Brevet FR2837578A3 — publié le 20030926

FR 2837578 A3 20030926 FR 0203441 A 20020320 réfraction prédéterminés. ATTENUATEUR OPTIQUE VARIABLE ET MATRICE DE TELS ATTENUATEURS Domaine technique L'invention se rattache au domaine de la microélectronique, et plus particulièrement au secteur des composants optiques réalisés à partir de systèmes micro-électromécaniques, également appelés MEMS. L' invention vise plus particulièrement un atténuateur optique variable, composant communément appelé par l'abréviation VOA, signifiant Optical Attenuator ". L' invention concerne plus spécifiquement une nouvelle architecture de ce type de composant, permettant la mise en _uvre de fonctions diverses, concernant notamment la maintenance et le diagnostic des réseaux de communication utilisant ce type de composants, ou bien encore les fonctions de contrôle/commande et régulation des atténuateurs optiques en tant que tels. Techniques antérieures De façon générale, l'atténuateur optique variable est un composant optique utilisé dans des réseaux de communication par fibres optiques, dont le but est d'adapter la puissance optique transmise entre une fibre optique d'entrée et une fibre optique de sortie. 2s De multiples architectures ont déjà été proposées pour réaliser des atténuateurs optiques variables, et notamment en utilisant des technologies MEMS. Un exemple d'un tel atténuateur variable est décrit dans le document US 6 275 320. De façon classique, un atténnateur optique est destiné à être relié à deux fibres optiques, à savoir une fibre optique d'entrée et une fibre optique de sortie. L'atténnateur comprend également une structure mobile mne par un actionneur. En fonction de sa position, cette structure mobile permet la transmission d'une partie -2 variable de l'énergie lumineuse issue de la fbre optique d'entrée en direction de la fbre optique de sortie. Deux types principaux d'atténuateurs variables ont déjà été proposés fonctionnant selon deux principes différents. Dans une première famille, les deux fibres optiques d'entrée et de sortie se situent dans l'alignement l'une de l'autre, et la structure mobile peut se déplacer dans l'espace situé entre les deux fibres optiques pour empécher la transmission des rayons lumineux. Dans une seconde famille, à laquelle se rattache l'invention, la structure mobile présente une face en regard des fibres optiques qui est réfléchissante. De la sorte, le faisceau lumineux issu de la fbre optique d'entrée se réfléchit sur la 1S structure mobile. Tout ou partie de ce faisceau réfléchi parvient à la fbre optique de sortie. Le taux d'atténuation correspond au rapport de l'énergie lumineuse issue de la fibre optique d'entrée, qui après réflexion, pénètre dans la fibre optique de sortie. Des exemples de ce type d'atténuateurs optiques variables fonctionnant par réflexion sont décrits dans le document US 6 304 709 et en ce qui concerne la réalisation obtenue par les technologies mêmes dans le document EP 1 072 912. De façon générale, d'autres composants optiques comportent une partie active mobile, parmi lesquels on peut notarument citer les microinterrupteurs ou switch, Dans certains cas, les faisceaux lumineux qui parviennent à cette structure active ne sont pas directement issus des fbres optiques, mais sont acheminés par des composants optiques intégrés jouant le rôle de guide d'ondes. De façon générale, dans le domaine des communications par fibres optiques, les tâches de maintenance et de supervision sont nécessaires au bon fonctionnement des réseaux. -3 Un des objectifs de l'invention est de faciliter les différentes tâches de maintenance et de supervision dans des réseaux incluant des atténuateurs optiques variables. Par ailleurs, des variations de puissance optique peuvent être observoes au sein d'un réseau de communications et le rôle des atténnateurs optiques est notamment de compenser certaines de ces variations. Toutefois, la variation des taux d'atténuation se fait généralement sous l'effet de mesures effectuées dans certaines zones du réseau. Ces mesures sont ensuite acheminées à l'atténuateur optique pour une commande de son taux d'atténuation. La transmission