EP1377857A2 - Integrated high spectral resolution optical spectrometer and method for making same - Google Patents

Integrated high spectral resolution optical spectrometer and method for making same

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EP1377857A2
EP1377857A2 EP02722382A EP02722382A EP1377857A2 EP 1377857 A2 EP1377857 A2 EP 1377857A2 EP 02722382 A EP02722382 A EP 02722382A EP 02722382 A EP02722382 A EP 02722382A EP 1377857 A2 EP1377857 A2 EP 1377857A2
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EP
European Patent Office
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optical
spectrometer
spectrometer according
radiation
microguides
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02722382A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Michel Bugaud
Sylvain Magne
Gilles Grand
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to an optical spectrum analyzer also called a “spectral analysis device” or, more simply, an “optical spectrometer”.
  • This spectrometer is particularly applicable to infrared radiation, for example in the field of high speed optical telecommunications.
  • Other applications of the invention, in particular optical metrology, will be mentioned below.
  • Optical telecommunications have enabled a considerable increase in information rates thanks to spectral and time coding.
  • speeds of the order of 40 Gigabits / s are obtained on a single optical fiber.
  • DWDM or dense wavelength multiplexing (“Dense Wavelength Division Mul tiplexing")
  • the information rate exceeds 1 terabit / s.
  • the increase in speeds which is necessary for establishing information transfer protocols (in particular on the Internet), requires simultaneously increasing the spectral width of the telecommunications band and reducing the spectral interval between canals.
  • This approach is limited by the wavelength routing capacities, by the power available for the amplifiers and by the non-linear effects such as the stimulated Raman effect, the stimulated Brillouin effect and especially the four-wave mixing. which constitutes a limit for the wavelength separation.
  • the first is around 800 nm; it is used for local networks with multimode fibers.
  • the second spectral window is located around 1280 nm to 1350 nm (corresponding to a minimum of dispersion in silica); it is currently little used because the optical amplifiers with fibers doped with praseodymium (PDFA), which were developed for this window, have never reached the performance of fiber amplifiers doped with erbium (EDFA) for the band. at 1.55 ⁇ m.
  • PDFA praseodymium
  • EDFA erbium
  • the third window is located around
  • Band C (“C-band”) is the spectral band amplified by traditional EDFA optical amplifiers; it extends from 1528 nm to 1565 nm and therefore over 37 nm.
  • the L-band (“L-band”) extends from 1561 nm to 1620 nm, and therefore over 59 nm, and corresponds to EDFA optical amplifiers with “Raman” amplification.
  • ITU International Telecommunication Union
  • International Telecommunication Union International Telecommunication Union
  • ITU grid that is to say the set of wavelengths defined by the ITU, begins at 1528.77 nm (196.1 THz) to reach 1563.86 nm (191.7 THz). It has 45 wavelengths which extend over approximately 36 nm.
  • the growing need for transmission capacity means that a channel interval of 0.4 nm (50 GHz) becomes likely, although the non-linear effects currently limit the transmission range.
  • New optical amplifiers with fibers doped with thulium make it possible to cover the spectral range which extends from 1470 nm to 1500 nm.
  • This domain which is currently called “S-band” (“S-band”) thus completes the third window (the spectral band located at 1510 nm + 10 nm comprising supervision channels).
  • optical amplifiers are studied using amplification mechanisms by stimulated Raman effect.
  • the amplification is provided in a distributed and not a pointwise manner (as is the case in EDFA amplifiers).
  • the noise factors obtained using a Raman amplification are better than those that one obtained with EDFA amplifiers, which makes it possible to reduce the transmitted optical powers and therefore to reduce the spectral interval between channels.
  • stimulated Raman effect amplifiers make it possible to amplify a much wider spectral band by means of a suitable assembly of pumping lasers.
  • a Raman amplifier can thus cover all wavelengths between 1300 nm and 1660 nm, that is to say much more than the bands currently covered by doped fiber amplifiers.
  • the current DWDM transmission spectrum extends over a hundred nanometers (C and L bands) for a spectral separation between channels of 0.8 nm.
  • the TDFA amplifiers can be improved for the S band, which would make it possible to cover a total spectral band of approximately 150 nm (S, C and L bands).
