Brevet FR2775796A1 — publié le 19990910

I Etat de la technique L'invention concerne un système de transmission optique de signal suivant un chemin de transmission compor- tant au moins un commutateur de guides d'ondes optiques et un5 dispositif de réglage de niveau optique. Dans les systèmes à fibres optiques, notamment dans les systèmes de transmission d'informations, il faut des matrices de commutation permettant un couplage commuté entre chaque guide d'ondes d'entrée et chaque guide d'ondes de sor-10 tie. Un domaine d'application particulièrement important d'une telle matrice de commutation est celui des connexions croisées optiques (Crossconnect), combinant la matrice de commutation à des amplificateurs optiques pour régénérer les niveaux et/ou des transpondeurs pour convertir des longueurs15 d'ondes et/ou des composants WDM pour la séparation des lon- gueurs d'ondes et leur réunion. Dans de telles connexions croisées complexes, il est indispensable de prévoir un moyen pour réguler le niveau qui se compose d'un dispositif de me- sure de puissance prévu, si possible, au niveau des fibres de20 sortie (par exemple par découplage d'une fraction fixe de la puissance lumineuse passant dans la fibre de sortie vers un photodétecteur) ainsi qu'un ou plusieurs dispositifs de ré- glage de niveau. Ce n'est qu'avec une telle régulation du ni- veau que l'on peut, dans un réseau photonique important,25 garantir la transmission des flux de données par plusieurs chemins de transmission en cascade et des noeuds de réseau, avec la qualité nécessaire par exemple un taux maximum d'erreur, garanti. Le dispositif de régulation de niveau doit pou- voir se commander avec des grandeurs électriques (une tension ou un courant) et avoir une vitesse de mise en oeuvre corres- pondant au moins à la vitesse de commutation de la matrice de commutation. Son amortissement d'insertion minimum doit être faible; la plage de régulation doit être suffisante pour compenser la sortie des niveaux d'entrée différents et des amortissements d'insertion différents des composants situés dans chaque chemin de commutation respectif et il faut de fa- çon caractéristique 10 à 20 dB Dans la suite, on se reportera tout d'abord à l'état de la technique correspondant à des commutateurs opti- ques, puis à des dispositifs de régulation de niveau optique. Dans des systèmes à fibres optiques en particu- lier des systèmes de transmission d'informations, il faut des commutateurs permettant de commuter le chemin de la lumière dans les guides d'ondes/fibres de verre. Un tel commutateur comporte de manière caractéristique un ou plusieurs guides d'ondes d'entrée et un ou plusieurs guides d'ondes de sortie reliés par une matrice de commutation. La matrice de commuta- tion assure le couplage entre un guide d'ondes d'entrée et un guide d'ondes de sortie respectif. On se reportera notamment au document (Proceedings ECIO'97, Stockholm, pages 10/JWA4-1 à JWA-6/15, Mats Gustavsson: " Network Requirements on Opti- cal Switching Devices "). En général, on souhaite alors que la lumière pro- venant du guide d'ondes d'entrée soit couplée au maximum dans le guide d'ondes de sortie choisi (transmission éle- vée = amortissement d'insertion faible) et que tous les au- tres guides d'ondes de sortie conduisent également de très faibles fractions de la lumière de ce guide d'ondes d'entrée (faible diaphonie = amortissement de diaphonie élevé). Cela doit être réalisable dans une plage étendue de longueur d'ondes optiques qui sont de manière caractéristique de 1,2 à 1,6 pm pour les applications de télécommunication typiques. Les différences usuelles concernant une matrice de commuta- tion optique intégrée à des-réseaux de télécommunication sont des amortissements d'insertion de tissements de diaphonie > 30 à 60 db. On connaît des commutateurs optiques réalisés dans toute une série de techniques et mettant en oeuvre de multiples principes de commutation. Des commutateurs de type relais déplacent une fi- bre d'un réseau par rapport aux fibres du réseau opposé si bien qu'il est important d'aligner précisément chaque cou- plage, entre deux fibres. L'amortissement d'insertion et de diaphonie sont dominants, mais la commutation est relative- ment longue et les moyens à mettre en oeuvre sont importants. La même remarque s'applique à