Brevet FR2841995A1 — publié le 20040109

ATTENUATEUR OPTIQUE VARIABLE Domaine technique L'invention se rattache au domaine de la microélectronique, et plus particulièrement au secteur des composants optiques réalisés à partir de structures microélectromécaniques, également appelées structures MEMS. L'invention vise plus particulièrement les composants optiques du type atténuateur optique variable, composants également connus sous l'abréviation VOA pour Variable Optical Attenuator. L'invention concerne plus spécifiquement une nouvelle architecture de l'actionneur et l'obturateur d'un atténuateur optique variable. Techniques antérieures De façon générale, un atténuateur optique variable est un composant optique utilisé dans les réseaux de communication par fibres optiques, dans le but d'adapter la puissance optique transmise entre une fibre optique d'entrée et une fibre optique de sortie. De multiples architectures ont déjà été proposées pour réaliser des atténuateurs optiques variables, et notamment en utilisant des technologies MEMS. Des exemples d'atténuateurs variables sont décrits dans les documents US 6 275 320, US 6 246 826 ou WO 98/12589. De façon classique, l'atténuateur comprend deux canaux, destinés à recevoir chacun une fibre optique, à savoir une fibre optique d'entrée et une fibre optique de sortie. L'atténuateur comprend également une structure mobile, formant un obturateur, qui est déplacée par l'intermédiaire d'un actionneur. En fonction de son déplacement, cet obturateur permet la transmission d'une partie variable de l'énergie lumineuse issue d'une fibre optique d'entrée à destination de la fibre optique de sortie. Plus précisément, le mouvement de l'obturateur est obtenu par l'intermédiaire d'un actionneur qui comporte une partie mobile mécaniquement reliée à l'obturateur. Le mouvement de la partie mobile de l'actionneur par rapport au reste du substrat sur lequel est réalisé l'atténuateur peut très généralement s'obtenir sous l'effet de forces électrostatiques. Ces forces électrostatiques s'observent lorsqu'une différence de potentiel est exercée entre une zone de la partie mobile et une zone en regard du substrat. L'utilisation de peignes interdigités est très répandue puisqu'une telle géométrie permet d'augmenter la surface en regard des deux électrodes. Le déplacement de l'obturateur se produit dans la direction de la force électrostatique exercée entre les deux électrodes. Entre ces deux électrodes, des zones de liaison présentant une souplesse de déformation réversible jouent le rôle de moyens de rappel. La partie mobile de l'actionneur ainsi que l'obturateur qui lui est associé forment une masse libre qui est reliée au reste du substrat par les moyens de rappel. Cette masse libre présente certaines fréquences de résonance, qui sont fonction de la géométrie de la masse mobile, de sa masse proprement dite, ainsi que de la raideur des moyens de rappel. On conçoit qu'une telle géométrie présente une sensibilité aux vibrations et notamment dans le sens de translation de l'actionneur. Cette sensibilité peut notamment s'observer dans les gammes de fréquences acoustiques. Les sources des vibrations extérieures peuvent donc venir très facilement perturber le bon fonctionnement d'un atténuateur optique en déplaçant de façon inopinée l'obturateur, et provoquant donc une variation du taux d'atténuation. La solution consistant à rigidifier la structure n'est pas satisfaisante, puisqu'elle nécessite alors une plus grande consommation d'énergie pour obtenir le déplacement de l'obturateur. Par ailleurs, on a proposé dans le document WO 00/36740 une nouvelle architecture d'actionneurs, permettant d'assurer le mouvement de rotation d'un miroir utilisé dans un composant optique. Plus précisément, cet actionneur comprend une pluralité de peignes interdigités disposés radialement, et répartis angulairement autour d'un axe de rotation de telle sorte que le mouvement de la partie mobile de l'actionneur est une rotation autour d'un axe fixe. Le miroir du composant optique est monté au-dessus d'une plate-forme réalisée au niveau central de la partie mobile de l'actionneur, au niveau de l'axe de rotation. Un tel miroir peut donc assurer la réflexion de faisceaux se propageant dans un plan parallèle au plan principal du substrat, au-dessus de la partie mobile, et au niveau du miroir. Un tel actionneur présente l'inconvénient que la position du miroir audessus de la partie mobile d'un actionneur décale vers le haut du centre de gravité de l'ensemble formé par la partie mobile de l'actionneur et du miroir. Il s'ensuit qu'un tel dispositif présente une certaine sensibilité aux vibrations se propageant dans le plan principal du substrat. Exposé de l'invention L'invention concerne donc un atténuateur optique variable, incluant des structures micro-électromécaniques réalisées sur un substrat. Un tel atténuateur comporte au moins un obturateur dont la position peut varier sous l'effet d'un actionneur pour interférer avec un faisceau optique se propageant d'une fibre optique d'entrée vers une fibre optique de sortie. Conformément à l'invention, l'actionneur comporte une partie mobile apte à se déplacer