans la zone interférométrique, soit par superposition d'un niveau continu au signal de modulation, à l'aide d'un Té de polarisation, soit par l'utilisation d'électrodes de compensation dans la zone interférométrique. Le paramètre a peut être fixé, soit par construction, soit par ajustage au niveau d'un circuit de commande extérieur au composant. Pour fixer le paramètre a par construction, il suffit de choisir une longueur L3 = a L1. De cette façon, les deux zones interférométriques, la zone (2) et la zone (4), peuvent être soumises à des signaux de modulation de même amplitude et soit de signes identiques pour la solution "uniforme", soit de signes opposés pour la solution "alterné". La figure 8, représente un exemple de réalisation disposant de deux électrodes (201, 202) et (208, 209) pour l'ajustage des paramètres respectivement Y et Y' par des tensions continues VadjY et VadjY' . Une source de modulation unique Vmod alimente les deux zones de modulation (2) et (4) par l'intermédiaire d'un diviseur RF (210) ou d'un coupleur 3dB divisant le signal de modulation en deux signaux de même amplitude. Un atténuateur (211) placé sur l'une des deux sorties du diviseur (210) permet d'ajuster l'amplitude relative des signaux alimentant les électrodes de chacune des zones de modulation (2), (4) L'utilisation d'un atténuateur (211) pour ajuster l'amplitude relative des signaux de modulation, permet de déterminer librement les longueurs L1 et L3 des zones de modulation respectivement (2) et (4) et d'optimiser ces longueurs pour d'autres paramètres, par exemple pour améliorer la bande passante. Bien entendu, toute autre solution électronique permettant d'ajuster l'amplitude des signaux des deux bras est envisageable, par exemple l'emploi de deux amplificateurs à gains différents. Selon un autre mode de réalisation représenté en figure 9, on utilise une seule électrode (212) modulant les deux zones de modulation (2, 4). On évite ainsi l'utilisation de splitter. L'électrode centrale (212) est reliée d'une part à un générateur de tension de modulation délivrant un signal Vmod et d'autre part à la masse par l'intermédiaire d'une résistance (213). Les deux électrodes latérales (214, 215) sont reliées à la masse. Le recouvrement des parties rapprochées des guides optiques (216, 217) est sans conséquence, puisqu'une couche isolante sépare lesdits guides optiques et l'électrode (212). Il s'agit d'un exemple pour lequel le paramètre a est fixé par construction, par la différence des longueurs des zones interférométriques. Le circuit selon l'invention est par nature autobiaisé. Lorsque le signal de modulation est nul, la moitié de la puissance est disponible dans chacune des deux sorties, et lorsque l'on change le signe de la modulation, le rôle des deux sorties est inversé. Le composant peut toutefois, soit lors d'un défaut de fabrication, soit lors de l'utilisation d'électrodes à trois conducteurs, ou à deux conducteurs décentrés pour ajuster l'un ou l'autre des coupleurs, perdre alors cette propriété. De ce fait, certaines distorsions d'ordre pair ne s'annulent plus et la linéarité du dispositif se dégrade. Pour compenser le défaut de ces modes de réalisation, une première solution consiste à superposer une tension continue au signal~de modulation de la zone débiaisée, par l'intermédiaire d'une solution électrique, par exemple à l'aide d'un Té de polarisation.Une autre solution représentée en figure 10, consiste à rajouter une série d'électrodes supplémentaires pour le débiaisage. Dans l'exemple représenté en figure 10, ces deux séries d'électrodes (301, 302) sont constituées chacune par trois électrodes respectivement (305, 306, 307) et (308, 309, 310) . Les électrodes extérieures respectivement (305 et 307) et (308 et 310) sont reliées à la masse, alors que les deux électrodes centrales (306, 309) sont reliées à une source électrique délivrant les tensions respectivement Vbiaisl et Vbiais2. Les structures d'électrodes (301) et (302) ont été représentées respectivement avant et après les structures d'électrodes de modulation (303) (106, 107, 108) et (304) (106', 107', 108') auxquelles elles sont associées dans les zones de modulation. En pratique ces structures d'électrodes de débiaisage peuvent être placées indifféremment avant ou après la zone de modulation. Les exemples de réalisation décrits dans ce qui précède ne sont pas exhaustifs. L'invention pourra faire l'objet de nombreuses variantes en fonction de contraintes et de choix technologiques. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de modulation électrooptique caractérisé en ce qu'il comprend sur un substrat électrooptique - une première section (1) comprenant une jonction en Y destinée à recevoir le signal optique à moduler et à le diviser en deux parties égales, - une première zone de modulation (2) d'une longueur L1 comprenant deux guides optiques (104, 105) parallèles pour recevoir les deux parties du signal optique sortant de la première section, lesdits guides (104, 105) étant suffisamment éloignés pour empêcher le couplage optique entre eux, ladite zone comprenant également trois électrodes (106, 107, 108) s'étendant sur le substrat le long des guides pour appliquer un champ électrique de modulation en fonction d'un signal électrique de modulation d'amplitude V1 appliqué auxdites électrodes (106, 107, 108), - une troisième section (3) formant coupleur dans laquelle les guides optiques (110, 111) se prolongent en restant parallèles entre eux sur une longueur L2 et déterminant une longueur de couplage lC2, L2 avec Y = lc2' cette troisième section (3) n'étant pas soumise à modulation, - une deuxième zone de modulation (4) d'une longueur L3 comprenant deux guides optiques parallèles (112, 113) pour recevoir les deux parties du signal optique sortant de la troisième section (3), lesdits guides (112, 113) étant suffisamment éloignés pour empêcher le couplage optique entre eux, ladite zone comprenant également trois électrodes (106', 107', 108') s'étendant sur le substrat le long des guides pour appliquer un champ électrique de modulation en fonction d'un signal électrique de modulation d'amplitude V2 appliqué auxdites électrodes, - une cinquième section (5) formant coupleur dans laquelle les guides optiques se prolongent en restant parallèles et couplés entre eux sur une longueur L4 en déterminant une longueur de couplage lc4, avec t4 yt = l , cette cinquième section (5) n'étant pas soumise à modulation, - une sixième section (6) pour séparer les guides optiques (115, 116) et délivrer deux signaux optiques (PR,PS) modulés de façon complémentaire. 2 - Dispositif de modulation électrooptique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écartement des deux guides d'onde (110, 111) de la première zone de couplage (3) est identique à l'écartement des deux guides d'onde de la deuxième zone de couplage (4). 3 - Dispositif de modulation électrooptique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une au moins des zones de couplages (3), (5) comprend des électrodes (201, 202, 208, 209) reliées à une source de tension continue, pour l'ajustage les coefficients Y et Y'. 4 - Dispositif de modulation électrooptique selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que les signaux de modulation électrique V1 et V2 sont de signes opposés. 5 - Dispositif de modulation électrooptique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une au moins des zones de modulation comprend une série d'électrodes (301, 302) de débiaisage reliées à une source de tension continue. 6 - Dispositif de modulation électrooptique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, CL correspondant au coefficient de proportionnalité entre les tensions appliquées sur les deux zones de modulation, pondéré par le rapport des V2L3 longueurs desdites zones, soit CL = V2L3, la valeur du paramètre a est choisie en fonction de Y dans une plage fixée par deux limites pour lesquelles les distorsions respectivement d'ordre 3 et d'ordre 5 sont annulées. 7 - Dispositif de modulation électrooptique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ss, correspondant au coefficient de proportionnalité du couplage entre les deux zones de couplage, soit la valeur du paramètre ss est choisie en fonction de Y dans une plage fixée par deux limites pour lesquelles les distorsions respectivement d'ordre 3 et d'ordre 5 sont annulées, 8 - Dispositif de modulation électrooptique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les signaux de modulation sont issus d'une même source et sont appliqués aux électrodes de modulation de chacune des zones de modulation (2), (4) via un diviseur (210). 9 - Dispositif de modulation électrooptique selon la revendication 8, caractérisé en ce que des moyens d'ajustement de l'amplitude relative des signaux de modulation sont prévus entre les sorties du diviseur et les électrodes de modulation. 10 - Dispositif de modulation électrooptique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une série unique de trois électrodes (212, 214, 215) s'étendant à la fois sur les deux zones de modulation (2), (4), l'électrode centrale étant séparée des guides de la section (3) formant coupleur qui sépare les deux zones de modulation par une couche isolante.