Brevet FR2746929A1 — publié le 19971003

CIRCUIT GUIDE D'ONDES DE RAMIFICATION ET DE CROISEMENT ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION La présente invention concerne un circuit guide d'ondes de ramification et de croisement ayant une pluralité de guides d'ondes optiques formés sur un substrat, qui effectue une ramification et un croisement de lumière. Un circuit guide d'ondes optiques ayant des possibilités de ramification et de croisement est essentiel et indispensable à des circuits intégrés optiques qui emploient des guides d'ondes. Des circuits guides d'ondes optiques de ramification en Y comprenant une pluralité de guides d'ondes optiques de ramification sont connus pour ce type de circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement, et les circuits guides d'ondes optiques de ramification en Y sont appliqués, par exemple, à 1 x N diviseurs. La figure 1 montre la construction d'un circuit guide d'ondes optiques de ramification en Y de l'art antérieur. Le circuit guide d'ondes optiques de ramification en Y représenté sur la figure comprend des guides d'ondes 21, 22, 23 et 24 enrobés chacun dans une matière de gaine 2 formée sur le substrat. Ce circuit guide d'ondes optiques de ramification en Y a une configuration dans laquelle les largeurs des guides d'ondes 21, 23 et 24 sont toutes égales; les parties courbes des guides d'ondes de ramification 23 et 24 ont un rayon de courbure r; et l'extrémité de la partie fermée, qui est enfermée entre les guides d'ondes de ramification 23 et 24 au niveau du point de ramification 25, a une forme idéale dans le sens o l'espacement entre les guides d'ondes de ramification 23 et 24 au niveau de l'extrémité (appelé ci-après "écartement d'extrémité") est sensiblement égal à zéro. Ici, le point de ramification désigne la partie o commence la ramification des guides d'ondes. La figure 2 montre une vue en coupe suivant la ligne B-B' de la figure 1 et est présentée afin d'expliquer le procédé de fabrication du circuit guide d'ondes optiques de ramification en Y de la figure 1. Un tel circuit guide d'ondes optiques de ramification en Y est généralement fabriqué en déposant tout d'abord successivement une couche formant gaine 2a et une couche formant coeur 3 sur un substrat 1 de silicium ou équivalent, dans lequel la couche formant coeur 3 a un indice de réfraction légèrement supérieur à celui de la couche formant gaine 2a; puis en attaquant chimiquement la couche formant coeur 3 pour laisser des parties qui correspondent à chacun des guides d'ondes optiques 21, 22, 23 et 24 de la figure i; et en déposant enfin une couche formant gaine 2a pour enrober les guides d'ondes optiques 21, 22, 23 et 24. Dans le circuit guide d'ondes optiques de ramification en Y décrit ci-dessus, l'écartement d'extrémité du point de ramification 25 est fabriqué de manière à approcher un zéro idéal pour réduire les pertes de ramification et de croisement. Selon la technologie de fabrication actuelle, cependant, une largeur égale à zéro de la partie d'extrémité ne peut être obtenue et la configuration de l'extrémité de la partie fermée a généralement une largeur de l'ordre de 0,5 pm. Cependant, un écartement d'extrémité si étroit de même que d'autres parties du guide d'ondes doivent être traités idéalement de façon perpendiculaire à la surface du substrat lors de l'élimination par attaque chimique des parties indésirables de la couche formant coeur, afin de réaliser un circuit guide d'ondes optiques désiré. j - -j Cependant, le rapprochement mutuel et la fermeture sensible des surfaces extérieures des deux guides d'ondes optiques 23 et 24 augmentent les difficultés d'un traitement précis, et en conséquence, la couche formant coeur qui devrait être éliminée est en fait laissée en place à l'extrémité de la partie fermée, ce qui crée par conséquent une ternissure qui conduit à des pertes de ramification accrues et à un rendement réduit. La figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne B-B' de la figure 1. Sur la figure, la partie fermée est représentée avec la couche formant coeur laissée en place, et créant une ternissure. De plus, même dans le cas o l'extrémité de la partie fermée est attaquée chimiquement avec précision, des couches d'air 26, qui seront appelées "vides", peuvent être formées dans l'écartement étroit d'extrémité de l'ordre de 0,5-1 pm lors de l'enrobage de la partie fermée dans la