Brevet FR2685786A1 — publié le 19930702

i La présente invention est relative à un coupleur de proximité en optique intégrée prévu pour séparer ou réunir deux rayonnements de longueurs d'onde différentes Plus particulièrement, l'invention est relative à un tel coupleur présentant des bandes passantes prédéterminées autour de ces longueurs d'onde, au sens qui sera donné ci- dessous à cette expression. On connaît des coupleurs de proximité tels que celui représenté schématiquement à la figure 1 du dessin annexé à la présente demande de brevet Un tel coupleur est couramment utilisé au multiplexage/démultiplexage de deux rayonnements de longueurs d'onde différentes. Il comprend deux guides d'onde 1,2 intégrés par échange d'ions tels que l'ion thallium par exemple, dans un substrat 3 en verre ou dans un substrat cristallin L'échange d'ions se réalise à travers un masque définissant la forme des guides d'onde Ceux-ci présentent des parties droites d'interaction 11,21, parallèles et voisines et des parties d'approche 12,13 et 22,23 respectivement, connectées à des entrées/sorties ou "ports" 4, 5, 6 les ports 5 et 6 étant écartés d'une distance fixée par le diamètre de fibres optiques sous gaine (non représenté) qui sont raccordées à ces ports. Ainsi, des rayonnements de longueurs d'onde 11 et J 2 (Il sens inverse dans le coupleur de la figure 1. Le transfert d'un rayonnement d'un guide vers l'autre est régi par la relation: P = sin 2 (C(s X) L) o P est la puissance transférée d'un guide vers l'autre, C(s,X) un coefficient de couplage qui dépend de l'écartement s des axes des parties droites d'interaction des guides et de la longueur d'onde du rayonnement utilisé, et L la longueur de ces parties droites d'interaction. Pour obtenir une bonne séparation des rayonnements, il convient que TL C(s Il) L = n. et Tt C(s,12) L = m. N et m étant des entiers, l'un impair et l'autre pair On appelle un tel coupleur, coupleur à motif de type (n,m) En choisissant les paramètres intervenant dans ces relations de manière que celles-ci soient satisfaites, on retrouve l'intégralité de la puissance des rayonnements de longueurs d'onde Il et,2 aux sorties 6 et 5 respectivement, sans qu'une fraction de l'un vienne se mélanger à l'autre à chacune de ces sorties. C'est ce que l'on observe pratiquement sur le graphe de la figure 2 o il apparaît que, aux longueurs d'onde Il et 12 r la fraction d'un rayonnement qui parasite l'autre est atténuée de 30 d B environ Autour de ces deux longueurs d'onde, les atténuations sont moins fortes et on est alors amené à définir une "bande passante" autour de chacune des deux longueurs d'onde pour caractériser la sélectivité d'un coupleur de proximité A cet égard, il existe un besoin pour un moyen qui permettrait d'ajuster cette bande passante Un tel besoin existe par exemple quand on souhaite disposer d'une bande passante de largeur accrue autour de l'une des deux longueurs d'onde, permettant de tolérer l'utilisation d'une source de rayonnement dont la longueur d'onde peut être moins précisément définie autour de celle-ci, une telle tolérance pouvant être avantageuse du point de vue du coût de la source en question. La présente invention a donc pour but de fournir un coupleur de proximité du type décrit ci-dessus, conçu de manière à présenter une bande passante prédéterminée pour l'un des deux rayonnements à séparer ou à réunir dans le coupleur. On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un coupleur de proximité en optique intégrée, pour la séparation ou la réunion de deux rayonnements de longueurs d'onde 1, et X 2 croissant dans cet ordre, comprenant deux guides d'onde enterrés dans un substrat et présentant une région de couplage de longueur L établissant des coefficients de couplage C 1 et C 2 pour les rayonnements de longueurs d'onde I 1 et 12 respectivement, caractérisé en ce que la longueur L et les coefficient C 1 et C 2 sont liés par les relations: Tt TL C 1.L = N et C 2 L = m 2 2 o N et m sont des entiers impair et pair respectivement, choisis de manière à établir une bande passante de largeur prédéterminée autour d'au moins l'une des longueurs d'onde il et 12- On peut ainsi adapter une bande passante à une tolérance donnée affectant la longueur d'onde d'une source d'un des deux rayonnements, le respect de cette tolérance pouvant être avantageux pour des raisons de coût de fabrication de ladite source, par exemple. