CH683802A5 - Integrated optical light coupling device with reduced losses - has expansion horns on ends of transmission and return optical waveguides for monomode signal, and planar reflector directing signal from transmission guide to return guide - Google Patents
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- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements
Abstract
Description
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CH 683 802 A5 CH 683 802 A5
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Description Description
La présente invention se rapporte aux moyens de couplage optique entre guides de lumière en général et concerne plus particulièrement un dispositif optique intégré de rétro-couplage de la lumière The present invention relates to optical coupling means between light guides in general and relates more particularly to an integrated optical device for retro-coupling of light.
La présentation de M. Papuchon, intitulée «L'Optique Intégrée» et publiée dans les comptes rendus des Journées d'Electronique 1982, pp. 26 et ss. (Presses Polytechniques Romandes) consacrées à l'Optoélectronique en Télécommunications et en Métrologie, est reprise partiellement ci-après. The presentation by M. Papuchon, entitled "Integrated Optics" and published in the reports of the Journées d'Electronique 1982, pp. 26 and following. (Presses Polytechniques Romandes) dedicated to Optoelectronics in Telecommunications and Metrology, is partially reproduced below.
Les chercheurs de Bell Telephone suggérèrent en 1969 une nouvelle génération de composants en montrant qu'il était possible de réaliser des éléments optiques en couches minces. Les réalisations intéressantes les plus nombreuses utilisent plus particulièrement des guides d'ondes électrooptiques réalisés dans des cristaux de LiNb03- Bell Telephone researchers suggested in 1969 a new generation of components by showing that it was possible to produce optical elements in thin layers. The most numerous interesting embodiments more particularly use electrooptic waveguides produced in LiNb03- crystals
En général, un guide d'ondes est constitué d'une zone d'indice de réfraction élevé entourée de milieux d'indices de réfraction plus faibles. Dans le cas du guide d'ondes plan, cette zone est infinie dans les deux directions autres que l'épaisseur. Dans le cas du guide d'ondes à deux dimensions, la zone de haut indice n'est infinie que dans une direction. In general, a waveguide consists of a zone of high refractive index surrounded by mediums of lower refractive indices. In the case of the plane waveguide, this zone is infinite in the two directions other than the thickness. In the case of the two-dimensional waveguide, the high index region is only infinite in one direction.
L'auteur montre que les caractéristiques du mode guidé de telles structures dépendent des propriétés optiques et géométriques de la structure. Ainsi, on peut modifier lesdites caractéristiques en changeant les épaisseurs, largeurs, indices de réfraction des milieux constituant la structure intégrée. The author shows that the characteristics of the guided mode of such structures depend on the optical and geometric properties of the structure. Thus, said characteristics can be modified by changing the thicknesses, widths, refractive indices of the media constituting the integrated structure.
Dans le cas qui nous concerne, la fonction principale recherchée est le rebroussement d'une onde guidée dans un guide d'optique intégrée. La réalisation de guides courbes intégrés dans un substrat suppose une modification importante des paramètres cités plus haut. De ce fait, une telle réalisation pose problèmes notamment quant à l'écriture de masques par faisceau électronique imposant le tracé de courbes sous forme de segments de droites. Un guide courbe, même parfaitement reproduit, subit une perte de lumière limitant le rayon de courbure toléré. A titre d'exemple, un guide optique intégré sur un substrat en verre par échange ionique K-Na et formant un quart de cercle de rayon de courbure de l'ordre de 7 mm conduit à des pertes d'environ —4 dB/it/2. In the case which concerns us, the main function sought is the turning back of a wave guided in an integrated optical guide. The realization of curved guides integrated in a substrate supposes a significant modification of the parameters mentioned above. Therefore, such an embodiment poses problems in particular as for the writing of masks by electron beam imposing the drawing of curves in the form of straight line segments. A curved guide, even perfectly reproduced, undergoes a loss of light limiting the tolerable radius of curvature. For example, an optical guide integrated on a glass substrate by K-Na ion exchange and forming a quarter of a circle with a radius of curvature of the order of 7 mm leads to losses of approximately —4 dB / it / 2.
