Brevet FR2830627A1 — publié le 20030411

PUCE OPTIQUE A GUIDE INTEGRE SEGMENTE D'ADAPTATION DE MODE DESCRIPTION Domaine technique L'invention est relative à une puce optique intégrée comportant un composant optique et des moyens de connexion de ce composant à une fibre optique constitué par un guide d'onde intégré segmenté. Art antérieur Il est connu de réaliser des puces optiques comportant par exemple des modulateurs électro-optiques de phase, par exemple avec une partie guide d'onde réalisée par échange protonique sur niobate de lithium, présentant un taux de substitution Li+/H+ suffisant pour créer une différence importante entre l'indice optique du substrat et l'indice optique du guide. Au plus les dimensions du guide sont petites, au plus la tension à appliquer à des électrodes du modulateur peut être diminuée pour une même profondeur de modulation. Des modes de réalisation de telles puces sont décrits par exemple dans le brevet US 5,442, 719, Chang et al. qui lui-même fait référence au brevet US 5,193, 136. La méthode décrite dans ce brevet consiste à soumettre la plaquette cristal (Wafer) de niobate de lithium à un bain d'acide benzoïque fondu pendant une durée comprise entre 0,5 et 20 heures à une température comprise entre 150 et 300 C. La durée de trempé est fonction de la température et permet de choisir la profondeur de pénétration ( entrent dans le cristal en substituant des ions Li. Le taux d'échange est élevé, ( > 50 %). Les protons sont ensuite redistribuées par un processus de recuit en portant le cristal à une température de 300 à 4000C pendant une durée de quelques heures. Les protons pénètrent alors de plusieurs microns et le taux de substitution maximale est réduit à 10 %. Dans le volume ayant subit un taux de substitution de 50 %, les propriétés électro-optiques et non linéaires du cristal sont détruites mais le guide présente de faibles pertes pour la composante extraordinaire de la polarisation. L'utilisation des techniques décrites dans ces documents permet un accroissement d'indice An entre le substrat et le guide intégré environ deux fois supérieur aux accroissements d'indice obtenu avec d'autres techniques plus classiques de fabrication des guides d'onde intégrés. (Diffusion Titane, échange protonique plus recuit). Le fait d'avoir une différence d'indice An élevée entre le substrat et le guide intégré permet de mieux confiner le mode optique et de réduire la tension de commande du modulateur. Une méthode de réalisation d'une connexion entre une puce et une fibre optique est décrite par exemple dans le brevet US 6,393, 371, Chang et al. Le brevet US 5,577, 141 Adar et al explique que le couplage entre une fibre optique et un guide intégré donne lieu à des pertes. Ces pertes sont dues d'une part à la différence de taille entre la fibre et le guide et d'autre part à la différence d'indice entre le substrat et le corps du guide qui est plus grande dans le cas du guide que dans le cas de la fibre. (col 1, lignes 44-60) Il est expliqué ensuite dans ce brevet qu'une technique connue de réduction de la taille du mode optique, permettant de passer du mode présent dans la fibre au mode du guide est décrite dans un article de Weissman et al "réduction bi-dimensionnelle de mode au moyen de la segmentation d'un guide d'onde" Electronics Letters 28 : 1514-1516, (1992). Le guide segmenté proposé par Weissman et al tel que décrit dans le brevet Adar et al a une période fixe et l'intervalle entre deux parties guidantes consécutives de guide va croissant. La période étant fixe, il en résulte que la longueur de la partie guidante des périodes successives du guide va en diminuant. (col 2, lignes 4-25). Adar et al. expliquent (col 5, lignes 16-18) que avec l'accroissement de la longueur des intervalles, entraînant un accroissement de la taille du mode, une partie du mode se perd dans le substrat entraînant un accroissement des pertes. Afin de remédier à cet inconvénient, Adar et al. proposent l'utilisation d'un guide segmenté ayant une longueur d'intervalle fixe et une période variable. Dans ce mode de réalisation c'est la longueur des parties guidantes successives qui va en diminuant. Ils proposent également une seconde technique dîtes de"l'intervalle latéral". Selon cette technique, des intervalles latéraux contenant du matériau formant les intervalles sont prévus pour accroître la taille du mode, (col 2, lignes 56-58). A la lecture du passage