Brevet FR2716539A1 — publié le 19950825

La présente invention est relative à un coupleur en optique intégrée à une porte d'entrée et 2n portes de sortie et, plus particulièrement, à un tel coupleur comprenant une pluralité de guides d'onde coplanaires disposés en deux groupes symétriques par rapport à l'axe du coupleur et constitués de branches de guides d'onde raccordées de manière arborescente par n étages de jonctions en "Y". On connait un coupleur de ce type de la demande de brevet français No. 2 676 548 au nom de la Demanderesse. Suivant l'enseignement contenu dans ce document, on limite l'encombrement axial du coupleur en supprimant tout point d'inflexion sur les guides ailleurs que là o ils sont éventuellement nécessaires, c'est-à-dire aux jonctions. On a pu ainsi réaliser un coupleur à 16 sorties d'encombrement réduit, satisfaisant néanmoins aux spécifications requises en matière d'uniformité de la répartition de la puissance lumineuse transmise aux diverses portes de sortie et en matière d'achromaticité dans les deux domaines de longueurs d'onde utilisées en télécommunications par fibres optiques. Lorsqu'on veut utiliser les règles de dessin du motif de guide d'onde décrit dans la demande de brevet précitée, pour réaliser un coupleur comptant un plus grand nombre de portes de sortie, 32 par exemple, on se heurte cependant à des difficultés pour satisfaire aux spécifications, ces difficultés étant essentiellement de deux ordres. D'une part ce motif est constitué seulement de branches de guides d'onde incurvées. Pour réaliser un coupleur à 32 portes de sortie il faut évidemment multiplier le nombre de ces branches ce qui engendre des pertes de courbure accrues. On sait aussi que, notamment dans le cas de guides d'onde monomodes, les branches incurvées provoquent des décentrages de modes défavorables à une répartition équilibrée de la puissance lumineuse entre les deux branches de sortie d'une jonction. D'autre part le motif comprend essentiellement des jonctions en Y d'axes inclinés sur l'axe du coupleur. Il s'agit là encore d'une disposition qui, lorsque le nombre de jonctions croît, est défavorable à l'uniformité de la distribution de la puissance lumineuse entre les diverses sorties. En effet, les guides d'onde du coupleur sont obtenus classiquement par échange d'ions avec un substrat en verre, par exemple, 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 du coupleur 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 à l'axe du coupleur, 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. La présente invention a donc pour but de réaliser un coupleur en optique intégrée à une porte d'entrée et 2n portes de sortie, 32 par exemple, présentant l'uniformité de la répartition de la puissance lumineuse et l'achromaticité requises pour des applications du domaine des télécommunications. 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 comprenant une pluralité de guides d'onde sensiblement coplanaires raccordant chacun une porte d'entrée unique à l'une de 2n portes de sortie de ce coupleur, ces guides d'onde étant disposés en deux groupes symétriques par rapport à l'axe du coupleur et constitués de branches de guides d'onde raccordées de manière arborescente par n étages de jonctions en Y, au moins les deux portes de sortie les plus écartées de l'axe du coupleur étant desservies par des guides d'onde dépourvus de singularités et, entre le premier et le nième étage de jonctions, de points d'inflexion en dehors des jonctions, ce coupleur étant remarquable en ce qu'au moins les deux jonctions du (n-l) ième étage de jonctions qui sont les plus proches de l'axe du coupleur présentent des axes de symétrie parallèles à celui du coupleur, l'axe de chacune des jonctions définissant un axe de symétrie pour deux jonctions du nième étage de jonctions également parallèles à l'axe du coupleur et pour les quatre portes de sortie qu'elles desservent. Comme on le verra plus loin, la présence de jonctions d'axes parallèles à l'axe du coupleur, dans la région de ce coupleur qui est voisine de cet axe, est favorable à la fois du point de vue de l'amélioration de l'uniformité de la répartition de la puissance lumineuse entre les portes de sortie du coupleur et du point de vue de la diminution des pertes de courbure. 