  • optical spectrum analyzer it is important to have an optical spectrum analyzer in order to check the wavelength allocations and to maintain a low error rate on all the channels. It is also important to measure the intensity of optical signals with a good signal-to-noise ratio.
  • the separating power of this spectrometer is approximately equal to or greater than 30000 and that the observed wavelength range makes it possible to satisfy the future bandwidth standard (between 120 nm and 180 nm).
  • the total number of measurement points is therefore at least of the order of 2400 to 3600 and preferably close to 7200.
  • Such a spectrometer becomes vital for future DWDM networks and would be widely used for optical checks at each node of a network (“network”) comprising a wavelength add-drop device), a terminal or amplifier.
  • diffraction gratings spectrometers with single or double passage
  • Fabry-Perot interferometric cavities with free space scanning or Fourier Transform spectrometers based on Michelson interferometers.
  • multiplexers / demultiplexers could be used as optical spectrum analyzers, but these devices do not make it possible to perform optical spectrum measurements and only perform the multiplexing functions compatible with the ITU 50 GHz standard.
  • optical spectrometer having the following qualities: "wavelength separation better than the interval between channels (0.4 nm), that is to say at least 0.05 nm ( spectrometer resolution power greater than 30,000),
  • phasears optical phase arrays
  • AWGs arrayed Waveguide
  • the present invention aims to remedy the drawbacks mentioned above and to provide optical spectrometers having all or part of the qualities mentioned above and in particular an ability to separate wavelengths very close to each other, a wide spectral band of operation and the possibility of being compact and obtained in integrated form to be portable.
  • the subject of the present invention is an optical spectrometer comprising at least one elementary optical spectrometer, this elementary optical spectrometer being characterized in that it comprises: an optical phase network comprising a set of micro-guides, this network of optical phase being formed on a planar optical guide which is cleaved, - reflection means capable of successively reflecting radiation from all of the microguides, with a view to propagation of this radiation in folded form and in free space,
  • the reflecting means are adapted to enable propagation of radiation in folded form, first in the planar optical guide then in free space, above this planar optical guide, in a plane which is parallel to the latter.
  • the optical phase grating is designed to operate by reflection and the planar optical guide has a plurality of cleaved sides, made reflective with respect to radiation from the set of microguides and vis-à-vis radiation intended to penetrate this set.
  • the set of microguides ends at one of the cleaved sides and the optical phase grating comprises a focusing zone which leads to at least one of these cleaved sides.
  • the optical phase network is designed to operate by reflection and the planar optical guide has a cleaved side, which is made to reflect vis-à-vis radiation from the set of microguides and vis-à-vis the radiation intended to penetrate this assembly and to which all of the microguides ends, as well as other cleaved sides capable of reflecting this radiation, this radiation being intended to arrive on these other cleaved sides with angles of 'incidence large enough to lead to a total reflection of these radiations.
  • the microguides form, for example, arcs of concentric circles.
  • the optical phase network is designed to operate by transmission.
  • the reflection means comprise:
  • a prism which is provided for reflecting the radiation from the set of microguides in a plane parallel to the planar optical guide on which the optical phase network is formed, and - at least one mirror provided for reflecting the radiation propagating in this plan towards the photodetection means.
  • the optical spectrometer which is the subject of the invention may further comprise a support on which the optical phase grating, the reflection means and the photodetection means are positioned in relation to each other.
  • this support is obtained by molding or hot stamping of a plastic material, from a mold obtained by a molding technique by lithography and electro-forming.
  • the optical spectrometer which is the subject of the invention further comprises means for compensating for modifications undergone by the optical phase network due to variations in temperature.
  • these compensating means preferably comprise a bar having a coefficient of preferably high thermal expansion, this bar being made integral with the mirror to generate, by thermal expansion, changes in the orientation of the mirror, capable of compensating for the changes undergone by the optical phase grating.
  • the planar optical guide is obtained by an integrated optical technique on glass or on a semiconductor, in particular silicon or indium phosphide.
  • the present invention also relates to an optical spectrometer comprising a plurality of elementary optical spectrometers according to the invention, intended to cover in a modular manner a determined spectral range and optically coupled to an input optical fiber by means of wavelength separation.
