Brevet FR2768231A1 — publié le 19990312

Z STRUCTURE INTERFEROMETRIQUE INTEGREE L'invention se rapporte à des systèmes optoélectroniques utilisés pour la transmission optique ou le traitement de données numériques optiques.5 Elle se rapporte plus particulièrement à des structures interférométriques qui permettent de réaliser des convertisseurs de longueur d'onde et des multiplexeurs d'insertion-extraction utilisés dans le domaine des télécommunications. En particulier, les convertisseurs de10 longueur d'onde servent à convertir un signal optique transmis, d'une longueur d'onde à une autre longueur d'onde, tout en conservant ses performances. De tels changements de longueur d'onde sont utilisés en particulier lors du routage des signaux pour résoudre les problèmes de contention. Dans ces dispositifs, les informations sont sous la forme de données binaires représentées par des impulsions modulant une onde porteuse optique. Une valeur binaire est donc déterminée en fonction du niveau d'amplitude (ou de20 puissance) de l'onde optique modulée. Au cours de la transmission, ce signal peut subir des dégradations qui rendent plus difficile, au niveau des récepteurs, la détection des niveaux hauts et bas du signal reçu.25 Dans le domaine de l'amplitude, la qualité d'un signal optique est habituellement définie par au moins deux paramètres: le rapport signal à bruit et le taux d'extinction. Le rapport signal à bruit est défini comme le rapport de la puissance optique du signal à la puissance du bruit dans une bande de longueur d'onde contenant la longueur d'onde de la porteuse du signal. Le taux d'extinction est défini comme le rapport des puissances correspondant respectivement aux niveaux hauts et bas du signal. Ce taux doit-être suffisamment élevé malgré les variations du signal d'entrée. Une structure interférométrique est représentée sur la figure 1 dans le cas du convertisseur de longueur d'onde. Elle est constituée de deux branches guidantes 1 et 2. Au moins une de ces branches est munie d'un amplificateur optique semi-conducteur OA1. Cependant, en général on préfère placer un deuxième amplificateur optique semi- conducteur 0A2 sur l'autre branche 2 pour des raisons de10 symétrie. En effet, la présence du deuxième amplificateur optique semi-conducteur 0A2 permet de conserver sensiblement le même niveau d'amplification dans les deux branches de la structure et par conséquent d'avoir des puissances sensiblement identiques en sortie des branches de15 l'interféromètre. Ces deux amplificateurs optiques OA1, OA2 suffisent à former la structure interférométrique lorsque celle-ci est de type "actif-passif", c'est à dire lorsque les guides qui la composent sont réalisés à partir de deux types de20 matériaux, pour former des guides actifs et des guides passifs. Dans ce cas en effet, les guides situés aux extrémités de la structure interférométrique forment des guides passifs et sont réalisés dans un matériau non absorbant si bien que le signal optique en sortie de la25 structure interférométrique est identique au signal issu des amplificateurs OA1 et OA2. Cependant, la réalisation d'une telle structure intégrée de type "actif-passif" est très compliquée à mettre en oeuvre car elle nécessite plusieurs reprises d'épitaxie successives pour déposer les deux types30 de matériaux. La réalisation de cette structure étant longue et fastidieuse, son coût s'en trouve considérablement augmenté. Pour simplifier la fabrication et diminuer le coût d'une telle structure interférométrique intégrée, on préfère donc réaliser une structure dite "toute active", c'est-à- dire une structure dont les guides sont tous actifs et formés dans un seul matériau. Cependant, dans ce cas le signal optique issu des amplificateurs OA1 et OA2 est fortement absorbé par le matériau utilisé et la puissance optique en sortie de la structure devient beaucoup trop5 faible pour être détectée. Par conséquent, dans une telle structure de type "tout actif", il est nécessaire de placer des amplificateurs optiques périphériques afin d'amplifier la puissance optique absorbée et de récupérer un signal convenable