Brevet FR2892204A1 — publié le 20070420

POLARISEUR COMPACT ET SEPARATEUR DE POLARISATION ASSOCIE POUR DISPOSITIFS A SEMI-CONDUCTEURS. Le domaine de l'invention est celui des dispositifs optiques à semi-conducteurs utilisés notamment pour les télécommunications à fibre optique. Un dispositif de télécommunications à fibre optique comprend 10 essentiellement des dispositifs optoélectroniques de génération, de transduction, de mise en forme et d'amplification de signaux optiques et des fibres optiques de liaison. Après traversée d'une fibre optique standard, la connaissance de 15 l'état de polarisation du signal optique initial est perdue. Par conséquent, les dispositifs optoélectroniques utilisés pour la réception de ce signal doivent avoir des caractéristiques et des propriétés indépendantes de la polarisation. Il est très difficile d'obtenir de tels dispositifs avec des composants intégrés qui sont généralement sensibles à l'état de polarisation. On citera notamment 20 les amplificateurs optiques. Il est possible d'utiliser des composants discrets moins sensibles à l'état de polarisation, mais, bien entendu, au détriment du coût et de l'encombrement du système. Pour pallier cet inconvénient, on peut utiliser des systèmes à 25 diversité de polarisation, qui traitent séparément deux polarisations orthogonales issues de la projection de la polarisation du signal sur deux axes orthogonaux. On utilise alors un séparateur de polarisation qui existe actuellement soit en optique libre soit en optique intégrée. Dans ce dernier cas, le composant présente des dimensions supérieures au millimètre, ces 30 dimensions étant imposées par les composants utilisés pour réaliser la lame demi-onde nécessaire à la séparation des polarisations. L'invention propose de pallier ces différents inconvénients en proposant un ensemble optique de polarisation intégré qui réalise la même 35 fonction qu'un séparateur de polarisation. Cet ensemble optique délivre deux5 signaux de sortie dont l'état de polarisation est la projection de la polarisation initiale sur deux axes orthogonaux. A partir de ce premier ensemble optique, il devient alors possible de réaliser des systèmes plus complexes qui délivrent un signal optique dont 5 l'état de polarisation et l'énergie sont indépendantes de l'état de polarisation du signal d'entrée. Les rotateurs optiques réalisés à partir de cristaux photoniques sont bien adaptés à la réalisation des dispositifs selon l'invention. 10 Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de polarisation de signaux optiques caractérisé en ce qu'il comprend au moins un premier ensemble optique composé : • D'un rotateur de polarisation ayant un axe de polarisation, agencé de façon à fournir, à partir d'un signal optique SI 15 d'entrée polarisé linéairement selon une direction PI donnée, un signal optique de sortie SF polarisé linéairement selon une direction PF symétrique à la direction de polarisation du signal d'entrée par rapport audit axe de polarisation ; • D'un premier coupleur optique de type 1x2 ayant une entrée 20 optique et deux sorties optiques ; • D'un second coupleur optique de type 2x1 ayant deux entrées optiques et une sortie optique ; le rotateur de polarisation étant disposé entre la première sortie du premier coupleur et la première entrée du second coupleur, la seconde sortie du 25 premier coupleur étant raccordée à la seconde entrée du second coupleur. Avantageusement, le dispositif comprend, en outre : • un second ensemble optique comprenant un second rotateur, un troisième et un quatrième coupleur, l'axe de polarisation du second rotateur de cet ensemble optique étant perpendiculaire à celui du premier rotateur, le rotateur de polarisation étant disposé entre la première sortie du troisième coupleur et la première entrée du quatrième coupleur, la seconde sortie du troisième coupleur étant raccordée à la seconde entrée du quatrième coupleur ; 30 • Un cinquième coupleur optique de type 1x2 ayant une entrée optique et deux sorties optiques reliées respectivement à l'entrée du premier ensemble optique et à l'entrée du second ensemble optique. Avantageusement, les rotateurs sont des cristaux photoniques comportant plusieurs couches de matériau semi-conducteur, sensiblement planes et parallèles entre elles, lesdites couches comportant une série d'encoches identiques parallèles entre elles et inclinées par rapport au plan moyen des couches. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : • La figure 1 représente une vue d'un rotateur optique utilisé dans les 15 dispositifs selon l'invention ; • La figure 2 représente le schéma fonctionnel d'un polariseur selon l'invention ; • La figure 3 représente le schéma fonctionnel d'un dispositif de séparation de polarisation selon l'invention. 