des commutateurs qui étendent la lumière de chaque fibre de verre par une optique de colli- mation puis réalise avec des fibres coulissantes, des prismes et/ou des lentilles mobiles, un couplage optique variable en- tre les différentes fibres. Pour des commutateurs optiques intégrés, qui n'utilisent que des guides de lumière, on connaît plusieurs principes de commutation. Si la lumière d'une fibre d'entrée est répartie avec un guide de puissance passif entre plusieurs chemins, dans chaque chemin, on a un amplificateur optique commuté qui dans le cas o il est hors service, présente un amortissement important lorsqu'il est coupé; dans le cas contraire, il compense les pertes par une répartition (active) de la lu- mière. De tels amplificateurs peuvent être réalisés avec des diviseurs de puissance passifs en technique des semi- conducteurs (amplificateur laser semi-conducteur SLA . Le procédé d'amplification sur la base de l'émission induite est toutefois à bande étroite et limite de cette manière à une plage de longueur d'ondes très étroite. De plus, il y a le bruit supplémentaire de l'amplificateur optique engendré par les puissances d'entrée importantes, les distorsions, si bien que les guides d'ondes caractéristiques en technique des se- mi-conducteurs ont des caractéristiques qui dépendent de la polarisation et la réalisation pour la plage de longueur d'ondes intéressante (entre 1,2 et 1,6 gm) doit se faire avec des semi-conducteurs InP très coûteux. Contrairement à cela, des commutateurs de guides d'ondes optiques, intégrés, purement passifs, fonctionnent par modification de la répartition de l'indice de réfraction au niveau du point de couplage de deux guides d'ondes. Pour cela, on a, soit des structures interférométriques par exem- ple un interféromètre Mach-Zehnder (MZI) avec une ou deux sorties pour lequel par variation de l'indice de réfraction (temps de parcours, phase) dans l'un ou dans les deux bras, on modifie le couplage entre les entrées et les sorties (commutateur 2x2 avec un état " bar " ou un état " croisé ") ou une dérivation en X- ou en Y-, avec un angle d'ouverture suffisamment faible pour qu'une augmentation de l'indice de réfraction d'un côté et/ou un abaissement de l'autre côté suffisent pour guider la lumière de manière précise sur l'une des deux sorties. Ce dernier type présente l'avantage que la fonction de commutation soit assurée dans une plage étendue de variations d'indice de réfraction (commutateur optique nu- mérique, DOS) alors que pour le commutateur MZI, il faut que l'indice de réfraction soit modifié de manière très précise. Comme mécanisme pour modifier l'indice de réfrac- tion, on peut envisager une variation de température (Proc. 21st Eur. Conf. On Comm. (ECOC'95)- Brussels, Th.L.3.5, pages 1063 à 1066, R. Moosburger: " A novel polymer digital opti- cal switch with high temperature stability "). Pour cela, il faut que la matière du guide d'ondes présente un coefficient thermo-optique (TO) élevé; de manière caractéristique, il y a des matières organiques (polymère entre autres matières plastiques). La durée de com- mutation est de l'ordre de 1 ms et le comportement aux commu- tations est indépendant de la polarisation de la lumière. Au lieu de cela, on peut également utiliser l'effet électro- optique (EO) de ces matières qui produit une modification de l'indice de réfraction sous l'influence d'un fort champ élec- trique continu (Appl. Phys. Lett. 51 (16), 19 Octobre 1987, pages 1230 à 1232, Y. Silberberg: " Digital optical switch "); dans ce cas, le temps de commutation est très court (échelle de temps ps) mais l'effet agit différemment selon la polarisation de la lumière. Comme matière à effet optoélectronique important, il y a par exemple LiNbO3; de plus, ces matières sont coûteuses. Un autre principe de commutation est réalisé par les commutateurs optiques numériques thermo-optiques (TO- DOS). Pour cela, on utilise selon la vue en coupe de la fi- gure 3, dans des couches de polymères 3,5 appliquées par exemple sur un substrat de silicium 2, des guides d'ondes 6. Un mode de réalisation des guides d'ondes en forme de bandes est celui d'un système à trois couches; on peut également envisager d'autres configurations optiques. Au-dessus des guides d'ondes 6, c'est-à-dire en regard du substrat Si, 2 servant de