Brevet FR3055977A1 — publié le 20180316

DISPOSITIF DE COUPLAGE OPTIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif de couplage optique comprenant une lentille de focalisation et un réseau de couplage optique destiné à coupler optiquement des dispositifs optiques, par exemple, des dispositifs photoniques. Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif de couplage optique comprenant un réseau de couplage par diffraction destiné à conférer à un rayonnement lumineux, émis par ledit réseau, une enveloppe Gaussienne. ART ANTÉRIEUR La figure 1 présente un dispositif de couplage optique 1, comprenant un guide d'onde 2 et un réseau de couplage optique 3, connu de l'état de la technique et décrit à la figure 1 du document [1] cité à la fin de la description. Le dispositif de couplage optique 1 comprend : - un guide d'onde 2 comprenant un coeur formé dans une couche coeur 4 d'une épaisseur Ec, la couche coeur 4 comprenant une face, dite face avant 5, le guide d'onde étant destiné à guider un rayonnement d'une longueur d'onde X, et selon une direction XX' parallèle à la face avant ; - un réseau de couplage 3 comprenant une pluralité de tranchées 6 formées sur la face avant 5, d'une profondeur Et inférieure à l'épaisseur Ec, et disposées périodiquement selon la direction XX'. Ce type de dispositif est généralement utilisé pour coupler optiquement le guide d'onde avec un autre dispositif optique tel qu'une fibre optique. La figure 2 illustre un exemple de couplage d'une fibre optique 7 avec le guide d'onde 2 du dispositif optique. La fibre optique 7 est disposée parallèlement à un plan H perpendiculaire à la face avant 5, et comprenant la direction XX'. La fibre optique 7 présente également un angle 0 par rapport à la direction normale ZZ' au réseau de couplage 3055977 2 optique 3. L'angle 0 correspond également à un angle d'émission du réseau de couplage optique 3. Plus particulièrement, l'extrémité de la fibre optique est disposée au-dessus du réseau de couplage 3, de sorte qu'un rayonnement lumineux provenant du guide d'onde 2 soit, au moins en partie, injecté dans la fibre optique 7 via le réseau de couplage optique. 5 Nous observons, cependant, dans cette configuration que le couplage optique entre le dispositif de couplage optique 1 et la fibre optique 7 offre une efficacité limitée. Afin d'injecter une quantité optimale du rayonnement lumineux dans la fibre optique, il est souhaitable que ledit rayonnement lumineux émis par le réseau de 10 couplage présente un profil gaussien. Or, tel qu'illustré à la figure 3, une décroissance exponentielle, selon la direction XX', de l'intensité lumineuse (représentée sur l'axe vertical en fonction d'une position sur le réseau selon la direction XX' sur l'axe horizontal) émise par le réseau de couplage optique est clairement observée. 15 Pour pallier ce problème, les documents [1], [2], [3] proposent d'adapter la structure du réseau de couplage optique, notamment par apodisation dudit réseau, de manière à améliorer le couplage. Les gains en termes d'efficacité restent cependant réduits, et la décroissance exponentielle, selon la direction XX', de l'intensité lumineuse émise par le réseau de couplage optique est toujours observée. 20 Un but de la présente invention est alors de proposer un dispositif de couplage optique présentant une efficacité de couplage optique supérieure à celle des dispositifs de couplage optique connus de l'état de la technique. Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif de couplage optique pour lequel l'enveloppe du rayonnement lumineux émis par le réseau de 25 couplage optique est essentiellement Gaussienne. EXPOSÉ DE L'INVENTION Les buts de l'invention sont au moins en partie atteints par un dispositif de couplage optique comprenant en séquence, selon une direction XX', une lentille de 3055977 3 focalisation et un réseau de couplage optique, le dispositif de couplage optique étant symétrique par rapport à un plan H comprenant la direction XX', et dans lequel : - la lentille de focalisation est formée dans une couche coeur, et est destinée à focaliser un rayonnement lumineux, se propageant selon la direction XX', en un 5 point de focalisation F, la couche coeur présente une épaisseur Ec, et comprend une face, dite face avant, perpendiculaire au plan H, la couche coeur comprend également un matériau d'indice de réfraction nc, - le réseau de couplage optique comprend une pluralité de tranchées, formées sur la face avant, parallèles entre elles, et de forme convexe selon la direction XX', 10 le réseau de couplage optique comprend, en séquence, selon la direction XX', un premier sous réseau et un second sous réseau, contiguës, délimités, respectivement, par un premier contour et un second contour, lesdits premier et second contour s'étendent, selon la direction XX', respectivement, de manière divergente et de manière convergente, le point de focalisation F est compris dans le réseau de couplage optique. 