Brevet FR2910726A1 — publié le 20080627

COMMUTATEUR OPTIQUE ULTRA-RAPIDE A FAIBLE DIAPHOTIE, ET LIGNES A RETARDS POUR SIGNAUX HYPERFREQUENCE La présente invention concerne un commutateur optique ultra-rapide à faible diaphotie. Elle concerne également une ligne à retard pour signaux hyperfréquence. De plus en plus d'applications combinent les techniques hyperfréquences aux techniques optiques. Dans le domaine radar par exemple, il peut être intéressant d'utiliser des liaisons optiques, notamment pour des raisons de places et de sensibilité aux rayonnements électromagnétiques. Dans ce cas les circuits d'émissions et de réception hyperfréquence sont connectés à des liaisons optiques internes aux radars, notamment à des fibres optiques, via des interfaces appropriées. Un exemple d'association du domaine hyperfréquence et du domaine optique concerne les antennes à balayage électronique. Une antenne à balayage électronique comporte une multitude d'éléments rayonnant reliés en réseaux. En particulier, elle comporte des lignes ou des colonnes d'éléments rayonnants. Pour orienter la direction du faisceau d'antenne, en site ou en azimut, on joue de façon connue sur le déphasage entre les éléments rayonnant. Dans le domaine hyperfréquence large bande, ce déphasage peut être obtenu en appliquant un retard entre chaque élément d'une même ligne ou d'une même colonne. La direction du faisceau dépendant du déphasage entre éléments rayonnant, il est alors nécessaire de créer des retards variables dans le circuit de commande des éléments rayonnant formant l'antenne à balayage électronique. Ces retards variables peuvent être créés par des lignes à retard formés de commutateurs en série. Dans un cas d'utilisation des techniques optiques toute la chaîne de commande du déphasage peut être réalisée avec des composants optiques. En particulier, les commutations sont réalisées par des commutateurs optiques. Ces commutateurs permettent de réaliser des commutations rapides. Cependant un problème peut provenir d'un manque de contraste entre voies d'un même commutateur, correspondant à une forte diaphotie entre voies. Ce problème peut avoir pour conséquence d'affecter toute la dynamique de la chaîne de réception. 2910726 2 Un but de l'invention est notamment de permettre la réalisation d'un commutateur optique à faible diaphotie. A cet effet, l'invention a pour objet un commutateur optique ayant au moins un guide d'entrée et deux guides de sortie reliés au guide d'entrée, le 5 passage d'un signal optique d'entrée dans l'un ou l'autre guide de sortie étant fonction de son indice optique, l'indice optique d'un guide étant commandé par l'état de polarisation d'une électrode associée, l'électrode associée à un guide de sortie étant auto-alignée sur ce guide de sortie d'un point A, sensiblement à la jonction des guides de sortie, jusqu'à une ligne 10 BOB1 pour un guide de sortie et jusqu'à une ligne B'oB'1 pour l'autre guide de sortie, une électrode recouvrant partiellement le guide d'entrée d'un point C, C' jusqu'au point de jonction A et auto-alignée au guide d'entrée pour former la ligne C Bo pour un guide de sortie et la ligne C' B'o pour l'autre guide. Avantageusement, une électrode est par exemple auto-alignée sur le guide 15 d'entrée dans une zone d'élargissement du guide d'entrée. La ligne BoB1 ou la ligne B'oB'1 est par exemple normale à la direction du guide de sortie. Une électrode inclut la forme polygonale formée des points A, BI, Bo, C ou A, BI', Bo', C'. 20 Avantageusement, le commutateur comporte par exemple une gravure entre les électrodes et entre les guides de sortie réalisée dans le matériau supportant les guides. L'invention a également pour objet une ligne à retards pour signal 25 hyperfréquence comportant une interface transformant un signal hyperfréquence en un signal optique, au moins un commutateur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes et une interface transformant un signal transformant un signal optique en un signal hyperfréquence. 30 Les commutateurs sont par exemple connectés en cascade, les sorties d'un commutateur étant reliées à l'entrée du commutateur suivant. Avantageusement, le mode de propagation de l'onde optique est monomode. 