Le texte «Guided-Wave Optoelectronics» édité par Théodor Tamir et publié aux éditions Springer concerne, plus particulièrement au paragraphe 6.1.6, la question des pertes dans les guides optiques courbes. The text “Guided-Wave Optoelectronics” edited by Théodor Tamir and published by Springer editions concerns, more particularly in paragraph 6.1.6, the question of losses in curved optical guides.
L'aptitude d'une onde optique se propageant dans un guide intégré à changer de direction est limitée par les phénomènes de conversion des modes guidés en modes radiés. La théorie des modes couplés enseigne qu'un guide optique courbé induit un couplage du mode guidé aux modes radiés. The ability of an optical wave propagating in an integrated guide to change direction is limited by the phenomena of conversion from guided modes to radiated modes. The theory of coupled modes teaches that a curved optical guide induces a coupling of the guided mode to the radiated modes.
Une solution pour limiter cette atténuation de l'onde se propageant dans un guide monomode courbe est d'augmenter la différence d'indice An entre le guide et sa gaine, ou bien d'augmenter la largeur w du guide ou encore d'obtenir une valeur élevée du rapport épaisseur sur largeur du guide. One solution to limit this attenuation of the wave propagating in a curved single-mode guide is to increase the difference in index An between the guide and its sheath, or to increase the width w of the guide or to obtain a high value of the thickness to width ratio of the guide.
Un inconvénient de ces solutions est qu'au-delà d'une certaine valeur de la largeur w du guide d'onde, celui-ci cesse d'être monomode pour devenir multimode. A disadvantage of these solutions is that beyond a certain value of the width w of the waveguide, the latter ceases to be single-mode to become multimode.
Aussi un objet de la présente invention est-il un dispositif optique intégré réalisant un changement substantiel de direction de l'onde lumineuse ne présentant pas les inconvénients et/ou les limitations des dispositifs de l'art antérieur. Also an object of the present invention is an integrated optical device making a substantial change in direction of the light wave not having the drawbacks and / or limitations of the devices of the prior art.
Un autre objet est un dispositif optique de rétro-couplage de la lumière évitant la rétro-réflexion de l'onde dans le guide d'amenée. Another object is an optical device for retro-coupling the light avoiding the retro-reflection of the wave in the supply guide.
Les caractéristiques de l'invention sont définies dans les revendications. The features of the invention are defined in the claims.
Les avantages de l'invention consistent principalement en un dispositif optique de faibles pertes et procurant une bonne tolérance quant à l'agencement des différents éléments. The advantages of the invention consist mainly of an optical device with low losses and providing good tolerance as to the arrangement of the different elements.
D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, description faite en relation avec les dessins joints dans lesquels: la fig. 1 montre un dispositif optique de rétro-couplage de la lumière conforme à l'invention. Other objects, characteristics and advantages of the present invention will become clear on reading the following description of an exemplary embodiment, description made in relation to the accompanying drawings in which: FIG. 1 shows an optical device for retro-coupling the light according to the invention.
Le dispositif optique intégré 1 de rétro-couplage de la lumière conforme à l'invention comporte, en parcourant le trajet optique, un guide optique d'amenée 2, un premier cornet d'expansion 3, un guide optique planaire 4, un élément réflecteur 5, ledit guide optique planaire 4, un second cornet d'expansion 6 et enfin un guide optique de retour 7. The integrated optical device 1 for retro-coupling the light according to the invention comprises, by traversing the optical path, an optical supply guide 2, a first expansion horn 3, a planar optical guide 4, a reflective element 5, said planar optical guide 4, a second expansion horn 6 and finally a return optical guide 7.
Ledit guide optique d'amenée 2 débouche sur ledit premier cornet d'expansion 3. Ledit guide optique de retour 7 fait suite audit second cornet d'expansion 6. Les guides optiques d'amenée et de retour sont des guides monomodes à confinement latéral. Le guide optique planaire est quant à lui monomode en profondeur et non confiné latéralement. Lesdits premier et second cornets d'expansion sont situés entre iesdits guides optiques d'amenée et de retour et ledit guide optique planaire 4. Les axes longitudinaux associés à chacun des cornets d'expansion font entre eux un angle 2a. Le guide optique planaire 4 est lui-même situé entre lesdits premier et second cornets d'expansion et ledit élément réflecteur 5. Said optical feed guide 2 opens onto said first expansion horn 3. Said return optical guide 7 follows on from said second expansion horn 6. The optical feed and return guides are single-mode guides with lateral confinement. As for the planar optical guide, it is monomode in depth and not laterally confined. Said first and second expansion horns are located between said optical supply and return guides and said planar optical guide 4. The longitudinal axes associated with each of the expansion horns form an angle 2a between them. The planar optical guide 4 is itself located between said first and second expansion horns and said reflective element 5.
