Brevet FR3018616A1 — publié le 20150918

DISPOSITIF A INTERFERENCE MULTI-MODE LARGE BANDE Domaine technique L'invention est relative aux composants optiques et plus particulièrement à un 5 répartiteur de puissance optique appelé « dispositif à interférence multi-mode ». Arrière-plan Un dispositif à interférence multi-mode, couramment désigné par l'acronyme MMI (de l'anglais "Multi-Mode Interference"), se présente généralement sous la forme d'une dalle parallélépipédique en un matériau adapté à la transmission d'une longueur d'onde 10 optique choisie. De tels dispositifs sont notamment utilisés dans des circuits optiques réalisés en SOI. Des dispositifs MMI et des applications sont décrits, par exemple, dans ["Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging: Principles and Applications", Lucas B. Soldano and Erik C. M. Pennings, Journal Of Lightwave Technology, Vol. 13, No. 4, April 1995]. 15 La figure 1 représente une répartition de puissance optique obtenue dans un exemple de dispositif MMI. Les niveaux de puissance sont représentés par une échelle de gris, allant du blanc pour le plus faible niveau, au noir pour le niveau le plus élevé. Le centre de la face sud du dispositif reçoit une puissance optique Pin amenée par un guide d'onde. L'onde incidente se propage de façon omnidirectionnelle dans la dalle et se 20 réfléchit sur les faces de la dalle en provoquant un motif d'interférence stationnaire. Le motif dépend des dimensions de la dalle, de la longueur d'onde, et de l'indice de réfraction. Dans différentes sections transversales on trouve des motifs appelés « modes » où la puissance est répartie de façon homogène sur un nombre entier de noeuds régulièrement espacés. La figure 1 identifie plusieurs modes Mx, où x désigne le 25 nombre de noeuds de puissance. Ainsi, en choisissant convenablement la longueur de la dalle, on peut, en théorie, extraire par la face nord un nombre entier souhaité d'ondes optiques de même puissance. Dans l'exemple de la figure 1, on réalise un répartiteur 1-vers-3 (noté 1x3) en choisissant la longueur de la dalle pour arrêter le motif d'interférence sur un mode 30 M3 à trois noeuds de puissance. La position longitudinale du mode souhaité varie en fonction des dimensions de la dalle, de l'indice de réfraction, et de la longueur d'onde. Ces paramètres sont tous dépendants de la température. Lorsque le dispositif MMI est réalisé en silicium et embarqué avec des circuits électroniques de commande, la dépendance des paramètres de la température est telle que le dispositif peut devenir inopérant pour des plages de variation de température habituellement rencontrées dans des circuits électroniques. Résumé On prévoit ici un dispositif à interférence multi-mode comprenant une dalle de forme générale parallélépipédique conçue par ses dimensions et son matériau pour générer un motif d'interférence optique stationnaire à partir d'une onde optique entrante. La dalle comprend au moins trois nervures parallèles à l'axe de l'onde optique entrante et disposées selon un pas apte à assurer un couplage optique entre les nervures. Une première nervure et une partie de la dalle peuvent se prolonger, à une première extrémité du dispositif, au-delà des autres nervures pour former une entrée optique du dispositif. Au moins une deuxième nervure et une partie de la dalle peuvent se prolonger, à la deuxième extrémité du dispositif, au-delà des autres nervures pour former une sortie 15 optique du dispositif. L'entrée optique et la sortie optique peuvent être configurées pour se raccorder à des guides d'onde à nervure. Les nervures peuvent converger par groupes, à la deuxième extrémité du dispositif, vers des nervures de collection, les nervures de collection et une partie de la dalle se 20 prolongeant alors pour former des sorties optiques du dispositif. Les nervures peuvent avoir des largeurs ou des écarts différents adaptés à une répartition de puissance souhaitée à la sortie du dispositif. La zone de la dalle occupée par les nervures peut ne pas atteindre la largeur de la dalle, les guides d'onde à nervure étant alors plus larges que la zone occupée par les nervures. 