couche formant gaine 2a, et de tels vides augmentent également les pertes de ramification et diminuent le rendement. La figure 4 est une coupe suivant la ligne B-B' de la figure 1 et montre un vide 26 créé au niveau de l'extrémité de la partie fermée, c'est-à-dire, à proximité du point de ramification 25 des guides d'ondes de ramification 23 et 24. Une simple augmentation de la largeur d'écartement du point de ramification (l'extrémité de la partie fermée) pour résoudre les problèmes de fabrication décrits ci-dessus conduira a une augmentation supplémentaire des pertes de ramification, en mettant ainsi fin à la construction d'un circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement à faibles pertes. Comme décrit ci-dessus, le circuit guide d'ondes optiques de ramification en Y décrit en référence à la figure 1 est sujet à des imperfections de construction, notamment à la formation de couche formant coeur résiduelle, de ternissure dans l'écartement, ou de vides dans l'écartement d'extrémité de la partie fermée, et en conséquence, souffre de problèmes de fabrication tels que des pertes de ramification accrues et un rendement réduit. Un circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement visant à surmonter les problèmes décrits ci-dessus est décrit dans le brevet japonais, ouvert à l'inspection du public, No. Hei 4- 70605. La figure 5 est une vue en plan de ce circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement. Ce circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement est composé d'un guide d'ondes principal 21, d'un guide d'ondes élargi 22 qui part en s'élargissant du guide d'ondes principal 21, et de guides d'ondes de ramification 23 et 24 qui sont séparés du guide d'ondes élargi par un écartement prescrit LGAP. Les guides d'ondes de ramification 23 et 24 sont également séparés l'un de l'autre par un écartement prescrit WGAP dans la partie de ramification de ce circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement. D'après des résultats expérimentaux, les pertes en excès dans le circuit guide d'ondes optiques de ramification en Y décrit ci-dessus sont sensiblement fixes pour un écartement de guide d'ondes LGAP compris entre 0 et 10 pn, et cette valeur fixe dépend de l'espacement de guide d'ondes WGAP. De plus, les résultats expérimentaux montrent que les pertes en excès peuvent être réduites à approximativement 0,3 dB ou moins à condition que l'espacement de guide d'ondes WGAP soit inférieur à 4 gm. En conséquence, en fixant l'écartement de guide d'ondes LGAP à approximativement pmn et l'espacement de guide d'ondes WGAP à approximativement 4 pm, on peut fabriquer un circuit guide d'ondes optiques de ramification en Y qui soit conçu avec une bonne reproductibilité sans détérioration des caractéristiques du circuit. De plus, un circuit guide d'ondes optiques de ramification en Y fabriqué au moyen de ce procédé ne présente pas d'imperfections structurales telles que décrites ci-dessus à proximité du point de ramification de la ramification en Y, ce qui permet de supprimer la variation des pertes de ramification en fonction du mode de polarisation. (La variation des pertes de ramification en fonction du mode de polarisation désigne le phénomène o les pertes par diffusion pour la lumière polarisée en mode TM sont plus grandes que pour la lumière polarisée en mode TE.) Le circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement décrit ci-dessus en relation avec la figure 5 a une construction similaire au circuit guide d'ondes représenté sur la figure 1 dans la mesure o il comprend une partie de couplage optique élargie, c'est-à-dire, le guide d'ondes élargi 22 entre le guide d'ondes principal et les guides d'ondes de ramification, et a également une construction différente de celle représentée sur la figure 1 en ce que la partie de couplage élargie a des surfaces coupées de façon linéaire à travers lesquelles la partie de couplage optique fait face aux guides d'ondes de ramification de l'autre côté de l'écartement de guide d'ondes LGAP. Cependant, il est difficile dans une telle construction de réaliser une partie fermée ayant une extrémité aiguë. De plus, la lumière qui se propage dans le mode fondamental dans le guide d'ondes principal 21 passe à un mode d'ordre plus élevé dans le guide d'ondes élargi 22 et se propage à nouveau dans le mode fondamental dans les guides d'ondes de ramification 23 