2910726 3 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : la figure 1, une illustration du principe de fonctionnement d'une antenne à balayage électronique ; 5 la figure 2, un exemple de ligne à retards, à base de commutateurs optiques, couplée à un circuit hyperfréquence ; la figure 3, un schéma fonctionnel d'un commutateur ; la figure 4, une illustration des puissances hyperfréquence mises en jeu à l'émission et à la réception ; 10 la figure 5, un exemple de commutateur hyperfréquence ; la figure 6, un commutateur optique de type DOS selon l'art antérieur ; la figure 7, une illustration par un schéma simplifié du passage des photons dans les voies du commutateur précédent ; la figure 8, une illustration du passage de l'onde lumineuse dans le 15 même commutateur ; la figure 9, une illustration d'un passage d'onde multimode dans le commutateur ; la figure 10, une illustration d'un exemple de réalisation d'un commutateur optique selon l'invention, à modifier pour avoir électrode 20 superposée au guide optique, la forme de l'électrode sur les guides optiques de sortie doit être modifiée pour suivre une ligne par exemple normale au guide optique ; - la figure 11, un autre exemple de réalisation d'un commutateur selon l'invention ; 25 - la figure 12, un exemple de réalisation d'un commutateur selon l'invention par une vue en coupe. La figure 1 illustre le principe de fonctionnement d'une antenne à balayage électronique, formée d'un réseau d'éléments rayonnants 1, où il est possible 30 d'utiliser une chaîne optique pour commander les déphasages entre les éléments rayonnant. Les déphasages entre les éléments rayonnant créent en fait des retards AT entre les signaux émis par chaque élément rayonnant de façon à créer dans le domaine hyperfréquence un plan de phase 2 se déplaçant dans une direction donnée 3 dépendant des retards At. C'est la direction du faisceau d'antenne. 2910726 4 La figure 2 illustre un exemple de ligne à retards optiques qui peut être utilisée pour une application hyperfréquence du type de la commande d'antenne de la figure 1. La ligne à retards peut être réalisée à base de 5 commutateurs optiques 21 et de fibres optiques. lin signal hyperfréquence d'entrée Si, à la fréquence d'émission, module une source laser 22. La source laser délivre alors en sortie un signal optique 23, ou porteuse optique, modulée à la fréquence d'entrée fe. Plus particulière, la modulation de porteuse recopie le signal hyperfréquence d'entrée. La fréquence d'émission 10 fe peut être de l'ordre de 10 GHz alors que la fréquence de la porteuse optique peut être de l'ordre de 200 THz. La ligne à retards est composée de commutateurs 21 en cascade. Selon la voie qu'il commute, chaque commutateur 21 crée un retard kT ou 0 selon son rang k dans la chaîne. La ligne à retard comporte en sortie du dernier commutateur un photodétecteur 15 24 qui transforme le signal optique en un signal hyperfréquence ayant la fréquence de modulation fe de la porteuse optique. La figure 3 présente un schéma fonctionnel d'un commutateur 21, placé au rang k dans la chaîne. II commute un signal d'entrée vers une première voie 20 31 ou vers une deuxième voie 32. Un retard ki est affecté à la première voie 31, par exemple par construction, alors qu'il n'y a pas de retard sur la deuxième voie 32. Lors du passage à travers un commutateur, le signal d'entrée si, s2 subit donc un retard kt ou un retard nul selon la voie de sortie sélectionnée. Comme le montre la figure 2, les commutateurs sont connectés 25 en cascade. Le premier commutateur de rang 1 produit un retard T, le deuxième commutateur produit un retard 2T et le dernier commutateur de rang N produit un retard Nt. La ligne à retard peut ainsi produire une suite de retards de pas T, dont la valeur est comprise entre 0 et (2" ù 1) T. Selon la commande appliquée aux commutateurs de la ligne à retard, il est ainsi par 30 exemple possible de commander les retards, et donc les déphasages, appliqués aux signaux émis par les éléments rayonnant 1 de la figure 1, et donc d'orienter le faisceau d'antenne 3. La figure 4 illustre à titre d'exemple les puissances mises en jeu à l'émission 35 et à la réception de signaux radars pour une antenne réseau du type de celle 2910726 5 de la figure 1. Une première courbe 41 illustre le signal émis, plus particulièrement sa puissance P en fonction de la fréquence f. Cette puissance P peut atteindre par exemple 10 dBm. Une deuxième courbe 42, décalée en fréquence, représente la puissance du signal reçu, réémis par 5 une cible par exemple à partir du signal émis 41. Il est bien connu que cette puissance est très inférieure à la puissance du signal émis. Elle peut être par exemple de l'ordre de -100 dBm. C'est ce signal reçu qui permet la détection de la cible. Le signal reçu 42, bien que