20 Sur les différentes figures, les conventions suivantes ont été adoptées : • Les signaux optiques sont représentés par des flèches droites transparentes ; • Les plans de polarisation sont représentés par des flèches noires orientées. Il est apparu récemment des dispositifs semi-conducteurs intégrés permettant de faire tourner le plan de polarisation de la lumière. La figure 1 représente un exemple d'un dispositif de ce type. Il comprend 30 essentiellement une hétéro-structure 10 comportant un empilement de couches sensiblement planes et parallèles entre elles réalisées en matériau semi conducteur. Les indices optiques de ces couches sont choisis de façon à assurer un guidage optique selon un axe perpendiculaire aux plans des couches. Généralement, l'empilement comprend une ou des couches dites 35 bas indice disposées entre une ou des couches dites haut indice. 25 Typiquement, les matériaux utilisés sont à base d'InP. Les couches comportent une série d'encoches 1 identiques parallèles entre elles et inclinées par rapport au plan moyen des couches. Ces encoches peuvent avoir la forme de sillons parallèles comme représenté sur la figure 1. Elles peuvent également avoir la forme de lignes ou de matrices de trous régulièrement espacés. On appellera, dans la suite du texte, la direction moyenne de l'inclinaison des encoches axe de polarisation. Les encoches ont généralement une profondeur comprise entre un et quelques microns, une longueur de quelques microns et une largeur de quelques dizaines de nanomètres. Elles sont séparées de quelques centaines de nanomètres et leur nombre varie entre quelques encoches et quelques dizaines d'encoches. L'inclinaison des encoches est typiquement de 45 degrés. On peut démontrer que les deux états de polarisation d'un signal optique respectivement parallèle et perpendiculaire au plan moyen des encoches se propagent à des vitesses différentes. On peut ainsi obtenir, en fonction de la longueur de l'hétéro-structure, un déphasage connu entre les deux états de polarisation. Par conséquent, comme indiqué sur la figure 1, si les paramètres des encoches et de l'hétéro-structure sont convenablement choisis en fonction de la longueur d'onde des signaux optiques utilisés pour obtenir un déphasage de 7c entre les deux modes de propagation, le plan de polarisation d'une onde lumineuse Si polarisée linéairement selon la direction Pi qui fait un angle a avec le plan moyen des encoches tourne d'un angle 2a après traversée de I'hétéro-structure. On obtient ainsi le signal SF polarisée linéairement selon la direction PF. La fonction réalisée est équivalente à celle obtenue avec une lame demi-onde classique. Ce type de rotateur est bien adapté pour réaliser des ensembles optiques de polarisation selon l'invention. Un premier ensemble est décrit en figure 2. Il comprend : • un rotateur de polarisation 11 ayant un axe de polarisation, agencé de façon à fournir, à partir d'un signal optique d'entrée S, polarisé linéairement selon une direction donnée PI, un signal optique de sortie SR polarisé linéairement selon une direction PF symétrique à la direction de polarisation du signal d'entrée par rapport audit axe de polarisation ; • un premier coupleur optique 21 de type 1x2 ayant une entrée optique et deux sorties optiques ; • un second coupleur optique 22 de type 2x1 ayant deux entrées optiques et une sortie optique ; le rotateur de polarisation 11 étant disposé entre la première sortie du premier coupleur 21 et la première entrée du second coupleur 22, la seconde sortie du premier coupleur 21 étant raccordée à la seconde entrée du second coupleur 22. Le fonctionnement de l'ensemble optique est le suivant. Soit un signal optique S, polarisé dont l'état de polarisation fait un angle a avec l'axe de polarisation du rotateur 11. Le premier coupleur 21 sépare ce signal SI en deux signaux d'intensité sensiblement égale et de même polarisation. Un de ces signaux traverse le rotateur. A la sortie du rotateur 11, le plan de polarisation de ce signal a tourné et fait maintenant un angle -a avec l'axe de polarisation du rotateur 11. Le second coupleur 22 combine ce signal SR avec la partie du signal issue du premier coupleur 21 et qui n'a pas traversé le rotateur. A la sortie du second coupleur 22, le plan de polarisation du signal de sortie SF a ainsi nécessairement la même direction que l'axe de polarisation du rotateur. Sa polarisation est donc connue. Si l'intensité du signal d'entrée vaut la, l'intensité du signal de sortie vaut, en supposant parfaits tous les composants optiques, 10.cos2a. On obtient bien la classique loi de Malus des polariseurs simples. L'avantage principal de cet ensemble est qu'il comprend uniquement des composants qui peuvent être facilement intégrés à des dispositifs à semi- conducteurs. Les coupleurs sont réalisés préférentiellement à partir de guides d'onde intégrés. Pour minimiser les pertes optiques dans les coupleurs, il faut éviter d'utiliser des guides d'onde reliant les différents éléments optiques avec des rayons de courbure trop faibles, ce qui accroît un peu la longueur totale de l'ensemble optique. Typiquement la longueur totale d'un polariseur de ce type reste inférieure à 100 microns. A partir de cet ensemble primaire, il est, bien entendu, possible de réaliser tous types de dispositifs utilisant des polariseurs. A titre d'exemple non limitatif, la figure 3 illustre un dispositif permettant de séparer les projections orthogonales du signal d'entrée. Le dispositif de la figure 3 comprend essentiellement : • Un premier ensemble optique tel que décrit ci-dessus comprenant