en sortie de la structure. Ces amplificateurs10 périphériques sont référencés OA3, OA4, OA5 et OA6 sur la figure 1. Les éléments constitutifs de la structure interférométrique de type "tout actif" représentée sur la figure 1 sont détaillés ci-dessous.15 Un premier coupleur K1 permet de coupler une extrémité de chacune de ces branches à un amplificateur optique semi- conducteur périphérique, encore dénommé amplificateur d'entrée OA5. Une source laser 7 permet par ailleurs de fournir, à cet amplificateur périphérique OA5, une onde20 porteuse de sortie M de longueur d'onde XS. Un second coupleur K2 est disposé de façon à coupler l'autre extrémité de la première branche 1 à un autre amplificateur optique semi- conducteur périphérique d'entrée OA4. Ce coupleur K2 permet l'introduction, dans le25 premier amplificateur OA1 d'un signal d'entrée E de longueur d'onde Xe ayant été amplifié par l'amplificateur d'entrée OA4. L'amplificateur OA1 sature et l'état de l'interféromètre est changé, ce qui entraîne une modulation de phase de l'onde porteuse de sortie.30 Un troisième coupleur K3 relié au coupleur K2, au deuxième amplificateur OA2, et à un autre amplificateur optique semi-conducteur périphérique OA3, dit de sortie, est disposé de façon à fournir un signal de sortie S résultant du couplage d'ondes auxiliaires AM1 et AM2 fournies35 respectivement par les premier et deuxième amplificateurs OA1 et 0A2. Les ondes AM1 et AM2 correspondent aux ondes M1 et M2 issues du coupleur K1 at amplifiées respectivement par les amplificateurs OA1 et 0A2. Le signal de sortie S, de longueur d'onde Xs, est ensuite amplifié par l'amplificateur périphérique de sortie OA3. 5 Un autre amplificateur périphérique OA6 est par ailleurs prévu pour respecter la symétrie de la structure et pour permettre le remplacement de l'un des amplificateurs OA3 ou OA4 dans le cas d'une éventuelle panne. Des courants Il et I2 sont injectés respectivement dans les amplificateurs OA1 et OA2, au travers d'électrodes El et E2. Le signal de sortie S résulte d'une interférence constructive ou destructrice des ondes AM, et AM2, selon la différence de phase entre les deux branches de l'interféromètre.15 Pour assurer une conversion de longueur d'onde efficace, le seuil de puissance de saturation des amplificateurs OA1 et OA2 situés dans les branches 1 et 2 d'une telle structure interférométrique est fixé relativement bas. Par conséquent, lorsque l'interférence des20 ondes AM1 et AM2 est constructive, c'est à dire lorsque les ondes AM1 et AM2 sont en phase, les puissances optiques des deux amplificateurs OA1 et OA2 s'ajoutent si bien que la puissance optique dans l'amplificateur de sortie OA3 est très élevée.25 Dans ce cas, l'amplificateur de sortie OA3 sature fortement et le taux d'extinction s'en trouve très dégradé. En effet, le gain des niveaux hauts devient inférieur au gain des niveaux bas, si bien que le signal de sortie S subit une compression des niveaux hauts et se trouve par30 conséquent déformé. Cette déformation peut également se produire sur le signal d'entrée E, ou sur l'onde porteuse de sortie M. Or, si le signal d'entrée E est déformé, ou si l'onde porteuse de sortie M est déformée, alors le signal de sortie S est également dégradé et le taux d'extinction de la35 structure interférométrique est amoindri. Il apparaît donc souhaitable que les amplificateurs périphériques puissent fonctionner en régime non saturé. De manière générale, la puissance de saturation d'entrée d'un amplificateur est définie par la puissance optique d'entrée pour laquelle le gain de l'amplificateur est divisé par 2. Les inconvénients précités peuvent apparaître dans toute structure interférométrique "toute active". L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en10 proposant une structure qui, par rapport aux structures connues, rend la puissance de saturation d'entrée des amplificateurs périphériques plus difficile à atteindre par la puissance d'entrée de ces amplificateurs. Pour cela, on peut soit chercher à augmenter la puissance de saturation15 d'entrée desdits amplificateurs soit faire de telle