selon un mouvement de rotation autour d'un axe perpendiculaire au plan du substrat. Cet axe forme également un axe de symétrie de révolution de la partie mobile. Le ou les obturateurs sont disposés dans l'épaisseur de la partie mobile, de manière à interférer avec le faisceau optique se propageant sensiblement parallèlement à l'axe de rotation de la partie mobile. Autrement dit, l'actionneur conforme à l'invention présente une géométrie telle que le centre de gravité de sa partie mobile se trouve disposé sur son axe de rotation. Une telle disposition diminue très fortement la sensibilité aux vibrations se propageant selon une direction parallèle au plan du substrat. Complémentairement, le ou les obturateurs de l'atténuateur sont disposés au niveau de la partie mobile, c'est-à-dire entre les plans inférieur et supérieur délimitant la partie mobile de l'actionneur. De la sorte, le centre de gravité du ou des obturateurs se trouve confondu avec le centre de gravité de la partie mobile de l'actionneur, considéré à l'exclusion des obturateurs. En d'autres termes, la présence des obturateurs caractéristiques ne décale ni vers le haut ni vers le bas la position du centre de gravité de l'ensemble de la partie mobile et des obturateurs. Un tel ensemble est donc nettement moins sensible aux vibrations que les actionneurs décrits dans le document WO 00/36740. Du fait que les obturateurs sont situés dans l'épaisseur de la partie mobile, ils peuvent intercepter un faisceau se propageant perpendiculairement dans le substrat, avec éventuellement un léger angle d'incidence. Si l'obturateur présente une partie réfléchissante, l'atténuateur peut fonctionner alors par réflexion, de sorte que la fibre optique de sortie est située du même côté que la fibre optique d'entrée. A l'inverse, si l'atténuateur fonctionne par transmission, la fibre optique de sortie se trouve du côté opposé du substrat par rapport à la fibre optique d'entrée, et dans son alignement. Avantageusement en pratique, la partie mobile de l'actionneur peut comporter plusieurs zones aptes à coopérer avec des zones complémentaires fixes par rapport au substrat, ces zones étant réparties angulairement autour de l'axe de rotation. En pratique, ces zones de coopération entre la partie mobile et le reste du substrat peuvent être constituées d'une pluralité de peignes électrostatiques interdigités avec des peignes complémentaires fixes par rapport au substrat. Toutefois, d'autres actionneurs ne fonctionnant pas sur des principes électrostatiques peuvent également être employés sans sortir du cadre de l'invention, dès lors qu'ils possèdent une symétrie de révolution par rapport à l'axe de rotation. Dans une forme particulière de réalisation, la partie mobile de l'actionneur est reliée à une région fixe située au niveau de son centre de gravité, par un ensemble de lames formant les moyens de rappel. Description sommaire des figures 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 des figures annexées, dans lesquelles: La figure 1 est une vue en perspective sommaire d'un atténuateur variable conformément à l'invention. Les figures 2 et 3 sont des vues de dessus de l'atténuateur de la figure 1, montré dans deux positions différentes. Manière de réaliser l'invention Comme déjà évoqué, l'invention concerne un atténuateur optique variable (1), qui, comme illustré à la figure 1, est réalisé sur un substrat (2), qui peut par exemple être du silicium, ou plus généralement tout substrat permettant la réalisation de structures MEMS. Dans la forme illustrée, l'atténuateur optique (1) comporte deux fibres optiques (3, 4), situées de part et d'autre du plan principal (5) du substrat (2). Ces deux fibres optiques (3, 4) sont disposées dans l'alignement l'une de l'autre. D'éventuels moyens de collimation non représentés peuvent équiper les extrémités de ces fibres optiques. En fonction de certaines contraintes, on peut prévoir que le faisceau issu des fibres optiques transite par un composant optique intégré formant un guide d'ondes non représenté. Dans la forme illustrée suivante, l'atténuateur (1) comporte un actionneur (10) qui présente une symétrie de révolution autour de l'axe (11). Cet actionneur (l0) comprend une partie mobile constituée de trois zones identiques (12, 13, 14) réparties angulairement autour de l'axe (l 1) dans le plan principal (5) du substrat. Chaque partie (12-14) comporte deux poutres (20, 21), orientées sensiblement radialement, et reliées l'une à l'autre à leurs extrémités par une portion de liaison (22). Cette portion de liaison est reliée par une poutrelle (23) à une plate-forme centrale (24). Les dimensions de la poutrelles (23) sont déterminées pour lui conférer une certaine flexibilité dans le plan (5) du substrat. Une des poutres (21) est associée à un peigne (27) dont les dents sont interdigitées avec celles d'un peigne (28) fixes par rapport au substrat. Dans la portion (30) reliant les deux zones (12, 13) de la partie mobile de l'actionneur, est reliée une poutre (31) formant l'obturateur de l'atténuateur variable. Cette poutre est réalisée dans la même épaisseur que celle permettant de former les poutres (20, 21). L'épaisseur de