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, m = N + 1, les guides d'onde du coupleur étant monomodes, symétriques et intégrés par échange d'ions dans un substrat. Dans une application particulière à des télécommunications par fibres optiques, Il = 1310 nm et 12 = 1550 nm, la largeur de la bande passante autour de la longueur d'onde X 2 étant supérieure à la largeur de bande autour de la longueur d'onde Xl La bande passante de largeur prédéterminée est obtenue par réglage de la longueur L et de l'écartement s des deux guides dans la région de couplage. D'autres caractéristiques et avantages du coupleur suivant l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: la figure 1 est un schéma d'un coupleur de proximité en optique intégrée et la figure 2 la courbe de réponse d'un tel coupleur, ces figures ayant déjà été présentées en préambule de la présente description, et la figure 3 représente les graphes des variations des largeurs des bandes passantes d'un coupleur de proximité, que l'on peut obtenir par la mise en oeuvre de la présente invention. A titre d'exemple non limitatif, la présente invention va être illustrée dans son application à un coupleur de proximité à guides d'onde symétriques monomodes, intégrés par échange d'ions thallium par exemple, dans un substrat en verre, ce coupleur de proximité étant destiné à multiplexer ou à démultiplexer des rayonnements de longueurs d'onde il = 1310 nm et 12 = 1550 nm utilisés classiquement dans un système normalisé de télécommunications par fibres optiques. Dans ce cadre illustratif, il faut encore définir la notion "d'isolation" et la notion "bande passante" pour exposer la présente invention. On mesure l'isolation par le rapport des puissances de sorties des deux rayonnements sur une même sortie du coupleur Une isolation parfaite correspond à l'absence totale d'un des deux rayonnements sur la sortie considérée. On appellera dans la suite "bande passante" autour de la longueur d'onde li(Ij par exemple) la largeur spectrale dans laquelle le rapport des puissances de sortie sur les portes 5 et 6 du coupleur de proximité est supérieure à 15 d B. On revient en outre aux coupleurs à motif de type (n,m) tel que définis ci-dessus Il faut remarquer que N et m désignent les nombres de transferts inter-guides des deux rayonnements Il est clair que le nombre N de transferts du rayonnement de longueur d'onde Il nécessaire pour faire apparaître celui-ci à l'une des sorties doit être de parité différente du nombre m, nombre de transferts nécessaires pour faire sortir le rayonnement à la longueur d'onde X 2 à l'autre sortie. En choisissant N et m tels que (m n) soit grand, la réponse spectrale des coupleurs est très "piquée" autour des longueurs d'onde X 1 et X 2 considérées, les bandes passantes étant alors étroites. En effet lorsque m et N sont très différents l'un de l'autre, les rayonnements des deux longueurs d'onde subissent des transferts en nombres très différents Si nous considérons les longueurs d'onde comprises entre Il et 12 ' sortent intégralement sur le même port que Il toutes les longueurs d'onde subissant N + 2 p transferts, N + 2 p étant compris entre N et m, et sortent intégralement sur le même port que > 2 toutes les longueurs d'onde subissant m 2 q transferts, m 2 q devra aussi être compris entre N et m. La puissance lumineuse sortant sur le port o sort Il sera donc maximale, outre pour la longueur d'onde 11, pour toute autre longueur d'onde telle que le nombre de transferts soit N + 2 p La réponse spectrale du composant comportera alors (p + 1) pics (p étant la partie entière, ou l'entier inférieur le plus proche) de (m n)/2) Elle sera par conséquent beaucoup plus piquée On réalise ainsi un coupleur permettant un démultiplexage très sélectif des deux longueurs d'onde considérées. Néanmoins le cas le plus intéressant pour démultiplexer deux bandes passantes les plus larges possibles correspond à celui o la réponse est la moins "piquée" possible, c'est- à-dire celui o il n'existe pas de pics intermédiaire dans la réponse spectrale ((p = O) soit m N Suivant la présente invention, on joue alors sur la valeur de N (m étant égal à N + 1) pour ajuster la largeur de la bande passante autour de la longueur d'onde 12 par exemple On a représenté à la figure 3 les largeurs de bandes passantes B Pl et BP 2 autour de Il et X 2 respectivement pour diverses valeurs de n, nombre de transferts de lumière entre guides à la longueur d'onde I 1 = 1310 nm On voit que lorsque N croît, la largeur de la bande passante à 2 = 1,550 nm croît que la largeur de la bande passante à I 1 = 1310 nm décroît La figure 3 reprend les mesures figurant dans le tableau suivant: n 1 2 3 B Pl 61 nm 51 nm 47 nm BP 2 51 nm 60 nm 67 nm L pm 15,5 13 10,7 BP 2 indiquées. Ces