Brevet FR2751758A1 — publié le 19980130

À DISPOSITIF DE POLARISATION OPTIQUE INTEGRE Contexte de l'invention La présente invention concerne un dispositif de polarisation optique intégré, et plus particulièrement un séparateur de polarisation pour séparer une composante de mode électrique transversal (TE) et une composante de mode magnétique transversal (TM) en deux guides d'onde de sortie d'une polarisation d'entrée en optique intégrée se basant sur un guide d'onde optique monomode et un coupleur de polarisation qui couple les 10.entrées de la composante de mode TE et de la composante de mode TM ensemble dans un guide d'onde optique de sortie. En optique intégrée, un substrat est généralement formé de matières diverses telles que du verre, un matériau ferroélectrique, un semi-conducteur ou un polymère. Le LiNbO3, qui est une matière ferroélectrique, a été largement utilisé pour la fabrication de dispositifs optiques intégrés car il présente des avantages tels que de faibles pertes de propagation et des effets électro-optiques importants. Le LiNbO3 est un cristal optique ayant une biréfringence importante et qui présente un indice de réfraction extraordinaire de 2, 202 et un indice de réfraction ordinaire de 2,286 à une longueur d'onde de 633 nm. La diffusion interne de titane (TI) et l'échange de protons (PE) sont des procédés représentatifs pour la fabrication d'un guide d'onde optique utilisant un substrat en LiNbO3. La diffusion interne de titane est un procédé utilisé pour déposer un mince film de titane sur une partie dans laquelle un guide d'onde optique doit être formé sur le substrat en LiNbO3. Par ce procédé, le guide d'onde optique est formé du mince film de titane d'environ plusieurs centaines de A et la diffusion thermique à l'intérieur du substrat en LiNbO3 est effectuée à une température élevée d'environ 1000 C pendant plusieurs heures, ce qui augmente l'indice de réfraction du guide d'onde. Dans ce cas, l'indice de réfraction extraordinaire et l'indice de réfraction ordinaire augmentent tous deux, en formant ainsi le guide d'onde pour guider la composante de mode TE et la composante de mode TM. L'échange de protons est un procédé pour échanger des protons (H+) dans une source de protons tel que l'acide benzoïque contre des ions lithium (Li+) dans le substrat en LiNbO3. Ici, un métal, par exemple, est déposé sur des parties du substrat différentes de la partie sur laquelle le guide d'onde optique doit être formé et le substrat est plongé dans la source de protons à une température d'environ 200C, en augmentant ainsi l'indice de réfraction du guide d'onde. Dans ce cas, seul l'indice de réfraction extraordinaire est augmenté et l'indice de réfraction ordinaire est légèrement diminué, en formant ainsi le guide d'onde pour guider soit la composante de mode TE, soit la composante de mode TM. La figure 1 illustre un séparateur conventionnel de polarisation. Le séparateur conventionnel de polarisation formé par les deux procédés ci-dessus de fabrication de guides d'onde optiques est réalisé sous forme d'un séparateur de type Y, comme l'indique la figure 1. Un guide d'onde de sortie de mode TE 3 est aussi fabriqué par échange de protons et un guide d'onde de sortie de mode TM 2 ainsi qu'un guide d'onde d'entrée 4 sont fabriqués par diffusion interne de titane. Cependant, dans le séparateur conventionnel de polarisation, un problème intervient du fait que la composante de mode TE est induite dans le guide d'onde de sortie de mode TM 2 sur le substrat optique intégré 3 et que la polarisation peut ne pas être séparée à % du fait de l'angle de branchement du séparateur de type Y en mode TE. Aussi, un procédé difficile pour former précisément la distribution de l'indice de réfraction du guide d'onde de sortie 3 du mode TE et un angle aigu de branchement est nécessaire. Résumé de l'invention C'est un objet de la présente invention de proposer un dispositif de polarisation optique intégré pour séparer ou coupler complètement une composante de mode TE et une composante de mode TM sans perte en utilisant la biréfringence et en couplant des guides d'onde optiques sur un substrat. Pour atteindre l'objet ci-dessus, un dispositif de polarisation optique intégré proposé comprend un premier guide d'onde capable de laisser passer simultanément les deux composantes de mode dont les polarisations sont perpendiculaires entre elles à travers un substrat optique intégré et un second guide d'onde permettant à une seule des deux composantes de mode de polarisation formées dans le substrat optique intégré de le traverser, ce dispositif ayant une zone couplée qui est disposée sur une longueur prédéterminée et espacée du premier guide d'onde à une distance prédéterminée du premier guide d'onde et une zone de non couplage qui est disposée de manière que les premier et second guides d'ondes soient séparés d'une distance supérieure à la distance prédéterminée dans des parties différentes de la longueur prédéterminée. Les indices de réfraction des premier