décalé en fréquence par rapport au signal émis 41, peut être recouvert par la puissance du signal émis si ce 10 dernier est trop large, en d'autres termes s'il n'est pas assez pur. Le signal émis peut être d'autant caché par le signal émis qu'il est très faible en regard de ce dernier. Pour éviter ce type de recouvrement, de grandes précautions sont prises pour obtenir un signal émis le plus pur possible, en particulier au niveau des 15 oscillateurs locaux ou des horloges internes. Cependant, il faut maintenir la pureté tout au long de la chaîne d'émission, mais aussi de réception, en particulier dans la chaîne optique comportant les lignes à retard telles qu'illustrées par la figure 2. En particulier, la pureté peut se dégrader au niveau des commutateurs 21, même au niveau de commutateurs optiques. 20 La figure 5 rappelle le problème posé par un commutateur électrique dans le domaine hyperfréquence. Le commutateur 51 comporte deux entrées, dont l'une reçoit un signal à la fréquence f1 et l'autre reçoit un signal à la fréquence f2. Il commute sur l'une des sorties l'un ou l'autre de ces signaux. 25 Dans un commutateur électrique, si les fréquences f1 et f2 sont proches cela crée en sortie un signal parasite. Dans un commutateur électrique une commutation pure est très compliquée à obtenir voire impossible en raison des fuites entre les voies de commutation. Dans un commutateur de type électrique on peut au mieux obtenir une isolation entre les voies de l'ordre de 30 20 dB notamment. Il y a donc un intérêt à utiliser un commutateur optique au moins pour améliorer l'isolation entre les voies. En effet, le domaine optique permet d'améliorer l'isolation obtenue en sortie de chaîne dans le domaine électrique, hyperfréquence. En particulier, la puissance hyperfréquence étant 35 proportionnelle au carré de l'intensité électrique, si on gagne par exemple 2910726 6 1 dB en isolation pour un commutateur optique, ce gain correspond à un gain de 2 dB au niveau du signal hyperfréquence. Donc l'utilisation d'un commutateur optique permet d'améliorer le gain d'isolation, en passant par exemple de 20 dB, pour un commutateur électrique, à 40 dB pour un 5 commutateur optique. Cependant, en raison du degré d'isolation exigé, notamment pour assurer une pureté spectrale suffisante, une isolation de 40 dB peut être insuffisante. Les commutateurs optiques existant ne permettent pas en effet d'atteindre les niveaux de contraste requis pour assurer une haute qualité des signaux 10 commutés. L'invention permet d'améliorer l'isolation en atteignant par exemple 80 dB. La figure 6 présente par un schéma de principe un commutateur optique conventionnel 60. II s'agit d'une jonction en Y comportant en surface une 15 électrode 61, 62 disposée sur chacune des branches de sortie 63, 64. Les signaux à commuter si, s2 sont orientés vers la branche d'entrée 65. Ce commutateur est du type DOS, acronyme de l'expression anglo-saxonne Digital Optical Switch . La commutation est basée sur un changement de direction de propagation de l'onde optique dans la jonction en Y par variation 20 d'indice, associée à une injection de porteurs. L'ordre de grandeur de l'angle d'ouverture a de la jonction en Y peut être de l'ordre de 1 degré. Sur la figure 6, cet angle est nettement augmenté notamment pour des raisons de lisibilité. En fonctionnement on polarise l'une des deux électrodes 61, 62, ce qui induit 25 une injection des porteurs dans la branche sous-jacente 63, 64. Cette injection se traduit par une variation de l'indice du matériau, en fait par une diminution. Cette variation provoque un changement des conditions de propagation de la lumière dans les branches 63, 64 formant guides. La lumière se propage alors dans le guide d'indice le plus élevé donc dans la 30 branche non polarisée. En d'autres termes, une branche 63 est commandée pour propager la lumière, et donc pour commuter le signal optique entrant s,, s2 vers sa sortie, lorsqu'elle n'est pas polarisée. Un commutateur tel qu'illustré par la figure 6 ne possède pas encore des performances de contraste ou d'isolation suffisante. L'invention permet, 35 notamment par une nouvelle conception de la forme des électrodes de 2910726 7 commutation, d'améliorer ces performances. Elle permet alors de limiter les pertes de lumière liées au couplage entre les guides 63, 64 de sortie. La figure 7 illustre par un schéma simplifié un rendement de commutation. 5 Pour 100 photons entrant dans la branche d'entrée, 99 sont commutés vers la branche de sortie autorisée 64 dont l'électrode 62 n'est pas polarisée. 