Brevet FR2725795A1 — publié le 19960419

La présente invention est relative à un dispositif achromatique en optique intégrée et, plus particulièrement, à un tel dispositif à faibles pertes d'insertion dans les fenêtres spectrales 1260-1360 nm et 1480-1580 nm, comprenant a) un guide d'onde bi-mode intégré au voisinage de la surface d'un substrat et présentant un axe longitudinal, une longueur et une largeur parallèlement à la surface du substrat, et b) deux paires de guides d'onde monomodes, d'entrée et de sortie respectivement, raccordées chacune à une des extrémités du guide bi- mode, les guides de chaque paire s'écartant symétriquement et progressivement de l'axe longitudinal à partir du guide bi-mode. On connaît actuellement des dispositifs, appelés couramment "coupleur 2 vers 2" ou "2 x 2", en particulier de la demande de brevet français No. 2 680 418 déposée au nom de la demanderesse. Le dispositif décrit dans cette demande est conçu pour être utilisé notamment en télécommunications par fibres optiques monomodes, dans les deux fenêtres spectrales normalisées indiquées ci-dessus. Il a pour but d'assurer une division de la puissance lumineuse reçue d'un guide d'onde d'entrée entre deux guides d'onde de sortie, avec un rapport de division prédéterminé, tout en restant sensiblement achromatique dans ces deux fenêtres spectrales. Pour ce faire, il comprend une jonction en X des deux guides d'onde, à laquelle sont raccordés les guides d'onde d'entrée et de sortie. Les guides d'onde de la jonction sont réalisés par diffusion d'ions dans un substrat en verre. Par un choix approprié de l'angle défini par les axes des guides d'onde de la jonction en X, on établit un rapport de division prédéterminé. On indique toutefois, à l'égard des modes de réalisation préférés, qu'un chromatisme sensible réapparait quand le demi-angle choisi est inférieur à 0,7 environ, en particulier quand les guides d'onde sont fabriqués par diffusion d'ions. Par ailleurs, il existe actuellement un besoin pour un coupleur 2 x 2 en optique intégrée présentant de faibles pertes d'insertion, c'est-à-dire de faibles pertes d'énergie lumineuse sur chacun des quatre chemins optiques possibles entre les deux entrées et les deux sorties, ces pertes devant alors être au maximum de 4 dB sur chacun desdits chemins optiques, par exemple. Pour atteindre cet objectif on sait qu'il est indispensable de diminuer les pertes d'excès, c'est-à-dire l'énergie lumineuse non transmise aux sorties du coupleur 2 x 2 qui se dissipe dans le substrat. La diminution des pertes d'excès peut s'obtenir en réduisant le demi- angle des guides de la jonction en X du dispositif décrit au brevet précité, par exemple en choisissant un demi-angle inférieur à 0,70. Mais alors, comme indiqué ci-dessus, le dispositif obtenu est affecté d'un défaut de chromatisme, intolérable en télécommunications par fibres optiques dans les deux fenêtres spectrales précitées. La présente invention a donc pour but de réaliser un dispositif en optique intégrée, du type coupleur 2 x 2, présentant un achromatisme satisfaisant de manière à établir de faibles pertes d'insertion dans lesdites fenêtres spectrales. On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un dispositif achromatique en optique intégrée, à faibles pertes d'insertion dans les fenêtres spectrales 1260-1360 nm et 1480- 1580 nm, comprenant a) un guide d'onde bi-mode intégré au voisinage de la surface d'un substrat et présentant un axe longitudinal X, une longueur (L) et une largeur (W) parallèlement à la surface du substrat, b) deux paires de guides d'onde monomodes, d'entrée et de sortie respectivement, raccordées chacune à une des extrémités du guide bi-mode, les guides de chaque paire s'écartant symétriquement et progressivement de l'axe X à partir du guide bi-mode, ce dispositif étant remarquable en ce que la longueur (L) et la largeur (W) du guide bi-mode sont choisies de manière à établir dans ce guide un couplage de lumière plus important dans la fenêtre 1260-1360 nm que dans la fenêtre 1480-1580 nm, de manière à compenser le couplage de proximité d'importance contraire dans ces fenêtres, établi entre les guides monomodes d'entrée d'une part et de sortie d'autre part. En faisant ainsi en sorte que les couplages de lumière observés dans les différentes parties du dispositif se compensent, on assure l'achromatisme du dispositif dans les deux fenêtres spectrales considérées, comme on le verra plus loin. Suivant une autre caractéristique des modes de réalisation préférés du dispositif selon la présente invention, l'axe de chaque guide monomode est incliné sur l'axe X d'un angle inférieur à 0,7 environ, au raccordement de ce guide à une extrémité du guide bi-mode. Grâce à ce faible angle de raccordement, les pertes d'excès, et donc les pertes d'insertion, sont minimisées. En général, on essaie de choisir l'angle de raccordement aussi petit que possible pour limiter les pertes mais s'il est trop petit, on risque d'introduire des couplages entre les guides monomodes. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif 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 une vue en plan de la configuration de guides d'onde du dispositif suivant l'invention, - la figure 2 représente des graphes utiles à l'explication du dimensionnement du guide bi-mode du dispositif suivant l'invention, et - la figure 3 représente des graphes des pertes d'insertion du dispositif de la figure 1, dans un domaine de fréquence couvrant les deux fenêtres spectrales précitées. Le dispositif suivant l'invention est constitué par implantation de la configuration de guides d'onde représentée à la figure 1, sur un substrat en verre par exemple. L'implantation peut être assurée par masquage et diffusion d'ions tels que des ions thallium, comme il est bien connu dans la technique de l'optique intégrée. La configuration représentée à la figure 1 comprend un guide d'onde bimode 1 d'axe longitudinal X, de longueur L et de largeur W parallèlement à la surface du substrat, dimensionné pour autoriser la progression d'ondes lumineuses suivant un mode fondamental symétrique et un deuxième mode, antisymétrique, et deux paires de guides d'onde monomodes 2,3 et 4,5 respectivement, raccordées chacune à une des extrémités du guide bi-mode. Les guides de chaque paire s'écartent symétriquement et progressivement de l'axe X, à partir du guide bi-mode. Ils sont de largeurs identiques et propres à une propagation monomode de la lumière. Par convention les guides 2,3 sont qualifiés de guides "d'entrée" et les guides 4,5 de "sortie". C'est ainsi que de l'énergie lumineuse d'intensité Io entrant dans le dispositif par l'entrée El du guide 2 est distribuée, aux pertes près, entre les guides de sortie 4 et 5, aux sorties S1 et S2 desquelles on mesure des intensités lumineuses I, et I2, le dispositif assurant ainsi une division de la puissance lumineuse à la sortie du dispositif dans le rapport R tel que: R=I2 R= i2 Il +I2 I2 étant l'intensité de l'énergie lumineuse qui sort du guide de sortie 5 opposé au guide d'entrée 2 par lequel entre l'énergie lumineuse d'intensité Io. Suivant les enseignements du brevet précité, on peut fixer ce rapport à une valeur prédéterminée en choisissant convenablement le demi-angle des guides d'une jonction en X, dans un domaine angulaire de préférence borné inférieurement à 0,7 environ, pour limiter le chromatisme de la jonction. Suivant la présente invention, on réalise un dispositif du type coupleur 2 x 2 permettant d'établir un rapport de division R prédéterminé en abaissant les pertes d'insertion en dessous d'un niveau donné et en conservant un achromatisme satisfaisant. Pour réduire les pertes d'insertion par l'intermédiaire d'une réduction des pertes d'excès, on a vu plus haut qu'il est nécessaire de réduire l'angle des axes des guides d'onde d'entrée et de sortie. A cet égard, suivant des modes de réalisation préférés de l'invention, l'axe de chaque guide monomode est incliné sur l'axe X d'un angle a inférieur à 0,7 environ, au raccordement de ce guide à une extrémité du guide bi-mode. Il faut alors réduire le chromatisme qui résulte de ce choix. Ceci est obtenu, suivant une caractéristique importante de la présente invention, en choisissant la longueur L et la largeur W du guide bi- mode de manière à établir dans ce guide un couplage de lumière plus important dans la fenêtre 1260-1360 nm que dans la fenêtre 1480-1580 nm, de manière que les divers couplages de lumière qui s'établissent dans les parties successives du dispositif selon l'invention se compensent mutuellement, comme on va maintenant l'expliquer en liaison avec la figure 2. Dans le guide bi-mode 1 de ce dispositif, le couplage de lumière d'un guide d'entrée dans les deux guides de sortie est dû à l'interférence du mode fondamental, symétrique, et du deuxième mode, antisymétrique. On démontre que l'intensité lumineuse transmise à chaque guide de sortie est une fonction sinusoïdale du déphasage accumulé entre ces deux modes de propagation, ce qui conduit à l'expression mathématique suivante pour le rapport de division R: R = sin2[.4] An(X, W).L avec Ap = 2 n (,) L o - Ag est le déphasage appliqué entre les deux modes du guide bi-mode 1, - A est la longueur d'onde de la lumière, - L et W sont respectivement la longueur et la largeur du guide d'onde bi-mode, - An(A,W) est la différence d'indice de phase entre les deux modes qui se propagent dans le guide bi-mode. Il ressort de cette relation que le déphasage Ag est