Brevet FR2734650A1 — publié le 19961129

Etat de la technique. L'invention concerne un dispositif pour relier des composants optiques intégrés prévus sur des substrats diffé- rents. L'invention concerne également l'application de ce dispositif. Selon l'état de la technique, on connaît des cir- cuits optiques intégrés ayant des guides d'ondes optiques et des composants optiques passifs tels que des diviseurs de fais- ceaux, des dérivations ou des composants sélectifs vis-à-vis des longueurs d'ondes. D'autres circuits optiques intégrés com- portent des composants optiques actifs tels que des guides d'ondes amplificateurs à dopage avec de l'erbium. Dans certains cas, pour des raisons techniques, il n'est pas possible de fa- briquer des composants optiques de natures très différentes sur un même substrat. C'est ainsi que par exemple pour fabriquer des guides d'ondes amplificateurs à dopage par de l'erbium, il faut d'autres substrats de verre que ceux servant à la fabrica- tion de coupleurs optiques, de dérivations ou de diviseurs de faisceaux. C'est pourquoi un dispositif optique comportant des composants optiques intégrés réalisés selon des procédés incom- patibles ou des matières de substrat, différentes, nécessite au moins deux substrats à composants optiques intégrés dont il faut relier les chemins optiques. Selon l'état de la technique il faut ainsi une liaison optique par des fibres couplées ou par un couplage des surfaces frontales. La liaison par des fibres optiques est très compli- quée car, pour chaque chemin optique, il faut coupler deux fois chaque fibre. Dans le cas d'un couplage par surface frontale de deux substrats optiques intégrés on peut certes coupler en com- mun plusieurs chemins optiques, mais pour cela il faut un sup- port commun très précis pour relier les deux substrats, pour respecter les tolérances de couplage nécessaires et arriver à une solidité mécanique suffisante. Partant de cet état de la technique, la présente invention a pour but de créer un dispositif permettant de re- lier les composants optiques intégrés, qui soit de construction simple et assure un degré de couplage élevé; l'invention a également pour but une application pour ce dispositif. A cet effet, l'invention concerne un dispositif du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que les substrats et les composants optiques intégrés à relier sont superposés, les composants optiques intégrés présentent, au niveau des extrémi- tés à relier, dans le chemin optique, des surfaces latérales inclinées l'une par rapport à l'autre et les surfaces latérales sont inclinées pour que la lumière du premier composant optique intégré rayonne jusqu'à la première surface latérale inclinée pour y être réfléchie et arrive sur la seconde surface latérale inclinée pour y être réfléchie vers le second composant optique intégré. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - au moins l'une des surfaces latérales inclinées est munie d'une surface réfléchissante, - les surfaces latérales sont inclinées pour que la lumière des composants optiques intégrés subisse une réflexion totale, - les chemins optiques des composants optiques in- tégrés sont dans des plans parallèles au niveau des extrémités à relier et que la somme des angles d'inclinaison des surfaces latérales inclinées est de 90 par rapport à l'une des surfaces parallèles, - les substrats transparents comportent des repères d'ajustage pour l'ajustage actif, des cavités et des bossages complémentaires sur les substrats permettent l'ajustage passif, - les substrats comportent des cavités pour rece- voir des éléments d'ajustage permettant l'ajustage passif, - les substrats sont disposés l'un sur l'autre, - les substrats sont fixés l'un sur l'autre par collage ou liaison, - les substrats sont fixés l'un à l'autre par une couche intermédiaire. L'invention concerne également une application d'un tel dispositif, caractérisée en ce que le premier substrat com- porte des composants optiques intégrés passifs et le second substrat comporte une structure de guide d'ondes optique inté- grée active reliée aux composants passifs. La présente invention concerne un dispositif per- mettant de relier au moins deux substrats à composants optiques intégrés, suivant une liaison très solide et présentant un fai- ble amortissement optique, pour les chemins optiques à relier. Des repères d'ajustage permettent un ajustage actif de grande précision. On réalise un ajustage passif si dans les substrats on prévoit des structures complémentaires ou des cavités pour recevoir des éléments d'ajustage. Le dispositif selon l'invention permet de relier plusieurs substrats qui sont superposés de manière appropriée. Un exemple de réalisation de l'invention sera dé- crit ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe transversale d'un dis- positif selon l'invention à structures de guide