situé colonne 7, lignes 40 à 67 on peut comprendre que le guide intégré est un guide continu dont les bords longitudinaux ne sont pas des ligne droites mais des lignes crénelées. Les créneaux alternés de matériau substrat et de matériau formant le guide ont une dimension d dans le sens de la largeur du guide qui va croissant, et des longueurs s et t respectivement qui vont croissant également. Avant d'aller plus loin, il convient de rappeler quelques définitions relatives aux guides segmentés. La période du guide segmenté est la somme des longueurs consécutives, dans la direction de propagation de la lumière, d'une section guidante et d'un intervalle. La section guidante a un indice optique plus élevé que celui de l'intervalle. Le rapport cyclique d'une période est le rapport entre la longueur de la partie guidante et la longueur de la période. Les documents de l'art antérieur cités cidessus s'intéressent à la variation de taille du mode circulant dans un guide segmenté en fonction de la variation du rapport cyclique. Ainsi l'article de Weissman et al. cité dans le brevet US 5,577, 141 décrit un guide segmenté ayant des périodes fixes et des intervalles croissants en sorte que le rapport cyclique va en diminuant, le brevet US 5,577, 141 propose un guide dans lequel l'intervalle a une longueur constante alors que la section guidante va en diminuant. On a donc aussi une diminution de la période et du rapport cyclique. Il convient de remarquer ici qu'une diminution du rapport cyclique dans une direction est équivalente à une augmentation dans la direction opposée. Dans une conférence intitulée"Etude d'optimisation d'un réducteur tri-dimensionnel à guide d'onde segmenté", publié dans le document de référence 4) dont les références sont données en annexe ayant pour auteur P. Ashieri, V. Rastogi, P. Baldi, M. P. De Micheli et D. B. Ostrowsky, les auteurs ont montré qu'il est possible de faire varier le Rapport cyclique sans engendrer de pertes importantes pour des valeurs bien déterminées de la largeur, de la profondeur et de la période. Ils ont montré également qu'il est possible de modifier la largeur des segments guidant en ajustant la période pour conserver de faibles pertes. La largeur du guide est la dimension dans une direction perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière d'une section guidante. On note que la largeur d'un intervalle entre sections guidantes n'a pas grand sens puisque cet intervalle est constitué le plus souvent par le substrat lui-même. Brève description de l'invention L'intérêt des techniques de réalisation des puces accroissant la différence d'indice An entre l'indice optique du substrat et l'indice optique du guide se voit réduit par les pertes d'insertion et de propagation. Les pertes d'insertion viennent en partie du fait que les éléments que l'on connecte ensembles, une fibre de télécommunication standard et un guide à forte différence d'indice An (par exemple 0,02) par rapport au substrat, ont des tailles de mode différentes. Les pertes d'insertion sont d'autant plus élevées que la différence d'indice An est importante. La connectique est l'un des points délicats des télécommunications optiques. Les dimensions des dispositifs à associer sont très petites, de l'ordre de quelques microns et les caractères opto-géométriques varient d'un élément à l'autre si bien que d'une part la connexion est une opération complexe et coûteuse, d'autre part elle s'accompagne de pertes de couplage qui limitent les performances des dispositifs optiques. Afin de réduire les pertes d'insertion et de rendre attractif l'emploi de guides, de modulateurs, ou d'autres composants intégrés, il est proposé selon la présente invention d'utiliser un"entonnoir"optique entre la fibre et le composant intégré. Selon l'invention"l'entonnoir"optique est constitué comme dans l'art antérieur le plus proche décrit par exemple dans le brevet US 5,577, 141 par un guide segmenté comportant une succession de segments guidants séparés entre eux par des intervalles sans guide. Les segments guidants ont un indice optique élevé par rapport à l'indice optique d'un substrat homogène. L'avantage connu de cette technique est qu'elle ne demande aucune étape supplémentaire de fabrication puisque seule la fabrication du masque doit être adaptée. Un autre but de l'invention est de réaliser une adaptation de mode entre une fibre et un composant monté sur une puce au moyen