au premier ordre inversement proportionnel à la longueur d'onde de la lumière et prend ainsi une valeur plus importante à 1310 nm qu'à 1550 nm. Par conséquent, le couplage de lumière, fonction sinusoïdale de Ag, est aussi plus important à 1310 nm qu'à 1550 nm si le sens de variation de la fonction sinusoïdale est croissant. Entre les sections d'approche des guides monomodes d'entrée d'une part et de sortie d'autre part, le couplage de lumière est de même nature que dans un coupleur de proximité. Il est donc plus important à 1550 nm qu'à 1310 nm puisque la largeur du mode à 1550 nm est supérieure à celle observée à 1310 nm, comme il est bien connu, et que le mode interagit alors plus fortement avec le guide d'onde voisin. On observe que ce couplage évolue, en fonction de la longueur d'onde, en sens inverse de celui introduit par la propagation dans le guide d'onde bi-mode. Suivant l'invention, on tire parti de ces variations contraires des couplages de lumière en faisant en sorte que ceux-ci se compensent, pour améliorer ainsi l'achromatisme du dispositif selon l'invention. En prenant en compte le couplage de lumière dans les deux sections d'approche (2,3) et (4,5) et dans le guide d'onde bi-mode 1, le rapport de division R s'écrit: 2| An ( A, v. (L+Lo (1)) R = sin2F1 o L1 représente une longueur équivalente au couplage des deux guides d'entrée (2,3) d'une part, et des deux guides de sortie (4,5) d'autre part. On remarquera que la longueur de couplage équivalente L(A) est fonction de la longueur d'onde et que la différence d'indice de phase est fonction à la fois de cette longueur d'onde et de la largeur W du guide d'onde bi-mode. Sur la figure 2, on a représenté les graphes des variations de deux rapports de division R,1 et R,2, à deux longueurs d'onde 1, = 1310 nm,, A2 = 1550 nm respectivement, prises chacune dans une des fenêtres spectrales précitées, en fonction de la longeur L donnée au guide bi-mode 1. Conformément à ce qui a été indiqué plus haut, les rapports de division représentés à la figure 2 varient sinusoidalement en fonction de la longueur effective L du guide bi-mode. Quand L = 0, le couplage de la lumière est dû seulement au couplage de proximité entre les guides monomodes d'entrée et de sortie. La longueur Lo(A) équivalente à ce couplage intervient seule dans le rapport de division. Ce couplage de proximité étant plus important à A2 = 1550 nm qu'à Al = 1310 nm, cela signifie que la longueur Lo(A2) représentant ce couplage est aussi supérieure à Lo(A.) et donc, puisque les graphes des fonctions sinusoïdales sont de pente négative au voisinage de L = 0, que le rapport de division R,2 est plus petit et donc "en avance", sur le rapport de division R11. D'une manière générale, la période d'oscillation du rapport de division R1 est égale à A/An(A,W). Puisqu'elle dépend au premier ordre de la longeur d'onde A, on peut donc observer que la période d'oscillation du rapport R,1 est plus courte que celle du rapport R,2. Ce résultat exprime une nouvelle fois que le couplage de la lumière est plus important à 1310 nm qu'à 1550 nm lors de la propagation dans le guide d'onde bi-mode 1. Le rapport de division R2,, étant légèrement "en avance" va donc être coupé par le rapport R,1 qui présente une période d'oscillation plus courte. Suivant l'invention on rend exacte la compensation de couplage en réglant la largeur W du guide bi-mode qui permet d'agir, par une dépendance du deuxième ordre, sur la différence d'indice de phase An(X,W) intervenant dans l'expression donnée ci-dessus du rapport de division R. En pratique, pour constituer un coupleur 2 x 2 suivant l'invention, assurant un rapport de division de 0,5 par exemple, on choisira la largeur W et la longueur L du guide bi-mode de manière que les graphes de la figure 2 se coupent à l'ordonnée 0,5, avec des pentes voisines. A ce point de fonctionnement, les rapports de couplage dans les deux fenêtres sont sensiblement égaux ce qui assure l'achromatisme recherché. Bien entendu on opérerait de manière similaire pour établir le rapport de division à une valeur autre que 0,5. On a représenté à la figure 3 les graphes V1 à V4 des variations des pertes d'insertion mesurées sur les différents chemins optiques du dispositif suivant l'invention, soit de El à S,, El à S2, E2 à S1, E2 à S2 respectivement, dans un domaine spectral couvrant les deux fenêtres utilisées en télécommunications par fibres optiques monomodes. Pour opérer les choix mentionnés ci-dessus on a fabriqué des jeux de coupleurs pour lesquels on a fait varier: - l'angle a de 0,4 à 0,8 par pas de 0,20 - la largeur du guide bimode de 7 à 10 pm par pas de 1 pm - la longueur L de 0 à 900 pm par pas de 25 Mm et on a dressé pour chaque coupleur des graphes correspondant