Brevet FR2848684A1 — publié le 20040618

Dispositif de contrôle dynamique de la polarisation d'une onde optique et procédé de fabrication du dispositif La présente invention concerne un dispositif de contrôle 5 dynamique de la polarisation d'une onde optique, notamment pour les liaisons optiques dans les réseaux fibrés à très haut débit, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel dispositif. Dans les réseaux à fibres à haut débit mettant en oeuvre les techniques de multiplexage en longueur d'onde, un certain nombre de 10 composants actifs du réseau sont sensibles à l'état de polarisation de l'onde, en particulier les amplificateurs à fibres ou à semiconducteurs, les commutateurs ou modulateurs externes LiNbO3, rendant extrêmement important le contrôle de la polarisation. Par ailleurs, une autre application importante concerne la compensation de dispersion de la polarisation dans 15 les liaisons optiques. La demande de brevet français FR 2 819 061 au nom de la déposante décrit un dispositif de contrôle dynamique de la polarisation permettant de contrôler à la fois la rotation des axes de polarisation et la biréfringence pour chaque direction d'axe, avec un temps très court, 20 compact, et dont les pertes d'insertion sont faibles. Pour cela, il comprend un bloc de matériau électro-optique à biréfringence variable sous l'effet d'un champ électrique et des électrodes disposées sur une surface de ce bloc, les électrodes étant reliées à un circuit permettant de faire varier les tensions électriques qui leur sont appliquées en fonction de la rotation désirée des 25 axes de polarisation. Cependant, le déphasage induit dans le matériau par application d'une tension donnée appliquée aux électrodes surfaciques est limité par la pénétration du champ dans le matériau. Le dispositif de contrôle dynamique de la polarisation selon 30 l'invention propose l'utilisation d'électrodes enterrées afin de pouvoir appliquer un champ dont on contrôle l'orientation dans toute l'épaisseur du matériau électro-optique, ce qui permet de réduire la tension à appliquer pour obtenir un même déphasage et réaliser ainsi une lame d'onde programmable de plus grande efficacité. L'utilisation d'électrodes enterrées présente cependant des difficultés technologiques; notamment, le bloc de matériau électrooptique ne doit pas perdre en rigidité lors de la fabrication des électrodes, en particulier lorsque le bloc utilisé est de dimensions suffisantes pour pouvoir être manipulé. Par ailleurs, la surface de contact entre le métal et le matériau électro-optique doit rester faible afin de ne pas allonger le temps de réponse du composant. La présente invention propose un dispositif de contrôle dynamique de la polarisation, à électrodes enterrées, qui réponde aux contraintes précitées. Plus précisément, l'invention propose un dispositif de contrôle 0o dynamique de la polarisation d'une onde optique comprenant notamment au moins un bloc d'un matériau électro-optique à biréfringence variable sous l'effet d'un champ électrique, au moins un jeu d'au moins trois électrodes réparties de manière à pouvoir générer un champ tournant d'orientation et d'amplitude variables et un circuit d'alimentation desdites électrodes, 15 caractérisé en ce que les électrodes sont formées de trous percés dans l'épaisseur dudit bloc de matériau électro-optique et métallisés. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un schéma montrant un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention; - les figures 2A et 2B, des schémas illustrant selon deux vues le fonctionnement du dispositif de la figure 1; - les figures 3A et 3B, deux exemples de configuration 25 d'électrodes du dispositif selon l'invention; - les figures 4A et 4B, des schémas montrant les lignes de champ dans les dispositifs selon l'art antérieur et selon l'invention; - la figure 5, une variante de réalisation du dispositif selon 30 l'invention; - la figure 6, une seconde variante de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 7, une troisième variante de réalisation du dispositif selon l'invention pour les applications multi-longueurs d'onde; - les figures 8A et8B des schémas illustrant le perçage des trous formant les électrodes par usinage ultrasonore. Sur ces schémas, les éléments identiques sont indexés par les mêmes repères. La figure 1 montre un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention. Le dispositif de contrôle dynamique de polarisation comprend un bloc 10 d'un matériau électro-optique à biréfringence