eà-. et 24. En conséquence, des caractéristiques souhaitées de pertes de ramification et une variation avec la longueur d'onde ne peuvent être obtenues en raison d'un couplage optique incomplet au niveau de l'écartement et d'une conversion mutuelle entre les modes de propagation, ce qui résulte en ce qu'une reproductibilité fiable des caractéristiques de ramification et de croisement est compromise. Ces difficultés deviennent plus prononcées avec une diminution de l'angle Os de la surface terminale 220 du guide d'ondes élargi 22, de la surface terminale 230 du guide d'ondes de ramification 23, et de la surface terminale 240 du guide d'ondes de ramification 24 par rapport à l'axe du guide d'ondes principal 21, ce qui conduit à une augmentation des pertes de ramification et à une nette détérioration de la reproductibilité des caractéristiques de ramification. L'objet de la présente invention est de réaliser un circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement qui facilite la fabrication de guides d'ondes d'un circuit de couplage optique dans lequel une ramification ou un croisement est effectué, qui réduise suffisamment les pertes en excès, et de plus, qui améliore la variation des pertes en excès en fonction de la longueur d'onde et la reproductibilité des caractéristiques. RESUME DE L'INVENTION Selon le circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement de la présente invention, un guide d'ondes principal comprend une partie guide d'ondes resserrée qui se resserre progressivement tout en s'étendant dans une direction longitudinale dans une section de couplage optique; et la partie guide d'ondes resserrée et les guides d'ondes de ramification sont disposés à proximité les uns des autres avec un espacement prescrit le long des côtés du guide d'ondes resserré pour former un couplage optique. En conséquence, la lumière en mode fondamental qui se propage à travers le guide d'ondes principal et qui avance à travers le guide d'ondes resserré ne peut conserver le mode fondamental ou l'état fermé dans le guide d'ondes qui se resserre progressivement, ce qui forme une condition limite à variation progressive, et est par conséquent coupée lorsque la largeur du guide d'ondes resserré atteint une valeur spécifique. Ainsi, l'énergie lumineuse est transmise par translation aux guides d'ondes de ramification. En outre, le guide d'ondes resserré dans la section de couplage optique décrite ci-dessus a une forme amincie sur les deux surfaces latérales; et les guides d'ondes de ramification dans la section de couplage optique ont chacun des parties guides d'ondes élargies qui s'élargissent en une forme amincie dans le sens inverse et en relation opposée à chaque forme amincie du guide d'ondes principal. Dans ce cas, l'axe optique (axe de guide d'ondes) du guide d'ondes resserré dans la section de couplage optique est de préférence parallèle aux axes optiques des guides d'ondes élargis. Ainsi, l'axe optique du guide d'ondes resserré dans la section de couplage optique est parallèle aux axes optiques des guides d'ondes élargis, et le sens de propagation de la surface de front d'onde de la lumière dans le guide d'ondes resserré est parallèle au sens de propagation de la surface de front d'onde optique dans les guides d'ondes élargis. En conséquence, la lumière peut être transmise par translation d'un guide d'ondes resserré aux guides d'onde élargis pratiquement sans interposition de modes d'ordre plus élevé, et de cette manière, les pertes par rayonnement peuvent être réduites. L'espacement entre le guide d'ondes resserré et les guides d'ondes élargis est de préférence compris entre 2,0 pmn et 3,5 pm, la longueur de la section de couplage optique est de préférence de 500 pm ou plus, et la largeur minimum de guide d'ondes du guide d'ondes principal et des guides d'ondes de ramification dans la section de couplage optique est de préférence de 2 pm ou moins. Ces valeurs numériques ont été déterminées d'après des résultats expérimentaux de manière à permettre qu'une augmentation des pertes de ramification du circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement soit supprimée et que des caractéristiques de croisement ou des caractéristiques de ramification stables et à faibles pertes soient obtenues et en outre, de manière à faciliter la fabrication d'un circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement, notamment de la