15 Selon un mode de mise en oeuvre, la lentille de focalisation comprend en séquence, selon la direction XX', un premier dioptre D1 et un second dioptre D2, délimitant un évidement dans la couche coeur d'une profondeur Ee inférieure ou égale à l'épaisseur Ec. Selon un mode de mise en oeuvre, la lentille de focalisation est une lentille 20 concave-concave. Selon un mode de mise en oeuvre, le premier dioptre Dl et le second dioptre D2 présentent chacun, selon un plan parallèle à la face avant, une section en arc de cercle. Selon un mode de mise en oeuvre, le premier contour comprend en 25 séquence, selon la direction XX', un premier contour central disposé entre deux premiers contours latéraux, les deux premiers contours latéraux étant disposés symétriquement par rapport au plan H, et dans le prolongement du contour central, les deux premiers contours latéraux étant plans. 3055977 4 Selon un mode de mise en oeuvre, le premier contour central présente une section conique selon un plan parallèle à face avant, avantageusement, la section conique est un demi-cercle. Selon un mode de mise en oeuvre, la section conique est un demi-cercle. 5 Selon un mode de mise en oeuvre, la section conique comprend un foyer en coïncidence avec le point de focalisation F. Selon un mode de mise en oeuvre, le second contour comprend deux parties planes disposées dans le prolongement du premier contour, et symétriquement par rapport au plan H. 10 Selon un mode de mise en oeuvre, le second contour comprend un second contour plan, perpendiculaire à la direction XX', et reliant les deux parties planes. Selon un mode de mise en oeuvre, les tranchées de la pluralité de tranchées sont disposées périodiquement selon une période P, la période P étant définie par relation : 15 X = P(neff-nc*sin(0)) où neff est un indice de réfraction effectif d'un mode optique guidé de la lentille de focalisation vers le réseau de couplage optique, et 0 un angle, selon une direction du plan H, d'émission à partir du réseau de couplage. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 20 D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre du dispositif de couplage optique selon l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique, selon un plan de coupe transverse, d'un dispositif de couplage optique connu de l'état de la technique, 25 - la figure 2 est une représentation schématique, selon un plan de coupe transverse, d'un dispositif de couplage optique couplé à une fibre optique, et connu de l'état de la technique, - la figure 3 est un graphique représentant l'intensité (selon l'axe verticale) du rayonnement lumineux émis par un réseau de couplage optique connu de 3055977 5 l'état de la technique, en fonction d'une position sur ledit réseau selon l'axe XX' (selon l'axe horizontal), - les figures 4a et 4b sont des représentations schématiques du dispositif de couplage optique selon un mode de réalisation de l'invention, respectivement, en vue 5 de dessus (par la face avant), et en coupe transverse (selon le plan de coupe YY'), - la figure 5 est représentation schématique en vue de dessus du dispositif de couplage optique selon l'invention, détaillant les éléments de la lentille de focalisation et du contour du réseau de couplage optique selon l'invention, - la figure 6 est une représentation schématique illustrent la divergence 10 et la convergence, respectivement, du premier contour et du second contour. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention décrite de manière détaillée ci-dessous met en oeuvre un dispositif de couplage optique permettant un couplage à une fibre optique efficace. Plus précisément, la présente invention met en oeuvre un dispositif de couplage optique pourvu 15 d'un réseau de couplage optique comprenant un premier sous réseau et un second sous réseau, dont les contours (un premier contour et un second contour) respectifs s'étendent, respectivement, de manière divergente et de manière convergente selon la direction d'élongation XX' du réseau de couplage optique. Le dispositif selon l'invention comprend en outre une lentille de focalisation apte à focaliser un rayonnement lumineux, se 20 propageant selon la direction XX', en un point de focalisation F compris dans le premier sous réseau. Le premier sous réseau, avec son premier contour divergent, permet d'obtenir un rayonnement lumineux présentant un profil Gaussien selon les directions longitudinale (selon la direction XX') et transversale (perpendiculairement à la direction XX'). 25 Aux figures 4a et 4b, on peut voir une représentation schématique du dispositif de couplage optique 10 selon l'invention. Le dispositif de couplage optique 10 comprend en séquence, selon une direction XX', une lentille de focalisation 30 et un réseau de couplage optique 40. 