sorte que la puissance d'entrée de ces amplificateurs soit réduite. Elle a plus précisément pour objet une structure interférométrique intégrée pour fournir un signal optique de sortie, dans laquelle une première et une seconde branche,20 comportant au moins un premier amplificateur optique semi- conducteur, sont couplées à des amplificateurs optiques semi-conducteurs périphériques d'entrée et/ou de sortie, caractérisée en ce que ladite structure comporte une section d'atténuation entre la sortie d'au moins un amplificateur25 optique semiconducteur d'une des branches et l'entrée de l'amplificateur périphérique de sortie et/ou la longueur du guide d'onde d'au moins un amplificateur périphérique est inférieure à 300gm. Selon une autre caractéristique de l'invention, la section d'atténuation apporte au moins 50% de pertes optiques. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description donnée, dans le cas particulier du convertisseur de longueur, d'onde à titre d'exemple illustratif mais non limitatif, et faite en référence aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, déjà décrite, un schéma d'une structure interférométrique de type Mach-Zehnder connue à amplificateurs optiques semi-conducteurs périphériques, - la figure 2, un schéma d'un convertisseur de longueur d'onde selon un premier mode de réalisation, les figures 3A à 3C, des courbes de variation, respectivement de la puissance de sortie (Ps), du taux d'extinction (TE) et du rapport signal à bruit (S/B) en fonction du courant (I) injecté et du taux de transmission10 optique dans un amplificateur périphérique, - la figure 4, un schéma d'un convertisseur de longueur d'onde selon un autre mode de réalisation, - les figures 5A à 5C, des courbes de variation, respectivement de la puissance de sortie (Ps), du taux d'extinction (TE) et du rapport signal à bruit (S/B) en fonction du courant (I) injecté et de la longueur du guide d'onde d'un amplificateur périphérique, - la figure 6, un schéma d'une structure de type Michelson à laquelle s'applique l'invention, - la figure 7, un schéma d'une structure de type multiplexeur interférométrique d'insertion-extraction. Dans tout le reste de la description, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. Pour pouvoir effectuer des conversions de longueur d'onde efficaces, les amplificateurs optiques semi- conducteurs OA1 et OA2 situés sur les branches des interféromètres de type Mach-Zehnder ou équivalent doivent présenter un seuil de saturation relativement bas. Au contraire, pour que le taux d'extinction soit optimum en sortie de l'interféromètre et pour éviter que le signal d'entrée E et l'onde porteuse de sortie M ne soient eux aussi déformés, il convient que les amplificateurs périphériques OA3, OA4 et OA5 fonctionnent en régime aussi peu saturé que possible. Pour cela, la structure doit être35 telle que le seuil de saturation d'entrée soit plus difficilement atteint par la puissance d'entrée. Pour obtenir une telle structure, on peut soit réduire la puissance optique injectée dans cet amplificateur ou alors augmenter son seuil de saturation. Pour éviter une dégradation du taux d'extinction en sortie de l'interféromètre, on modifie les conditions de fonctionnement d'au moins un amplificateur périphérique. Ces conditions de fonctionnement sont notamment la puissance optique à l'entrée de l'amplificateur ou encore sa puissance de saturation d'entrée. De préférence, ce sont les10 conditions de fonctionnement de l'amplificateur de sortie qui sont prioritairement modifiées. Les conditions de fonctionnement des autres amplificateurs périphériques OA4 puis OA5 peuvent ensuite être modifiées pour éviter toute déformation du signal d'entrée E de l'onde porteuse de15 sortie M. Un premier mode de réalisation d'un convertisseur de longueur d'onde selon l'invention consiste à permettre une réduction de la puissance optique injectée dans l'amplificateur périphérique de sortie OA3. Ce premier mode20 de réalisation est illustré sur le schéma de la figure 2 qui représente un convertisseur de longueur d'onde comportant une structure interférométrique