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 unique représente un motif de guides d'onde d'un coupleur en optique intégrée suivant la présente invention. Le motif représenté est, à titre d'exemple, celui d'un coupleur à une porte d'entrée El et 32 portes de sortie S1 à S32. Comme on l'a vu plus haut on réalise le coupleur sur un substrat 1 en verre par exemple, par échange d'ions à travers un masque découvrant le motif, suivant une technique bien connue. Toujours à titre d'exemple, avec des guides d'onde monomodes le substrat peut présenter, parallèlement à l'axe X du coupleur, une longueur L de 59 mm par exemple et, perpendiculairement à cet axe, une largeur 1 de 12 mm par exemple. Il apparaît alors immédiatement que le dessin du motif de guide d'onde représenté à la figure est fortement anamorphosé suivant l'axe X, cette anamorphose ayant pour avantage de révéler plus visiblement les changements de courbure des guides. Il apparaît encore que le coupleur comprend deux groupes de guides d'onde symétriques par rapport à l'axe X du coupleur et constitués de branches de guides d'onde raccordées de manière arborescente par n (n = 5) étages de jonctions 11, 21 et 22, 31 à 34, 41 à 48, 51 à 516, respectivement. Pour dessiner un tel motif, on part du pas p des sorties Sk du guide, pas qui peut être classiquement de 250 ou de 350 gm, par exemple. Il est clair que ce pas, et le nombre des portes de sortie, déterminent l'encombrement transversal 1 du guide, légèrement supérieur alors à (n - 1)p. Pour limiter les pertes de courbure, la courbure doit rester partout supérieure à une valeur limite donnée qui peut correspondre par exemple à un rayon de courbure de 100 mm par exemple. Si on assimile alors le profil des guides d'onde les plus écartés de l'axe X à des profils en "S" constitués de deux arcs de cercle de rayon R respectant une condition de courbure minimum, on démontre qu'il existe entre le pas p et le rayon de courbure R, la relation: 2R(1 - cos a) = (n - l)p/2 quand les arcs de cercle sont choisis de longueurs égales. Dans cette relation a est l'angle par rapport à l'axe X de la tangente au point de raccordement des deux arcs de cercle. Tirant a de cette relation, l'encombrement longitudinal minimum du coupleur est donné par l'expression: 2Rsina Ayant ainsi déterminé l'enveloppe de tous les guides d'onde du coupleur et repéré la position de la première jonction 11, située à la distance 2Rsina de la droite d'alignement des portes de sortie Sk, on ajoute une longueur L, de guide droit, d'au moins 2 mm et typiquement de 5 mm, entre la porte d'entrée E1 et la jonction 11, longueur consacrée classiquement au recentrage du ou des modes de propagation de la lumière à l'entrée du coupleur. Sur les guides d'onde les plus écartés de l'axe X, celui qui porte les jonctions 11, 21, 31, 41 et 51 par exemple, il apparaît que toutes ces jonctions sont non parallèles à l'axe X et qu'il n'est pas possible d'en changer l'orientation sans violer la condition de courbure minimum nécessaire à la réduction des pertes de courbure. Le guide doit alors rester tel que dessiné par assimilation à un profil en S respectant la condition posée sur la courbure, les diverses jonctions qu'il porte localisant les seules inflexions de guide nécessaires au déploiement en arborescence du motif, conformément aux enseignements de la demande de brevet précitée. Le guide d'onde aboutissant à la porte suivante S2 est commun à la précédente jusqu'à la jonction 51. La branche curviligne allant de cette jonction à la porte S2 est aussi dessinée conformément aux enseignements de cette demande de brevet. Cependant les sorties suivantes S3 à S16, qui se rapprochent progressivement de l'axe X du coupleur, imposent des conditions de moins en moins difficiles à remplir relativement à la courbure maximum à ne pas dépasser. Suivant l'invention on profite du relâchement de la contrainte posée par cette condition pour raccorder par des branches de guide droites, ne générant donc aucune perte de courbure, certaines jonctions (41 à 43) du (n-1)ième étage de jonctions (soit ici le même étage) à certaines jonctions des étages de jonctions encadrant cet étage. C'est ainsi que la jonction 41 est raccordée par une branche droite à la jonction 52 du 5ème étage de jonctions tandis que la jonction 42 est raccordée par de telles branches aux jonctions 53 et 54 de ce 5ème étage. I1 en est de même des branches raccordant la jonction 43 à la jonction 32 de l'étage précédent et aux jonctions 55 et 56 du dernier étage. A la figure les branches droites sont repérées en trait plus épais. On observera que, profitant du relâchement du poids de la contrainte de courbure, le nombre des branches droites des jonctions obliques 41, 42 et 43 est respectivement de 1, 2 et 3, ce nombre s'accroissant donc ainsi quand la position de la jonction considérée se rapproche de l'axe X. Grâce à ces branches droites, on diminue sensiblement les pertes de courbure et les décentrages de mode qui affecteraient autrement défavorablement la puissance lumineuse et la répartition de cette puissance entre les portes de sortie concernées, à savoir les portes S2 à S12. En dehors de la forme de ces branches droites, l'allure des guides d'onde extérieurs décrits ci-dessus du coupleur suivant l'invention reste cependant généralement conforme à celle des guides du coupleur décrit dans la demande de brevet français précitée. Suivant la présente invention, l'allure des guides plus proches de l'axe X que ceux décrits ci-dessus, s'écarte nettement de celle des guides correspondants de ce dernier coupleur, en ce que les jonctions 44 et 45 les plus proches de cet axe, dans le (n-1)ième étage de jonctions (n - 1 = 4) présentent des axes de