puits à chaleur, on réalise des conducteurs chauf- fants 7 à proximité des guides d'ondes 6. Lors du passage du courant, la puissance dégagée par effet Joule augmente la température au niveau du guide d'ondes 6 et abaisse ainsi l'indice de réfraction de la matière. Les ordres de grandeurs caractéristiques de la différence de l'indice de réfraction du substrat au niveau du noyau du guide d'ondes sont de -3 x 10 alors pour les coefficients thermo-optiques ces va- -4 -1 riations se situent de manière caractéristique à 10 K. Dans ces conditions, il suffit d'une augmentation de la tem- pérature de 50 K dans le coeur du guide d'ondes pour couper le passage de la lumière. Pour la commutation dans une déri- vation qui s'ouvre progressivement en forme de Y, il suffit de différences de températures plus faibles entre les deux sorties des guides d'ondes; ces différences de températures sont de l'ordre de grandeur de 20 K. Le couplage de la lu- mière vers l'une des deux sorties est d'autant plus complet que l'angle d'ouverture de la dérivation Y est faible; mais cela augmente la longueur du commutateur à guides d'ondes. Comme les matières plastiques utilisées pour avoir des coef- ficients thermo-optiques élevés présentent une absorption op- tique même faible, augmenter la longueur se traduit également par un amortissement plus important. De plus, la dérivation Y elle-même conduit à un amortissement supplémentaire par rap- port à un guide d'ondes simplement droit ou cintré car la ré- partition du guide d'ondes d'entrée en plusieurs sorties au niveau du noeud de la forme en Y ne peut se réaliser de ma- nière parfaite. L'amortissement de diaphonie que l'on peut obtenir en pratique avec un tel dispositif TO-DOS se situe dans le domaine de 20 à 25 dB et en général cet amortissement n'est pas suffisant. C'est pourquoi, dans un étage de commu- tation, on met généralement en cascade deux commutateurs DOS pour augmenter l'amortissement de diaphonie à un niveau >40 dB; ce procédé augmente néanmoins de manière significa- tive l'amortissement d'insertion. A côté du commutateur lx2-Y-TO-DOS, on connaît également des commutateurs lx3 fonctionnant selon le même principe. A partir de tels éléments de base par la mise en cascade, on peut construire de grandes matrices de commuta- tion, par exemple des matrices 4x4, 8x8 ou lx16. Dans une demande de brevet parallèle, intitulée " Commutateur de guides d'ondes optiques " (inventeur: Win- fried Bernhard et Wolf-Henning Rech) il a été proposé dans un commutateur de guides d'ondes à la dérivation en Y, pour in- fluencer localement l'indice de réfraction, de prévoir dans les bras de sortie de la dérivation en Y en plus un modula- teur influençant l'indice de réfraction et ce dernier se com-10 mande de façon que l'amortissement de passage, augmenté dans un bras de sortie par l'une des installations, soit complété par une augmentation de l'amortissement par le modulateur. Les commutateurs optiques intégrés sont des com- mutateurs thermo-optiques le mieux adaptés aux exigences des systèmes pour des connexions croisées optiques (Crosscon- nect). Des dispositifs de réglage optique de niveau sont en général réalisés sous la forme de substrat en verre sur lesquels sont déposées à la vapeur des couches de réflexion métalliques; le degré de réflexion est modifié par variation de l'épaisseur de la couche suivant les coordonnées longitu- dinales ou périphériques du substrat rectangulaire ou circu- laire. Ce " coin " de niveaux de gris " est alors inséré dans le chemin optique. En déplaçant ou en tournant on peut modi- fier le degré de réflexion et ainsi la transmission rési- duelle. Par un entraînement électrique avec un capteur de course complémentaire, on réalise une commande électrique dé- terminée. Pour avoir un amortissement de base, faible, il faut que le diamètre du faisceau optique au niveau de la pla- que de vaporisation, insérée, soit étendu considérablement par rapport aux fibres de verre. Pour cela, il faut intégrer des lentilles ou des milieux à effet de lentilles en plus de la transformation du faisceau. Toutes ces pièces doivent être ajustées de manière précise les unes par rapport aux autres. De tels dispositifs de réglage de niveau s'appliquent comme des organes d'amortissement calibrés de manière précise, no- tamment dans