3055977 6 Le dispositif de couplage optique 10 est formée sur ou dans une couche coeur 20. Le dispositif de couplage optique 10 est symétrique par rapport à un plan H perpendiculaire à la couche coeur 20, et dont l'intersection avec ladite couche coeur 20 5 comprend la direction XX'. Il est entendu que tous les éléments, ou sous éléments, du dispositif de couplage optique 10, cités dans la description, sont symétriques par rapport au plan H. Le dispositif de couplage optique 10 est par exemple destiné à coupler un guide d'onde avec une fibre optique. Plus particulièrement, le dispositif de couplage 10 optique 10 est adapté pour transmettre un rayonnement lumineux d'une longueur d'onde X, du guide d'onde vers la fibre optique. Dans la pratique, la fibre optique est disposée au-dessus du réseau de couplage optique, soit perpendiculairement (autrement en incidence normale), soit de manière oblique dans le plan H. Nous notons l'angle d'incidence 0 (en degrés « ° ») de la fibre optique par rapport à la normale du réseau de 15 couplage optique 10. Plus particulièrement, le réseau de couplage optique 40 émet le rayonnement lumineux selon une direction préférentielle. Dans la description, nous considérons que la fibre optique est couplée au dispositif de couplage optique 10 selon cet angle d'émission et assimilons ledit angle d'émission à l'angle 0. Nous notons à cet égard 20 que l'angle d'émission correspond à une direction comprise dans le plan H. La couche coeur 20 a une épaisseur Ec, et est faite d'un matériau d'indice de réfraction nc. Il est entendu, sans qu'il soit nécessaire de le préciser, que la couche coeur 20 est une couche de confinement d'un rayonnement lumineux quasi-monochromatique 25 de longueur d'onde X susceptible d'être guidé par le dispositif de couplage optique 10. Plus particulièrement, la couche coeur 20 comprend deux faces, dites respectivement face 21 et face arrière 22, essentiellement parallèles, et en contact avec des milieux d'indice de réfraction inférieur à l'indice de réfraction nc. 3055977 7 Par rayonnement lumineux quasi monochromatique, nous entendons un rayonnement lumineux comprenant une bande spectrale d'étendue 4X REVENDICATIONS1. Dispositif de couplage optique (10) comprenant en séquence, selon une direction XX', une lentille de focalisation (30) et un réseau de couplage optique (40), le dispositif de couplage optique (10) étant symétrique par rapport à un plan H comprenant la direction XX', et dans lequel : - la lentille de focalisation (30) est formée dans une couche coeur (20), et est destinée à focaliser un rayonnement lumineux, se propageant selon la direction XX', en un point de focalisation F, la couche coeur (20) présente une épaisseur Ec, et comprend une face, dite face avant (21), perpendiculaire au plan H, la couche coeur (20) comprend également un matériau d'indice de réfraction nc, - le réseau de couplage optique (40) comprend une pluralité de tranchées (41), formées sur la face avant (21), parallèles entre elles, et de forme convexe selon la direction XX', le réseau de couplage optique (40) comprend, en séquence, selon la direction XX', un premier sous réseau (40a) et un second sous réseau (40b), contiguës, délimités, respectivement, par un premier contour (44) et un second contour (45), lesdits premier (44) et second (45) contour s'étendent, selon la direction XX', respectivement, de manière divergente et de manière convergente, le point de focalisation F est compris dans le réseau de couplage optique (40). 2. Dispositif de couplage optique selon la revendication 1, dans lequel la lentille de focalisation (30) comprend en séquence, selon la direction XX', un premier dioptre D1 et un second dioptre D2, délimitant un évidement (31) dans la couche coeur (20) d'une profondeur Ee inférieure ou égale à l'épaisseur Ec. 3. Dispositif de couplage optique selon la revendication 2, dans lequel la lentille de focalisation (30) est une lentille concave-concave. 3055977 14 4. Dispositif de couplage optique selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le premier dioptre D1 et le second dioptre D2 présentent chacun, selon un plan parallèle à la face avant (21), une section en arc de cercle. 5 5. Dispositif de couplage optique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier contour (44) comprend en séquence, selon la direction XX', un premier contour central (44a) disposé entre deux premiers contours latéraux (44b, 44c), les deux premiers contours latéraux (44b, 44c) étant disposés symétriquement par rapport au plan H, et dans le prolongement du contour central (44a), les deux premiers contours 10 latéraux (44b, 44c) étant plans. 6. Dispositif de couplage optique selon la revendication 5, dans lequel le premier contour central (44a) présente une section conique selon un plan parallèle à la face avant (21). 15 7. Dispositif de couplage optique selon la revendication 6, dans lequel la section conique est un demi-cercle. 20 8. Dispositif de couplage optique selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le second contour (45) comprend deux parties planes (45a, 45b) disposées dans le prolongement du premier contour (44), et symétriquement par rapport au plan H. 9. Dispositif de couplage optique selon la revendication 8, dans lequel 25 le second contour (45) comprend un second contour plan (45c), perpendiculaire à la direction XX', et reliant les deux parties planes (45b, 45c). 10. Dispositif de couplage optique selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel les tranchées (41a) de la pluralité de tranchées (41) sont disposées périodiquement selon une période P, la période P étant définie par relation : 3055977 15 X = P(neff-nc*sin(0)) où neff est un indice de réfraction effectif d'un mode optique guidé de la lentille de focalisation (30) vers le réseau de couplage optique (40), et 0 un angle, selon une direction du plan H, d'émission à partir du réseau de couplage (40).