  • this spectrometer further comprises polarization separation means which connect these wavelength separation means to the elementary optical spectrometers.
  • this spectrometer further comprises power separation means and polarization means which connect these wavelength separation means to the elementary optical spectrometers.
  • the present invention also relates to an advantageous method of manufacturing the spectrometer which is the subject of the invention, in which the optical phase grating is of the folded type, to operate by reflection, and manufactured in several copies, by head-to-tail pairs, according to the techniques. integrated optics, from the same substrate which is then cleaved to obtain the various optical phase networks thus manufactured and to form an elementary optical spectrometer with each of these.
  • each optical phase network from a substrate and to form cleavage marks at the same time as the optical phase network microguides on this substrate.
  • the present invention further relates to a spectral analysis device for high speed optical telecommunications using dense wavelength division multiplexing, this device comprising the spectrometer object of the invention, which comprises the plurality of elementary optical spectrometers, for provide a real-time indication of channel placement in the range from 1528.77 nm to 1563.86 nm, in a modular fashion and adaptable to the needs of users.
  • the present invention also relates to a Bragg grating optical metrology device, this device comprising the spectrometer which is the subject of the invention, which comprises the plurality of elementary optical spectrometers, for measuring Bragg wavelengths.
  • This spectrometer is for example intended to detect optical signals coming from at least one Bragg grating sensor.
  • the dispersive device that the elementary optical spectrometer comprises is a component of integrated micro-optics called an optical phase network, or also phasar, which comprises a plurality of waveguides, each of which introduces a phase shift compared to the one preceding it; such a phasar generates a “mono-dimensional” set of electrical signals
  • a spectrometer may include one or more elementary spectrometers mounted in parallel, arranged in multiple stages; the optical spectrum sought is then obtained by concatenating all the elementary spectra coming from each of the phasars; this parallel assembly makes it possible to resolve the physical contradiction between obtaining a good spectral resolution (that is to say a high dispersion), a large spectral range and a minimum bulk for the spectrometer ; - in addition, to minimize congestion, each phasar can be a phasar operating in transmission or a half-phasar "folded" (to operate in reflection) thanks to an interface forming a mirror, located in the area of phase shifting microguides; moreover, the adaptation of the phasar dispersion properties to the dimensions of the photo-detector arrays leads to “folding” the focusing area a plurality
  • the optical spectrometer of the invention comprises half-phasars "folded" at the level of the micro-guides by an interface forming a mirror and the focusing area is therefore identical for entry and exit (unlike conventional phasars);
  • the focusing zone can also be "folded" in part on the substrate where it is formed and also in free space, by optical means assembled on a support preferably obtained by pre-forming according to the technique called LIGA, this support being capable of including temperature self-compensation means;
  • Such a multi-stage optical spectrometer with “folding” makes it possible to solve the problems posed in the field of DWDM telecommunications.
  • FIG. 1 is a block diagram of a DWDM spectrometer according to the invention
  • FIG. 2 is a block diagram of another DWDM spectrometer according to the invention, using polarization splitters,
  • FIG. 3 is a block diagram of another DWDM spectrometer according to the invention, using optical fiber polarizers,
  • FIG. 4 schematically illustrates an example of a masking diagram for a half-phasar in integrated optics on glass, usable in the invention
  • Figure 5 is an optical diagram corresponding to half phasar shown in Figure 4,
  • FIG. 6A is a schematic view of an assembly of an elementary micro-spectrometer according to the invention, using the technique called LIGA for "Lithography Galvanoformung Abformung",
  • FIG. 6B is the section AA in FIG. 6A
  • FIG. 7A is a schematic view of an assembly of another elementary micro-spectrometer according to the invention, also using the LIGA technique,
  • FIG. 7B is the section AA in FIG. 7A
  • FIG. 8 schematically illustrates a mechanism for passive self-compensation of the thermal dependence of a phase network usable in the invention
  • FIG. 9 schematically illustrates another mechanism for passive self-compensation of the thermal dependence of a phase network usable in the invention
  • FIG. 10 schematically illustrates an example of a masking diagram of two half-phasars in integrated optics on glass, usable in the invention
  • FIG. 11A is a schematic view of an assembly of another elementary micro-spectrometer according to the invention, using the LIGA technique,
  • FIG. 11B is the section AA in FIG. 11A,
  • FIG. 12 schematically illustrates an application of a device according to the invention to the measurement of deformations, pressures and temperatures using Bragg gratings forming transducers
  • FIG. 13 schematically illustrates a wafer of 8 inches (about 20 cm) in integrated silica on silicon optics as well as an example of a masking scheme of phasar components according to the elementary mask described with reference to the figure 10.