valeurs se déterminent aisément comme devant satisfaire aux équations suivantes: Tt C(s, l) L = n- Tt C(s, 12) L = m- o C(s, A) représente le coefficient de couplage entre les deux guides, qui est fonction de la longueur d'onde utilisée et de la séparation S entre guides. De ce tableau, il résulte que si l'on souhaite disposer d'une bande passante plus large autour de i 2 qu'autour de Xl, il convient de dimensionner L et S de manière à établir un nombre N de transferts entre guides pour le rayonnement de longueur d'onde Il qui soit supérieur à 1, N = 3 par exemple. Avec cette solution, on dispose d'une bande passante BP 2 autour de 12 de 67 nm alors qu'autour de Il on a B Pl = 47 nm. En télécommunications par fibres optiques, on utilise couramment des lasers comme source de rayonnement La réalisation de lasers émettant à la longueur d'onde de 1550 nm est plus difficile et donc plus coûteuse que celle de lasers émettant à 1310 nm Il est donc intéressant d'un point de vue économique de pouvoir admettre une plus grande tolérance sur la longueur d'onde d'émission d'un laser nominalement à 1550 nm, permettant de réaliser celui-ci à moindre coût Il est clair que la solution évoquée ci-dessus, qui permet d'obtenir une bande passante autour de i 2 de 67 nm et de 47 nm autour de i 1 permet d'atteindre cet objectif. Suivant la présente invention, ceci est obtenu par un choix approprié des nombres N et m des transferts de rayonnement entre guides, établis par un dimensionnement convenable de la région d'interaction ou, plus généralement, des "longueurs de couplage" C L caractérisant cette région. Incidemment, on remarquera que l'élargissement de la bande passante autour de 1550 nm obtenu par la présente invention permet d'envisager un emploi plus fréquent de cette fenêtre de longueurs d'onde notamment en télécommunications et d'utiliser alors des amplificateurs optiques dont la technologie actuelle ne dispose pas dans l'autre fenêtre centrée sur 1310 nm On peut donc être tenter d'utiliser plus souvent la fenêtre BP 2 notamment pour les services distribués par fibres optiques Une plus grande largeur de bande permet la transmission d'un plus grand nombre de services, si l'on envisage la distribution de chaque service à une longueur d'onde différente, comme il est envisagé dans l'article "Dense Wavelength Division Multiplexing Networks Principles and Applications" par Charles A Brackett dans IEEE Journal on Selected Areas in Communications 08/1990, Vol 8 No 6 pages 948-964. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple Ainsi, l'invention n'est pas limitée à des coupleurs de proximité conforme au motif classique représenté à la figure 1 et s'étend à des coupleurs ou à des filtres tels que ceux décrits dans la demande de brevet français No 9115992 déposée le 23 décembre 1991 par la demanderesse et intitulée "Dispositif optique à couplage de proximité entre deux guides d'onde intégrés, d'encombrement réduit et composants d'optique intégrée en faisant application". REVENDICATIONS 1 Coupleur de proximité en optique intégrée, pour la séparation ou la réunion de deux rayonnements de longueurs d'onde (X 1) et (X 2) croissant dans cet ordre, comprenant deux guides d'onde enterrés dans un substrat et présentant une région de couplage de longueur (L) établissant des coefficients de couplage (C 1) et (C 2) pour les rayonnements de longueurs d'onde (X 1) et (X 2) respectivement, caractérisé en ce que la longueur (L) et les coefficients (C 1) et (C 2) sont liés par les relations: TE Tt C.L = N -et C 2 L = m o 2 2 N et m sont des entiers l'un impair et l'autre pair, choisis de manière à établir une bande passante de largeur prédéterminée (BP 1,BP 2) autour d'au moins l'une des longueurs d'onde (A 1) et (X 2)- 2 Coupleur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que m = N + 1. 3 Coupleur conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les guides d'onde sont monomodes, symétriques et intégrés par échange d'ions dans un substrat. 4 Coupleur conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que ( 11) et (X 2) sont respectivement tels que X 1 = 1310 nm et 12 = 1550 nm. Coupleur conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que la largeur (BP 1,BP 2) de bande passante autour d'une des longueurs d'onde (X 1,X 2) est supérieure à la largeur de la bande autour de l'autre longueur d'onde. 6 Coupleur conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que la bande passante de largeur prédéterminée (BP 2) est obtenue par réglage de la longueur (L) et de l'écartement (s) des deux guides dans la région de couplage.