Brevet FR2741161A1 — publié le 19970516

La présente invention est relative aux composants optiques combineurs /diviseurs. Les composants optiques combineurs/diviseurs sont par exemple utilisés dans les réseaux de télécommunications optiques monomodes ou multimodes et pour les fonctions de multiplexage optique en longueur d'onde ou temporel. En tant que combineur, leur fonction est de rassembler sur un seul guide optique de sortie les ondes optique s se propageant dans un certain nombre de guides optiques d'entrée. Lorsqu'ils sont utilisés comme diviseur, ces composants servent à répartir un signal optique d'entrée sur une pluralité de guides de sortie. On connaît classiquement des composants combineurs/diviseurs qui comportent plusieurs étages de jonctions en Y montées en cascades. Les jonctions en Y présentent de nombreux avantages, notamment en termes de simplicité de conception et de robustesse de fonctionnement. Elles présentent également une faible dépendance vis-à-vis des paramètres nominaux des guides (tolérance de fabrication) et une très grande tolérance de fonctionnement (bande passante optique et insensibilité à la polarisation notamment). En outre, les pertes additionnelles peuvent y être très faibles à condition d'utiliser des virages à courbure suffisamment faible et de réaliser des embranchements suffisamment pointus. Toutefois, les composants à jonctions en Y présentent l'inconvénient majeur d'être peu compacts, leur longueur totale étant fortement croissante avec le nombre de branches d'extrémité. Plus récemment, il a été proposé des structures de diviseurs dites à zone d'interférences multimodes (MMI splitters selon la terminologie anglo-saxonne) qui sont d'une plus grande compacité. Toutefois, cette compacité est variable en fonction des applications. Si des gains en compacité importants ont été obtenus avec des composants MMI, ils sont surtout dûs à l'utilisation de guides très confinés qui autorisent des virages très serrés. Par contre, dans le cas de diviseurs à guides peu confinés (qui présentent les plus faibles pertes), le gain en compacité n'est que de 10 à 15 % si l'on tient compte des longueurs de virages nécessaires pour séparer les sorties. En outre, en contrepartie de ces gains en compacité, la tolérance de fonctionnement (notamment la bande passante optique) diminue fortement et la tolérance de fabrication est moins bonne, surtout pour la largeur de la zone d'interférence (0,25 pm de tolérance pour une perte additionnelle de 0,5 dB).De plus il se pose avec les composants MMI des problèmes de réflexions parasites, d'autant plus importants que les composants sont optimisés et que leurs guides sont fortement confinés. Les coupleurs en étoile, connus depuis plus longtemps, présentent une compacité nettement plus grande à condition de tolérer des pertes additionnelles élevées et un très mauvais équilibrage des sorties (répartition en cloche). En allongeant ces composants on peut améliorer un peu leurs performances, mais ils restent de toute façon moins performants que les composants MMI à longueur égale. Un but de l'invention est donc de proposer un composant combineur/diviseur qui est compact et qui présente les mêmes avantages que les jonctions en Y. L'invention propose à cet effet un composant monolithique combineur/diviseur comportant un séparateur et plusieurs branches qui s'étendent à partir de celui-ci, caractérisé en ce que lesdites branches sont constituées par une branche centrale et deux branches latérales de part et d'autre de ladite branche centrale, la branche centrale étant prolongée par au moins un autre étage qui la divise en plusieurs branches, le séparateur étant tel qu'il répartit la puissance optique dans la branche centrale et les branches latérales de façon que les différentes branches en sortie du composant soient équilibrées, lorsque ledit composant est utilisé comme diviseur. Une telle structure permet d'optimiser la longueur du composant et notamment de réduire le nombre de virages nécessaires pour séparer les différentes branches qui constituent les sorties du composant lorsque celui-ci est utilisé comme diviseur. Selon une structure particulière, le composant présente