  • An objective of the present invention is the production of a compact spectrometer, at optimized cost, which makes it possible to cover the useful spectrum for the third telecommunications window (conventional band, or C band, and long band or L band).
  • the spectral band to cover to satisfy the current telecommunications market is around 120 nm.
  • the current ITU grid is 50 GHz, which corresponds to a separation of approximately 0.4 nm between channels (the number of channels being equal to 300).
  • phasars are used for reasons of dispersion (phasars having a high diffraction order), compactness and crosstalk performance.
  • sizing calculations show that it is not easy to manufacture a single phasar for the entire wavelength range because the number of micro-guides required to satisfy the spectral resolution criterion is very high: it is greater than 2500.
  • the dimensioning of such a component leads to a value of focal focal length output much greater than the size of a semiconductor wafer. This is why, in the invention, it is preferable to "fold" the beam diffracted by the micro-guides one or more times in the focusing zone and mount a plurality of phasars in parallel using a “multi-stage” approach
  • d g is the interval between two micro-guides at the entrance to the exit focusing zone, n s the index of the planar guide, n c the index of the guide (which is often the same) , the angles ⁇ i and ⁇ 0 are the diffracted angles respectively in the input focusing zone and in that of the output, ⁇ L is the length offset from one guide to the other, and n is the diffraction order.
  • the wavelength ⁇ 0 is the central wavelength of the phasar which is written:
  • ns sin ⁇ i + sin ⁇ o n.
  • the phasar demultiplexes the wavelengths from one of the input guides to the output guides. The phasar allows you to perform this function from any input guide; the spectrum received at the output is then shifted proportionally to the location of the input guide considered.
  • This property can be used in order to achieve temperature self-compensation by fixing the input optical fiber on a mechanical support whose displacement induced by thermal expansion compensates for the spectral shift due to the thermal dependence of the component.
  • this property is also applicable in the case of the use of a half-phasar (folded) in order to offset an input fiber from a photodetector array located in the same plane, as is the case. will see further.
  • phase grating for spectrometry applications firstly requires adjusting the maximum possible diffraction order (and the length offset between each microguide) by considering the spectral range observed
  • the minimum number of micro-guides is chosen to guarantee the desired resolving power.
  • the focal length of the output is calculated according to the characteristics of the photodetector array. To remove any ambiguity, the spectral overlaps from an i order to a following order i + 1 or previous i-1 are avoided. For this, the free spectral interval, denoted ISL, is chosen at best equal (or greater) to the observed spectral range, denoted ES. This defines a condition on the phasar diffraction order:
  • n the diffraction order and M the ⁇ number of micro-guides.
  • corresponds to the spectral width of the "Airy spot"; we try to have 0.05 nm in order to be able to distinguish the channels within the ITU grid.
  • the micro-guides are made up of arcs of circles.
  • n s is the effective index of the focusing area and f the length of this area which corresponds to the focal length of the output.
  • focal length f is therefore little different from ns : g . L.
  • the interval d g cannot be reduced as much as desired; it is limited by the crosstalk between the guides. This value being fixed, the focal distance only depends on the length of the bar.
  • the focal distance in the glass (index 1.46) is greater than the focal distance in the air (index 1) due to the self-focusing at the exit of the planar guide. .
  • focal length of exit 250 mm in the glass (index 1.46), from where a path of 50 mm in the glass added to 140 mm in the air (equivalent to 200 mm in the glass) [example which s 'applies to the assembly shown in Figures 6A and 6B] or 175 mm in the air [example which applies to the assembly shown in Figures 7A and 7B].