variable sous l'effet d'un champ électrique, un jeu d'au moins trois électrodes l l (six dans cet exemple) réparties de manière à pouvoir générer un champ tournant, 10 d'orientation et d'amplitude variables, et un circuit d'alimentation des électrodes. Selon l'invention, les électrodes sont formées de trous percés dans l'épaisseur du bloc de matériau électro-optique et métallisés. Elles sont avantageusement réparties de manière circulaire mais peuvent être réparties différemment du moment qu'elles ne sont pas réparties selon un axe à une 15 dimension. Le circuit d'alimentation comprend par exemple des pistes 12 en surface du bloc de matériau électro-optique qui relient les électrodes à une commande des potentiels Vi. Les trous peuvent etre débouchants ou non. Ils sont de manière préférentielle de forme cylindrique, comme sur la figure 1, mais d'autres formes sont possibles selon l'outil utilisé pour les fabriquer. La 20 formation des électrodes au moyen de trous percés dans l'épaisseur du matériau, puis métallisés, est particulièrement intéressante car elle permet de réaliser des électrodes enterrées, assurant l'application d'un champ dont on contrôle l'orientation et l'amplitude dans toute l'épaisseur du matériau électro-optique, tout en gardant la rigidité de la lame que forme le bloc de 25 matériau électro- optique même si celle-ci est de grandes dimensions. Notamment, on peut continuer à utiliser, comme dans le dispositif de l'art antérieur, une lame de quelques centimètres de côté, facile à manipuler. Les trous sont métallisés par évaporation ou pulvérisation (par exemple Cr/Au, RuO2, platine..) et reliés à la commande des potentiels Vi. Les figures 2A et 2B montrent selon deux vues le fonctionnement du dispositif de la figure 1. La figure 2B représente une vue de la figure 2A selon la coupe AA. Le but d'un tel dispositif est de pouvoir passer d'un état de polarisation quelconque à un autre, et ce avec un temps de réponse adapté au temps d'évolution des distorsions du réseau fibré dans lequel il est 35 positionné (soit typiquement, un temps de réponse de l'ordre de la microseconde). Cela nécessite une biréfringence ajustable de 0 à 7r, des axes neutres orientables, tout en ayant des tensions de commande Vi de l'ordre de la centaine de Volts. En considérant l'exemple de la figure 2A, et dans le cas o le 5 nombre N d'électrodes vaut N = 6, pour générer un champs électrique d'amplitude Eo et faisant un angle 0 avec l'axe (Ox) défini dans l'exemple de la figure 2A comme l'axe joignant le centre du dispositif à l'électrode connectée au potentiel Vl, il faut appliquer les potentiels V= V2 = Ed cos(o) v3= v _E0d coso V3 = -V4 = E V5 -V6 E d cos(0 _ I Dans le cas d'une biréfringence induite par effet quadratique (effet Kerr), l'indice de réfraction n// du matériau dans la direction parallèle au champ électrique vaut alors: n// = no ±n30 R Eg o n0 est l'indice ordinaire, tandis que l'indice de réfraction ni dans 15 la direction orthogonale au champ électrique reste: n1 = no A titre d'exemple, une lame demi-onde d'orientation arbitraire O est obtenue lorsque le déphasage A(p induit par le composant entre les composantes du faisceau laser polarisées parallèlement et orthogonalement 20 au champ électrique vaut iz. Or: /\g = TU =2(n/ - n) e o e est l'épaisseur de la lame, d'o: E=l g, (1) n0 R e Pour la réalisation du dispositif, la déposante a montré qu'un 25 disque de céramique PLZT dont la composition Pb1,x La, Zry Tily 02 avec x=0.095 et y=0.65 assure au matériau de bonnes propriétés électro-optiques (effet Kerr) ainsi qu'un hystérésis négligeable. A titre d'exemple, pour une onde optique de longueur d'onde X = 1,55 pm, un matériau électro-optique de type PLZT avec un coefficient électro-optique R, 10-16 m2V-2, un indice ordinaire no = 2.4, la déposante a montré que le choix d'une distance inter-électrodes d = 100 pm pour des 5 électrodes de forme cylindrique de diamètre de l'ordre de 50 pm, et d'une épaisseur e de PLZT de l'ordre de 500 pm conduit à une tension Vs7 = 150 Volts nécessaire pour obtenir un déphasage de 7r. D'autres configurations d'électrodes sont possibles. Les figures 3A et 3B montrent ainsi deux exemples respectivement avec six électrodes, 10 comme dans l'exemple précédemment décrit, et avec quatre électrodes. Typiquement, dans le cas de six électrodes, le diamètre maximal O des trous sera de l'ordre de la moitié de la distance inter-électrode d. Dans le cas du choix de quatre électrode, le diamètre maximal pourra être de l'ordre de