d'un guide segmenté intégré ayant un petit nombre de périodes. A toutes ces fins l'invention est relative à une puce optique portant au moins un composant et une connexion à une fibre optique, une liaison optique entre une extrémité de la fibre et une entrée optique du composant étant constituée par un guide segmenté intégré à la puce, ledit guide comportant le long d'une direction de propagation de la lumière, des segments guidants alternés avec des intervalles, un segment guidant et un intervalle consécutif formant ensemble une période du guide segmenté, le rapport cyclique des périodes successives du guide entre la fibre et le composant allant en augmentant caractérisée en ce que, pour des périodes successives au moins l'une des dimensions, les périodes, ou les largueurs de segments guidants sont inégales entre elles respectivement. La variation totale du rapport cyclique du guide entre la fibre et le composant est le paramètre pertinent pour la réduction de la taille des modes. Il a été vu que selon l'art antérieur, cette variation totale du rapport cyclique est obtenue en gardant constantes les périodes successives du guide. La longueur de l'une des deux composantes, la longueur du segment guidant ou la longueur de l'intervalle, formant ensemble la période, est constante. Weissman fait varier le rapport cyclique en gardant constante la période. Adar et al., font au contraire varier la longueur du segment guidant en gardant constante la longueur de l'intervalle. Dans le mode de réalisation de l'invention la variation du rapport cyclique est déterminée comme dans l'art antérieur par la variation de la taille du mode entre la fibre et le composant, mais de plus on cherche à minimiser les pertes de propagation dans le guide segmenté en faisant varier la période de segmentation, la largeur des segments guidants ou les deux en sorte que pour au moins une partie du guide les périodes successives, ou les largeurs successives des segments guidants ou à la fois les périodes et les largeurs des segments guidants sont inégales entre elles respectivement. Dans un mode de réalisation la largeur d'un segment guidant est proportionnelle au carré de la période à laquelle appartient ce segment guidant. Brève description des dessins Un exemple de réalisation de l'invention sera maintenant décrit en regard des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une puce portant un composant optique et de guides d'onde segmentés connectés à une entrée et une sortie respectivement du composant. - les figures 2 et 3 sont respectivement une vue de dessus et une vue selon une coupe longitudinale d'une partie de l'un des guides segmentés de la figure 1. Description d'un mode de réalisation La figure 1 représente une vue schématique d'une vue de dessus d'une puce 10 laissant apparaître un composant optique 1 par exemple un modulateur électro-optique sous forme d'un interféromètre de MachZendher ayant un fort différentiel d'indice entre le substrat 9 et la partie 1 formant l'interféromètre. Seule la partie 1 optique du modulateur a été représentée. un tel modulateur 1 et un procédé pour l'obtenir est en lui-même connu et décrit par exemple dans le brevet US 5,193, 136. Naturellement l'invention est applicable également mais avec un intérêt moindre, à des puces réalisées sans utiliser la méthode d'échange protonique utilisée dans ce brevet, car dans ce cas la différence d'indice entre le substrat et un segment guidant est moins forte. La puce 10 est connectée à une extrémité 12 d'une fibre optique d'entrée 11 et à une extrémité 12' d'une fibre optique de sortie 11'. La fibre optique d'entrée 11 est couplée à une entrée 2 du composant optique 1 par l'intermédiaire d'un moyen de couplage 4 formé par un guide d'onde segmenté selon l'invention. Le guide d'onde segmenté 4 est formé en deux parties connectées en série, une première partie 6 située du côté de la fibre 11 est formée par un guide d'onde segmenté 6 à segmentation constante. On veut dire que la partie 6 du moyen de couplage 4 est un guide d'onde segmenté de période et de rapport cyclique constants sur toute la longueur de la partie 6. Il en résulte que des segments guidants 7, et des intervalles 8 de chacune des périodes sont constants de même que leurs profondeur et largeur. Une seconde partie 5 du guide d'onde segmenté 4 a des périodes de longueurs ou largeurs inégales entre elles respectivement. De façon symétrique, la