d'ondes, - la figure 2 est une vue de dessus du dispositif de la figure 1, les substrats étant transparents, les figures 3 à 5 montrent des dispositifs connus à amplificateur à fibres optiques de systèmes de transmission bi- directionnelle et de multiplexage des longueurs d'ondes, - les figures 6a-6c représentent l'application d'un dispositif selon l'invention à un amplificateur de fibres opti- ques pour des systèmes de transmission bi-directionnelle. Selon les figures, le dispositif se compose d'un substrat 10 ayant une structure de guide d'ondes 11 et sur celle-ci un second substrat 20 avec une structure de guide d'ondes 21. Les substrats sont fixés par une surface de contact commune 40 pour que les faces des structures à guide d'ondes soient en regard l'une de l'autre. Chacun des substrats a au moins une face frontale 12, 22 en biais suivant un angle a,, c2 tel que: 35 a1 + a2 = 90 Les faces frontales en biais 12, 22 sont tournées l'une vers l'autre et forment ensemble une arête 30 rectangu- laire convexe pour la structure globale formée des substrats 10 et 20. Les extrémités à coupler des structures de guide d'ondes 11 et 21 butent sur les surfaces frontales en biais 12, 22 et y sont superposées dans le cas o les guides de lumière à coupler sont tous deux perpendiculaires à l'arête du substrat. Lorsque la structure de guide d'ondes 11' du substrat inférieur 10 fait un angle y, par rapport à la normale de l'arête du substrat (voir figure 2) il faut que la structure de guide d'ondes 21' couplée, dans le substrat supérieur 20, fasse un angle Y2 = -y,. Les projections des axes des structures de guide d'ondes 11' et 21' sur les surfaces de liaison 40 entre les substrats et 20 se coupent suivant l'arête 30. Le faisceau de lumière guidé par la structure 11 est réfléchi par la surface frontale 12 comme faisceau libre 13, vers le haut à travers la surface de liaison 40 pour arri- ver dans le substrat 20 et tomber sur la surface frontale 22. Celle-ci réfléchit de nouveau le faisceau dans la structure 21 pour le guider. Comme les surfaces des substrats 10 et 20 qui portent les structures de guide d'ondes 11 et 21 sont en face l'une de l'autre, le chemin du faisceau libre 13 est très court. Même dans le cas de guides d'ondes enfouis, dont les axes sont situés jusqu'à 10 gm en dessous de la surface de cha- que substrat, le chemin optique du faisceau libre 13 n'a qu'une longueur de 20 gm. Pour un faisceau libre à profil de type gaussien et un rayon adapté à une fibre monomode, de 5 pm, pour un indice de réfraction du substrat ns = 1,5 et une longueur d'onde dans l'air égale à 1,55 gm, on a un rendement de cou- plage de 98,3 %, ce qui correspond à une perte de couplage de -0,074 dB. Le couplage de chemin optique du substrat élémen- taire supérieur 20 dans le substrat élémentaire inférieur 10 est possible de la même manière. Le dispositif selon l'invention présente l'avantage d'une construction compacte ne présentant pas plus d'encombre- ment en surface pour deux substrats que pour un substrat. La fixation sur toute la surface pour les deux substrats 10, 20 donne une construction très solide. L'ajustage des deux subs- trats l'un par rapport à l'autre peut se faire, soit de manière active, soit de manière passive et pour cela on peut utiliser des repères d'ajustage 16 et 26 prévus sur les deux surfaces à réunir et que l'on voit simultanément dans les substrats en gé- néral transparents ou encore en utilisant un système de traite- ment d'images. Un autre procédé pour aligner les deux substrats 10 et 20 consiste à réaliser des cavités 17 et des bossages 27 complémentaires sur les surfaces ou encore des cavités 18 et 28 dans les deux surfaces et d'utiliser des éléments d'ajustage 19, distincts, tels que des billes ou des cylindres très pré- cis. La fixation des deux substrats 10 et 20 l'un sur l'autre peut se faire selon l'état de la technique par collage ou liai- son anodique, éventuellement avec une couche intermédiaire, le cas échéant nécessaire. Il importe seulement que cette liaison soit transparente pour les longueurs d'ondes utilisées, au moins au niveau des faisceaux libres 13 à coupler. Dans la technique de transmission d'informations optiques il faut des amplificateurs de fibres optiques pour compenser les pertes de puissance et les pertes de répartition en aval des diviseurs de faisceaux. Pour cela on utilise des fibres amplificatrices à dopage par de l'erbium ou encore des guides d'ondes optiques intégrés à dopage par de l'erbium; on y injecte le signal utile à amplifier et la lumière de pompage par les diviseurs de faisceaux. Des systèmes correspondants utilisent pour le sens de passage allant de la centrale vers les abonnés, la longueur d'onde X1 = 1550 nm qui est pompée par des longueurs d'ondes C = 850 nm, 980 nm ou 1480 nm. Pour le sens de retour on prévoit par exemple une longueur d'onde X2 = 1300 