Le dispositif optique intégré de l'invention est utilisé pour injecter une onde optique issue d'un premier guide optique, dit guide optique d'amenée, vers un second guide optique, dit guide optique de retour. Ces deux guides peuvent être sensiblement parallèles entre eux. The integrated optical device of the invention is used to inject an optical wave coming from a first optical guide, called the supply optical guide, to a second optical guide, called the return optical guide. These two guides can be substantially parallel to each other.
En d'autres termes, le dispositif optique permet à une onde optique monomode de se propager d'un guide monomode à confinement latéral vers un autre guide monomode également à confinement latéral, à travers un guide planaire et par l'intermédiaire des deux cornets d'expansion et de l'élément réflecteur. Ledit dispositif optique de rétro-couplage permet de plus un changement de direction de l'onde qui, selon la valeur attribuée à a, peut aller jusqu'au rebroussement. In other words, the optical device allows a single-mode optical wave to propagate from a single-mode guide with lateral confinement to another single-mode guide also with lateral confinement, through a planar guide and via the two horns d and the reflective element. Said optical back-coupling device also allows a change in direction of the wave which, depending on the value assigned to a, can go as far as the turning back.
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Le mode fondamental du guide optique d'amenée se propage dans le premier cornet d'expansion sans donner notablement naissance à des modes transverses d'ordre supérieur. L'onde optique est collimatée par le premier cornet d'expansion et se réfléchit sur l'élément réflecteur. The fundamental mode of the optical feed guide propagates in the first expansion horn without giving rise notably to transverse modes of higher order. The optical wave is collimated by the first expansion horn and is reflected on the reflective element.
Les réflections parasites dans le premier cornet d'expansion sont annulées en positionnant l'élément réflecteur de manière à ce que l'onde incidente se réfléchisse totalement dans le second cornet d'expansion. L'onde ainsi réfléchie est collectée par le second cornet d'expansion pour être focalisée dans le guide de retour. Stray reflections in the first expansion horn are canceled by positioning the reflector element so that the incident wave is fully reflected in the second expansion horn. The wave thus reflected is collected by the second expansion horn to be focused in the return guide.
La structure géométrique de chaque cornet d'expansion permet l'adaptation du taux de conversion de modes, telle que la propagation dudit mode fondamental entre le guide optique d'amenée et le guide optique planaire puis entre ledit guide planaire et le guide optique de retour se fasse sans pertes. The geometrical structure of each expansion horn allows the adaptation of the mode conversion rate, such as the propagation of said fundamental mode between the optical guide of supply and the planar optical guide then between said planar guide and the return optical guide is done without losses.
Une technologie permettant de réaliser les guides optiques à confinement latéral du dispositif optique intégré est notamment l'échange ionique dans le verre tel que décrit par J.-E. Gortych et al., «Fabrication of planar optical waveguides by K+ ion exchange in BK7 glass», Optics Letters/Vol. 11, No. 2 February 1986, pp. 100-102. One technology making it possible to produce the lateral confinement optical guides of the integrated optical device is in particular the ion exchange in the glass as described by J.-E. Gortych et al., "Fabrication of planar optical waveguides by K + ion exchange in BK7 glass", Optics Letters / Vol. 11, No. 2 February 1986, pp. 100-102.