partie de ramification. De cette manière, l'espacement des guides d'ondes de ramification dans la partie de ramification peut être augmenté sensiblement sans augmentation des pertes de ramification, et la ternissure ou les vides à l'extrémité de la partie de ramification peuvent être évités. De plus, comme la lumière qui se propage à travers le guide d'ondes principal est transmise par translation aux guides d'ondes de ramification dans la section de couplage optique par le couplage en mode fondamental pratiquement sans interposition de modes d'ordre plus élevé, et en outre, comme la lumière quitte l'état fermé et approche de l'état de coupure alors qu'elle se propage à travers le guide d'ondes principal, le couplage de mode par des modes d'ordre plus élevé, qui dépend fortement des longueurs d'onde, est relâché, ce qui évite la dépendance des pertes de ramification en fonction de la longueur d'onde. De plus, le fait de donner à la section de couplage optique une longueur de 500 pm ou plus permet une translation complète de l'énergie lumineuse et permet une réduction des pertes de ramification. Les objets, caractéristiques, et avantages ci-dessus de la présente invention ainsi que d'autres ressortiront plus clairement à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés qui illustrent un exemple d'un mode de réalisation préféré de la présente invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 montre un exemple d'un circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement de l'art antérieur. La figure 2 montre un exemple du procédé de fabrication d'un circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement. La figure 3 est une vue en coupe d'un circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement de l'art antérieur suivant la ligne B-B'. La figure 4 est une vue en coupe d'un circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement de l'art antérieur suivant la ligne B-B'. La figure 5 montre un autre exemple d'un circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement de l'art antérieur. La figure 6 montre un mode de réalisation du circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement de la présente invention. La figure 7 est une vue en coupe du présent mode de réalisation suivant la ligne A-A'. A cqie -" ain La figure 8 montre les courbes qui illustrent un exemple de la variation des pertes en excès en fonction de la longueur de la section de couplage optique au moyen de la simulation BPM dans le présent mode de réalisation. La figure 9 montre les courbes qui illustrent un exemple de la variation des pertes en excès en fonction de la longueur d'onde au moyen de la simulation BPM dans le présent mode de réalisation. DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION PREFERES La figure 6 représente la construction d'un mode de réalisation du circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement de la présente invention. Un guide d'ondes principal 11 est un guide d'ondes optiques qui a une largeur de guide d'ondes fixe (WO) jusqu'à une section de couplage optique 12 et propage la lumière dans le seul mode fondamental. Dans la section de couplage optique, le guide d'ondes principal 11 a une construction amincie dans laquelle la largeur de guide d'ondes diminue progressivement de Wo à W1 (Wo > W1). De plus, des guides d'ondes de ramification 13 et 14 dans la section de couplage optique 12 ont une construction qui s'effile dans une direction opposée à celle du guide d'ondes principal avec une largeur augmentant progressivement de Wll à Wol (Wll qui les séparent l'un de l'autre. La lumière qui se propage à travers le guide d'ondes principal 11 est transmise par translation à chacun des guides d'ondes de ramification 13 et 14 par couplage de mode dans la section de couplage optique 12. La lumière est coupée à la fin de la partie amincie du guide d'ondes principal 11. La variation des pertes de ramification en fonction de la longueur d'onde est fortement réduite en profitant de la fonction de coupure du guide d'ondes aminci pour la translation de lumière. Afin de réduire les pertes de ramification, le sens de propagation de la lumière (le sens de la verticale de la surface de front d'onde) à l'intérieur du guide d'ondes principal 11 est de préférence parallèle au sens de propagation de la lumière à l'intérieur de chacun des guides d'ondes de ramification 13 et 14 dans la section de