Brevet FR2835929A1 — publié le 20030815

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 systèmes micro-électromécaniques également appelés MEMS. Elle vise plus particulièrement un atténuateur optique variable, composant également appelé VOA pour"Variable Optical Attenuator". L'invention concerne plus spécifiquement une nouvelle géométrie utilisée pour la structure réfléchissante d'un atténuateur optique variable. Techniques antérieures De façon générale, un 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. 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 atténuateur optique 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 mue par un actionneur. Cette structure mobile permet, en fonction de sa position, une transmission d'une partie variable de l'énergie lumineuse issue de la fibre d'entrée en direction de la fibre 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 empêcher 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 fibre optique d'entrée se réfléchit sur la structure mobile. Tout ou partie de ce faisceau réfléchi parvient dans la fibre optique de sortie. Le taux d'atténuation correspond au rapport de l'énergie lumineuse issue de la fibre d'entrée, qui après réflexion, pénètre dans la fibre de sortie. Des exemples de ce type d'atténuateur optique variable fonctionnant par réflexion sont décrits dans les documents US 6,304, 709, et en ce qui concerne les réalisations obtenues par des technologies MEMS, dans le document EP 1 072 912. Les inconvénients majeurs observés dans les atténuateurs fonctionnant par réflexion sont qu'il est généralement nécessaire d'effectuer une rotation ou un pivotement de la face réfléchissante pour faire varier le taux d'atténuation. Or, il est relativement complexe de réaliser des micro-systèmes incluant des portions pivotantes. Un des objectifs de l'invention est de proposer un atténuateur optique variable fonctionnant sur un mode différent, et dans lequel la structure réfléchissante peut être réalisée de façon simple, sans mettre en oeuvre des mouvements de rotation ou de pivotement. Dans d'autres solutions, la face réfléchissante de la structure mobile présente des propriétés de réflexion qui varient sur sa surface. Ainsi, lorsque cette structure réfléchissante se déplace en face de la fibre optique d'entrée, la quantité d'énergie réfléchie varie en fonction du point d'impact du faisceau d'entrée sur cette face réfléchissante. On conçoit que la réalisation de surfaces réfléchissantes aux propriétés variables spatialement est complexe, et notamment lorsqu'il s'agit de réaliser des atténuateurs de très petites dimensions, selon des technologies MEMS. Un autre objectif de l'invention est de proposer une structure réfléchissante qui soit facile à fabriquer, et notamment selon les technologies MEMS. Exposé de l'invention L'invention concerne donc un atténuateur optique variable, fonctionnant par réflexion, qui comprend de façon connue : 'deux canaux destinés à recevoir chacun une fibre optique, respectivement une fibre optique d'entrée et une fibre optique de sortie ; 'une structure mobile dont la face en regard des canaux est réfléchissante, de manière à permettre la réflexion d'au moins une partie de l'énergie lumineuse issue de la fibre optique d'entrée en direction de la fibre optique de sortie ; 'un actionneur apte à provoquer le déplacement progressif de la structure mobile réfléchissante. Conformément à l'invention, une portion de la face réfléchissante de la structure mobile présente une courbure non nulle dans un plan défini par les deux fibres optiques d'entrée et de sortie. Autrement dit, la face réfléchissante présente une courbure telle que l'angle d'incidence du faisceau issu de la fibre optique d'entrée varie continûment avec le déplacement de la structure mobile. L'angle de réflexion du faisceau réfléchi, qui se propage en direction de la fibre optique de sortie, est donc lui aussi continûment variable. La direction de ce faisceau réfléchi étant donc différente selon la position de la structure mobile, la quantité d'énergie qui pénètre dans la fibre optique de sortie varie donc en fonction du déplacement de la structure mobile. Une telle structure peut être obtenue de façon simple par des opérations de lithographie et de gravure dans lesquelles les masques utilisés permettent de définir la courbure souhaitée. La face réfléchissante peut également être obtenue par des procédés classiques, qui confèrent des propriétés réfléchissantes uniformes sur toute la surface de la face réfléchissante. En pratique, la courbure de la face réfléchissante est mesurée dans le plan défini par les deux fibres optiques, qui correspond donc à un plan principal du substrat dans lequel est réalisé le micro-composant. Ce