nm. Cette lumière ne doit pas traverser les fibres am- plificatrices dans le sens du retour, car la lumière serait trop fortement atténuée. C'est pourquoi il faut prévoir pour le sens de retour, soit une seconde fibre, soit pour une transmis- sion dans les deux directions avec la même fibre, une déviation autour de l'amplificateur optique par un couplage sélectif en longueur d'onde. Lorsque les débits de bits sont faibles pour le sens du retour et que l'on a un faible rapport de division avec très peu d'abonnés, on peut supprimer l'amplification des signaux des abonnés vers la centrale pour le sens de retour. Si par contre il y a de nombreux abonnés avec des débits de bits élevés dans le canal de retour, il faut une amplification ap- propriée des signaux. Selon l'état de la technique on connaît également des amplificateurs optiques pour des signaux d'une longueur d'onde de 1300 nm avec alors un pompage avec une lumière d'une longueur d'onde de 1017 nm. Si le sens du retour doit également être amplifié de manière optique selon l'état de la technique, il faut soit utiliser un tel amplificateur optique dans la se- conde fibre pour le retour, soit utiliser une fibre pour les deux directions avec une déviation autour de l'amplificateur optique pour le sens aller. Ces solutions sont représentées aux figures 3 et 4. La figure 3 montre une installation amplificatrice pour deux fibres séparées pour le sens aller avec la fibre F1 de longueur d'onde X1 et pour le sens retour la fibre F2 et la longueur d'onde X2- Le signal du sens aller est amplifié par l'amplificateur optique Vl dans lequel on injecte la lumière de pompage de longueur d'onde Pl. De même le signal du sens re- tour est amplifié par l'amplificateur V2 dans lequel on injecte la lumière de pompage de longueur d'onde X2- La figure 4 montre un dispositif amortisseur avec seulement une fibre de transmission F12 pour le sens aller et le sens retour. Les signaux du sens retour contournent l'amplificateur V1 par les deux coupleurs à longueur d'onde sé- lective K1, K2 et sont amplifiés par l'amplificateur V2. Les amplificateurs optiques peuvent s'utiliser en même temps pour l'amplification dans le sens aller et le sens retour pour une seule fibre de transmission.30 La figure 5 montre le schéma de principe d'un tel dispositif. La longueur d'onde X1 pour le sens aller et la lon- gueur X2 pour le sens retour sont suffisamment rapprochées pour permettre leur amplification en commun dans l'amplificateur op- tique V12. Pour le sens aller, le signal à amplifier venant de la centrale par la fibre de transmission F12Z du côté de la centrale (longueur d'onde k1) arrive par le port d'entrée E dans le dispositif amplificateur; ce signal y est amplifié par l'amplificateur optique V12 pompé par la lumière de pompage de longueur d'onde C; le signal arrive par le port de sortie A dans la fibre de transmission F12T correspondant au côté des abonnés. Le signal de retour envoyé par les abonnés, provenant de la fibre de transmission des abonnés F12T, est transmis du port A par l'intermédiaire d'un premier coupleur K1 sélectif vis-à-vis des longueurs d'ondes, d'une première dérivation U1 et d'un second coupleur sélectif aux longueurs d'ondes K2 à l'entrée de l'amplificateur optique V12. Le signal de retour y est amplifié en même temps que le signal d'aller. Le signal de retour, amplifié, est couplé par un troisième coupleur K3 sélectif aux longueurs d'ondes, la se- conde dérivation U2 et le quatrième coupleur K4 sélectif aux longueurs d'ondes, dans la fibre de transmission F12Z du côté de la centrale. Les nombreux composants passifs nécessaires tels qcue les coupleurs sélectifs aux longueurs d'ondes et les dérivations sont réalisés par des composants à fibres optiques ou par des composants optiques intégrés. La solution des compo- sants optiques intégrés offre l'avantage d'être plus compacts, plus faibles et plus faciles à manipuler et en particulier pour l'intégration de nombreux composants la solution est moins coû- teuse et plus facile à reproduire. De même, pour la réalisation de la partie amplifi- catrice, à côté de la solution connue utilisant des fibres op- tiques, on a proposé un guide d'ondes amplificateur optique utilisant un verre particulier avec des guides d'ondes à dopage par de l'erbium. Pour des raisons techniques, pour la fabrication de composants optiques passifs intégrés tels que des dérivations, des diviseurs de faisceaux, des injecteurs ou des coupleurs sé- lectifs en longueurs d'ondes, il faut d'autres verres que pour la fabrication des guides d'ondes amplificateurs à dopage par de l'erbium. La réunion nécessaire en soi de tous les compo- sants passifs et actifs sur un même substrat en verre n'est pas possible de ce fait pour des raisons techniques. Selon l'invention on propose une solution pour un amplificateur opti- que utilisant deux substrats de