  • Beam Propagation Method takes into account the dispersion of the materials used in the precise definition of the optical dimensioning of the component to be produced.
  • micro-spectrometer comprises a single phasar or a plurality of phasars
  • the design mode (1) (respectively (2)) is a special case of the design mode (3)
  • design modes (2) and (4) have the advantage of using phasars of simpler design (without polarization compensation), which are for example formed by means of an integrated optics technique on silicon, and allows to realize a polarization control spectrometer.
  • phasars of simpler design without polarization compensation
  • the design modes (1) and (2) are respectively identical to the design modes (3) and (4) but without a wavelength separator.
  • this wavelength separator is to perform a first separation of the bands observed by each of the elementary micro-spectrometers. It can be a network demultiplexer of the kind that is marketed under the STIMAX brand by the Jobin-Yvon Company or else an integrated optical device such as a commercial phasar.
  • FIG. 1 represents the optical block diagram of such a micro-spectrometer, applied to the DWDM technique and comprising a wavelength separator 2 as well as three blocks, namely three elementary micro-spectrometers whose references are Ml respectively , M2 and M3, depending on the design mode (3).
  • FIGS. 2 and 3 represent optical block diagrams of a micro-spectrometer made up of six blocks, namely six elementary micro-spectrometers whose references are Mlx and Mly,
  • This design mode may involve a wavelength separator 4 (for example, a phasar having a bandwidth of 40 nm) and three polarization separation couplers C1, C2, C3 (see Figure 2) which use preferably birefringent crystals to effect the separation of the polarizations because the crosstalk is then low.
  • Another solution is to use the wavelength separator 2 of the FIG. 1, three couplers with power separation Pi, P2, P3 and six polarizers integrated on fibers, namely three pairs of polarizers Px and Py, Px allowing polarization in a direction x and Py in a direction y perpendicular to x.
  • the optical fibers for connection between the polarization separation couplers or the polarizers and the elementary microspectrometers are fibers with polarization maintenance 6.
  • each polarization-maintaining fiber 6 is placed parallel to the surface of the substrate on which the associated microspectrometer is formed (this surface being for example parallel to the direction x).
  • the second neutral axis of this fiber 6 is placed perpendicular to this surface (and therefore parallel to the y axis in the example considered).
  • the light signal to be analyzed by the microspectrometer reaches it by an input optical fiber FE; the wavelength separator 2
  • each of the couplers PI, P2, P3 is connected to the two associated polarizers Px and Py by two optical fibers fx and fy.
  • Three possible techniques for manufacturing a phasar which can be used in the invention are: the integrated optical technique on semiconductor or the integrated optical technique on silicon - or the ion exchange technique on glass.
  • Si0 2 / Si guiding layers in Si0 2 , SiON or Si 3 N 4
  • the processes used in this case are based on vapor deposition (essentially chemical vapor deposition) or hydrolysis with a flame and on reactive ion etching for the production of the patterns.
  • the optical substrate is a layer of silica of sufficient thickness to isolate the light from the silicon (6 ⁇ m for a wavelength of 0.8 ⁇ m and
  • the guiding layer is a phosphorus doped silica layer (with a thickness of 2 ⁇ m to 5 ⁇ m depending on the wavelength) and the covering layer, or superstrate, is equivalent, from the point of view from the optical index, to the substrate, with a thickness of 6 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the dimensions of the channels are of the order of 4 ⁇ m x 4 ⁇ m with doping with 1 germanium oxide making it possible to achieve an index jump of the order of 2 ⁇ 10 ⁇ 2 in order to ensure a strong confinement of the mode and to limit crosstalk between guides.
  • OFC Optical Fiber Communications
  • a larger index jump, of the order of 3 ⁇ 10 -2 , can be achieved by depositing SiON.
  • An important advantage of integrated optics on silicon is to be able to simultaneously engrave V-grooves or V-grooves for positioning single-mode optical fibers.
  • Another advantage of this technique lies in controlling the slope of the etching flanks (to limit parasitic reflections at the ends of the guides, reflections which generate crosstalk).
  • This technique is well suited for producing the component shown in FIG. 4.