la distance inter-électrode. Nous verrons plus loin les conséquences que cela 15 impose sur le plan technologique. Dans le choix du nombre d'électrodes, un compromis doit être trouvé entre la complexité de la commande en tension et l'uniformité du champ résultant. Avantageusement, l'épaisseur du bloc de matériau électro-optique e est sensiblement comprise entre 400 et 500.tm, le jeu d'électrodes 20 comprend un nombre N pair d'électrodes réparties circulairement et de manière symétrique, et la distance inter-électrodes d est sensiblement comprise entre 100 et 400 ltm. D'autres matériaux que la céramique PLZT sont envisageables. On peut essayer d'augmenter les dimensions de la structure en trouvant un 25 matériau d'effet électro-optique plus fort, ce qui permettrait pour la même tension V7T d'augmenter la distance inter-électrode d, et donc de lever certaines contraintes de réalisation. Par exemple, le matériau monocristallin PZN ( Pb(Zn1l3Nb2/3) ) est connu pour son très important effet électrooptique. Cet effet est de manière prépondérante linéaire (effet Pockels) et on 30 a donc une variation d'indice fonction du coefficient électro-optique linéaire r: An=-n= rE soit V, = 2 n. re no étant l'indice ordinaire du PZN (no = 2,5), d la distance interélectrodes, et e l'épaisseur du matériau qui est affectée par le champ électrique (par exemple e = 500pum). On trouve dans la littérature une valeur 35 du coefficient électro-optique linéaire r compris entre 100 pmN et 130 pmiV donc pour une distance inter-électrodes d de 100,um, la valeur de la tension demi-onde VX sera comprise entre 150 et 200 Volts. Les avantages du dispositif selon l'invention par rapport au dispositif de l'art antérieur sont illustrés au moyen des figures 4A et 4B. Sur la figure 4A, les électrodes 11A sont déposées sur la surface du bloc de matériau électro-optique et de part et d'autre de celui-ci. La figure 4B reprend 5 une structure d'électrodes enterrées selon l'invention. Dans le cas d'électrodes surfaciques, et pour un matériau à effet Kerr, on montre que le champ électrique nécessaire pour générer un déphasage de n est donné par: Esn = nR (2) La comparaison des équations (1) et (2) conduit pour la structure à électrodes enterrées à une diminution des tensions à appliquer d'un facteur T i par rapport à une structure à électrodes de surface, soit un facteur 4 d pour une épaisseur e de 500pm et une distance inter-électrodes de 100pm. De plus, les électrodes telles que présentées sur la figure 4B génèrent un 15 champ électrique homogène et uniforme, ce qui évite les effets de pointe des électrodes de surface. La figure 5 montre une variante de réalisation du dispositif selon l'invention. Selon cette variante, pistes de contact 12 reliant les électrodes 11 à la commande de tension V sont isolées de la céramique PLZT par une 20 couche 13 d'un matériau isolant de faible constante diélectrique. En effet, la céramique a une constante diélectrique très élevée (supérieure à 5000), et les pistes conductrices déposés directement à la surface du matériau peuvent constituer des condensateurs parasites qui rallongent sensiblement le temps de réponse effectif du composant (T=rC, avec r la résistance de 25 charge de l'alimentation). Ce matériau est par exemple la silice qui présente une constante diélectrique voisine de 4, permettant de supprimer ce phénomène; la silice a l'avantage supplémentaire de présenter une bonne résistance mécanique, assurant une bonne protction du substrat. En outre, il est intéressant de remarquer que la couche de silice peut jouer le rôle 30 d'adaptation d'indice de réfraction entre l'air et le PLZT, puisque l'indice de la silice nsilisçe répond à la condition nsilice = Vnair X nPLZT On obtient alors une couche anti-reflet à la longueur d'onde ? lorsque l'épaisseur de silice 8 vaut: 8 = 1 + kx,k N 4 nsilice 2 nsilice Ce point peut être intéressant notamment pour une utilisation du composant à l'air libre. La figure 6 montre une autre variante de réalisation du dispositif selon l'invention adaptée notamment dans le cas d'une utilisation o une fibre à gradient d'indice 20 serait directement appliquée au composant (sans passage à l'air libre). Dans ce cas, un traitement multicouche 14 d'adaptation 10 d'indice est déposé entre la couche de silice 13 et la surface du bloc de matériau électro-optique 10, avant le dépôt de silice. On minimise ainsi les pertes par réflexion dues à l'insertion du composant dans un système fibré. La figure 7 montre une variante de réalisation