Brevet FR2714490A1 — publié le 19950630

La présente invention est relative à un coupleur en optique intégrée à 2 entrées et 2N sorties et, plus particulièrement, à un tel coupleur présentant une achromaticité améliorée. On a représenté à la figure 1 du dessin annexé, la topographie d'un coupleur à 2 entrées E1,E2 et 16 sorties S, à S16, d'un type connu par la demande de brevet français No. 2.680.418 déposée au nom de la demanderesse (voir en particulier les figures 9 et 10 de ce document). Un tel coupleur est réalisé, par exemple, par échange d'ions sur un substrat en verre, à travers un masque définissant la configuration de guides d'onde connectant les deux entrées aux seize sorties. Comme décrit dans la demande de brevet français précitée, le coupleur comprend essentiellement un diviseur D et deux groupes de guides d'onde connectés chacun à une des deux sorties du diviseur. Le diviseur D est constitué par une jonction en "X" de deux guides d'onde rectilignes identiques, monomodes à la longueur d'onde utilisée. Cette jonction est connectée aux entrées E1, E2 de manière à répartir également la puissance lumineuse reçue d'une des deux entrées entre ses deux branches de sortie. Pour ce faire, comme décrit dans la demande de brevet français précitée, les guides de la jonction D sont inclinés d'un angle d'environ 1 sur l'axe de symétrie Z de la jonction qui est parallèle à la direction générale de propagation de la lumière, les entrées et les sorties du coupleur étant raccordées à des branches de guide d'onde parallèles à l'axe Z. On notera incidemment que la représentation de la topographie des guides d'onde de la figure 1 est très fortement anamorphosée, dans un rapport 10 environ, parallèlement à cet axe de symétrie ce qui amplifie les courbures des guides, au bénéfice de la clarté de la figure. C'est ainsi que le coupleur 2 x 16 représenté à titre d'exemple peut être formé sur un substrat d'un encombrement transversal 1 de 6 mm environ pour un encombrement longitudinal L de 46 mm environ, mesuré entre les départs des branches de guide d'onde rectilignes d'entrée et de sortie, le pas de la distribution transversale de ces entrées et sorties étant de 350 úm. Les deux groupes de guides d'onde monomodes coplanaires connectés aux 2 sorties du diviseur D sont symétriques par rapport à l'axe Z du diviseur, chaque groupe étant constitué de parties de guides d'ondes connectées de manière arborescente par des jonctions Jii en Y, entre une jonction d'entrée J1l,J21 respectivement, raccordée à une des sorties du diviseur, et les N branches de guides d'onde rectilignes et parallèles à l'axe Z du diviseur, définissant les N sorties S1 à S8 d'une part, S9 à S16 d'autre part, du coupleur. On décrit un coupleur de 1 vers N présentant une telle arborescence de guides d'onde dans le brevet français No. 2.676.548 au nom de la demanderesse, ce coupleur étant caractérisé par l'abscence de points d'inflexion sur les différents guides d'onde, en dehors des jonctions elles- mêmes, disposition qui en accroît la compacité longitudinale. Des coupleurs tels que celui de la figure 1 sont utilisés notamment en télécommunications, en particulier dans des bandes de longueur d'onde centrées autour de 1310 nm et 1530 nm soit 1260 nm- 1360 nm et 1480 nm-1580 nm, respectivement. Dans ces bandes il est alors important que la répartition de la puissance lumineuse entre les sorties S1 à S,6 soit aussi dépourvue de défauts de chromaticité que possible. On a représenté à la figure 3, l'atténuation des puissances lumineuses aux diverses sorties S1 à S16 du coupleur de la figure 1, par rapport à la puissance lumineuse injectée dans l'une des entrées E1,E2. Ces atténuations présentent notamment dans la première des deux bandes de fréquence mentionnées plus haut, soit 1310 + 50 nm, et 1530 + 50 nm, de fortes oscillations spectrales en fonction de la longueur d'onde, comprises entre 0,5 et 1 dB, révélatrices d'une achromaticité susceptible d'affectuer sensiblement l'uniformité des puissances lumineuses aux sorties du coupleur. On observe également un "bruitage" sensible des sorties dans la deuxième bande de longueur d'onde, autour de 1530 nm. Ces phénomènes persistent même lorsqu'on ménage, entre le diviseur D et les parties incurvées des guides d'onde qui la raccordent aux jonctions d'entrée J1l et J12, une partie de guide d'onde rectiligne, longue d'un millimètre par exemple. On peut attribuer le défaut d'achromaticité ainsi relevé au fait que le profil de mode, à la sortie d'une jonction en X, est fortement déformé, plus qu'à la sortie d'une simple jonction en Y, et qu'une telle jonction en X est moins adiabatique. La présente invention a pour but de réaliser un coupleur en optique intégrée à deux entrées et 2N sorties qui ne présente pas le défaut de chromaticité de celui de la figure 1. 