plan est perpendiculaire à la direction de gravure, ce qui permet de définir la face réfléchissante et plus généralement la structure mobile. En pratique, la courbure de cette face réfléchissante est dirigée vers l'arrière de la face réfléchissante. Avantageusement, en pratique, la face réfléchissante comporte également une portion plane. Cette portion correspond à une zone dans laquelle l'angle du faisceau incident et l'angle du faisceau réfléchi restent constants lors du déplacement de la structure mobile. Cette zone correspond généralement à un taux d'atténuation minimum. En pratique, la structure mobile peut présenter en arrière de la face réfléchissante, une face sensiblement plane, et parallèle à la direction de déplacement de la structure mobile. Autrement dit, la structure mobile présente une épaisseur, mesurée dans une direction parallèle aux fibres optiques, qui est décroissante en s'éloignant de la zone plane de la face réfléchissante. La structure réfléchissante forme donc, vue de dessus, une forme en coin courbe dont une face est plane, et dont l'autre présente la courbure caractéristique. Néanmoins, il s'agit là d'une forme de réalisation particulière, et la face arrière de la structure mobile peut adopter d'autres formes imposées par des contraintes sans rapport direct avec la présente invention. Description sommaire des figures La manière de réaliser l'invention et 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 optique variable conforme à l'invention. Les figures 2 et 3 sont des vues de dessus de la structure réfléchissante et des deux fibres optiques de l'atténuateur montré à la figure 1, et ce pour deux positions de la structure réfléchissante, correspondant à deux taux d'atténuation différents. La figure 4 est un diagramme montrant la variation du taux d'atténuation en fonction du déplacement de la structure mobile. Exemples de réalisation de l'invention L'atténuateur optique illustré à la figure 1 est réalisé sur un substrat qui peut être un substrat semi-conducteur à base de silicium, ou encore un substrat de type silicium sur isolant (SOI). A l'intérieur de ce substrat (1), sont réalisés deux canaux (2,3) destinés à recevoir respectivement la fibre optique d'entrée (4) et la fibre optique de sortie (5). L'atténuateur conforme à l'invention étant du type fonctionnant par réflexion, les deux canaux (2) et (3) ne sont pas strictement parallèles, mais présentent entre eux un angle de l'ordre deI 00, qui est réalisé avec une précision de l'ordre de 0, 5 . Dans une autre forme de réalisation non illustrée, les canaux peuvent être parallèles. Dans ce cas, un dispositif optique comme par exemple une lentille peut être utilisée pour assurer les déviations des faisceaux en vue d'une bonne transmission. L'atténuateur optique comprend de façon principale une structure mobile (6) réalisée à l'intérieur d'un évidement (7) du substrat (1). Cette structure mobile (6) est reliée par une portion de liaison (8) à un actionneur (9) qui peut être de divers types. Il peut par exemple s'agir d'actionneurs électrostatiques fonctionnant avec des peignes interdigités, ou bien encore un actionneur thermique ou autre. L'actionneur peut également être multistable, c'est-à-dire conserver sa position lorsque l'énergie d'actionnement (par exemple la tension de polarisation pour un actionneur électrostatique) disparaît. Cette portion de liaison (8) est reliée à des moyens de rappel (10) qui, dans la forme illustrée, sont formés de zones élastiques déformables. D'autres moyens de rappel de géométries différentes peuvent être envisagés. Conformément à l'invention, la structure mobile (6) comprend une face réfléchissante (13) dont une portion (12) présente une courbure dans le plan principal du substrat (1), correspondant également au plan défini par les deux fibres optiques (4, 5). Bien entendu, les dimensions des différents éléments représentés sur les figures, ainsi que leurs proportions, sont données pour permettre la compréhension de l'invention, et ne sont pas strictement représentatives de la réalité. Ainsi, les angles que forment les deux canaux (2,3) atténuant la fibre optique, peuvent être (plus grands ou plus petits) que la configuration illustrée. De la même manière, les distances séparant les extrémités des canaux (2,3) et la structure mobile peuvent différer de la forme illustrée. Le rayon de courbure de la face réfléchissante (13) est déterminé en fonction de multiples paramètres, notamment du diamètre de rayon émis par la fibre optique d'entrée (4). Le rayon de courbure de la face réfléchissante (13) est de l'ordre de 30 micromètres dans l'exemple illustré. Il est également possible de donner à cette portion courbe une courbure variable dans l'espace, et