verre, différents mais offrant la même compacité que si tous les composants actifs et passifs étaient intégrés à un seul substrat. La figure 6a montre en coupe les deux substrats S1 avec la structure de guide d'ondes WL1 pour les composants op- tiques passifs et S2 avec une structure de guide d'ondes ampli- ficatrice active WL2. Les deux substrats sont réunis pour que les faces avec les structures de guide d'ondes soient en regard l'une de l'autre. Sur au moins une surface latérale Sp du subs- trat Si on a les ports pour l'entrée E, les sorties A1, An et la source de lumière de pompage P. Au moins une surface laté- rale Skl du substrat Si et au moins une surface latérale Sk2 du substrat S2 sont polies en biais et se trouvent en regard l'une de l'autre pour que les deux surfaces latérales en biais Skl et Sk2 forment entre elles un angle droit. La figure 6b montre une structure de guide d'ondes passif WL1 dans le substrat Si et la figure 6c montre la struc- ture de guide d'ondes amplificatrice WL2 dans le substrat S2. Le couplage de la lumière entre les structures de guide d'ondes WL1 et WL2 se fait par une double réflexion totale ou le cas échéant par réflexion sur les couches miroirs au niveau des surfaces latérales en biais Skl, Sk2 dans les ports de liaison VAl et VE1 ou VA2 et VE2 alignés entre eux. La structure de guide de lumière WL1 selon la fi- gure 6a comporte tous les éléments de couplage et de liaison passifs nécessaires pour les amplificateurs optiques comme élé- ments optiques intégrés dont le but a été décrit à propos de la figure 3. De plus, on a un diviseur de faisceaux selon le rap- port l/n, portant la référence Tn; ce diviseur Tn présente n ports de sortie Al...An, intégrés. A titre d'exemple, la figure 6c montre une struc- ture de guide d'ondes amplificatrice sous la forme d'une spi- rale. On peut également envisager d'autres structures de guide d'ondes permettant d'arriver à la longueur d'onde nécessaire sans dépasser la courbure minimale imposée au guide d'ondes; des intersections de chemins optiques et les réflexions sur des surfaces de réflexion appropriées, ainsi que sur les arêtes la- térales des substrats, sont autorisées. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Dispositif pour relier des composants optiques intégrés prévus sur des substrats différents, caractérisé en ce que les substrats (10, 20) et les composants optiques intégrés (11, 21) à relier sont superposés, les composants optiques intégrés (11, 21) présentent, au niveau des extrémités à relier, dans le chemin optique, des surfaces latérales (12, 22) inclinées l'une par rapport à l'autre et - les surfaces latérales (12, 22) sont inclinées pour que la lumière du premier composant optique intégré (11) rayonne jus- qu'à la première surface latérale inclinée (12) pour y être ré- fléchie et arrive sur la seconde surface latérale inclinée (22) pour y être réfléchie vers le second composant optique intégré (12). 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que au moins l'une des surfaces latérales inclinées (12, 22) est munie d'une surface réfléchissante. 3 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces latérales (12, 22) sont inclinées pour que la lu- mière des composants optiques intégrés (11, 21) subisse une ré- flexion totale. 4 ) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les chemins optiques des composants optiques intégrés sont dans des plans parallèles au niveau des extrémités à relier et que la somme des angles d'inclinaison des surfaces latérales incli- nées (12) est de 90 par rapport à l'une des surfaces parallè- les. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les substrats transparents (10, 20) comportent des repères d'ajustage (16, 26) pour l'ajustage actif. 6 ) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par des cavités (17) et des bossages (27) complémentaires sur les substrats (10, 20) permettant l'ajustage passif. 7 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les substrats (10, 20) comportent des cavités (18, 28) pour re- cevoir des éléments d'ajustage (19) permettant l'ajustage pas- sif. 8 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les substrats (10, 20) sont disposés l'un sur l'autre. 9 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les substrats (10, 20) sont fixés l'un sur l'autre par collage ou liaison. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les substrats (10, 20) sont fixés l'un à l'autre par une couche intermédiaire. 11 ) Application d'un dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 10, à un amplificateur optique pour des systè- mes de transmission bi-directionnelle, caractérisée en ce que le premier substrat (S1) comporte des composants optiques inté- grés passifs (WL1) et le second substrat (S2) comporte une structure de guide d'ondes optique intégrée active (WL2) reliée aux composants passifs (WL1).