de type Mach-Zehnder. De manière avantageuse ce convertisseur comporte une section d'atténuation 10, représentée en traits hachurés sur la figure 2, située entre la sortie de l'amplificateur optique OA1 de la première branche 1 et l'entrée de l'amplificateur périphérique de sortie OA3. De manière générale, la position de l'entrée de l'amplificateur de sortie OA3 est définie comme étant située juste derrière le coupleur K3 et non à la limite de l'électrode E3. La section d'atténuation 10 est obtenue en introduisant des pertes optiques dans le bras correspondant 11 de guide d'onde.35 Pour cela, le bras 11 de guide d'onde peut par exemple être interrompu afin de diffracter une partie de la lumière. Dans ce cas, le guide possède par exemple deux sections effilées en regard l'une de l'autre, ce qui permet de diffracter une partie de la puissance lumineuse et d'en réinjecter une autre partie. Ce cas est le plus simple à5 réaliser car seule la forme du masque utilisé pour réaliser la gravure du guide d'onde change. Une autre méthode pour introduire ces pertes consiste par exemple à courber le bras 11 du guide, par rapport à l'extrémité de l'amplificateur OA1, selon une pente plus10 importante. Les pertes peuvent également être introduites seulement au niveau du coupleur K3 en utilisant par exemple un coupleur mal adapté à la structure interférométrique. Bien sûr ces méthodes ne sont que des exemples. En fait toutes les méthodes connues qui permettent d'introduire des pertes optiques dans la section 10 du convertisseur peuvent être utilisées. Dans une variante de réalisation, la section d'atténuation peut en outre être réalisée entre la sortie des deux amplificateurs OA1, OA2 et l'entrée de l'amplificateur de sortie OA3, le long des bras 11 et 12 de guide d'onde. Les courbes des figures 3A à 3C permettent de comparer les résultats obtenus à partir d'un convertisseur de longueur d'onde comportant une section d'atténuation, entre les amplificateurs OA1 et OA2 et l'amplificateur OA3, apportant respectivement: - aucune perte optique (Puissance optique totale dans l'amplificateur OA3 Pt=200%=somme des puissances de sortie des amplificateurs OA1 et OA2; et taux de transmission optique de chaque bras 11 et 12 t= 100%), - 80% de pertes optiques ( Puissance optique totale Pt=120% et taux de transmission de chaque bras 11 et 12 t=60%), et - 120% de pertes optiques (Puissance optique totale Pt=80% et taux de transmission de chaque bras 11 et 12 t=40%). Le but à atteindre est d'obtenir un niveau de puissance de sortie Ps du convertisseur constant sans détériorer le taux d'extinction TE ni le rapport signal à bruit S/B. Ces courbes indiquent que, pour une même puissance de sortie Ps, le taux d'extinction TE augmente avec la diminution de la transmission, c'est à dire avec10 l'augmentation du coefficient d'atténuation dans les bras 11 et 12. Le rapport signal à bruit S/B, quant à lui, reste sensiblement équivalent. Par conséquent il est préférable d'atténuer fortement la puissance optique en sortie des amplificateurs OA1 et/ou OA2 pour maintenir un taux d'extinction optimum en sortie du convertisseur et éviter la déformation du signal. Ainsi, la structure de la section d'atténuation est telle qu'elle permet un apport d'au moins 50% de pertes optiques. De préférence, la section d'atténuation 10 dans les bras 11 et 12, située entre la sortie des l'amplificateurs OA1 et OA2 respectivement et l'entrée de l'amplificateur de sortie OA3, apporte au moins 50% de pertes optiques dans chaque bras 11 et 12 pour permettre de réduire d'un facteur 2 la puissance optique totale dans le coupleur K3, c'est à dire la puissance injectée dans l'amplificateur de sortie OA3. Un deuxième mode de réalisation d'un convertisseur de longueur d'onde selon l'invention consiste à augmenter le seuil de saturation d'au moins un amplificateur30 périphérique. Pour cela, la structure du guide d'onde actif de cet amplificateur périphérique est modifiée. De préférence, c'est la structure du guide de l'amplificateur de sortie OA3 qui est prioritairement modifiée pour maintenir un bon taux d'extinction