1 photon passe dans l'autre branche 63 dont l'électrode 61 est polarisée. Il y a donc une fuite d'environ 1 photon sur 100, soit une isolation de l'ordre de 20 dB. Pour atteindre 80 dB d'isolation par exemple, il faut que 9999 photons 10 environs passe dans la branche autorisée 64 lorsqu'un seul environ passe dans l'autre branche 63. La figure 8 présente le commutateur 60 sous une autre forme, les électrodes n'étant pas représentée et le signal optique 81 étant représenté sous son 15 aspect ondulatoire. L'embranchement des guides 63, 64, 65 est une zone critique pour la commutation. Le passage dans l'un ou l'autre guide de sortie se situe dans cette zone de longueur L, L étant de l'ordre du millimètre. Dans l'exemple de la figure 8, les électrodes sont commandées pour faire passer l'onde entrante 81 dans un guide 64. Néanmoins, une partie 82 de l'onde 20 passe dans l'autre guide 63. La figure 9 illustre le principe de l'invention. Plus particulièrement, la figure 9 illustre le passage au niveau de l'élargissement du guide optique d'un premier mode de propagation 91 de l'onde optique entrante. Le mode se 25 propage par réflexions successives sur les parois des guides. La figure 9 illustre aussi le passage d'un deuxième mode de propagation 92, se propageant de la même façon. Avantageusement, l'invention permet le passage d'une multitude d'autres modes, permettant ainsi le passage d'une grande quantité de photons. 30 La figure 10 illustre une forme possible des électrodes 61, 62. Elle présente une zone d'élargissement 110 qui est auto-alignée aux guides optiques et recouvre en totalité les guides, l'auto-alignement signifiant que les bords des guides et des électrodes sont confondus dans cette zone. En d'autres 2910726 8 termes, il y a un élargissement 110 simultané et superposé d'une électrode 63, 64 et du guide d'entrée 65. En particulier, la zone de recouvrement d'une électrode commence par exemple au point A de jonction des guides de sortie 63, 64 et se prolonge 5 d'une part jusqu'à une ligne BoB1, par exemple norrnale au guide de sortie de la paroi extérieure du guide de sortie 63, et d'autre part jusqu'à un point C de la paroi adjacente du guide d'entrée 65. L'électrode 61 forme ainsi par exemple un polygone de sommets A, BI, Bo, C. Par cette forme, l'électrode recouvre exactement la surface occupée par les guides d'onde. L'électrode 10 62 recouvrant l'embranchement entre le guide d'entrée 65 et l'autre guide de sortie 64 est par exemple symétrique et forme un polygone de sommet A, B,', Bo', C'. Ainsi, la zone de recouvrement de cette électrode 62 commence par exemple au point A de jonction des guides de sortie 63, 64 et se prolonge d'une part jusqu'à une ligne B'oB'1, par exemple normale au guide 15 de sortie 64 de la paroi extérieure du guide de sortie 64, et d'autre part jusqu'à un point C' de la paroi adjacente du guide d'entrée 65. Le point A si situe à la jonction des guides de sorties ou à proximité. Les électrodes étant auto-alignées avec les guides de sortie 63, 64, les points Bo, BI, B'o, B'1 appartiennent aux bords ou parois de ces guides. 20 D'autres formes de guides optiques et d'électrodes, auto-alignées aux guides, sont bien sûr possibles, notamment en englobant la forme polygonale décrite à la figure 10, par exemple en substituant des guides et électrodes courbes aux guides et électrodes rectilignes représentés sur la figure 10. 25 La figure 11 montre à cet effet un exemple de réalisation où les électrodes 61, 62 se prolongent en regard des guides de sorties 63, 64. Pour améliorer le contraste une gravure profonde est par exemple réalisée entre les guides de sortie 63, 64, par exemple dans un substrat en matériau 30 semi-conducteur supportant les guides. Cette gravure sert essentiellement à diminuer le couplage optique entre les deux branches et peut être réalisée par exemple par des trous. Les deux électrodes sont isolées par une gravure peu épaisse des couches de contact p+. 