un premier rotateur 11, un premier coupleur 21 et un second coupleur 22. Cet ensemble est entouré d'un rectangle pointillé sur la figure 3 ; • Un second ensemble optique similaire au premier ensemble et comprenant un second rotateur 12, un troisième coupleur 23 et un quatrième coupleur 24 , l'axe de polarisation du second rotateur 12 de cet ensemble optique étant perpendiculaire à celui du premier rotateur 11. Cet ensemble est également entouré d'un rectangle pointillé sur la figure 3; • Un cinquième coupleur optique 25 de type 1x2 ayant une entrée optique et deux sorties optiques. Le fonctionnement du dispositif optique est le suivant. Soit un signal optique Si polarisé selon la direction P, dont l'intensité du signal. d'entrée vaut l0. Le premier coupleur sépare ce signal en deux signaux SF// et SF1 d'intensité sensiblement égale Io/2 et de même polarisation. Le premier de ces signaux SF// traverse le premier ensemble. Comme il a été vu précédemment, à la sortie du premier ensemble, le plan de polarisation de ce premier signal a la même direction que l'axe de polarisation du premier rotateur. Si l'état de polarisation du signal fait un angle a avec l'axe de polarisation du premier rotateur 11, l'intensité du signal d'entrée valant l0/2, l'intensité du premier signal de sortie SF// vaut, en supposant parfaits tous les composants optiques, i .[cos2 al/2 . Le second de ces signaux traverse le second ensemble. A la sortie du second ensemble, le plan de polarisation de ce second signal SF1 a la même direction que l'axe de polarisation du second rotateur 12. L'axe de polarisation du second rotateur est perpendiculaire à celui du premier rotateur. Par conséquent, L'intensité du signal d'entrée valant l0/2, l'intensité 7 du premier signal de sortie vaut, en supposant parfaits tous les composants optiques, Io . cost a+ 71- /2, soit encore lo .[sine ai/2 . ,_ L'état de polarisation du premier signal SF// issu du premier ensemble étant orthogonal avec le second signal SF1 issu du second 5 ensemble, la fonction de séparateur de polarisation est ainsi réalisée. Typiquement la longueur totale d'un dispositif de ce type, compte-tenu des contraintes de courbure sur les guides d'onde reliant les différents coupleurs est de l'ordre de 150 microns. 10 Pour simplifier la réalisation technologique des dispositifs selon l'invention, il est intéressant d'utiliser un maximum de rotateurs ayant des axes de polarisation identiques ou symétriques. On diminue ainsi les manipulations pendant les étapes de réalisation. 15 Pour retrouver un signal d'amplitude plus importante, il est possible d'ajouter un amplificateur à la sortie de chaque branche du dispositif précédent. Par exemple, cet amplificateur peut être un amplificateur optique à semi-conducteur encore appelé SOA, acronyme anglo-saxon de Semiconductor Optical Amplifier ou un amplificateur optique à fibre dopé à 20 l'Erbium encore appelé EDFA, acronyme anglo-saxon de Erbium Doped Fiber Amplifier. On ajuste dans ce cas l'état de polarisation du signal final de façon à optimiser le fonctionnement de ces amplificateurs. REVENDICATIONS 1. Dispositif de polarisation de signaux optiques caractérisé en ce qu'il comprend au moins un premier ensemble optique composé : • D'un rotateur (11) de polarisation ayant un axe de polarisation, agencé de façon à fournir, à partir d'un signal optique SI d'entrée polarisé linéairement selon une direction P, donnée, un signal optique de sortie SF polarisé linéairement selon une direction PF symétrique à la direction de polarisation du signal d'entrée par rapport audit axe de polarisation ; • D'un premier coupleur optique (21) de type 1x2 ayant une entrée optique et deux sorties optiques ; • D'un second coupleur optique (22) de type 2x1 ayant deux entrées optiques et une sortie optique ; le rotateur de polarisation (11) étant disposé entre la première sortie du premier coupleur (21) et la première entrée du second coupleur (22), la seconde sortie du premier coupleur (21) étant raccordée à la seconde entrée 20 du second coupleur (22). 2. Dispositif de polarisation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre : • un second ensemble optique comprenant un second rotateur (12), un troisième et un quatrième coupleur (23, 24) , l'axe de polarisation du second rotateur (12) de cet ensemble optique étant perpendiculaire à celui du premier rotateur (11), le rotateur de polarisation (12) étant disposé entre la première sortie du troisième coupleur (23) et la première entrée du quatrième coupleur (24), la seconde sortie du troisième coupleur (23) étant raccordée à la seconde entrée du quatrième coupleur (24); • Un cinquième coupleur optique (25) de type 1x2 ayant une entrée optique et deux sorties optiques reliées respectivement 25 30à l'entrée du premier ensemble optique et à l'entrée du second ensemble optique. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les rotateurs sont des cristaux photoniques comportant plusieurs couches de matériau semi-conducteur, sensiblement planes et parallèles entre elles, lesdites couches comportant une série d'encoches identiques parallèles entre elles et inclinées par rapport au plan moyen des couches.10