du signal35 de sortie S, et éviter ainsi toute déformation de ce signal. La structure des autres amplificateurs périphériques d'entrée OA4 puis OA5 peut ensuite être modifiée afin d'éviter toute déformation du signal d'entrée E et de l'onde porteuse de sortie M. Le deuxième mode de réalisation est illustré sur le schéma de la figure 4 qui représente un convertisseur de longueur d'onde comportant une structure interférométrique de type Mach-Zehnder dans lequel la longueur des guides actifs des amplificateurs périphériques de sortie OA3 et d'entrée OA4 et OA5 est inférieure à une valeur limite10 déterminée. La puissance de saturation d'entrée d'un amplificateur optique semiconducteur varie inversement à la longueur du guide actif de cet amplificateur. Par conséquent, pour augmenter la puissance de saturation des amplificateurs15 périphériques, et notamment celle de l'amplificateur de sortie OA3, la longueur de leur guide actif est restreinte. La dégradation du taux d'extinction se produit essentiellement dans l'amplificateur de sortie OA3, après le coupleur K3, mais aussi à la sortie des amplificateurs20 d'entrée OA4 et OA5, avant les coupleurs K2 et K1. Cette dégradation du taux d'extinction augmente avec la longueur du guide d'onde actif de ces amplificateurs car la puissance de saturation associée diminue. De manière générale, on définit la longueur du guide actif d'un amplificateur périphérique comme étant la longueur L2 de la portion de guide située aux extrémités du convertisseur, c'est à dire entre un coupleur K3 ou K1 et la sortie ou l'entrée de la structure interférométrique. La longueur L1 de la première portion du guide actif, de l'amplificateur de sortie OA3, qui est située avant la jonction Y, c'est à dire avant le coupleur K3, est moins importante. En effet, dans cette portion de guide, le signal converti AM1 n'a pas encore interféré avec le signal AM2 fournit par le deuxième amplificateur OA2 de35 l'interféromètre et est encore modulé en phase: la saturation de l'amplificateur de sortie OA3 ne modifie donc pas, dans cette portion de guide, le taux d'extinction du signal. Par conséquent la longueur L1 de la portion de guide précédant le coupleur K3 n'est pas restreinte. En revanche, si la longueur à prendre effectivement en compte, c'est à dire la longueur L2 de la deuxième portion du guide actif située après le coupleur K3, est supérieure à une valeur limite déterminée, alors la puissance de saturation de l'amplificateur de sortie OA3 devient trop faible pour permettre à l'interféromètre de fonctionner à10 une puissance de sortie Ps convenable et avec un rapport signal à bruit S/B et un taux d'extinction TE non dégradés. Cette valeur limite de la longueur L2 du guide de l'amplificateur périphérique est égale à 300gm. Les courbes des figures 5A à 5C permettent de comparer les résultats obtenus à partir d'un amplificateur périphérique, par exemple l'amplificateur de sortie OA3, dans lequel la longueur L2 du ruban de couche active est respectivement égale et inférieure à 300gm. Cependant, dans les deux cas, la longueur globale L de l'amplificateur comparé reste identique. En effet, dans les deux cas, la somme de la longueur L2 de la portion de guide située après le coupleur K3 et de la longueur L1 de la portion de guide située avant ce coupleur est identique et égale, dans l'exemple illustré sur les figures 5A à 5C, à 600Mm. Ces courbes indiquent que, pour une même puissance de sortie Ps et pour un rapport signal à bruit S/B équivalent, on obtient une dégradation du taux d'extinction beaucoup plus faible lorsque la longueur du guide est inférieure à30 300pm. Ainsi, pour une puissance de sortie supérieure à -5 dBm, la dégradation du taux d'extinction TE est supérieure à 1 voire 2 dB lorsque la longueur de l'amplificateur est de 300gm, alors qu'elle reste strictement inférieure à ldB lorsque la longueur de l'amplificateur est égale à 150im. Par conséquent, la longueur du guide d'onde actif d'au moins un amplificateur périphérique est de préférence inférieure à 300gm afin d'augmenter le seuil de saturation de cet amplificateur et de maintenir