25 Description sommaire des dessins Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1, précédemment décrite, représente un motif d'interférence optique dans un dispositif MMI ; - les figures 2A et 2B représentent un exemple de dispositif MMI 1x2 en silicium et une carte de la puissance transmise sur chaque canal sortant en fonction de la longueur du dispositif et de la longueur d'onde ; - les figures 3A et 3B représentent un exemple de coupleur directionnel 1x2 en silicium et une carte de la puissance transmise sur chaque canal sortant en fonction de la longueur du dispositif et de la longueur d'onde ; - les figures 4A à 4C représentent un mode de réalisation d'un répartiteur de puissance 1x2 à base d'un dispositif MMI modifié, un exemple correspondant de motif d'interférence optique, et une carte de la puissance transmise sur chaque canal sortant en fonction de la longueur du dispositif et de la longueur d'onde ; - la figure 5 représente une variante de réalisation du dispositif de la figure 4A ; et - les figures 6A et 6B représentent un mode de réalisation d'un dispositif MMI lx3 modifié selon deux variantes de configuration de nervures. Description de modes de réalisation On propose ci-après un répartiteur de puissance optique dérivé d'un dispositif MMI, qui présente une robustesse inhérente face aux variations de température. Ce répartiteur est réalisé en adjoignant un coupleur directionnel particulier à un dispositif MMI. On analyse préalablement les comportements individuels d'un exemple de dispositif MMI 1x2 et d'un exemple de coupleur directionnel 1x2 particulier. La figure 2A représente un exemple de dispositif MMI 1x2 en silicium. Il comprend une dalle parallélépipédique 10 de forme aplatie. En technologie SOI, la dalle a typiquement une hauteur de 300 nm. Pour traiter des ondes optiques dans l'infrarouge, avec des longueurs d'onde de l'ordre de 1,3 lm, la largeur de la dalle (dimension transversale à l'axe optique O) est de l'ordre de 4 1.1.m. La longueur de la dalle (parallèle à l'axe optique O) est notée L. Une puissance optique Pin est amenée au centre d'une face (avant) 10-1 de la dalle par un guide d'onde 12. Cette configuration correspond à un dispositif MMI équilibré. Dans une autre configuration, l'entrée peut être décalée latéralement pour déséquilibrer les puissances de sortie. Le guide 12 se rétrécit à l'approche de la face 10-1 à travers une partie prismatique. Avec cette configuration du guide 12, on obtient une plus grande dispersion du mode à l'entrée du dispositif MMI. Dans une autre configuration, le guide peut s'élargir, ce qui réduit les pertes optiques induites par réflexion sur la face 10-1. Deux prismes 14a et 14b, symétriques par rapport à l'axe optique O, récupèrent la puissance sortant par la face arrière de la dalle, et la répartissent vers deux guides d'onde 15a et 15b. Les prismes 14a, 14b sont suffisamment écartés l'un de l'autre pour éviter un couplage optique entre les guides. La longueur L de la dalle peut être accordée dans cette configuration pour obtenir un 10 mode pair en sortie, de sorte qu'une moitié des noeuds de puissance soit couverte par le prisme 14a, et l'autre moitié par le prisme 14b. On obtient alors une répartition équilibrée de la puissance optique dans les deux guides sortants. La figure 2B représente un exemple de carte de puissance optique obtenue dans l'un des guides sortants 15a, 15b, en fonction de la longueur L en iam et de la longueur d'onde. 15 Ces valeurs ont été obtenues par simulation sur une dalle en silicium sur SOI de 300 nm de hauteur et 4 iam de largeur. Les guides d'onde ont une largeur de 0,4 iam, et les parties prismatiques une longueur de 10 p.m. Le raccord du guide 12 sur la face 10-1 a une largeur de 0,2 iam. Les niveaux de puissance sont exprimés par des nuances de gris, le blanc correspondant 20 aux niveaux les plus faibles, et le noir correspondant aux niveaux les plus élevés. Cette carte ne comporte pas d'échelle de température, mais l'influence de la température sur la puissance optique peut être traduite par une variation équivalente de la longueur d'onde. Ainsi, pour obtenir un dispositif MMI peu sensible aux variations de température, on cherche en fait à étendre la bande passante du dispositif, c'est-à-dire la 25 largeur de la zone noire. On observe une zone de puissance maximale s'étendant au plus entre 1,28 et 1,30 lm de longueur d'onde, pour L = 9,75 iam. Pour répartir une puissance optique sur deux sorties, on peut également utiliser un dispositif appelé « coupleur directionnel ». En rapprochant suffisamment deux guides 30 d'onde, on obtient un couplage optique permettant de transmettre une partie de la puissance d'un guide vers l'autre. Une des caractéristiques des coupleurs directionnels est que le couplage s'effectue