du dispositif selon l'invention pour les applications multi-longueurs d'onde; Grâce au dispositif 15 selon l'invention et à sa structure d'électrodes sous forme de trous percés dans le bloc de matériau électro-optique, une application multi-longueurs d'onde est possible, le composant pouvant être aisément fabriqué de manière matricielle sur un seul bloc 10. Ainsi, la figure 7 représente un tel bloc sur lequel sont disposés plusieurs jeux d'électrodes, chaque jeu 20 d'électrodes étant destiné à recevoir un canal de la liaison de transmission optique. Par ailleurs, il est avantageux de disposer plusieurs blocs du matériau électro-optique en cascade (typiquement 2 ou 3) de telle sorte à réaliser un contrôle sans butée de la polarisation. Dans ce cas, le dispositif 25 comprend avantageusement une lame de silice (ou d'un autre matériau isolant de faible constante diélectrique) entre deux blocs de matériau électrooptique lorsque les trous formant les électrodes sont débouchants. Cette lame n'est pas nécessaire si les trous ne traversent pas de part en part le bloc de matériau électro-optique. Au travers des exemples de réalisation décrits précédemment, la déposante a montré qu'un dispositif de contrôle dynamique de polarisation très performant peut être obtenu grâce à des électrodes formés de trous percés dans le bloc de matériau électro-optique. Typiquement, ces trous ont un diamètre qui peut varier entre 50 et 500 pim; de manière préférentielle, le diamètre des trous n'excédera pas 300 hum pour limiter la valeur des tensions à mettre en jeu. Pour réaliser le dispositif selon l'invention, le perçage des trous peut être réalisé par des techniques classiques de type usinage laser, perçage mécanique, puis les trous sont métallisés par évaporation ou 5 pulvérisation. Cependant, pour des trous de faible diamètre, la déposante a montré qu'une technologie d'usinage ultrasonore était particulièrement bien adaptée. Un procédé de fabrication du dispositif de contrôle dynamique de polarisation tel que décrit précédemment comprend donc avantageusement 10 le perçage des trous formant les électrodes par usinage ultrasonore et la métallisation des trous. Selon une variante, lorsque le circuit d'alimentation comprend un ensemble de pistes conductrices en surface du bloc de matériau électro- optique, la déposante a montré qu'un procédé de fabrication particulièrement avantageux comprend, dans l'ordre, les étapes suivantes: 15 dépôt d'une couche de silice (ou autre matériau isolant de faible constante diélectrique) sur la surface du bloc de matériau électro- optique, perçage des trous, métallisation de l'ensemble de la surface, polissage de ladite surface pour ne laisser la métallisation qu'au niveau des trous, et dépôt sélectif des pistes conductrices, par exemple par procédé de lithographie (ou " lift-off "), 20 ce procédé consistant à couvrir le substrat de résine photosensible, de l'insoler aux UV à travers un masque des pistes, de développer pour faire disparaîte la résine insolée, puis de déposer le métal. On révèle ensuite; il ne reste du métal qu'aux endroits o le substrat n'était pas protégé par la résine, donc sur le tracé des pistes. Il serait également possible de métalliser 25 les trous lors de l'étape de lift-off, mais cela présente l'inconvénient de devoir inclure le dessin des trous dans le masque de lithographie, ce qui peut conduire à une mauvaise métallisation des trous ou au contraire à une métallisation autour des trous, source de faux contacts. les figures 8A et 8B illustrent par des schémas de principe la 30 technique d'usinage ultrasonore, la figure 8B étant une vue agrandie de la figure 8A. L'usinage par ultrasons est une technique d'abrasion utilisant des grains abrasifs 32 mis en mouvement par un corps vibrant à fréquence ultrasonore (sonotrode 30 entraîné par un oscillateur mécanique 31). Les 35 grains sont transportés par un fluide 33 (de l'eau en général) et projetés sur la pièce par les vibrations de la sonotrode 30. La matière est enlevée par action mécanique des grains ou par érosion de cavitation due au fluide. Cette technique, principalement utilisée pour usiner des matériaux durs et fragiles, trouve ici une application extrêmement intéressante. Ainsi, la déposante présente un dispositif de contrôle dynamique de la polarisation et un procédé de réalisation particulièrement intéressant de celui-ci. Notamment, les avantages du dispositif proposé par rapport aux dispositifs de l'art antérieur sont un temps de réponse de l'ordre de la