de ces informations, ainsi que leur traitement, rend complexe l'électronique de contrôle/commande et de supervision de ces réseaux. Un autre problème que se propose de résoudre l'invention est celui de la régulation précise des taux d'atténuation appliqués par les atténnateurs optiques variables. Exposé de l'invention L'invention concerne un atténuateur optique variable qui est destiné à être relié à des fibres optiques d'entrée et de sortie. Un tel atténuateur optique variable comporte: - un composant optique intégré, comportant un guide d'ondes d'entrée et un guide d'ondes de sortie, auxquels sont raccordées respectivement les fibres optiques d'entrée et de sortie; - un composant micro-électromécanique, incluant une structure mobile interagissant avec le faisceau issu du guide d'ondes d'entrée pour en transmettre tout ou partie au guide d'ondes de sortie. Selon l'invention, le composant optique intégré comporte un dispositif coupleur permettant de prélever une fraction du signal transitant dans le guide d'ondes de sortie, et de l'acheminer à destination d'un détecteur associé à l'atténuateur optique variable. Autrement dit, l'invention consiste donc à réaliser l'atténuateur optique en associant un composant optique intégré et un composant de technologie MEMS assurant la fonction d'atténuation proprement dite. Le composant optique intégré assure la transmission des signaux optiques depuis les fibres optiques qui lui sont connectées jusqu'au composant MEMS. Conformément à l'invention, une partie du signal de sortie est dérivé pour étre renvoyé à destination d'un détecteur associé à l'atténuateur. Cette fraction prélevée sur le signal de sortie est analysée par le détecteur caractéristique en vue d'assurer diverses fonctions. On peut notamment de la sorte assurer une supervision du réseau. En effet, l'information prélevée sur le guide d'ondes de sortie est une image du signal ayant subi l'atténuation variable, d'o il est possible de déduire si l'atténuateur fonctionne convenablement ou non. D'autres fonctions de supervision et de maintenance peuvent être également mises en _uvre. Il est également possible d'utiliser le signal ainsi prélevé pour conna^tre le taux d'atténuation effectivement appliqué, et agir sur le système de contrôle du déplacement de la structure mobile de l'atténuateur. Autrement dit, il est ainsi possible d' assurer un asservissement du taux d'atténuation. En pratique, le composant optique intégré présente un port à chaque extrémité des guides d'ondes, transmettant les signaux principaux aux fibres optiques. Le composant comprend également un port supplémentaire relié au dispositif coupleur, ce port supplémentaire étant situé en regard du détecteur caractéristique. En pratique, le détecteur peut former un élément additionnel monté sur le composant micro-électromécanique. Ce dernier présente alors une structure hybride intogrant donc le détecteur réalisé selon une autre technologie. En pratique, le détecteur peut également étre réalisé au sein méme du composant micro-électromécanique. Dans ce cas, le détecteur fait partie intégrante du micro-composant MEMS, et il est réalisé à partir du méme substrat que celui du composant MEMS. Dans ce cas, le détecteur peut étre réalisé dans un logement prévu à cet effet sur la face du composant MEMS en regard du composant optique intégré, de manière à conserver une surface de référence au niveau du substrat du composant MEMS, et ne pas former de zone proéminente. Dans d'autres variantes, le détecteur peut également être placé sur la face du composant MEMS opposée au composant optique intégré, des évidements appropriés pouvant être réalisés pour permettre l'acheminement du signal dérivé jusqu'au détecteur. Dans d'autres variantes, le détecteur peut être monté sur une face du composant optique intégré, ou plus généralement sur une partie quelconque de l'atténnateur optique variable servant de support mécanique. En pratique, il peut s'avérer avantageux que l'atténuateur comporte également un élément supplémentaire interposé entre le composant optique intégré et le détecteur, de manière à assurer la collimation des faisceaux issu et