quatre branches équilibrées, la branche centrale étant prolongée par une jonction en Y, le séparateur étant tel qu'il répartit 50 % de la puissance optique qu'il reçoit en entrée dans la branche centrale, les branches latérales recevant chacune 25 % de cette puissance, lorsque le composant est utilisé comme diviseur. Selon un autre mode de réalisation, le composant comporte en série plusieurs étages combineurs/diviseurs à trois branches du type précité, la branche centrale du dernier étage étant elle-même prolongée par une jonction en Y, les différentes branches latérales de ces différents étages et les deux branches de la jonction en Y étant équilibrées lorsque le composant est utilisé comme diviseur. Notamment, dans le cas où le composant comporte en série trois étages combineurs/diviseurs à trois branches et une jonction en Y prolongeant la branche centrale du dernier étage, on dispose alors d'un composant à huit branches équilibrées. En variante encore, le composant comporte un ou plusieurs étages combineur/diviseur à plusieurs branches, par exemple quatre, présentant une structure du type précité, dont chacune des branches est divisée par un ou plusieurs étages du même type. On dispose ainsi d'une structure particulièrement avantageuse de composant combineur/diviseur à seize branches équilibrées. L'invention a également pour objet un séparateur monolithique, notamment pour un composant combineur/diviseur du type précité, comportant un guide d'onde évasé et plusieurs branches de guide d'onde qui s'étendent à partir de son extrémité évasée, caractérisé en ce que lesdites branches comprennent une branche centrale s'étendant selon l'axe dudit guide d'onde évasé et deux branches latérales qui s'étendent de part et d'autre de ladite branche centrale, les largeurs des différentes branches au niveau de l'extrémité évasée du guide d'onde évasé étant choisies en fonction de la répartition de puissance souhaitée en sortie du composant lorsque celui-ci est utilisé comme diviseur. Un tel séparateur constitue un combineur/diviseur compact qui permet d'ajuster la répartition des puissances, par exemple en jouant sur la largeur de la branche centrale. Ce séparateur conserve en outre les nombreux avantages des jonctions en Y en termes de tolérance de fonctionnement (bande passante optique, insensibilité de polarisation). De préférence, les branches latérales présentent des portions en S qui déportent lesdites branches par rapport à la branche centrale et des portions droites inclinées qui sont interposées entre lesdites portions en S et le guide évasé et qui découplent ledit séparateur par rapport auxdites portions en S et aux autres étages du composant. On maîtrise ainsi parfaitement la répartition des puissances dans les différentes branches. Les caractéristiques du séparateur sont en effet alors indépendantes du type de virage qui prolonge les branches latérales ou de la nature des étages suivants. Ce séparateur est en outre également avantageusement complété par le fait que la branche centrale présente une portion dont la largeur diminue dans le sens de propagation de la lumière lorsque le composant est utilisé comme diviseur et qui contribue également à découpler le séparateur par rapport aux portions en S des branches latérales et aux autres étages du composant. L'invention va maintenant être décrite, de façon purement illustrative et non limitative, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 illustre un séparateur conforme à un mode de réalisation de l'invention - la figure 2 illustre un composant conforme à un mode de réalisation possible de l'invention - les figures 3 et 4 illustrent les composants conformes à deux autres modes de réalisation possibles de l'invention. Le composant séparateur illustré sur la figure 1 présente une structure monolithique qui comprend un guide d'onde 1 évasé prolongé à son extrémité la plus évasée d'une part par deux branches latérales inclinées 2a, 2b et d'autre part par une branche centrale 3. Le guide d'onde 1 est de forme trapézoïdale isocèle. Sa petite base constitue l'entrée de la structure dans le cas où elle est utilisée comme diviseur optique. Sa largeur w correspond à celle du guide