Les cornets d'expansion sont décrits par W. K. Burns et al. dans le brevet US 4 678 267. La réalisation desdits cornets d'expansion découle du compromis «longueur - efficacité». La longueur des cornets d'expansion peut être de 10 mm pour une largeur de l'embouchure de Wmax = 35 |im. Le faisceau incident est bien collimaté et a une ouverture d'environ 10 mrd dans le cas d'une propagation de l'onde dans le verre. The expansion horns are described by W. K. Burns et al. in US Patent 4,678,267. The production of said expansion horns follows from the compromise "length - efficiency". The length of the expansion horns can be 10 mm for a width of the mouth of Wmax = 35 | im. The incident beam is well collimated and has an opening of about 10 bn in the case of a propagation of the wave in the glass.
L'élément réflecteur peut être constitué soit d'un réseau de rétro-couplage, soit d'un miroir disposé au bord du substrat. Ledit réseau de rétro-couplage a un pas légèrement supérieur à A = X/2ne, X étant la longueur d'onde de travail et ne l'indice de réfraction du verre dans lequel l'onde guidée se propage. Dans le cas d'un réseau intégré sur un substrat en verre et pour des longueurs d'ondes de travail x de 0.63 um et 1.5 um, le pas A est typiquement de 0.21 um et 0.5 (im, respectivement. The reflective element can consist either of a retro-coupling network, or of a mirror placed at the edge of the substrate. Said back-coupling network has a pitch slightly greater than A = X / 2ne, X being the working wavelength and not the refractive index of the glass in which the guided wave propagates. In the case of an integrated network on a glass substrate and for working wavelengths x of 0.63 μm and 1.5 μm, the pitch A is typically 0.21 μm and 0.5 (im, respectively.
Une technologie permettant de réaliser ces réseaux de rétro-couplage est décrite par M.T. Gale et al. dans la publication «Waveguide Gräting Fabrication and Optimization for Integrated Optic Pola-rization Interferometry,» IOOC'89, July 18—21th 1989, KOBE, Japan. A technology enabling these back-coupling networks to be produced is described by M.T. Gale et al. in the publication "Waveguide Gräting Fabrication and Optimization for Integrated Optic Polarity Interferometry," IOOC'89, July 18—21th 1989, KOBE, Japan.
Si l'angle a formé par l'axe longitudinal des cornets d'expansion et la perpendiculaire, dans le plan du guide planaire, de l'élément réflecteur est faible, alors nous sommes proches du rétro-couplage. La condition d>w/2a assure qu'il n'y a pas rétro-réflexion de l'onde issue du guide d'amenée dans ce même guide, w est la largeur de l'embouchure des cornets d'expansion et d la distance entre l'élément réflecteur et les cornets d'expansion. If the angle formed by the longitudinal axis of the expansion horns and the perpendicular, in the plane of the planar guide, of the reflective element is small, then we are close to the retro-coupling. The condition d> w / 2a ensures that there is no retro-reflection of the wave coming from the supply guide in this same guide, w is the width of the mouth of the expansion horns and d the distance between the reflector element and the expansion cones.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH3309/90A CH683802A5 (en) | 1990-10-16 | 1990-10-16 | Integrated optical light coupling device with reduced losses - has expansion horns on ends of transmission and return optical waveguides for monomode signal, and planar reflector directing signal from transmission guide to return guide |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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CH3309/90A CH683802A5 (en) | 1990-10-16 | 1990-10-16 | Integrated optical light coupling device with reduced losses - has expansion horns on ends of transmission and return optical waveguides for monomode signal, and planar reflector directing signal from transmission guide to return guide |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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CH683802A5 true CH683802A5 (en) | 1994-05-13 |
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ID=4253205
Family Applications (1)
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CH3309/90A CH683802A5 (en) | 1990-10-16 | 1990-10-16 | Integrated optical light coupling device with reduced losses - has expansion horns on ends of transmission and return optical waveguides for monomode signal, and planar reflector directing signal from transmission guide to return guide |
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CH (1) | CH683802A5 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0220439A2 (en) * | 1985-10-03 | 1987-05-06 | AT&T Corp. | Expanded end optical fiber and associated coupling arrangements |
US4678267A (en) * | 1977-11-18 | 1987-07-07 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Parabolic optical waveguide horns and design thereof |
US4688883A (en) * | 1985-05-20 | 1987-08-25 | Canadian Marconi Company | Integrated optics stress transducer |
-
1990
- 1990-10-16 CH CH3309/90A patent/CH683802A5/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
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PL | Patent ceased |