à destination des guides d'ondes, ainsi que du faisceau à destination du détecteur. Une telle optique de collimation permet notamment d' assurer la déviation optique des faisceaux à destination de la structure mobile. En pratique, l'atténuateur conforme à l'invention peut étre intégré dans une matrice d'atténuateurs de plus grandes dimensions. Dans ce cas, il peut s'avérer -6 avantageux que le composant optique intégré propre à chaque cellule d'atténuateur fasse partie d'un composant optique intégré global présentant des zones propres à chaque cellule d'atténuateur. De la méme manière, la matrice d'atténuateurs peut comporter un seul composant MEMS présentant différentes zones reliées à chaque cellule d'atténuateur. Description sommaire des fieures La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui de la figure annexée, qui est une vue schématique d'un atténuateur optique conforme à l'invention illustrant les différentes interactions entre les éléments le composant. Manière de réaliser l'invention Comme déjà évoqué, l'invention concerne un atténuateur optique variable (1) tel qu'illustré schématiquement sur la figure annexée. Un tel atténuateur (1) comprend dans la forrne illustrée un composant optique intégré (2), ainsi qu'un composant micro-électromécanique (3) réalisé selon une technologie MEMS. Entre le composant optique (2) et le composant MEMS (3), on observe un élément supplémentaire (4) servant d'optique dé collimation. S'agissant plus précisément du composant optique intégré (2), celui-ci comporte des ports d' interface (6,7) avec les fibres optiques d' entrée (8) et de sortie (9). Ce composant optique intégré (2) est typiquement réalisé selon des technologies utilisant le dioxyde de silicium, ou bien encore selon des matériaux fonctionnant selon les phénomènes d'échanges ioniques.Ce composant optique comporte des zones dopées formant des guides d'ondes (11,12) traversant le composant (2) dans son épaisseur. Ces guides d'ondes (11,12) permettent d'acheminer les faisceaux lumineux issus de la fibre optique d'entrée (8), et le faisceau à destination de la fibre optique de sortie (9). A l'opposé des ports d'entrce et de sortie (7,8), les guides d'ondes (11, 12) détouchent sur une face (13) venant en regard d'un élément de collimation (4) à -7 travers lequel transitent les différents signaux lumineux. Cet élément (4) est équipé, dans la forme illustrée, de différentes lentilles (15,16,17) assurant la collimation et la déviation appropriées des différents faisceaux lumineux. Ces lentilles peuvent adopter des géométries de celles illustrées aux figures, dès lors qu'elles permettent la collimation des faisceau, et la déviation du signal d'entrée en direction du miroir, et la déviation du signal de sortie à destination du guide d'onde de sortie. Une unique lentille peut également remplacer les lentilles (15, 16). D'autres systèmes de collimation peuvent remplacer les lentilles (15-17). En regard de ces différentes lentilles (15-17), l'atténuateur comprend un composant MEMS (3) réalisé à partir de substrat, qui peut typiquement être du silicium, et de façon générale tout substrat susceptible d'étre gravé selon des technologies MEMS. Dans la forme illustrée, le composant MEMS (3) comprend une structure réfléchissante (22) représentée schématiquement. Cette structure réfléchissante (22) reçoit le faisceau (20) issu de la fibre optique (8) afin de le réfléchir en un faisceau (29) à destination de la fibre optique de sortie. En fonction du déplacement de la structure réfléchissante (22), contrôlée par l'actionneur (23), la quantité d'énergie réfléchie varie, induisant donc le taux d'atténnation caractéristique. De très nombreuses architectures peuvent étre employées pour réaliser la structure réfléchissante sans sortir du cadre de l'invention. Dans certaines formes de réalisation, il est envisageable d'obtenir l'atténuation non pas par réflexion, mais par transmission. Conformément à l'invention, le composant optique intégré (2) comprend un dispositif coupleur au niveau du guide d'ondes de sortie (12). Le composant optique (2) comprend donc un guide optique supplémentaire (25) dont une