fibre optique de sortie 11'est couplée à une sortie 3 du composant optique 1 par l'intermédiaire d'un moyen de couplage 4'formé par un guide d'onde segmenté selon l'invention. Le guide d'onde segmenté 4'est formé en deux parties connectées en série, une première partie 6'située du côté de la fibre 11'est formée par un guide d'onde segmenté 6'à segmentation constante connecté en série avec un guide d'onde 5'dont les périodes et les largeurs de segments guidants sont inégales entre elles respectivement. Les entrées et sorties étant symétriques l'une de l'autre, la partie relative à la sortie ne sera pas d'avantage commentée. La partie 6 à segmentation constante constitue une liaison entre la fibre optique 11 et le guide 5 selon l'invention. Les parties 6, 6'à segmentation constante ne sont pas indispensables, elles constituent une marge de protection des secondes parties de guides 5, 5'selon l'invention, lors des opérations de polissage des faces d'entrée et sortie de la puce 10. Le rapport cyclique et la période de ces parties 6, 6'à segmentation constante sont identiques au rapport cyclique et à la période de la première période du guide d'onde 5, 5', c'est-à-dire celle qui est le plus éloignée de l'entrée 2 ou de la sortie 3 respectivement. Compte tenu de leur rôle la longueur de ces parties 6, 6'peut être limitée à une longueur correspondant à la tolérance sur les dimensions des puces, augmentée d'une petite marge de sécurité. Des vues de dessus et en coupe longitudinale de la seconde partie 5 de guide segmenté selon l'invention sont représentées figure 2 et 3 respectivement. Le guide segmenté 5 est formé d'une série de segments guidants de fort indice optique 71,72... 77 alternées avec des intervalles 81,82... 86 dans un substrat 9 homogène d'indice optique relativement plus faible. Dans l'exemple ici commenté, les segments guidants et le modulateur sont réalisés en niobate de lithium, enrichi en protons sur un substrat 9 en niobate de lithium. La différence d'indice optique pour une longueur d'onde de travail de 1,55 pm est alors An = 0,02. La différence d'indice équivalent dneq du guide segmenté est donné par la formule : dneq = (ng-ng) xRC (1) Dans la formule (1) ci dessus ng et ns représentent respectivement les indices optiques du segment guidant et du substrat, RC est le rapport cyclique. Dans ces conditions le rapport cyclique de la première période Al, qui est la période la plus proche de la fibre optique d'entrée 11, formée de la somme des longueurs de la première section guidante 71 et du premier intervalle 81 est de 0,5. Le rapport cyclique des périodes suivantes va ensuite en croissant de façon linéaire ou parabolique jusqu'à 1 pour la dernière période qui est la plus proche de l'entrée 2 du composant optique. Dans l'article cité plus haut de P. Aschieri et al., il a été expliqué que pour chaque valeur de rapport cyclique d'une période, il existe une ou plusieurs valeurs de période et ou une largeur de segment guidant minimisant les pertes. En conséquence selon l'invention pour déterminer la longueur des périodes successives et la largeur du segment guidant d'une période, on calcule pour la valeur du rapport cyclique que l'on veut attribuer à la période en cause en fonction de sa place dans le guide segmenté, les valeurs de pertes pour différentes valeurs de largeurs de segment guidant et différentes longueurs de périodes. Il existe en général plusieurs ensembles de dimensions pour lesquels il existe un minimum de pertes. Si l'on cherche essentiellement à minimiser les pertes, on prendra parmi les ensembles dimensionnels, largeur, période, l'ensemble conduisant à la perte minimum. Il se trouve que les différents minima sont en général voisins les uns des autres. On pourra donc prendre en général l'ensemble dimensionnel déterminant un minimum, pour lequel la période est la plus courte. On minimise ainsi la longueur du guide 5 et donc les dimensions de la puce 10. Lorsque la différence d'indice optique entre segment guidant et substrat est forte, par exemple supérieure à 0, 02 les zones du plan largueur de la section guidante, longueur de la période, pour lesquelles la valeur des pertes est minimum se réduisent à une ou plusieurs lignes du plan. Selon une formule empirique déterminée par les inventeurs, pour chaque ligne de minimum, la largeur est proportionnelle au carré de la période. L'utilisation d'une telle formule empirique permet de simplifier