  • the technique used is that of the thermal exchange of ions such as Na + , K + or Cs + , possibly assisted by an electric field.
  • This well-known technique consists in exchanging alkaline ions (for example Na + ions), already present in the glass, with other ions such as Ag + or Tl + which have the effect of locally increasing the refractive index. glass.
  • the optical losses due to the fiber / guide connection and attenuation in the guide have been considerably reduced thanks to the technique of buried guides.
  • the latter consists in diffusing the first doping into the substrate (under an electric field) or else in performing a second thermal diffusion of sodium ions.
  • Guides are thus obtained characterized by quasi-circular doping sections, having a mode conforming to that of a single-mode optical fiber -on optimizes modal overlap- and having much lower linear attenuations due to the virtual disappearance of diffusion surface: it is typically less than 0.1 dB / cm.
  • Another advantage of this technique is to be able to produce guides having a very low dependence on polarization, and thus having a less costly design: there is no longer any need to compensate for the effects of birefringence by means of '' a half-wave blade inserted in the middle of the microguides area for example.
  • the first masking scheme corresponds to a folded half-phasar (therefore operating in reflection), with a focusing zone of the input beam in a guiding layer, this input beam coming from an optical fiber (see FIGS. 4 and 5).
  • the second masking scheme corresponds to a phasar operating in transmission (and therefore not folded), without focusing area in integrated optics: this focusing takes place in free space.
  • the first (respectively second) masking scheme corresponds to a suitable housing which is shown in FIGS. 6A and 6B (respectively 7A and 7B).
  • FIG. 4 shows a mask of a half-phasar folded according to the first masking scheme.
  • the substrate used is a glass disc 8 60 mm in diameter and 1.5 mm thick.
  • the useful area, delimited by a dotted circle 10, is restricted to a disc 50 mm in diameter.
  • the microguides 12 and the planar guide 14 are obtained by burying the guide layer.
  • At least four half-phasars of the kind which is shown in FIG. 4 can be produced by plate.
  • plates 8 inches (that is to say about 20 cm) in diameter it becomes possible to form, on a single substrate, eight half-phasars of the kind shown in FIG. 4, and therefore to further reduce manufacturing costs.
  • this half-phasar has five cleaved and polished sides cl, c2, c3, c4 and c5.
  • 800 microguides 12 separated by 19.8 micrometers from each other form arcs of circles of 60 °.
  • the minimum radius of curvature is' 4 mm and the maximum radius of curvature is 19.8 mm.
  • the focusing zone F integrated on the planar guide 14 and delimited by the sides c, c 3 and c 2 (FIG. 5), makes it possible to extend all the light emitted of an optical fiber 16 (FIG. 5) on all the microguides without additional focusing optics.
  • the numerical aperture of the single-mode optical fibers traditionally used in optical telecommunications is of the order of 0.15 to 0.17 in air, hence a half-angle of divergence of approximately 9 ° to 10 ° in air and about 6 ° to 7 ° in the glass.
  • the end of the fiber 16 is thus approximately 55 mm from the interface of the micro-guides. It is specified that this end of the fiber 16 is optically coupled to the planar guide by micrositioning and bonding (“pigtail” technique).
  • the sides cl, c2 and c3 must behave as reflectors. To do this, the side cl to which the respective ends of the respective microguides 12 orthogonally end forming concentric arcs of a circle, and possibly the sides c2 and c3 receive a reflective deposit R which may be a metallization or, preferably, a dielectric multilayer whose reflection spectrum is centered on the wavelength domain analyzed.
  • a reflective deposit R which may be a metallization or, preferably, a dielectric multilayer whose reflection spectrum is centered on the wavelength domain analyzed.
  • the side c5 can receive an anti-reflection multilayer deposit A (in the useful spectral band along the path from the glass to the air).
  • the microguide outputs are distributed along a circle with a radius of 250 mm corresponding to the diameter of the Rowland circle on which the image points are dispersed.
  • a small image distortion (carried on a circle with a radius of 125 mm) is therefore observed on the flat array of photodetectors, used with the half-phasar (see Figures 6A and 6B), and does not exceed half a pixel at the edge of the field, which therefore allows a flatness correction in the spectral measurement.