la poutre (31), mesurée perpendiculairement au substrat peut toutefois être inférieure à celle des poutres (20, 21), tout en restant dans le cadre de l'invention. En effet, il importe que l'influence des poutres (31) sur la position du centre de masse de la partie mobile de l'actionneur soit la plus limitée possible, pour éviter d'augmenter la sensibilité aux vibrations. Pour des raisons de symétrie, on peut prévoir que la partie mobile d'un actionneur soit équipée de deux poutres complémentaires (33, 34) permettant de conserver le centre de gravité de l'ensemble mobile au niveau de l'axe de symétrie (1 1) Comme illustré à la figure 2, dans la zone destinée à intercepter le faisceau optique (6), la poutre (31) peut présenter une découpe angulaire (36) destinée à améliorer les performances en termes de pertes dépendantes de la polarisation et pertes dépendantes de la longueur d'ondes. Le fonctionnement de l'atténuateur est le suivant. Ainsi, dans la configuration illustrée à la figure 2, les peignes interdigités sont dans une position de repos, aucune tension n'étant appliquée entre eux. Le faisceau lumineux (6) représenté en pointillés n'est pas perturbé par la présence de l'obturateur (31). Dès lors qu'une tension de polarisation est appliquée entre les différents peignes fixes (28) et mobiles (27), ceux-ci ont tendance à se rapprocher, en provoquant la rotation de la partie mobile autour de l'axe de rotation et de symétrie (11). Cette tension de polarisation peut être appliquée par l'intermédiaire de la plate-forme centrale (24), reliée par les poutrelles (23) aux peignes mobiles (27). Le mouvement de rotation provoque, comme illustré à la figure 3, la légère flexion des poutrelles (23) qui s'oppose au mouvement de rotation. Dans ce mouvement, la partie mobile entraîne le déplacement de l'obturateur (31) qui vient alors intercepter une partie du faisceau lumineux (6) au niveau de la découpe angulaire (36). La réduction de la tension de polarisation appliquée aux peignes interdigités provoque, sous l'effet des poutrelles (23), le retour de l'obturateur dans sa position de repos. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation illustrée aux figures dans lesquelles l'actionneur comporte trois zones réparties angulairement, mais elle couvre également les variantes comportant un nombre plus élevé de peignes interdigités, également répartis angulairement, pour conserver une symétrie de révolution autour de l'axe de rotation (11). De même, il est également possible de prévoir un déplacement de la structure dans les deux sens, en équipant chaque zone (12, 13, 14) de deux paires de peignes interdigités, permettant le déplacement positif de la structure dans les deux sens. En outre, les formes de la zone de l'obturateur (31) interceptant le faisceau lumineux peuvent être différentes de celles illustrées dans les figures. Il ressort de ce qui précède que, de par sa configuration, l'atténuateur optique variable conformément à l'invention présente l'avantage majeur d'être particulièrement peut sensible aux vibrations, dans la direction parallèle au plan principal du substrat, puisque son centre de gravité est disposé au niveau de son axe de rotation, et au sein de son épaisseur. REVENDICATIONS 1/ Atténuateur optique variable (1), incluant des structures microélectromécaniques réalisées sur un substrat, comportant au moins un obturateur (3 1) dont la position peut varier sous l'effet d'un actionneur pour interférer avec un faisceau optique (6) se propageant d'une fibre optique d'entrée (3) vers une fibre optique de sortie (4), caractérisé en ce que l'actionneur comporte une partie mobile (l0) apte à se déplacer selon un mouvement de rotation autour d'un axe (l 1) perpendiculaire au plan du substrat (5), ledit axe (1 1) formant également un axe de symétrie de révolution de ladite partie mobile (10), et en ce que le ou les obturateurs (3 1) sont disposés dans l'épaisseur de la partie mobile (l0), de manière à interférer avec ledit faisceau optique (6) se propageant sensiblement parallèlement à l'axe de rotation (l 1) de la partie mobile. 2/ Atténuateur optique variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie mobile (l0) de l'actionneur comporte plusieurs zones (27) aptes à coopérer avec des zones complémentaires fixes (28) par rapport au substrat, lesdites zones étant réparties angulairement autour de l'axe de rotation (l 1). 3/ Atténuateur optique variable selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie mobile comporte une pluralité de peignes électrostatiques interdigités (27) avec des peignes complémentaires fixes (28) par rapport au substrat (5). 4/ Atténuateur optique variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie mobile (10) est reliée à une région fixe (24) située au niveau de son centre de gravité. -9 / Atténuateur optique variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'obturateur (31) comporte une partie réfléchissante, de sorte que l'atténuateur fonctionne par réflexion. 6/ Atténuateur optique variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atténuateur fonctionne par transmission. DEPOSANT: MANDATAIRE: MEMSCAP Cabinet LAURENT & CHARRAS