couplage optique 12. La figure 7 est une vue en coupe suivant la ligne A-A' de la figure 6 et est présentée afin d'illustrer un exemple du procédé de fabrication du circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement du présent mode de réalisation. Une couche formant gaine 2a et une couche formant coeur 3 sont successivement déposées sur un substrat 1 au moyen, par exemple, d'un procédé de dépôt chimique en phase vapeur AP type TEOS-3. La couche formant coeur inutile 3 est ensuite éliminée par attaque par ions réactifs pour former les circuits guides d'ondes optiques décrits ci- dessus 11, 13, et 14, et après cela une couche formant gaine 2a est déposée pour enrober ces circuits guides d'ondes optiques 11, 13, 14. La figure 8 et la figure 9 montrent des exemples de résultats calculés par simulation BPM de l'excès de pertes de ramification du circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement selon ce mode de réalisation. La figure 8 représente la variation de l'excès de pertes de ramification en fonction de la longueur 10 de la section de couplage optique 12 en prenant l'espacement Ggap entre le guide d'ondes principal 11 et les guides d'ondes de ramification 13 et 14 de la section de couplage optique comme paramètre. Ici, la longueur d'onde de propagation est de 1, 27 pm; la différence de l'indice de réfraction spécifique A est de 0, 40%; la largeur WO du guide d'ondes principal 11 est de 3 pm; les largeurs maximum W0 et Wol du guide d'ondes principal 11 et des guides d'ondes de ramification 13 et 14 dans la section de couplage optique 12 sont de 3 pumn (WO=W01); les largeurs minimum W1 et Wll sont de 1 pm (Wl=Wll); et la longueur 11 de la partie de connexion 15 pour connecter la section de couplage optique 12 et les guides d'ondes coudés des guides d'ondes de ramification 13 et 14 est de 500 pm. D'après la figure 8, quand la longueur 10 de la section de couplage optique 12 est de 500 pm ou plus, les pertes de ramification en excès ont une valeur faible de 0,2 dB ou moins. La figure 9 représente la variation de l'excès de pertes de ramification en fonction de la longueur d'onde de propagation en prenant comme paramètre l'écartement Ggap entre le guide d'ondes principal 11 et les guides d'ondes de ramification 13 et 14 dans la section de couplage optique 12. La longueur l1 de la section de couplage optique est de 500 pm et tous les autres facteurs sont les mêmes que pour la figure 8. Les pertes de ramification en excès ont une valeur extrêmement faible de 0,2 dB ou moins pour des longueurs d'onde comprises entre 1,27 pm et 1,57 pm. Enfin, la présente invention offre les avantages techniques suivants: Comme la section de couplage optique peut être dégagée des parties fermées dans les parois extérieures de la partie de ramification et comme l'espacement minimum entre les guides d'ondes dans la partie de ramification peut être augmenté, les problèmes rencontrés dans l'art antérieur tels qu'une couche formant coeur résiduelle à l'extrémité de la partie fermée qui se produit lors de la fabrication de même que la formation de vides ou de ternissure dans la partie d'extrémité peuvent être éliminés. De plus, comme on peut obtenir des caractéristiques de ramification et de croisement désirées sans traitement extrêmement précis, la présente invention facilite la fabrication et permet également une nette amélioration du rendement par rapport à la construction de l'art antérieur. Comme le guide d'ondes principal dans la section de couplage optique est construit comme un guide d'ondes resserré qui s'étend sous une forme amincie o la dimension extérieure diminue progressivement et comme les axes optiques des guides d'ondes de ramification sont parallèles à l'axe optique du guide d'ondes principal, la lumière est transmise par translation du guide d'ondes principal aux guides d'ondes de ramification par couplage de mode principalement entre les modes fondamentaux du guide d'ondes principal et des guides d'ondes de ramification pratiquement sans formation d'un mode d'ordre plus élevé. D'autre part, la lumière qui se propage à travers la partie resserrée du guide d'ondes principal ne peut rester dans un mode fondamental (dans un état fermé) lorsqu'elle approche de l'extrémité du guide d'ondes resserré et elle entre ainsi dans un état de coupure. En conséquence, l'énergie lumineuse peut être efficacement transmise par translation du guide