un taux d'extinction 5 optimum tout en conservant une puissance de sortie Ps convenable. La longueur du guide d'onde actif doit cependant être à la fois suffisamment longue pour permettre une filtration des modes optiques d'ordres élevés et un fonctionnement de10 bonne qualité de l'interféromètre, et suffisamment courte pour éviter les effets de saturation du signal. Par conséquent, cette longueur est de préférence comprise entre 100 et 300gm. Les modes de réalisation qui viennent d'être décrits sont très simples à mettre en oeuvre puisqu'ils ne nécessitent pas d'étape de technologie supplémentaire au cours de la fabrication des composants optiques. Dans la réalisation la plus simple, seule la forme du masque utilisé pour réaliser la gravure des guides d'onde actifs change.20 La figure 6 représente une autre structure de type Michelson équivalente à la précédente à laquelle s'applique l'invention. Selon cette variante, les deux amplificateurs OA1 et OA2 sont couplés par une seule de leurs extrémités, les faces opposées étant munies d'un revêtement25 réfléchissant Ri, R2. Le signal d'entrée modulant E est injecté dans le premier amplificateur OA1 par l'intermédiaire de la face Ri et l'onde porteuse de sortie M est injectée dans les deux amplificateurs OA1 et OA2 par les faces opposées aux faces Ri et R2, par l'intermédiaire d'un30 coupleur K1 permettant de coupler une extrémité de chacune des branches 1 et 2 à un amplificateur optique semi- conducteur périphérique OA5. Un signal de sortie S, de longueur d'onde ks, résultant du couplage d'ondes auxiliaires fournies par les premier et deuxième35 amplificateurs OA1 et OA2, est ensuite amplifié par l'amplificateur périphérique OA5. La figure 7 représente un autre type de structure interférométrique à laquelle s'applique l'invention. Ce type de structure concerne les multiplexeurs interférométriques d'insertion-extraction. La structure représentée sur la5 figure 7 correspond à un dispositif "tout actif" et comprend des amplificateurs périphériques OA7, OA8, OA9, OA10 à ses extrémités. Un signal multiplexé à 4 canaux ABCD par exemple est injecté dans l'amplificateur référencé OA7. Ce signal est séparé en deux dans les branches 1 et 2 de10 l'interféromètre puis recomposé et récupéré à la sortie de l'amplificateur OA9. L'un des canaux du signal, par exemple le canal C, peut être supprimé en envoyant une impulsion de contrôle par l'amplificateur OA9 pour déphaser les impulsions du canal C en question. Le signal récupéré à la15 sortie de l'amplificateur OA9 correspond alors au cas référencé a) sur la figure 7 et ne comprend plus que 3 canaux ABD. De la même façon, on peut ensuite ajouter un autre canal X par l'amplificateur OA8. Dans ce cas, référencé b) sur la figure 7, on récupère à la sortie de20 l'amplificateur OA9 un signal multiplexé comprenant 4 canaux ABXD. Revendications 1. Structure interférométrique intégrée pour fournir un signal optique de sortie (S), dans laquelle une première et une seconde branche, comportant au moins un premier amplificateur optique semi-conducteur (OA1), sont couplées à des amplificateurs optiques semi-conducteurs périphériques d'entrée (OA4, OA5) et/ou de sortie (OA3), caractérisée en ce que ladite structure comporte une section d'atténuation10 (10) entre la sortie d'au moins un amplificateur (OA1) d'une des branches et l'entrée de l'amplificateur périphérique de sortie (OA3) et/ou la longueur (L2) du guide d'onde d'au moins un amplificateur périphérique est inférieure à 300gm. 2. Structure interférométrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section d'atténuation (10) apporte au moins 50% de pertes optiques. 3. Structure interférométrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur (L2) du guide d'onde est de préférence comprise entre 100gm et 300gm. 4. Convertisseur de longueur d'onde, caractérisé en ce qu'il comporte une structure interférométrique intégrée selon l'une des revendications 1 à 3. 5. Multiplexeur d'insertion-extraction, caractérisé en ce qu'il comporte une structure interférométrique intégrée selon l'une des revendications 1 à 3.30