ce afin de régler la loi d'atténuation en fonction du déplacement de la structure réfléchissante. ! La structure réfléchissante est réalisée par des procédés classiques dans le domaine des technologies MEMS. Elle comporte une face arrière (14) qui est plane, et plus précisément perpendiculaire au plan principal du substrat. De la sorte, l'épaisseur de la structure réfléchissante, mesurée dans une direction sensiblement parallèle aux directions des canaux (2,3), est variable et décroît jusqu'à son extrémité (15). Comme illustré à la figure 2, la face réfléchissante (13) comprend une portion courbée (12) ainsi qu'une portion plane (16) qui lui est raccordée. Cette portion plane (16) assure une réflexion maximale du faisceau incident (20) qui, lorsqu'il est réfléchi (21), se transmet dans la fibre optique de sortie (5). A l'inverse, lorsque la structure mobile (6) s'est déplacée sous l'effet de l'actionneur (9), le faisceau incident (20) rencontre la face réfléchissante (13) dans la portion (12) qui est courbe, de sorte que l'angle du faisceau réfléchi (22) s'est modifié par rapport à la configuration de la figure 2. Dans ce cas, seule une fraction de ce faisceau réfléchi parvient dans la fibre optique de sortie, induisant donc ainsi une diminution de l'énergie transmise, et donc une atténuation. Cette atténuation est illustrée à la figure 4 dans laquelle on observe qu'en fonction du déplacement de la structure réfléchissante (6), le taux d'atténuation (A) passe d'une valeur minimale (0 dB), correspondant à la configuration de la figure 2, à une valeur maximale dans laquelle une fraction minimale du faisceau incident parvient dans la fibre optique de sortie, traduisant une atténuation maximum (de l'ordre de-3 0 dB). On observera que la forme de la courbe est plus linéaire que dans les solutions de l'Art Antérieur, pour lesquelles la variation du taux d'atténuation est illustrée en traits pointillés. La résolution obtenue grâce à l'invention est donc nettement meilleure, puisque la variation du taux d'atténuation pour un déplacement unitaire est sensiblement la même sur toute la plage de déplacement de la structure réfléchissante. A l'inverse, pour la courbe illustrée en traits pointillés, la variation de l'atténuation pour un même déplacement est beaucoup plus élevée en fin de course la structure réfléchissante qu'en début. Il ressort de ce qui précède que l'atténuateur optique conforme à l'invention présente de multiples avantages, et notamment : . la possibilité d'obtenir un taux d'atténuation variable en utilisant uniquement un déplacement rectiligne de la structure mobile, et à l'exclusion de tout mouvement de pivotement ou de rotation ; . le fait que le procédé de fabrication de la structure réfléchissante met en oeuvre des techniques classiques dans les technologies MEMS, et notamment en ce qui concerne l'opération de métallisation qui rend réfléchissante la surface caractéristique courbe ; . la possibilité de régler le taux d'atténuation, et plus précisément sa variation en fonction du déplacement de la structure mobile, en définissant une courbure appropriée pour la face réfléchissante ; + une meilleure résolution du fait que la variation du taux d'atténuation en fonction du déplacement de la structure réfléchissante peut être linéarisée. REVENDICATIONS 1/Atténuateur optique variable comportant : deux canaux (2,3) destinés à recevoir chacun une fibre optique (4), à savoir une fibre optique d'entrée (4) et une fibre optique de sortie (5) ; s une structure mobile (6) dont la face (13) en regard desdits canaux est réfléchissante, de manière à permettre la réflexion d'au moins une partie de l'énergie lumineuse issue de la fibre optique d'entrée (4) en direction de la fibre optique de sortie (5) ; 'un actionneur (9) apte à provoquer le déplacement de ladite structure mobile (6) de façon progressive, caractérisé en ce que une portion (12) de la face réfléchissante (13) de la structure mobile (6) présente une courbure non nulle dans un plan défini par les deux fibres optiques d'entrée (4) et de sortie (5). 2/Atténuateur optique variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que la courbure de la face réfléchissante (12) est dirigée vers l'arrière de ladite face. 3/Atténuateur optique variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face réfléchissante (13) comporte une portion plane (16). 4/Atténuateur optique variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que en arrière de la face réfléchissante (13), la structure mobile (6) présente une face (14) sensiblement plane et parallèle à la direction de déplacement de ladite structure. 5/Atténuateur optique variable selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur est multistable.