2910726 9 Cette gravure profonde, en contribuant à l'amélioration du contraste ou de l'isolation, permet par ailleurs de diminuer la longueur des électrodes et donc de réduire la surface du commutateur, donc sa consommation 5 La figure 12 illustre par une vue en coupe un mode de réalisation possible d'un commutateur de type DOS selon l'invention. La vue en coupe est effectuée selon DD' en se référant à la figure Il, au niveau du guide d'entrée 65 recouvert en partie par les électrodes 61, 62. Les électrodes sont par exemple réalisées par le dépôt des couches métalliques suivantes Pt, 10 d'épaisseur 100A, Ti d'épaisseur 300A, Pt d'épaisseur100A, Au d'épaisseur 3000A et Ti, d'épaisseur 200A. Deux couches de contact superposées 121, 122 en InGaASP P+ et InP P+ ayant pour but de faciliter l'injection des porteurs, sont situées sous les électrodes du guide d'onde 65. Avant la gravure des guides, la gravure sous 15 les électrodes des couches de contact GaInAsP P+ et InP P+ peut être en effet indispensable afin d'éviter les courts-circuits. On utilise donc le métal comme masque pour graver, par plasma RIE, les deux couches p+ éventuellement jusqu'à la couche d'arrêt prévue à cet effet. Par suivi interférométrique, on est capable de s'arrêter lorsque les deux couches ont 20 été gravées Les guides d'onde 63, 64, 65 sont par exemple réalisés en InP. Pour réaliser les guides 63, 64, 65, on utilise par exemple un masque en silice pour réaliser la gravure des guides. L'épaisseur de silice nécessaire est par exemple de l'ordre de 1000A. Le transfert des motifs en résine sur la couche de silice peut être effectué par gravure plasma : CHF3/CF4 (40/40); 25 125W, 50mT, 420V. La vitesse de gravure de la silice est par exemple de 400A/mn. Après la réalisation du masque des guides en silice, un plasma 02 est effectué pour éliminer les traces résiduelles de résine électronique SAL601. On grave ensuite la couche d'InP, d'un micron d'épaisseur, par plasma RIE. Une couche d'arrêt 123 peut une fois encore être prévue pour 30 contrôler l'épaisseur gravée et obtenir une bonne homogénéité sur de grandes surfaces. Après avoir gravé les guides, deux étapes de nettoyage sont nécessaires. La première étape consiste à éliminer les restes de silice sur le ruban, en utilisant un plasma CHF3/CF4. Ensuite, on attaque la couche d'arrêt par une solution chimique adéquate par exemple en utilisant la 35 solution /H2O/H3PO4 aux proportions 1/40/5 pour AlInAs. 2910726 10 Des gravures profondes des couches 126,123 et partiellement 124 peuvent être réalisées de part et d'autre des guides de sortie 63 et 64, à une distance, par exemple, d'une dizaine de microns. Une métallisation face arrière, 152, sur le substrat dopé 124 peut être 5 nécessaire. REVENDICATIONS 1. Commutateur optique ayant au moins un guide d'entrée (65) et deux guides de sortie (63, 64) reliés au guide d'entrée, le passage d'un signal optique d'entrée dans l'un ou l'autre guide de sortie étant fonction de son indice optique, l'indice optique d'un guide étant commandé par l'état de polarisation d'une électrode associée (61, 62), caractérisé en ce que l'électrode (61, 62) associée à un guide de sortie (63, 64) est auto-alignée sur ce guide de sortie d'un point A, sensiblement à la jonction des guides de sortie, jusqu'à une ligne BoB1, B'oB'1, ladite électrode recouvrant partiellement le guide d'entrée (65) d'un point C, C' jusqu'au point de jonction A et auto-alignée au guide d'entrée (65) pour former la ligne C Bo, C' B'o. 2. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en que une électrode (61, 62) est auto-alignée sur le guide d'entrée dans une zone d'élargissement (110) du guide d'entrée. 3. Commutateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ligne BoB1, B'oB'1 est normale à la direction du guide de sortie. 20 4. Commutateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une électrode (61, 62) inclut la forme polygonale formée des points A, BI, Bo, C ou A, BI', Bo', C'. 5. Commutateur optique selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une gravure entre les électrodes et entre les guides de sortie réalisée dans le matériau (126) supportant les guides. 6. Commutateur optique selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce qu'il est du type DOS. 7. Ligne à retards pour signal hyperfréquence, caractérisée en ce qu'elle comporte une interface (22) transformant un signal hyperfréquence en un signal optique, au moins un commutateur optique (21, 60) selon l'une 15 2910726 12 quelconque des revendications précédentes et une interface transformant un signal (24) transformant un signal optique en un signal hyperfréquence. 8. Ligne à retards selon la revendication 7, caractérisée en ce que les 5 commutateurs sont connectés en cascade, les guides de sortie (63, 64) d'un commutateur étant reliés à l'entrée (65) du commutateur suivant. 9. Ligne à retards selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le mode de propagation de l'onde optique est 10 monomode.