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 en optique intégrée à 2 entrées et 2 N sorties, du type comprenant a) un diviseur constitué par une jonction en X de deux guides d'onde rectilignes identiques, monomodes à la longueur d'onde d'utilisation, inclinés l'un sur l'autre de manière à répartir également entre les deux sorties de la jonction la puissance lumineuse reçue sur une entrée de la jonction, la jonction présentant un axe de symétrie suivant la direction générale de propagation de la lumière et b) deux groupes de guides d'onde monomodes coplanaires au diviseur et symétriques par rapport à l'axe de symétrie du diviseur, chaque groupe étant constitué de parties de guides d'onde connectées de manière arborescente par des jonctions en Y, entre une jonction d'entrée raccordée à une des sorties du diviseur et N parties de guides d'onde définissant N sorties du coupleur parallèles à l'axe du diviseur. Suivant l'invention, chacune desdites jonctions d'entrée comprend une branche d'entrée rectiligne de longueur prédéterminée telle que la distribution transversale de la puissance lumineuse à la sortie de la branche d'entrée rectiligne est sensiblement centrée sur l'axe de cette branche d'entrée. Comme on le verra plus loin, cette disposition assure une meilleure uniformité de la répartition de la puissance lumineuse aux sorties du coupleur et une achromaticité améliorée de celui-ci. Chacune des jonctions d'entrée du coupleur suivant l'invention comprend deux branches de sortie incurvées symétriques par rapport à une tangente commune colinéaire à l'axe de la branche d'entrée et parallèle à l'axe de symétrie du diviseur. Cette disposition renforce encore, avantageusement, l'uniformité de la répartition de la puissance lumineuse et l'achromaticité du coupleur suivant l'invention. D'autres caractéristiques et avantages du coupleur selon 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 schématiquement un coupleur 2 vers 2N de la technique antérieure, déjà décrit en préambule de la présente description, - la figure 2 représente schématiquement un coupleur 2 vers 2N suivant l'invention, et - les figures 3 et 4 sont des graphes des puissances lumineuses aux sorties des coupleurs des figures 1 et 2 respectivement, en fonction de la longueur d'onde de la lumière injectée dans ces coupleurs. On se réfère à la figure 2 du dessin annexé o l'on a représenté, à titre d'exemple, un coupleur 2 vers 2N suivant l'invention. Il apparaît que celui-ci, dont la représentation est anamorphosée comme celle du coupleur de la figure 1, comprend comme ce dernier, un diviseur D et deux groupes de guides d'onde dont les jonctions d'entrée en "Y" J11,J12 sont raccordées chacune à une des deux sorties du diviseur D. Ce dernier est tout à fait conforme à celui décrit en liaison avec la figure 1. Les groupes de guides d'onde connectés aux sorties du diviseur D sont du type arborescents, comme ceux du coupleur de la figure 1. Suivant l'invention, les jonctions d'entrée J1,J12 comportent chacune une branche d'entrée rectiligne de longueur prédéterminée, repérée B1 pour la jonction Jil (voir figure 2A, représentant le détail A de la figure 2). La jonction Jil comprend aussi deux branches de sortie B2,B3 incurvées et symétriques par rapport à une tangente commune T. Comme on l'a vu plus haut, la jonction J12 est symétrique de la jonction Jl1 et on se bornera donc à décrire cette dernière dans la suite. Suivant une caractéristique essentielle du coupleur selon l'invention, la longueur de la branche d'entrée B1 de la jonction Jl1 est choisie de manière que la distribution transversale de la puissance lumineuse à la sortie de cette branche d'entrée soit sensiblement centrée sur l'axe de cette branche d'entrée. On sait que, dans un guide d'ondes monomode, la distribution transversale de la puissance lumineuse, ou "profil de mode", est sensiblement gaussienne et normalement centrée sur l'axe