et de réduire la durée des calculs. Lorsqu'on fait usage de cette formule empirique, pour plusieurs des segments guidants du guide segmenté, on choisit de préférence les minima de perte se situant sur une seule des lignes de minima. Il en résulte que dans le guide segmenté 4 il existe une même relation de proportionnalité entre la largeur du segment et le carré de la période à laquelle appartient le segment guidant. L'exemple de réalisation ici commenté concerne une différence d'indice de 0,02 pour une longueur d'onde de travail de 1, 55pm. Le rapport cyclique varie de 0,5 à 1 de façon parabolique ou linéaire. Les périodes de segmentation sont comprises entre 7 et 17 pm. La longueur de la partie segmentée 5 du guide servant à l'adaptation de mode est comprise entre 100 et 500 Mm. De préférence le profil d'indice des segments guidants est gaussien en largeur. On veut dire par là que l'indice est maximum le long d'un plan central médian, contenant la direction de propagation et décroît de façon symétrique en direction de chacun des bords latéraux du segment guidant selon une courbe de Gauss. Dans le mode de réalisation ici commenté la valeur de la largeur du guide pour laquelle l'indice est égal à la valeur maximale de l'indice dans le plan médian multipliée par 1/e est comprise entre 2 et 3 Mm. De préférence le profil d'indice des segments guidants est exponentiel en profondeur. On veut dire par là que l'indice est maximum en surface le long d'un plan central médian contenant la direction de propagation et décroît avec la profondeur du segment guidant selon une courbe exponentielle. Dans le mode de réalisation ici commenté la valeur de la profondeur du guide pour laquelle l'indice dans le plan médian est égal à la valeur maximale de l'indice de surface dans le plan médian multipliée par 1/e est comprise entre 2 et 3pm. De préférence, le mode de variation de la longueur est linéaire le long du guide 5, mais tout autre mode de variation peut être utilisé à condition d'ajuster en correspondance la variation de la période. Annexe liste de documents pertinents de l'art antérieur 1) Brevet US A 5,193, 136 Procédé de fabrication d'une puce otique intégrée multifonction ayant des coefficient électro-optiques importants. 2) Brevet US A 5,393, 371 Puce otique intégrée et méthode de connexion de cette puce à une fibre optique. 3) Brevet US A 5,577, 141, Mode de réduction (Tapering) par segmentation bi-directionnelle pour un guide d'onde optique intégré. 4)"Etude d'optimisation d'un réducteur tridimensionnel à guide d'onde segmenté, publié dans les "proceedings ECOC'99 (NICE) p. 366-367 ayant pour auteur P. Ashieri, V. Rastogi, P. Baldi, M. P. De Micheli et D. B. Ostrowsky, REVENDICATIONS 1. Puce optique (10) portant au moins un composant (1) et une connexion à une fibre optique (11, 11'), une liaison optique entre une extrémité de la fibre (11, 11') et une entrée (2) ou sortie (3) optique du composant (1) étant constituée par un guide segmenté (4) intégré à la puce, ledit guide comportant le long d'une direction de propagation de la lumière, des segments guidants (7,71, 72-77) alternés avec des intervalles (8,81-86), un segment guidant et un intervalle consécutifs formant ensemble une période du guide segmenté, le rapport cyclique de périodes successives du guide entre la fibre et le composant allant en augmentant caractérisée en ce que, pour les périodes successives au moins l'une des dimensions, les périodes, ou les largueurs de segments guidants (7,71, 72-77) sont inégales entre elles respectivement. 2. Puce (10) selon la revendication 1 caractérisée en ce que le composant (1) est un modulateur optique. 3. Puce (10) selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que dans une première partie (6, 6') du guide segmenté (4) située près de la fibre (11, 11') la segmentation est constante. 4. Puce (10) selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que un profil d'indice d'un segment guidant (7,71, 72-77) est gaussien en largeur. 5. Puce (10) selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que un profil d'indice d'un segment guidant (7,71, 72-77) est gaussien en profondeur. 6. Puce (10) selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que pour plusieurs des segments guidants du guide segmenté il existe une même relation de proportionnalité entre la largeur du segment et le carré de la période à laquelle appartient le segment guidant.