à ceux des figures 2 et 3. Les données ainsi obtenues permettent de choisir les paramètres caractéristiques d'un coupleur en fonction de spécifications fixées pour les pertes d'insertion, pertes qui doivent être aussi faibles que possible. De ce point de vue les coupleurs pour lesquels a = 0,8 se sont avérés non satisfaisants. Sur un coupleur suivant l'invention pour lequel l'angle a de raccordement est de 0,40, le rayon de courbure r des guides monomodes de 100 mm, la largeur W du guide bi-mode (mesurée sur le masque utilisé pour le réaliser) de 7 Mm dans le cas d'un coupleur réalisé par échange d'ions, la largeur des guides monomodes de 3 pm et la longueur du guide bi-mode de 375 pm, il apparaît que la perte d'insertion maximale observée, dans les fenêtres spectrales en cause, sur l'ensemble des quatre chemins optiques est de 3,65 dB à 1480 nm. L'invention permet donc bien d'atteindre le but annoncé, à savoir réaliser un coupleur 2 x 2 à pertes d'insertion inférieures à 4 dB et présentant un bon achromatisme dans lesdites fenêtres spectrales, le défaut de chromatisme observé sur les graphes de la figure 3 n'excédant pas 0,5 dB. D'une manière générale, on sélectionnera les caractéristiques d'un coupleur suivant l'invention de préférence dans les limites suivantes: 0,1 pour obtenir des pertes d'insertion inférieures à 3,8 db. Par convention l'angle a est mesuré en un point d'un guide monomode situé à 1 pm de l'extrémité adjacente du guide bi-mode. En ce qui concerne la largeur W, les bornes inférieures et supérieures mentionnées dépendent de la technologie d'optique intégrée utilisée et correspondent respectivement aux transitions entre une propagation monomode et bi-mode et entre une propagation bi-mode et tri-mode, respectivement, dans le guide d'onde 1. 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 l'invention s'étend aussi à des coupleurs 2 x n comportant un coupleur 2 x 2 raccordé par au moins une de ses sorties à des moyens de division à guides d'onde intégrés propres à répartir la puissance lumineuse reçue entre n portes de sortie, n étant un entier supérieur à 2, comme décrit dans la demande de brevet précitée. Elle s'étend encore a des coupleurs dans lesquels les guides monomodes ne sont pas de largeurs identiques bien que l'invention permette d'obtenir l'achromatisme recherché sans avoir recours à des guides monomodes de largeurs différentes. REVENDICATIONS 1. Dispositif achromatique en optique intégrée, à faibles pertes d'insertion dans les fenêtres spectrales 1260-1360 nm et 1480-1580 nm, comprenant: a) un guide d'onde bi-mode (1) intégré au voisinage de le surface d'un substrat et présentant un axe longitudinal (X), une longueur (L) et une largeur (W) parallèlement à la surface du substrat, b) deux paires de guides d'onde monomodes (2,3; 4,5), d'entrée et de sortie respectivement, raccordées chacune à une des extrémités du guide bi-mode (1), les guides de chaque paire s'écartant symétriquement et progressivement de l'axe (X) à partir du guide bi-mode (1), caractérisé en ce que la longueur (L) et la largeur (W) du guide bi-mode (1) sont choisies de manière à établir dans ce guide un couplage de lumière plus important dans la fenêtre 1260-1360 nm que dans la fenêtre 1480-1580 nm, de façon à compenser le couplage de proximité d'importance contraire dans ces fenêtres, établi entre les guides monomodes d'entrée (2,3) d'une part et de sortie (4,5) d'autre part. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe de chaque guide monomode est incliné sur l'axe (X) d'un angle (a) inférieur à 0,70 environ, au raccordement de ce guide à une extrémité du guide bi-mode (1). 3. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la longueur (L) du guide bi-mode est comprise entre 100 pm et 750 pm. 4. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la largeur (W) du guide bi-mode est comprise entre 4 pm et 9 pm et, de préférence, entre 6 pm et 9 Mm. 5. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la perte d'insertion maximale dans les deux fenêtres spectrales est inférieure à 3,8 dB. 6. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le défaut maximal de chromatisme est inférieur à 0,5 dB. 7. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les guides monomodes d'entrée et de sortie présentent un rayon de courbure compris entre 20 mm et 200 mm et, de préférence, entre 50 mm et 200 mm. 8. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance lumineuse à la sortie du dispositif est divisée dans le rapport R = 0,5. 9. Coupleur achromatique en optique intégrée du type 2 x n, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8 et des moyens additionnels de division connectés entre au moins une des sorties du dispositif et n sorties du coupleur.