du guide. Ce profil reste sensiblement constant en cas de propagation dans un guide d'onde rectiligne. Par contre, il subit un décentrement quand le guide s'incurve, décentrement favorable à une répartition inégale de la puissance lumineuse entre les deux branches de sortie d'une jonction en Y. En revenant au coupleur de la figure 1, il apparaît que la jonction J1l est précédée d'une branche de guides d'onde fortement incurvée, placée entre une sortie du diviseur D et cette jonction pour assurer le déploiement transversal des guides d'onde, conditionné par leur pas (350 gm par exemple) et le nombre 2N des sorties du coupleur. Cette courbure induit un fort décentrement du profil de mode en amont de la jonction J1l et donc une forte dissymétrie de la distribution de la puissance lumineuse transmise aux jonctions J21 et J22. Cette dissymétrie est encore accrue par le diviseur D lui-même qui, du fait de la géométrie de l'intersection des deux guides d'onde qui le constitue, introduit une bimodalité dans la propagation de la lumière reçue de l'un de ces guides monomodes, bimodalité défavorable au centrage des profils des modes qui se propagent vers les jonctions Ji et J12- Suivant l'invention, on corrige ces décentrements, en amont des jonctions J1l,Jl2, en obligeant la lumière à se propager dans des branches de guide d'onde rectilignes, telles que la branche d'entrée B1 de la jonction JI,, ces branches rectilignes assurant un recentrage des modes favorable à la restauration d'une propagation monomode et centrée de la lumière, à l'aval de la jonction. Un guide d'onde rectiligne assure en effet un filtrage de la lumière transmise propre à recentrer un profil de mode décentré. Ainsi le décentrement du mode qui se propage en amont de la branche B1 disparaît progressivement au fur et à mesure de sa progression dans cette branche rectiligne. Il faut bien entendu que celle-ci soit de longueur suffisante pour que le recentrage recherché puisse se produire. La longueur de la branche rectiligne B1 doit alors être choisie en fonction du taux de recentrage visé. Comme on le verra dans la suite en liaison avec la figure 4, en donnant à la branche B1 une longueur comprise entre 1 et 3 mm, on obtient les performances recherchées en matière d'achromaticité, celle- ci étant liée à l'uniformité de la distribution de la puissance lumineuse entre les sorties du coupleur. On améliore encore l'achromaticité du coupleur suivant l'invention, en disposant la tangente T commune aux trois branches de la jonction J1l, parallèlement à l'axe Z du diviseur. En effet, comme on l'a vu plus haut, les guides d'onde du coupleur suivant l'invention sont obtenus classiquement par échanges d'ions avec le verre du substrat, à travers un masque. Le masque est dessiné et défini sur une surface découpée en éléments d'image carrés disposés en lignes parallèles à l'axe Z et en colonnes, quand on utilise pour ce faire l'assistance d'un ordinateur, comme cela est courant. Si on dessine avec de tels éléments d'image des jonctions non parallèles, comme c'est le cas des jonctions J1l,Jl2 du coupleur de la figure 1, les bords des guides d'onde dessinés, normalement déformés par un crénelage dû aux éléments d'image utilisés, présentent de surcroît des crénelages dissymétriques propres à introduire eux-mêmes des dissymétries correspondantes de la propagation de la lumière dans les guides d'onde obtenus à partir d'un tel masque. En disposant parallèlement à l'axe Z, suivant l'invention, les axes des jonctions J1lJ12, on assure la symétrie des crénelages des bords des guides d'onde de ces jonctions sur le masque et on fait disparaître ainsi une des causes de distorsion de la distribution de la lumière entre les diverses sorties du coupleur, que l'invention vise à éliminer. On se réfère maintenant aux graphes de la figure 4, analogues à ceux de la figure 3 et représentant les évolutions, en fonction de la longueur d'onde de la puissance transmise à chacune des seize sorties du coupleur suivant l'invention, représenté à la figure 2. Il apparaît immédiatement, par comparaison aux graphes de la figure 3, que les oscillations spectrales qui affectent l'achromaticité du coupleur de la figure 1 dans la bande de longueur d'onde 1310 + 50 nm ont été très sensiblement réduites dans le coupleur suivant l'invention. Il en est de même dans la deuxième bande de longueur d'onde