d'ondes principal aux guides d'ondes de ramification, et une augmentation des pertes en excès peut être évitée même dans le cas o l'espacement entre les guides d'ondes de ramification dans la partie de ramification augmente. Comme les pertes de lumière sont supprimées en donnant à l'extrémité du guide d'ondes principal la largeur de coupure, la variation des pertes de ramification en excès en fonction de la longueur d'onde peut être réduite. Comme les guides d'ondes dans la section de couplage optique n'ont pas une construction élargie qui produit un mode d'ordre plus élevé, les pertes en excès causées par la formation d'un mode d'ordre plus élevé peuvent être évitées. De plus, chacun des axes optiques des guides d'ondes de ramification est formé de manière à être parallèle à l'axe optique du guide d'ondes principal dans la section de couplage optique, ce qui réduit ainsi les pertes en excès causées par le manque d'adaptation des modes de propagation des lumières qui avancent à travers les guides d'ondes de ramification. En conséquence, en déterminant de façon appropriée chacune des largeurs de guide d'ondes aux deux extrémités des parties du guide d'ondes principal et des guides d'ondes de ramification disposées dans la section de couplage optique, l'écartement entre le guide d'ondes principal et chacun des guides d'ondes de ramification dans la section de couplage optique, et la longueur de la section de couplage optique, on peut obtenir un circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement qui permette un bon rendement et une réduction des pertes de ramification en excès, et de plus, qui ait des caractéristiques qui soient moins dépendantes de la longueur d'onde et qui aient une bonne reproductibilité. On comprendra cependant que, bien que les avantages et caractéristiques de la présente invention aient été indiqués dans la description qui précède, la description n'est donnée qu'à titre d'illustration, et des changements peuvent être apportés quant à la forme, à la taille, et à la disposition des parties, dans le cadre des revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement comprenant un guide d'ondes principal (11) formé dans une couche formant gaine sur un substrat et deux guides d'ondes de ramification (13, 14) couplés optiquement audit guide d'ondes principal (11) dans une section de couplage optique (12), caractérisé en ce que ledit guide d'ondes principal (11) comprend une partie guide d'ondes resserrée qui s'étend dans une direction longitudinale dans ladite section de couplage optique (12) tout en se resserrant progressivement dans une direction latérale; et ladite partie guide d'ondes resserrée et lesdits guides d'ondes de ramification (13, 14) sont disposés à proximité les uns des autres avec un espacement prescrit (Ggap) le long des côtés dudit guide d'ondes resserré pour former la section de couplage optique (12). 2. Circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie guide d'ondes resserrée a une forme amincie sur les deux surfaces latérales; et lesdits guides d'ondes de ramification (13, 14) dans ladite section de couplage optique (12) ont chacun des parties guides d'ondes élargies qui s'élargissent en une forme amincie dans le sens inverse et en relation opposée à chaque forme amincie dudit guide d'ondes principal (11). 3. Circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'axe optique dudit guide d'ondes resserré est parallèle aux axes optiques desdits guides d'ondes élargis dans ladite section de couplage optique (12). 4. Circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'espacement (Ggap) entre ladite partie guide d'ondes resserrée et lesdites parties guides d'ondes élargies est compris entre 2,0 pm et 3,5 pm. 5. Circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite section de couplage optique (12) a une longueur (10) d'au moins 500 pm. 6. Circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement selon la revendication 5, caractérisé en ce que la largeur minimum de guide d'ondes dudit guide d'ondes principal (11) et desdits guides d'ondes de ramification (13, 14) dans ladite section de couplage optique (12) est de 2 pm ou moins. 7. Circuit guide d'ondes optiques de ramification et de croisement selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit guide d'ondes principal (11) propage la lumière dans un mode fondamental jusqu'à ladite section de couplage optique (12).