et second guides d'onde à travers lesquels les composantes de mode de polarisation peuvent passer simultanément sont identiques. La longueur de la zone couplée est identique ou égale à un multiple impair de la longueur couplée. Le substrat optique intégré peut être formé de LiNbO3, d'un polymère optique ou d'une matière semi- conductrice présentant une biréfringence. Brève description des dessins L'objet ci-dessus et des avantages de la présente invention apparaitront mieux d'après la description détaillée d'un mode de réalisation préféré en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 illustre un séparateur conventionnel de polarisation; les figures 2A et 2B sont des vues en plan d'un dispositif de polarisation optique intégré, respectivement, selon la présente invention; la figure 3A est un graphe représentant l'augmentation de l'indice de réfraction d'un mode TE des guides d'onde respectifs représentés sur la figure 2A; la figure 3B est un graphe représentant l'augmentation de l'indice de réfraction d'un mode TM des guides d'onde respectifs représentés sur la figure 2A; la figure 3C est un graphe représentant l'augmentation de l'indice de réfraction d'un mode TE des guides d'onde respectifs représentés sur la figure 2B; et la figure 3D est un graphe représentant l'augmentation de l'indice de réfraction d'un mode TM des guides d'onde respectifs représentés sur la figure 2B. Description détaillée de l'invention Les figures 2A et 2B sont des vues en plan d'un séparateur et d'un coupleur de polarisation optique intégrés selon la présente invention. La structure du guide d'onde optique couplé représenté sur les figures 2A et 2B est utilisée dans la présente invention en remplacement de la structure conventionnelle du séparateur de type Y. Sur la figure 2A, un guide d'onde optique 5 est formé par diffusion interne de titane et un guide d'onde optique 6 est formé par échange de protons. Dans ce cas, le guide d'onde optique 5 est d'abord formé par diffusion interne de titane, qui est un procédé à haute température, et puis le guide d'onde 6 est formé par échange de protons, c'est-à-dire un procédé à basse température. Lorsque l'on emploie un substrat 11 en LiNbO3 selon une coupe X ou une coupe Y, le guide d'onde 6 formé par échange de protons guide uniquement la composante de mode TE. Sur la figure 2B, un substrat 21 en LiNbO3 de coupe Z est utilisé. Le guide d'onde 9 indiqué sur la figure 2B, formé par échange de protons, guide uniquement la composante de mode TM. Ici, les indices de réfraction effectifs des parties respectives de guide d'onde des guides d'onde couplés sont amenés à une valeur identique au mode d'onde extraordinaire et la longueur Xc du guide d'onde optique couplé est choisie identique ou égale à un multiple impair de la longueur de couplage, laquelle est la longueur de transfert à 100 % du mode d'onde extraordinaire. 100% de la puissance optique du mode d'onde extraordinaire est théoriquement transmise du guide d'onde optique d'entrée 8 au guide d'onde optique de sortie 9 dans ce guide d'onde optique couplé. Donc, une séparation de polarisation à 100 % est effectuée par rapport à une polarisation d'entrée en la composante de mode TE et la composante de mode TM à travers les deux guides d'onde optiques de sortie. Le séparateur de polarisation peut être utilisé comme coupleur de polarisation pour coupler les deux composantes de mode de polarisation à un seul guide d'onde lorsque la composante de mode TE et la composante de mode TM sont envoyées vers les deux guides d'onde optiques de sortie dans une telle structure. Le procédé pour former le dispositif de polarisation optique intégré selon la présente invention tel qu'il est représenté sur la figure 2A est le suivant. Le guide d'onde 5 à travers lequel les deux composantes perpendiculaires de mode de polarisation peuvent simultanément passer est formé sur le substrat optique intégré 11. Le guide d'onde 6 est également formé sur le substrat optique intégré 11 de manière que le guide d'onde 6 soit parallèle au guide d'onde 5 et en soit séparé à une distance de plusieurs pm sur la longueur de couplage fc et que ces guides d'onde 5 et 6 soient séparés d'une distance supérieure dans les parties différentes de la longueur de couplage úc. Le guide d'onde 6 peut laisser passer l'une ou l'autre des deux composantes de mode de polarisation. Ici, le substrat optique intégré 11 peut être formé de LiNbO3, d'un cristal ou d'un polymère présentant une biréfringence. Le fonctionnement du séparateur et du coupleur représentés sur la figure 2A peut être expliqué en montrant l'augmentation des indices effectifs de réfraction de la composante de mode TE et de la composante de mode TM dans les régions couplées des guides d'onde optiques, comme l'indiquent les figures 3A et 3B. La figure 3A est un graphe représentant l'augmentation ANTE de l'indice de réfraction de mode TE par rapport aux guides d'onde respectifs représentés sur la figure 2A. D'après la figure 3A, les indices de