utilisée en télécommunications (1530 + 50 nm), o on observe en outre un resserrement des puissances lumineuses de sortie et une excellente achromaticité dans toute la largeur de la bande. A cet égard, il faut noter que les oscillations spectrales visibles sur la figure 3 dans la première bande de longueur d'onde sont dues à un défaut de séparation de la lumière dans une ou plusieurs des jonctions en Y du coupleur de la figure 1. La répartition de la lumière entre les deux branches de sortie d'une telle jonction n'est alors pas égale, cette inégalité résultant d'un effet interféro- métrique au coeur de la jonction, fonction de la longueur d'onde. Les courbes spectrales aux sorties d'une jonction en Y présentent alors des allures sinusoïdales et complémentaires, le maximum de lumière sur une sortie correspondant au minimum sur l'autre. Le défaut d'achromaticité peut alors être caractérisé par l'amplitude de ces oscillations spectrales. La réduction de l'amplitude de ces oscillations, obtenue par la mise en oeuvre de la présente invention, est donc associée à une division plus égale de la lumière dans toutes les jonctions en Y du coupleur selon l'invention, ce qui rehausse l'estimation de la qualité globale du coupleur, évaluée à partir des plus mauvaises performances optiques observées aux sorties, à toutes les longueurs d'onde des deux bandes de fréquences précitées. Ces avantages sont obtenus au prix d'un léger accroissement de la longueur L du composant qui passe, par exemple, de 46 mm pour le coupleur de la figure 1 à 55 mm pour celui de la figure 2, ce qui est très acceptable compte tenu de l'amélioration des performances optiques obtenues. Sur le dessin du coupleur de la figure 2, on remarquera que les guides d'onde les plus écartés de l'axe Z sont dépourvus de tout point d'inflexion en dehors des jonctions, conformément aux enseignements du brevet français 2.676.548 précité. Par contre, des raisons topologiques peuvent amener le concepteur à prévoir localement des points d'inflexion entre jonctions pour les guides les plus rapprochés de cet axe, comme c'est le cas par exemple entre les jonctions Jil et J22 d'une part, J12 et J23 d'autre part. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Ainsi, on peut tirer avantage de la mise en oeuvre de l'invention dans des coupleurs comptant un nombre de sorties différent de 16, par exemple 8 ou 32. REVENDICATIONS 1. Coupleur en optique intégrée à deux entrées et 2N sorties, du type comprenant a) un diviseur (D) constitué par une jonction en "X" de deux guides d'onde rectilignes identiques, monomodes à la longueur d'onde d'utilisation, inclinés l'un sur l'autre de manière à répartir également entre les deux sorties de la jonction la puissance lumineuse reçue sur une entrée de la jonction, la jonction présentant un axe de symétrie (Z) suivant la direction générale de propagation de la lumière et b) deux groupes de guides d'onde monomodes coplanaires au diviseur (D) et symétriques par rapport à l'axe de symétrie (Z) du diviseur (D), chaque groupe étant constitué de parties de guides d'onde connectées de manière arborescente par des jonctions (Ji) en Y, entre une jonction d'entrée (J11,J,2) raccordée à une des sorties du diviseur et N parties de guides d'onde définissant N sorties (S1 à S16) du coupleur parallèles à l'axe du diviseur, caractérisé en ce que chacune desdites jonctions d'entrée (J1l,J12) comprend une branche d'entrée rectiligne (B1) de longueur prédéterminée telle que la distribution transversale de la puissance lumineuse à la sortie de la branche d'entrée rectiligne (Bl) est sensiblement centrée sur l'axe de cette branche d'entrée. 2. Coupleur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que chacune desdites jonctions d'entrée (J11,J12) comprend en outre deux branches de sortie (B2,B3) incurvées symétriques par rapport à une tangente commune (T) colinéaire à l'axe de la branche d'entrée et parallèle à l'axe de symétrie (Z) du diviseur. 3. Coupleur conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que N est tel que Nk4. 4. Coupleur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les guides d'onde joignant les sorties des jonctions d'entrée (J1l,Jl2) en Y aux parties de guides d'onde définissant des sorties du coupleur non voisines de l'axe de symétrie (Z) du diviseur, sont dépourvues de points d'inflexion en dehors des jonctions.