la métrologie des guides d'ondes de lumière; toutefois de tels moyens sont trop coûteux pour être appli- qués à un dispositif de connexions croisées optiques. Un autre mode de réalisation d'un dispositif de réglage optique de niveau se compose d'un interféromètre Mach-Zehnder, optique, intégré qui en cas de désaccord décou- ple une partie de la puissance lumineuse dans le substrat du guide d'ondes. Fondamentalement, on pourrait également utiliser une dérivation en Y, symétrique ou asymétrique, accordée par voie thermo-optique, et qui constitue un commutateur op-10 tique numérique comme élément d'amortissement variable si on fait fonctionner ce dispositif dans la plage " analogique ", au milieu entre les deux états d'extrémité de la caractéris- tique de commutation. Toutefois, cette caractéristique est très pentue et en partie elle est entachée d'hystérésis de sorte que son application à un dispositif de réglage de ni- veau reste limitée. Enfin, on peut découpler la lumière également sans structure de guides d'ondes supplémentaire, directement dans le substrat si l'on augmente le gradient de l'indice de réfraction pour permettre de régler un indice de réfraction du substrat au niveau du champ optique, à proximité immédiate du noyau du guide d'ondes, indice qui est supérieur à l'indice de réfraction du noyau et permet ainsi de diriger une partie du faisceau de lumière dans le substrat par un ef- fet de " tunnel ". Un tel modulateur de coupure a été décrit dans le document " A. Neyer, W. Sohler, Appl. Phys. Lett. 35, 256-258 (1979) " toutefois-avec un accord électro-optique à la place d'un accord thermo-optique. Avantages de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des solutions connues et concerne à cet effet un système de transmission de signal optique du type défini ci- dessus, caractérisé en ce que * à la fois le commutateur de guides d'ondes et le dispositif de réglage de niveau sont commandés par voie thermo-optique et sont réalisés sur un substrat commun comme circuit ther- mo-optique intégré; * le commutateur de guides d'ondes (11-15) est un inverseur. * le dispositif de réglage de niveau est suivi par un commu- tateur de guides d'ondes qui possède plusieurs entrées mais seulement une sortie; * le dispositif de réglage de niveau est suivi d'un commuta- teur de guides d'ondes en forme de dispositif de dérivation thermo-optique qui comporte une entrée et plusieurs sor- ties; * son chemin de transmission présente en entrée la propriété de modifier le niveau optique en cours de fonctionnement et que la plage de réglage du dispositif de réglage de niveau est adaptée à la plage de variations de ce niveau; Le coeur de l'invention réside dans la combinai- son d'une matrice de commutation de guides d'ondes à commande thermo-optique avec un dispositif de réglage de niveau à com- mande thermo-optique dans un circuit optique intégré commun. L'avantage particulier de l'invention résulte du fait que dans le champ d'application important des matrices de connexions croisées optiques (Crossconnect) et des dispo- sitifs de réglage de niveau, ces deux moyens sont combinés et en ce que les deux composants peuvent être réalisés en tech- nique compatible si pour les deux composants on applique le principe de commande par voie thermo-optique particulièrement avantageux dans chaque cas. La réalisation d'un circuit optique intégré com- mun pour une matrice de commutation (ou une matrice de commu- tation partielle) et un ou plusieurs dispositifs de réglage de niveau n'entraîne pas de coût de fabrication supplémen- taire car les étapes du procédé et leur nombre ainsi que leur succession sont identiques. L'intégration nécessite unique- ment un jeu de masques de lithographie pour la fabrication des guides d'ondes et des conducteurs chauffants qui repré- sentent tous deux des composants montés en série sur un subs- trat commun. L'intégration offre non seulement les avantages connus d'une réduction des dimensions qui peut être signifi- cative pour des matrices de commutations importantes avec de nombreuses entrées et sorties et de faibles coûts de fabrica- tion car toutes les étapes de procédé pour la fabrication ne sont exécutées qu'une seule fois; il n'y a à réaliser qu'une seule fois le couplage extrêmement précis et compliqué des fibres de verre sur le