portion (26) interagit avec une portion complémentaire (24) du guide d'ondes de sortie -8 (12). Différents modes d'interaction peuvent être envisagés selon qu'il s'agit de coupleurs directionnels ou de coupleurs interférentiels multimodaux (MMI), ou plus généralement tout type de coupleur permettant de prélever une fraction du signal transitant dans le guide d'onde de sortie. Grâce à ce dispositif de couplage, une fraction de la puissance optique transitant dans le guide d'ondes de sortie (12) est prélevée par le guide d'ondes supplémentaire (25). Typiquement, le taux de couplage est de l'ordre de 1 à 5 %, ce taux étant fixé par construction du dispositif de couplage. Ce taux de couplage peut également dépendre de la longueur d'onde des signaux transmis. Une extrémité (27) du guide d'ondes (25) détouche sur la face (13) du composant optique (2) situé en regard de l'optique de collimation (4). Après avoir transité par la lentille (17), le faisceau (28) parvient sur le détecteur caractéristique (30) situé dans le composant MEMS (3). Plus précisément, ce détecteur peut étre, comme dans la forme illustrée, réalisé directement selon la technologie MEMS, dans une zone accessible depuis la face supérieure (33) du substrat. Néanmoins, d'autres modes de réalisation sont également couverts par l'invention, notamment selon lequel le composant MEMS reçoit, par montage en flip-chip, des détecteurs réalisés de manière indépendante, et notamment par d'autres technologies. Dans une variante d'exécution, ce montage hybride d'un détecteur indépendant peut se faire dans un logement prévu à cet effet sur le plan (33) principal du substrat. Dans d' autre variantes d' exécution, le détecteur peut 8tre disposé sur la face opposée (34) du substrat, et est rendu accessible par des ouvertures réalisées à cet effet à travers le substrat du composant MEMS (3). Dans d'autres variantes, le détecteur peut étre disposé non pas sur le composant MEMS, mais sur une autre partie de l'atténuateur, et notamment sur le composant optique intégré. Dans ce dernier cas, le guide d'ondes supplémentaire assurant le couplage possède une géométrie différente de celle illustrée, appropriée à la position du détecteur. On peut envisager que le faisceau issu de ce guide d'onde supplémentaire soit réfléchi par un miroir interrnédiaire, situé par exemple sur le composant MEMS, avant d'aboutir sur le détecteur. Il est également possible que le détecteur soit déporté à distance du composant MEMS et du composant optique intogré. Dans ce cas, le guide d'onde supplémentaire peut déboucher sur la face du composant optique intégré sur laquelle sont raccordées les fibres optiques d'entrée et de sortie. Le détecteur peut alors être relié au guide d'onde supplémentaire par une fibre optique spécifique. Cette variante présente l'avantage que le guide d'onde supplémentaire présente une géométrie sans fortes courtures. Différents types de détecteurs peuvent être utilisés, qu'il s'agisse de détecteurs de seuil, d' intensité ou de longueur d' ondes. L es informati ons is sue s de ce détecteur peuvent étre utili sées à des fins très variées. Ainsi, le signal (36) issu du détecteur peut être acheminé vers des dispositifs dont la fonction est de surveiller le réseau dans lequel est intégré l'atténuateur optique (1). Il est ainsi possible de vérifier le bon fonctionnement de l'atténuateur, ainsi que la valeur du taux d'atténuation, compte tenu d'une estimation de la puissance transitant dans la fibre optique d'entrée (8). Le fonctionnement de l'atténnateur peut ainsi être automatisé en lui conférant par exemple des fonctions d'interrupteur contrôlé. Le signal (36) issu du détecteur (30) peut également êke traité pour assurer la commande (38) de l'actionneur (23) commandant la structure réfléchissante (22). De la sorte, il est possible d'asservir le taux d'atténnation, ou bien encore la puissance de sortie émise en direction de la fibre optique de sortie (9). -10 Ces différents traitements peuvent tenir compte de corrections en fonction de la variation du taux de couplage en fonction de la longueur d'onde. Bien entendu, la structure unitaire de l'atténuateur