avec peu de pertes optiques. Cependant, la fraction de puissance transmise par couplage dépend de la précision dimensionnelle de l'écart entre les guides et de la longueur en regard des guides, de sorte que, contrairement aux dispositifs MMI, la répartition de puissance sur les sorties du coupleur est difficile à maîtriser avec précision, et dépend de la température. La figure 3A représente un mode de réalisation de coupleur directionnel 1x2 de structure particulière. La structure est ici symétrique par rapport à un guide d'onde central 20 qui amène la puissance lumineuse Pin. Le guide 20 s'arrête à une extrémité du dispositif et sa partie terminale présente une longueur de couplage L. De part et d'autre de la partie terminale du guide 20 sont agencés deux groupes 22a, 22b de doigts de longueur L, parallèles au guide 20, et pouvant être dans le même matériau que le guide. Les écarts entre les doigts et avec le guide 20, et les largeurs des doigts sont choisis pour qu'un couplage optique s'établisse, et notamment ici pour que la totalité de la puissance optique arrivant par le guide 20 se répartisse entre les deux doigts qui l'encadrent. Avec cette configuration, la puissance transmise par couplage à chacun des doigts 22 est répartie de nouveau entre le doigt lui-même et le doigt suivant. Avec des groups de trois doigts, on peut par exemple obtenir une répartition théorique de 25 %, 12,5 %, et 12,5 % en partant du doigt le plus proche du guide 20. Les sorties des doigts 22a et 22b sont canalisées par deux prismes 24a, 24b vers deux 20 guides d'onde 25a, 25b suffisamment écartés pour empêcher un couplage optique. Le guide entrant 20 peut comporter une partie prismatique 20-1 pour adapter la largeur de la partie terminale du guide à la largeur des doigts 22. La figure 3B représente un exemple de carte de puissance optique obtenue dans l'un des guides sortants 25a, 25b, en fonction de la longueur L en um et de la longueur d'onde. 25 Ces valeurs ont été obtenues par simulation sur une structure réalisée en SOI de 300 nm de hauteur. Les guides d'onde ont une largeur de 0,4 um et les parties prismatiques une longueur de 10 um. Les doigts 22 et la partie terminale du guide 20 on une largeur de 0,2 um, et l'écart entre ces éléments est également de 0,2 um. (La figure 3A représente le dispositif selon un échelle transversale dilatée, le dispositif étant beaucoup plus long 30 que large.) Les niveaux de puissance sont exprimés par des nuances de gris, le blanc correspondant aux niveaux les plus faibles, et le noir correspondant aux niveaux les plus élevés. On observe une zone de puissance maximale s'étendant entre 1,32 et 1,35 1.1m de longueur d'onde, pour une longueur L comprise entre 12,3 et 13,1 1.1m. Cette zone est plus étendue que pour le dispositif MMI de la figure 2A. Une structure du type de la figure 3A, utilisée seule, n'a pas de réel intérêt pour réaliser 5 un coupleur directionnel 1x2. Elle a en fait été conçue pour être combinée à un dispositif MMI pour modifier ses propriétés d'interférence. La figure 4A représente un mode de réalisation d'un tel dispositif MMI 1x2 modifié. Le coupleur directionnel particulier de la figure 3A est superposé à un dispositif MMI pour former un tout monolithique formé d'une dalle de forme générale parallélépipédique 10' 10 surmontée de nervures parallèles correspondant aux doigts 22 et à la partie terminale du guide d'onde 20. (On utilise des mêmes références qu'à la figure 3A pour désigner des éléments correspondants.) Comme cela est représenté, les nervures 22 peuvent ne pas peupler toute la largeur de la dalle. Les nervures peuplent de préférence la surface où se forment les noeuds de 15 puissance du motif d'interférence, mais on peut ne prévoir que trois nervures dans certaines applications : une nervure pour le guide entrant 20, et une nervure pour chacun des guides sortants 25a, 25b. Les nervures ont été représentées comme plus étroites que les guides, mais dans certaines applications les nervures peuvent être plus larges. De préférence, les faces avant et arrière de la dalle 10' ne sont pas matérialisées au 20 niveau des extrémités des nervures 22, ce qui pourrait entraîner des réflexions parasites affectant l'effet de couplage recherché entre les nervures. Ainsi, comme cela est représenté, la dalle 10' est prolongée le long du guide entrant 20 par une extension 30 plus large que la zone occupée par les nervures. L'extension 30 peut déborder latéralement de la