circuit optique intégré et il ne faut qu'un boîtier commun avec les contacts électriques appro- priés. De plus, l'intégration offre l'avantage supplémentaire que l'ensemble de l'amortissement d'insertion du circuit en chaîne formé de la matrice de commutation et du dispositif de réglage de niveau est plus faible dans une construction inté- grée que dans une construction par ailleurs identique avec deux ensembles séparés, reliés par des fibres de verre selon l'état de la technique; en effet, chaque point de couplage entre les fibres de verre et le circuit optique intégré pro- duit d'inévitables pertes de passage. Enfin, la fiabilité de l'ensemble du commutateur croisé (Crossconnect) est plus éle- vée si le montage se compose de moins de composants et de moins de points de jonction. Dessins Des exemples de réalisation de l'invention sont représentés dans les dessins et seront décrits ci-après de manière plus détaillée. Ainsi: - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un composant pour des fonctions thermo-optiques intégrées, générales, - la figure 2 montre un premier exemple de réalisation de l'invention, - la figure 3 montre un second exemple de réalisation de l'invention. Dans les différentes figures, on utilisera les mêmes références pour désigner les éléments identiques ou analogues. Selon la figure 3, on a schématiquement un exem- ple d'un composant 1 pour des fonctions thermo-optiques inté- grées, générales, selon une vue en coupe. Un substrat 2 par exemple en silicium ou en verre porte plusieurs couches d'une matière optique transparente dont au moins l'une a un coeffi- cient thermo-optique élevé (cela signifie que son indice de réfraction dépend fortement de la température). Des matières présentant des coefficients thermo-optiques élevés sont en général des matières organiques, par exemple des polymères. On connaît des polymères à transparence optique élevée et fort coefficient thermo-optique. L'une des couches a une structure latérale si bien que par une construction appro-5 priée (géométrie et indice de réfraction) on obtient un ou plusieurs guides d'ondes optiques. Le type de guides d'ondes utilisé importe peu pour l'invention; le dessin montre un système à trois couches comprenant les couches 3-5; la cou- che intermédiaire 4 a un indice de réfraction élevé et permet ainsi de réaliser le guide d'ondes ondulé 6. A proximité de ce guide d'ondes 6, il y a en outre un conducteur chauffant 7 qui, en cas de passage de courant, dégage de la chaleur et permet ainsi de générer un gradient de température et un gra- dient d'indice de réfraction, élevés. Si on fait passer du courant à travers l'un ou l'autre conducteur chauffant, on modifie le profil de l'indice de réfraction dans l'environnement d'un ou plusieurs guides d'ondes ce qui per- met d'influencer la répartition du champ optique et l'indice de réfraction effectif pour la lumière passant dans le guide d'ondes. Description de l'exemple de réalisation La figure 2 montre schématiquement un exemple de réalisation de l'invention selon une vue de dessus. La ma- trice de commutation 10, représentée de façon esquissée, se- lon cet exemple se compose d'un commutateur de guides d'ondes simple de type 2xl fonctionnant selon le principe du commuta- teur optique numérique et permet sélectivement de commuter la lumière de l'un des guides d'ondes d'entrée 11, 12 dans un guide d'ondes intermédiaire 13. Pour cela, les conducteurs chauffants 14 et 15 sont mis en oeuvre alternativement; dans le cas d'une matière à coefficient thermo-optique négatif pour le chemin de lumière 11-13 on fait passer du courant dans le guide d'ondes chauffant 15 et pour le chemin optique 1213 on fait passer le courant dans le conducteur chauffant 14. Sur le même substrat on branche directement un interféro- mètre Mach-Zehnder, 16, à corps thermo-optique qui assure le rôle de dispositif de réglage de niveau. Un diviseur d'entrée 17 répartit la lumière du guide d'ondes intermédiaire 13 en- Il tre deux guides d'ondes 18, 19 qui ont entre eux la même lon- gueur optique de sorte que dans un dispositif de combinaison de sortie 20, la lumière est de nouveau réunie en phase pour être appliquée au guide d'ondes de sortie 21. Si on alimente maintenant le conducteur chauffant 22 en courant, il modifie l'indice de réfraction au niveau