microseconde, la possibilité d'une mise en cascade de plusieurs blocs de 10 matériau électro-optique de façon simple, la possibilité directe de réalisation d'un dispositif matriciel, un dispositif compact grâce à la possibilité de microoptiques de couplage fibre/espace libre, de faibles pertes d'insertion après traitement des interfaces, de faibles tensions de commandes (réduite typiquement d'un facteur 4 par rapport à la configuration de l'art antérieur 15 décrite dans la demande de brevet FR2819061). REVENDICATIONS 1- Dispositif de contrôle dynamique de la polarisation d'une onde optique comprenant notamment au moins un bloc (10) d'un matériau électro5 optique à biréfringence variable sous l'effet d'un champ électrique, au moins un jeu d'au moins trois électrodes (11) réparties de manière à pouvoir générer un champ tournant d'orientation et d'amplitude variables et un circuit d'alimentation desdites électrodes, caractérisé en ce que les électrodes sont formées de trous percés dans l'épaisseur dudit bloc de matériau électro10 optique et métallisés. 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trous formant les électrodes sont de forme sensiblement cylindrique. 3- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les trous formant les électrodes sont débouchants. 4- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation comprend un ensemble de pistes conductrices (12) en surface du bloc de matériau électro-optique et en ce que le dispositif comprend en outre une couche (13) d'un matériau isolant de faible constante diélectrique entre la surface du bloc de matériau électro20 optique et les pistes conductrices. 5- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit matériau isolant est la silice. 6- Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un traitement multicouche (14) d'adaptation 25 d'indice entre la couche de matériau isolant (13) et la surface du bloc (10) de matériau électro-optique. 7- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes sont réparties circulairement. 8- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que le matériau électro-optique est de type céramique PLZT. 9Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'épaisseur du bloc de matériau électro-optique (e) est sensiblement comprise entre 400 et 500 ptm, en ce qu'un jeu d'électrodes comprend un 35 nombre (N) pair d'électrodes réparties circulairement et de manière il symétrique, et en ce que la distance inter-électrodes (d) est sensiblement comprise entre 100 et 400 Ltm. 10- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un jeu d'électrodes comprend quatre électrodes, formées de trous de forme 5 sensiblement cylindrique, le diamètre du trou étant sensiblement égal à la distance inter-électrodes (d). 11 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un jeu d'électrodes comprend six électrodes, formées de trous de forme sensiblement cylindrique, le diamètre du trou étant sensiblement égal à la 10 moitié de la distance inter-électrodes (d). 12- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un bloc de matériau électro-optique comprend plusieurs jeux d'électrodes. 13- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux blocs du matériau électrooptique disposés en cascade de telle sorte à réaliser un contrôle sans butée de la polarisation. 14- Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que les trous formant les électrodes étant débouchants, il comprend en outre une 20 lame d'un matériau isolant de faible constant diélectrique entre deux blocs de matériau électro-optique. 15- Procédé de fabrication d'un dispositif de contrôle dynamique de la polarisation d'une onde optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend notammant le perçage des 25 trous formant les électrodes par usinage ultrasonore et la métallisation desdits trous. 16- Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la métallisation est faite par évaporation ou pulvérisation (Cr/Au, Ru02, platine) 17- Procédé selon l'une des revendications 15 ou 16, caractérisé 30 en ce que le circuit d'alimentation comprenant un ensemble de pistes conductrices (12) en surface du bloc de matériau électro-optique, le procédé comprend le dépôt d'une couche d'un matériau isolant de faible constante diélectrique (13) sur la surface du bloc de matériau électrooptique, le perçage des trous, la métallisation de l'ensemble de la surface, le polissage de ladite surface pour ne laisser la métallisation qu'au niveau des trous, le dépôt sélectif des pistes conductrices.