symétrie XI et X2, respectivement, parallèles à l'axe X du coupleur. L'axe X1 de la jonction 44 définit en outre un axe de symétrie pour les branches de guides d'onde situées en aval, et donc pour les jonctions 57 et 58 du 5ème étage de jonctions et pour les portes S13 à SI? desservies par les jonctions 44, 57 et 58. Il en est de même de l'axe X2, pour les jonctions 59, 510 et pour les portes S17 à S20. Les jonctions 44, 57 et 58, symétriques et parallèles à l'axe X, assurent ainsi une parfaite égalité de la division de la puissance lumineuse reçue, entre leurs branches de sortie. Les branches de guides d'onde qui les raccordent comprennent, outre des parties curvilignes, des parties droites sur leurs branches d'entrée, qui favorisent le recentrage des modes. Les courbures des parties curvilignes, du fait de la proximité de l'axe X, peuvent être choisies largement inférieures à la courbure maximale tolérée, ce qui diminue les pertes de courbure. Comme on l'a vu plus haut, la division de la puissance lumineuse entre les diverses portes S13 à S17 n'est avantageusement plus affectée par le crénelage dissymétrique que l'on observe sur les parties de masque définissant des jonctions d'axes obliques par rapport à l'axe X. Les mêmes observations s'appliquent évidemment aux jonctions 45, 59, 510 et aux branches de guide d'onde situées en aval de la jonction 45, symétrique de la jonction 44 par rapport à l'axe X. En combinant ainsi les bénéfices que l'on tire de la disposition avantageuse des jonctions 44, 45, 57, 58, 59, 510 et des branches droites des guides d'onde disposées autour des autres jonctions du 4ème étage de jonctions, on peut constituer un coupleur du type "1 vers 32" entre les portes de sortie duquel l'écart maximum de la puissance lumineuse transmise reste inférieur à 0,7 dB en moyenne dans un ensemble de tels coupleurs, le coupleur présentant simultanément l'achromaticité spécifiée, dans les deux domaines de longueurs d'onde utilisés en télécommunications par fibres optiques, centrés respectivement sur 1310 et 1530 nm. Les jonctions 44, 45 qui sont rendues parallèles à l'axe X du coupleur sont choisies en fonction de considérations topologiques, en fonction notamment de la possibilité de les centrer sur quatre portes telles que les portes Si3 à S16 par exemple, et pour leur capacité à respecter la condition de courbure limite malgré leur mise "à l'horizontale". 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. C'est ainsi que les enseignements de la présente invention, explicités sur un coupleur à 32 portes de sortie pourraient être appliqués également à des coupleurs à 16 ou 64 portes, par exemple. Dans ce dernier cas, les enseignements de la présente invention conduisent à disposer parallèlement à l'axe X des jonctions du (n-2)ième étage de jonctions, proches de cet axe. L'invention n'est pas limitée non plus à la réalisation d'un coupleur à guides d'onde monomodes et s'étend évidemment à des coupleurs à guides d'onde multimodes. Enfin l'invention trouve aussi application à la réalisation de coupleurs présentant un pas p des sorties différent de ceux cités à titre d'exemple, pour s'adapter à telle ou telle technique de connexion. REVENDICATIONS 1. Coupleur en optique intégrée comprenant une pluralité de guides d'onde sensiblement coplanaires raccordant chacun une porte d'entrée unique (E1) à l'une de 2n portes de sortie (Sk) de ce coupleur, ces guides d'onde étant disposés en deux groupes symétriques par rapport à l'axe (X) du coupleur et constitués de branches de guides d'onde raccordées de manière arborescente par _ étages de jonctions en Y, au moins les deux portes de sortie (S1, S32) les plus écartées de l'axe (X) du coupleur étant desservies par des guides d'onde dépourvus de singularités et, entre le premier et le nième étage de jonctions, de point d'inflexion en dehors des jonctions, caractérisé en ce qu'au moins les deux jonctions (44, 45) du (n-l)ième étage de jonctions qui sont les plus proches de l'axe (X) du coupleur présentent des axes de symétrie (X1, X2) parallèles à celui du coupleur, l'axe de chacune de ces jonctions définissant un axe de symétrie pour deux jonctions (57, 58; 59, 510) du nième étage de jonctions également parallèles à l'axe du coupleur et pour les quatre portes de sortie (S13 à S16; S17 à S20) qu'elles desservent. 2. Coupleur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les jonctions (41, 42, 43; 46, 47, 48) du (n-l)ième étage de jonctions qui ne sont pas parallèles à l'axe du coupleur sont raccordées aux jonctions des étages encadrant cet étage par des groupes de branches de guide d'onde comportant un nombre de branches droites qui croît quand la distance de la jonction à l'axe (X) du coupleur décroît. 3. Coupleur conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le nombre de portes de sortie du coupleur est choisi parmi: 16, 32, 64. 4. Coupleur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les guides d'onde sont réalisés par échange d'ions dans un substrat.