du guide d'ondes 19 et ainsi sa longueur optique alors que le guide d'ondes 18 n'est pas influencé. Cela désaccorde interféromètre et (suivant le de- gré de désaccord), une partie variable de la lumière du dis- positif de combinaison de sortie passe dans les couches 3-5 si bien que la partie de la lumière conduite dans le guide d'ondes de sortie 21 est diminuée d'autant ce qui correspond à une modification du niveau de la lumière de sortie. Un autre mode de réalisation du dispositif de ré- glage de niveau est représenté à la figure 2. Le guide d'ondes intermédiaire 13 débouche par un unique guide d'ondes 23 dans le guide d'ondes de sortie 21 mais les guides d'ondes 13, 23 et 21 n'ont pas nécessairement des sections de dimen- sion différente. Le guide d'ondes 23 est caractérisé par le voisinage du conducteur chauffant 24 qui modifie fortement le profil de l'indice de réfraction pour une élévation impor- tante de la température pour qu'une partie de la lumière ain- si guidée soit découplée directement dans les couches 3-5 (modulateur de coupure). La partie de la lumière découplée peut être modifiée en continu par le courant dans le conduc- teur chauffant. Il est clair que le même procédé permet également de combiner des matrices de commutation optiques plus impor- tantes qu'une matrice de type 2xl avec un ou plusieurs orga- nes de réglage de niveau optique. Dans la matrice de commutation NxM, générale, on peut avoir de façon intéres- sante à la fois jusqu'à N dispositifs de réglage de niveau à l'entrée et jusqu'à M dispositifs de réglage de niveau à la sortie. Enfin, les exemples de réalisation des figures 2 et 3 peuvent également fonctionner avec un sens de passage inversé des signaux si les commutateurs à guides d'ondes il- sont réalisés sous la forme d'une dérivation Y, commandée, éventuellement intégrée à un substrat notamment le même subs- trat en aval, et un modulateur qui influence l'indice de ré- fraction de manière thermo-optique et est commandé pour que 1 l'amortissement de passage, augmenté dans l'un des bras de5 sortie 11, 12 soit complété par un amortisseur de modulateur, plus important. Selon la documentation (Appl. Phys. Lett. 35, pa- ges 256 à 258 (1979), A; Neyer, W; Schler), on connaît un circuit à modulateur électro- optique; celui-ci réalise une10 fonction de commutation marche/arrêt par variation de l'indice de réfraction (EO) dans un guide d'ondes fabriqué en LiNbO3. Le profil de l'indice de réfraction du guide de lu- mière est dans ces conditions modifié d'une manière telle que la lumière qu'il conduit est découplée en partie vers le15 substrat environnant. Ce modulateur de coupure permet de sup- primer de façon très importante en cas de défaillance, si la longueur de la zone dont l'indice de réfraction a été modifié est grand. R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Système de transmission optique de signal suivant un che- min de transmission comportant au moins un commutateur de guides d'ondes optiques et un dispositif de réglage de niveau optique, caractérisé en ce que à la fois le commutateur de guides d'ondes (11-15) et le dis- positif de réglage de niveau (16-24) sont commandés par voie thermooptique et sont réalisés sur un substrat commun comme circuit thermo-optique intégré. 2 ) Système de transmission de signal selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le commutateur de guides d'ondes (11-15) est un inverseur. 3 ) Système de transmission de signal selon les revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif de réglage de niveau (16-24) est suivi par un commutateur de guides d'ondes (11-15) qui possède plusieurs entrées (11, 12) mais seulement une sortie (13). 4 ) Système de transmission de signal selon l'une des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de réglage de niveau (16-24) est suivi d'un commutateur de guides d'ondes (11-15) en forme de dispositif de dérivation thermo-optique qui comporte une entrée (13) et plusieurs sorties (11, 12). ) Système de transmission de signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que son chemin de transmission présente en entrée la propriété de modifier le niveau optique en cours de fonctionnement et que la plage de réglage du dispositif de réglage de niveau (16- 24) est adaptée à la plage de variations de ce niveau. _