d'onde d'entrée que ce séparateur 1 prolonge et est par exemple identique à celle des guides d'ondes que constituent les branches latérales 2a, 2b. Comme on le comprendra aisément, dans le cas du fonctionnement du composant en tant que diviseur, la répartition des puissances optiques dans les trois branches 2a, 2b et 3 n'a aucune raison d'être uniforme, la puissance étant plus importante dans la branche centrale 3. Notamment, pour une structure de guides d'onde classique - couche guidante en InGaAsP enterrée dans InP par exemple - et dans le cas où les branches 2a, 2b et 3 présentent une largeur d'entrée identique, le guide central 3 reçoit 50 % environ de la puissance d'entrée. Les inventeurs ont constaté qu'il était possible d'ajuster la répartition des puissances dans les différentes branches 2a, 2b et 3 en choisissant convenablement les largeurs d'entrée desdites branches et notamment en ajustant la largeur d'entrée W0 de la branche centrale (grande base du séparateur 1) par rapport à celle des branches inclinées 2a, 2b. A titre illustratif, dans le cas d'une structure à guides d'onde InP/InGaAsP/InP et d'une largeur w de 2 Zm pour les guides 2a et 2b, une largeur W0 de 1,6 Fm permet de répartir 50 % de la puissance optique dans la branche centrale 3, et 25 % sur chacune des branches latérales. Les branches latérales 2a, 2b sont des guides droits 4a, 4b prolongés par des portions 5a, 5b en S, dont les virages permettent de déporter les extrémités de ces branches latérales 2a, 2b par rapport à la direction selon laquelle la branche centrale 3 s'étend. Les guides droits 4a et 4b servent à découpler les entrées des différentes branches par rapport à la suite de la structure : ils sont choisis d'une longueur suffisamment importante pour éviter que la répartition des puissances en sortie de la portion évasée 1 ne soit perturbée par la zone des virages 5a, 5b ou le cas échéant par les étages suivants de la structure. Par exemple, dans le cas de la structure à guide d'onde enterré de type InP/InGaAsP/InP précitée, lesdites portions droites sont d'une longueur de 200 pm pour un décalage en hauteur de 4 ym (angle d'environ 10). De façon générale, les portions droites et inclinées des branches latérales 2a et 2b seront choisies d'une longueur de l'ordre de ou supérieure à une centaine de micromètres. La répartition des puissances dans les guides, lorsque le composant est utilisé comme diviseur, est alors indépendante de la structure en sortie de ces portions droites. La branche centrale 3 présente quant à elle avantageusement une portion dont la largeur diminue dans le sens de propagation de la lumière lorsque le composant est utilisé comme diviseur, qui fait passer le guide de ladite branche de la largeur W0 à la largeur W des guides en entrée et sortie du composant. Cette portion contribue également à découpler le séparateur par rapport aux portions en S des branches latérales 2a, 2b et aux autres étages du composant. Les rayons de courbure des virages sont choisis de façon à minimiser les pertes. Ils sont à cet effet de préférence supérieurs à 500 pm. Le séparateur à trois branches illustré sur la figure 1 peut être utilisé seul ou en série avec d'autres étages de division/combinaison. Par exemple, ainsi qu'illustré sur la figure 2, la branche centrale 3 peut être prolongée par une jonction 6 en Y, dont les deux branches ont été référencées par 6a et 6b. Dans le cas où la largeur W0 est choisie pour permettre une répartition de 50 % de la lumière dans le guide central 3 lorsque le composant est utilisé comme diviseur, on dispose ainsi d'un diviseur 1 -- > 4 dont les quatre branches de sortie 5a, 5b et 6a, 6b sont équilibrées. On notera que la longueur totale de cette structure correspond à la longueur nécessaire pour les portions 5a, 5b en S des branches 2a et 2b, augmentée de la longueur du séparateur, qui est très faible devant la longueur des virages. Cette structure présente donc un gain en compacité très significatif par rapport à une structure de diviseur 1 -- > 4 à cascades de jonctions en Y (gain supérieur à 30 % contre un gain de 10 à 15 % seulement pour les structures MMI). On notera en outre que le séparateur 1 -- > 3 