zone occupée par les nervures d'environ l'écart prévu entre les 25 nervures. En fait, l'extension 30 et le guide 20 forment conjointement un guide d'onde dit « à nervure », type de guide qui s'avère donc particulièrement bien adapté à ce dispositif MMI modifié. Similairement, les deux nervures de sortie 25a, 25b du dispositif peuvent être raccordées à un guide d'onde à double nervure 32 de même largeur que l'extension 30, comme cela est représenté. La dalle 10' est alors raccordée 30 au socle du guide 32 par une partie prismatique. Dans une structure en SOI simulée ci-après, la dalle 10' et les nervures ont une hauteur de 150 nm. Les nervures sont espacées de 0,2 1.1m et ont une largeur de 0,2 1.1m. La dalle 10' et les nervures 22 ont la même longueur L. La dalle a une largeur de 4 lm. Les parties prismatiques et la dalle 10' (L) ont une longueur de l'ordre de 10 pm. Ainsi, l'échelle transversale dans les dessins a été dilatée. La figure 4B représente un motif d'interférence optique obtenu dans ces conditions, pour une longueur d'onde de l'ordre de 1,3 i.tm, les puissances étant exprimées sur une échelle de gris allant du blanc pour les niveaux les plus faibles, au noir pour les niveaux les plus élevées. Les contours du dispositif de la figure 4A sont illustrés dans cette figure. Le motif observé n'est, ni celui rencontré pour un dispositif MMI classique (figure 1), ni celui obtenu pour un coupleur directionnel du type de la figure 3A. L'association intime des deux types de répartiteurs de puissance produit un résultat qui n'est pas la somme des effets des répartiteurs individuels. En effet, les deux types de répartiteurs ne fonctionnent pas de manière indépendante, puisque qu'il apparaît en particulier une transmission optique verticale entre les nervures et la dalle. La figure 4C représente une carte de puissance optique obtenue dans l'un des guides sortants 25a, 25b, en fonction de la longueur L en i.tm et de la longueur d'onde. Cette carte ne correspond pas à la somme des cartes des figures 2B et 3B. Elle révèle une zone de puissance maximale s'étendant sur toute la bande mesurée, entre 1,28 et 1,34 pm de longueur d'onde, pour L voisin de 14,25 i.tm. La configuration de la carte laisse présager que la bande est encore plus large. Il en résulte que la structure conserve ses caractéristiques sur une plage de températures reflétant une variation de longueur d'onde supérieure à 60 nm. La figure 5 représente une variante de réalisation du dispositif de la figure 4A. Comme le montre la figure 4B, pour les valeurs numériques considérées à titre d'exemple, la puissance sortante est concentrée au niveau des nervures de rangs 2 et 6. Pratiquement aucune puissance ne sort au niveau des autres nervures (nervures de rangs 1, 3, 4, 5 et 7). Dans ce cas, on peut omettre les parties prismatiques servant à recueillir les ondes sortant de ces autres nervures. C'est ce que représente la figure 5. Seules les nervures de rangs 2 et 6 sont raccordées aux guides 25a et 25b. Comme on l'a précédemment indiqué, un dispositif MMI classique présente la caractéristique de répartir uniformément la puissance optique sur un nombre entier de sorties. Cette caractéristique est en réalité plus approximative lorsque le nombre de sorties est impair. Dans un dispositif MMI 1x3, la puissance est équilibrée entre les deux canaux sortants latéraux, mais le canal sortant central véhicule souvent une puissance supérieure. Pour ajuster la puissance du canal central dans un dispositif MMI classique, on peut dimensionner le raccord du guide d'onde central sortant pour ne collecter qu'une partie de la puissance. La puissance excédentaire est alors perdue par la face arrière de la dalle, ce qui réduit encore la plage d'utilisation du dispositif Un dispositif MMI à nervures du type de la figure 4A autorise un certain degré de réglage des canaux sortants individuels sans perte de puissance, en utilisant les propriétés de couplage optique entre les nervures 22. La figure 6A représente un mode de réalisation de dispositif MMI 1x3 à nervures. La longueur L de la dalle est choisie pour obtenir un mode à trois noeuds de puissance en sortie. On peut conserver le même nombre de nervures (sept) que pour les dispositifs précédents. En effet, le nombre de nervures ne correspond pas nécessairement au nombre de noeuds du mode choisi. Les nervures agissent de manière globale pour créer un nouveau type de motif d'interférence présentant également plusieurs modes