réfraction des guides d'onde respectifs 5 et 6 concernant le mode TE sont supérieurs à celui du substrat optique intégré 4 dans la section A-A' indiquée sur la figure 2A. La figure 3B est un graphe représentant l'augmentation ANTM de l'indice de réfraction en mode TM des guides d'onde respectifs 5 et 6 de la figure 2A. D'après la figure 3B, l'indice de réfraction du guide d'onde 5 en mode TM est supérieur à celui du substrat optique intégré 11, mais celui du guide d'onde 6 est inférieur à celui du substrat optique intégré 11 dans la section transversale A-A' indiquée sur la figure 2A. Précisément, puisque l'augmentation de l'indice de réfraction effectif du guide d'onde optique 6 est négative pour le mode TM et que l'indice de réfraction du guide d'onde optique 6 est inférieur à celui du substrat, l'effet du guide d'onde optique 6 est négligeable en mode TM. Donc, la composante de mode TM progresse vers le guide d'onde optique 5. La figure 3C est un graphe représentant l'augmentation ANTE de l'indice de réfraction en mode TE des guides d'onde respectifs 8 et 9 indiqués sur la figure 2B. Dans la section transversale B-B' indiquée sur la figure 2B, l'indice de réfraction du guide d'onde 8 pour le mode TE est supérieur à celui du substrat optique intégré 21, mais celui du guide d'onde 9 est inférieur à celui du substrat optique intégré 21. La figure 3D est un graphe représentant l'augmentation ANTM de l'indice de réfraction en mode TM des guides d'onde respectifs 8 et 9 indiqués sur la figure 2B. D'après la figure 3D, les indices de réfraction des guides d'onde respectifs 8 et 9 en mode TM sont supérieurs à ceux du substrat optique intégré 21 dans la section transversale B-B' indiquée sur la figure 2B. Précisément, la composante de mode TM est couplée à 100 % dans le guide d'onde couplé et sort vers le guide d'onde 9, et la composante de mode TE continue à progresser vers le guide d'onde optique 8 puisque l'augmentation de l'indice de réfraction effectif du guide d'onde optique 9 a une valeur négative en mode TE et que l'indice de réfraction du guide d'onde 9 est inférieur à celui du substrat 21, de sorte que l'effet du guide d'onde optique est négligeable. Lorsque les polarisations de mode TE et de mode TM sont introduites, en inversant les directions d'entrée et de sortie, le séparateur de polarisation représenté sur la figure 2B fonctionne comme un coupleur de polarisation qui couple un mode TE et un mode TM en un guide d'onde optique de sortie 8 sans perte de puissance optique. Lorsqu'une communication optique est effectuée en utilisant une fibre optique monomode, puisque la polarisation n'est pas maintenue dans la fibre optique monomode, un signal optique reçu est souvent traité en étant divisé en modes de polarisation respectifs dans le cas o il est traité dans un dispositif optique qui est fonction de la polarisation. Un tel séparateur de polarisation est utile pour une polarisation d'entrée arbitraire et peut être utilisé comme coupleur de polarisation lorsque le signal optique doit être envoyé sur une fibre optique monomode après traitement du signal en polarisations respectives. Comme indiqué ci-dessus, selon la présente invention, un dispositif de polarisation tel qu'un séparateur et un coupleur de polarisation dans lequel la polarisation est séparée et couplée est proposé, lequel peut être fabriqué par un procédé simple sans exiger de procédé difficile de définition d'un angle de branchement précis comme dans un séparateur conventionnel de type Y. REVENDICATIONS 1. Dispositif de polarisation optique intégré, comportant: un premier guide d'onde capable de laisser passer simultanément deux composantes de mode dont les polarisations sont perpendiculaires entre elles à travers un substrat optique intégré; et un second guide d'onde permettant, à une seule desdites deux composantes de mode de polarisation formées dans ledit substrat optique intégré, de passer, comportant une zone de couplage qui est disposée sur une longueur prédéterminée et espacée du premier guide d'onde d'une distance prédéterminée par rapport au premier guide d'onde, et une zone de non couplage qui est disposée de manière que les premier et second guides d'ondes soient séparés d'une distance supérieure à ladite distance prédéterminée dans des parties différentes de ladite longueur prédéterminée. 2. Dispositif de polarisation optique intégré selon la revendication 1, dans lequel les indices de réfraction desdits premier et second guides d'onde à travers lesquels les composantes de mode de polarisation peuvent passer simultanément sont identiques. 3. Dispositif de polarisation optique intégré selon la revendication 1, dans lequel la longueur de ladite surface de couplage est identique ou égale à un multiple impair de ladite longueur de couplage. 4. Dispositif de polarisation optique intégré selon la revendication 1, dans lequel ledit substrat optique intégré est formé de LiNbO3, d'un polymère optique ou d'une matière semi-conductrice présentant une biréfringence.