pourrait être remplacé par d'autres types de séparateurs, par exemple des coupleurs de type MMI inspirés de ceux décrits dans la publication - "New 1x2 MMI couplers with free selection of power splitting ratios", P.A. Besse et al., ECOC 94, Florence, Italie, Vol 1, pp 669, qui offrent la possibilité de permettre l'ajustement de la répartition des puissances de sortie. Une telle structure présenterait également une compacité intéressante. Sur la figure 3, on a illustré un diviseur optique à huit sorties qui comporte en série trois étages, référencés de 7 à 9, du type de celui illustré sur la figure 1, ainsi qu'une jonction 10 en Y. L'étage 8 divise en trois la branche centrale de l'étage 7, tandis que l'étage 9 divise en trois celle de l'étage 8. La jonction en Y divise en deux la branche centrale de l'étage 9. Les branches latérales des étages 7 à 9 ont été respectivement référencées par 7a - 7b, 8a - 8b, 9a - 9b, leur branches centrales ayant été référencées par 7c, 8c et 9c. Les deux branches de la jonction 10 en Y ont été référencées par 10a et 10b. La largeur d'entrée des différentes branches centrales 7c à 9c est calculée pour répartir convenablement les puissances optique s dans chaque branche. Dans cet exemple, pour une structure à guides d'onde enterrés InP/InGaAsP/InP et une largeur de guides d'onde d'entrée et de sortie de 2 m, la branche centrale 7c présente une largeur d'entrée de 2,7 ym, la branche 8c une largeur d'entrée de 2,2 pm, la branche 9c une largeur de 1,6 pm. Ainsi, lorsque le composant est utilisé en tant que diviseur, la branche centrale 7c reçoit 3/4 de la puissance d'entrée, 1/8ème de cette puissance étant envoyée sur chacune des branches latérales 7a et 7b. La branche centrale 8c du deuxième étage reçoit les 2/3 de la puissance en sortie de la branche centrale 7c, chacune des branches latérales 8a, 8b recevant 1/6ème de cette puissance. La branche centrale 9c du troisième étage reçoit la moitié de la puissance en sortie de la branche 8c, les branches latérales 9a et 9b recevant chacune un quart de cette puissance. Par conséquent, les puissances au niveau des huit sorties 7a à 10a et 7b à 10b sont équilibrées. Bien entendu, ce composant peut également être utilisé comme combineur. Le composant illustré sur la figure 4 comporte quant à lui un premier étage 11 du type de celui illustré sur la figure 2, dont les différentes branches sont prolongées par une structure 12 du même type. Des portions droites de 200 ptm de longueur sont interposées entre les structures 12 et les portions en S des branches du premier étage 11. On a ainsi réalisé un diviseur 1 ~ 16, d'une longueur totale très inférieure à celle qui aurait été nécessaire dans le cas d'une structure à cascades de jonctions en Y. Par rapport aux cascades à jonctions en Y, le gain en compacité des structures des figures 3 et 4 est d'au moins 40 % (contre 10 à 15 % pour les structures de type MMI), ceci étant notamment dû à la réduction du nombre d'étages. On notera que les différentes structures qui viennent d'être décrites présentent l'avantage de ce que la trajectoire de chaque rayon lumineux ne contient qu'une seule portion en S, ce qui contribue à réduire les pertes du composant et à faciliter leur équilibrage. On a décrit en référence aux figures 1 à 4 des composants à guides d'onde enterrés, mais l'invention s'applique bien entendu à tout autre type de structure de composant monolithique. Les techniques de réalisation de composants optiques monolithiques sont classiquement connues de l'Homme du Métier et ne seront pas ici décrites de façon détaillée. Dans le cas d'une structure à guides d'onde enterrés, la couche guidante est par exemple d'une épaisseur de l'ordre de 0,25 pm, les couches d'InP étant de 2 Clam. Egalement, on pourra avantageusement utiliser pour réaliser ces composants la technique du double masquage, décrite dans une application à la réalisation de jonction en Y dans la publication "Adiabatic 3 dB-coupler realized on InGaAsP/InP", J.W. Pedersen, J.J.G.M. van der Tol, E.G. Metaal, Y.S. Oei, F.H. Groen, P. Demeester, ECIO 95, Delft, Pays-Bas, pp. 331. Cette technique évite en effet que les zones en pointe de la structure à trois