transversaux. Ainsi, dans certaines configurations, les noeuds du mode choisi pour la sortie peuvent ne pas être alignés sur des nervures. Une nervure a cependant un pouvoir « d'attraction » des noeuds, de sorte que les noeuds d'un même mode peuvent ne pas être répartis uniformément, chaque noeud ayant tendance à se rapprocher de la nervure la plus proche. Ainsi, dans la figure 6A, on peut trouver la même configuration de nervures qu'à la figure 4A, mais la longueur L étant différente. Les noeuds de puissance latéraux sont canalisés vers les guides 25a et 25b. Le troisième noeud, au centre, est canalisé vers un guide 25c qui n'est raccordé à aucune nervure. Avec cette configuration, la fraction de la puissance transmise par couplage entre les 25 nervures 22 parvient exclusivement aux guides latéraux et est soustraite du guide central 25c. Cela permet de réduire sensiblement la puissance du canal central pour tendre à équilibrer les trois canaux. La figure 6B représente une variante de dispositif MMI 1x3 à nervures. Ici le guide central sortant 25c est relié à la nervure centrale. On souhaite qu'une fraction de la 30 puissance de la nervure centrale soit transmise au guide 25c. Cette fraction peut être réglée à l'aide de l'écart entre la nervure centrale et chacune des nervures qui l'encadrent (nervures de rangs 3 et 5). Dans la configuration de la figure 6A on a considéré que la totalité de la puissance de la nervure centrale était répartie par couplage entre les nervures qui l'encadrent. En respectant la même échelle à la figure 6B, on a augmenté l'écart entre la nervure centrale et ses nervures voisines, de sorte qu'il subsiste une fraction de puissance dans la nervure centrale à transmettre au guide 25c. Un effet équivalent peut être obtenu en réduisant la largeur de la nervure centrale. Toute modification de la largeur des nervures ou de leur écartement entraîne des modifications globales du motif d'interférence du dispositif. Ainsi, en pratique, l'ajustement individuel des puissances des canaux de sortie du dispositif peut s'avérer moins intuitif que ce qui est évoqué ci-dessus. Il est cependant certain que ces paramètres permettent d'agir individuellement sur les puissances des canaux. A défaut de pouvoir quantifier les effets par calcul, on pourra les quantifier par simulation ou des essais réels. De nombreuses variantes des modes de réalisation décrits ici apparaîtront à l'homme du 15 métier. Bien que l'on ait décrit des répartiteurs de puissance optique à une seule entrée centrale, les principes décrits sont applicables à des répartiteurs à multiples entrées, ou à des répartiteurs ayant une entrée excentrée. REVENDICATIONS1. Dispositif à interférence multi-mode comprenant une dalle de forme générale parallélépipédique conçue par ses dimensions et son matériau pour générer un motif d'interférence optique stationnaire à partir d'une onde optique entrante, caractérisé en ce que la dalle (10') comprend au moins trois nervures (22) parallèles à l'axe de l'onde optique entrante et disposées selon un pas apte à assurer un couplage optique entre les nervures. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel une première nervure et une partie (30) de la dalle se prolongent, à une première extrémité du dispositif, au-delà des autres nervures pour former une entrée optique (20, 30) du dispositif 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel au moins une deuxième nervure et une partie (32) de la dalle se prolongent, à la deuxième extrémité du dispositif, au-delà des autres nervures pour former une sortie optique (25a, 25b, 32) du dispositif 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel l'entrée optique et la sortie optique sont configurées pour se raccorder à des guides d'onde à nervure. 5. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les nervures convergent par groupes, à la deuxième extrémité du dispositif, vers des nervures de collection (25a, 25b), les nervures de collection et une partie (32) de la dalle se prolongeant pour former des sorties optiques du dispositif 6. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les nervures ont des largeurs ou des écarts différents adaptés à une répartition de puissance souhaitée à la sortie du dispositif. 7. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la zone de la dalle occupée par les nervures n'atteint pas la largeur de la dalle et les guides d'onde à nervure sont plus larges que la zone occupée par les nervures.