optique illustré ciavant peut 8tre intégrée dans des composants de plus grandes dimensions formant des matrices d'atténuateurs. Dans ce cas, il est avantageux d'utiliser un seul composant optique intégré interfaçant l'ensemble des fbres optiques associées à cette matrice. De la méme manière, une seule structure collimatrice peut être utilisée, en remplissant la méme fonction que l'élément (4) illustré dans la figure annexée. Dans la méme logique, les différentes structures réfléchissantes et/ou les détecteurs de la matrice d'atténuateurs peuvent être rassemblés au sein d'un méme composant MEMS. I1 peut également s'avérer avantageux que les détecteurs associés à chaque atténuateur soient déportés et rassemblés par exemple sur une barrette de détecteur. Dans ce cas, les détecteurs sont reliés aux composants optiques intégrés respectifs par l'intermédiaire de fibres optiques. Il ressort de ce qui précède que l'atténnateur conforme à l'invention présente de multiples avantages, et notamment la possibilité de conférer des fonctionnalités supplémentaires à un atténuateur optique variable. Ces fonctionnalités peuvent par exemple être liées à la supervision et à la maintenance du réseau dans lequel est intégré l'atténuateur variable. Des fonctionnalités de régulation de la puissance transmise peuvent également étre mises en _uvre. -1 1 REVENDICATIONS 1/ Atténuateur optique variable (1) destiné à étre relié à une fibre optique d'entrée (8) et une fbre optique de sortie (9), comprenant: - un composant optique intégré (2), comportant un guide d'ondes d'entrée (11) et un guide d'ondes de sortie (12), auxquels sont raccordées respectivement les fibres d'entrée (8) et de sortie (9); - un composant micro-électromécanique (3), incluant une structure mobile (22) interagissant avec le faisceau (20) issu du guide d'ondes d'entrée (11) pour en transmettre tout ou partie au guide d'ondes de sortie (12); caractérisé en ce que le composant optique intégré (2) comporte un dispositif coupleur (24,26) permettant de prélever une fraction du signal transitant dans le guide d'ondes de sortie (12), et de l'acheminer à destination d'un détecteur (30) associé à l'atténuateur optique variable. 2/ Atténuateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composant optique intégré présente un port (6,7) à chaque extrémité des guides d'ondes (11,12), ainsi qu'un port supplémentaire (19) relié au dispositif coupleur, ledit port supplémentaire (19) étant situé en regard du détecteur (30) associé à l'atténuateur optique variable. 3/ Atténuateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur (30) forme un élément additionnel monté sur le composant micro- électromécanique (3). 4/ Atténnateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur est réalisé au sein du composant micro-électromécanique. / Atténuateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur est monté sur le composant optique intogré. - 2837578 -12- 6/ Atténuateur optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le détecteur est relié au port supplémentaire par l'intermédiaire d'une fibre optique. 7/ Atténuateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte également un élément supplémentaire (4), interposé entre le composant optique intégré (2) et le composant micro-électromécanique (3), ledit élément supplémentaire (4) assurant la collimation des faisceaux (20,28,29) issu et à destination des guides d'ondes (11,12), ainsi qu'à destination du détecteur. 8/ Atténuateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur (30) est associé au système de commande du déplacement de la structure mobile (22). 9/ Atténnateur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure mobile (22) présente une surface réfléchissante. / Matrice d'atténuateurs optiques formés de l'association d'atténnateurs selon l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle les composants optiques intégrés de chaque atténuateur forment une partie d'un composant optique intégré global, et dans lequel les composants micro-électromécaniques associés à chaque atténuateur forment une partie d'un composant micro-électromécanique global. DEPOSANT: MEMSCAP