branches ne soient émoussées, ce qui perturberait la répartition des puissances en sortie et donc l'équilibrage du composant. Toutefois, l'utilisation des techniques du double masquage n'est pas indispensable. Des résultats satisfaisants ont également été obtenus avec des techniques classiques de photolithographie et gravure REVENDICATIONS 1. Composant optique monolithique combineur/diviseur comportant un séparateur (1) et plusieurs branches (2a, 2b, 3) qui s'étendent à partir de celui-ci, caractérisé en ce que lesdites branches sont constituées par une branche centrale (3) et deux branches latérales (2a, 2b) de part et d'autre de ladite branche centrale (3), la branche centrale (3) étant prolongée par au moins un autre étage (6 ; 8 à 10) qui la divise en plusieurs branches (6a, 6b ; 8a à 10a et 8b à 10b), le séparateur (1) étant tel qu'il répartit la puissance optique dans la branche centrale (3) et les branches latérales (2a, 2b) de façon que les différentes branches (5a, 6a, 5b, 6b ; 7a, 10a et 8b à 10b) en sortie du composant soient équilibrées, lorsque ledit composant est utilisé comme diviseur. 2. Composant à quatre branches équilibrées selon la revendication 1, caractérisé en ce que la branche centrale (3) est prolongée par une jonction (6) en Y, le séparateur (1) étant tel qu'il répartit 50 % de la puissance optique qu'il reçoit en entrée dans la branche centrale (3), les branches latérales (2a, 2b) recevant chacune 25 % de cette puissance, lorsque le composant est utilisé comme diviseur. 3. Composant optique monolithique combineur/diviseur caractérisé en ce qu'il comporte en série plusieurs étages (7, 8, 9) combineur/diviseur à trois branches présentant une structure du type de celle définie à la revendication 1, la branche centrale (7c) du dernier étage étant elle-même prolongée par une jonction (10) en Y, les différentes branches latérales (7a à 9a et 7b à 9b) de ces différents étages (7 à 9) et les deux branches (10a, 10b) de la jonction en Y étant équilibrées lorsque le composant est utilisé comme diviseur. 4. Composant à huit branches équilibrées selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en série trois étages (7, 8, 9) combineur/diviseur à trois branches et une jonction (10) en Y prolongeant la branche centrale du dernier étage. 5. Composant optique monolithique combineur/diviseur, caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusiers étages (11) combineur/diviseur à plusieurs branches, par exemple quatre, présentant une structure du type de celle définie à la revendication 1 ou 2, dont chacune des branches est divisée par un ou plusieurs étages (12) du même type. 6. Composant à deux étages et à seize branches équilibrées selon la revendication 5. 7. Séparateur optique monolithique comportant un guide d'onde évasé (1) et plusieurs branches (2a, 2b, 3) de guide d'onde qui s'étendent à partir de son extrémité évasée, caractérisé en ce que lesdites branches comprennent une branche centrale (3) s'étendant selon l'axe dudit guide d'onde évasé (1) et deux branches latérales (2a, 2b) qui s'étendent de part et d'autre de ladite branche centrale (3), les largeurs (W0) des différentes branches au niveau de l'extrémité évasée du guide d'onde évasé (1) étant choisies en fonction de la répartition de puissance souhaitée en sortie du composant lorsque celui-ci est utilisé comme diviseur. 8. Séparateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les branches latérales (2a, 2b) présentent des portions (5a, 5b) en S qui déportent lesdites branches (2a, 2b) par rapport à la branche centrale (3) et des portions droites inclinées (4a, 4b) qui sont interposées entre lesdites portions (5a, 5b) en S et le guide d'onde évasé (1) et qui découplent ledit séparateur par rapport auxdites portions (5a, 5b) en S et aux autres étages du composant. 9. Séparateur selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la branche centrale (3) présente une portion dont la largeur diminue dans le sens de propagation de la lumière lorsque le composant est utilisé comme diviseur et qui contribue également à découpler le séparateur par rapport aux portions (4a, 4b) en S des branches latérales et aux autres étages du composant.