  • the sides c2, c3 and c4 allow the incident light beam 18 coming from the injection optical fiber 16 to be folded back (FIG. 5). This beam 18 is then naturally extended over all the inputs of the microguides.
  • Fiber 16 is offset from the output field.
  • the fiber 16 is a single-mode optical fiber of 125 ⁇ m and digital aperture 0.16 and this fiber can be placed close to the axis of the wafer and oriented at about 13 ° relative to this axis.
  • the incident wavefront is therefore offset from the front of the microguides and the wavelength ⁇ o defined above then corresponds to the lowest wavelength of the spectrum and no longer to the central wavelength (corresponding in case the fiber is placed in the center).
  • the reference 20 designates a separating zone which results, for example, from a diffusion of chromium or cobalt (absorbent at 1.55 ⁇ m).
  • the phasar is similar to that which has been described with reference to Figures 4 and 5, except that it is not folded and therefore operates in transmission.
  • it has four precisely cleaved sides which are parallel in pairs and an additional cleaved side.
  • a first cleaved side corresponding to the entry of the micro-guides makes an angle of 120 ° with a second cleaved side corresponding to the exit of the micro-guides and the third and fourth cleaved sides are respectively parallel to the first and second cleaved sides.
  • the additional cleaved side connects the first cleaved side to the fourth and the cleavage of this additional side makes it possible to accommodate a cylindrical lens in the support of a microspectrometer using this phasar as seen in FIG. 7A.
  • a spectrometer according to the invention is an assembly of several blocks of elementary micro-spectrometers as we saw above, each elementary micro-spectrometer making it possible to cover a spectral range of 40 nm.
  • the superposition of several of these blocks makes it possible to cover a larger spectral range which can be adjusted according to the applications.
  • the focusing of the beam at the exit of the spectrometer can be carried out in different ways. It is possible to align several guiding layers by superimposing planar substrates connected together by a 45 ° polishing forming a reflective prism or by a ribbon of single-mode optical fibers.
  • the recommended assembly technique consists in placing the planar substrate (comprising the phasar) and the reflective prism as well as the lens and the array of photodetectors in a molded substrate or support, developed by a lithography and electro-forming molding technique, called "LIGA technique" (for Lithography Galvanoformung Abformung).
  • LIGA technique for Lithography Galvanoformung Abformung
  • the LIGA process allows mass production, and therefore at an optimized cost, of elementary detection blocks, that is to say elementary micro-spectrometers.
  • a metal mold is formed by electro-forming (hence an electrolytic growth of the mold) after a high resolution lithography (of the order of l ⁇ m).
  • the LIGA X process a special case of the LIGA process, consists in exposing a photosensitive resin ("photoresist"), for example PMMA, through a membrane mask carrying a layer of gold which absorbs X-rays. exposed parts, a layer of metal is deposited by electro-forming until it covers the PMMA pattern and forms a mold which is used to form the final parts by molding or hot stamping of a plastic, techniques suitable for mass production.
  • photoresist for example PMMA
  • the elementary spectrometer corresponding to a first assembly in accordance with the invention uses the first masking scheme (see FIGS. 4 and 5).
  • the planar substrate 22, carrying the half-phasar, is placed guiding layer below and comprises the input focusing part (injection optical fiber 16 - planar guide 14) integrated on the planar substrate 22.
  • the light beam diffracted by these micro-guides is recovered at the exit of the planar guide 14 by a reflective prism 24 then focused on a photodetector array 26 by a cylindrical lens 28 whose focal distance is approximately 6 mm.
  • Three mirrors 30, 32 and 34 allow the beam to be reflected towards the bar 26, over a distance of 140 mm in free space.
  • the diffracted beam coming from the prism is reflected on the mirror 30 then on the mirror 32 which is perpendicular to this mirror 30 then on the mirror 34 which is perpendicular to this mirror 32 and the mirror 34 reflects the beam towards the bar 26.
  • the edge of the substrate is at a distance of 6.27 mm from the center of the lens for a focal distance of 6 mm.
  • the height of the image beam on the photo-detectors is approximately 120 ⁇ m.
  • calibrated spacers 36, 38 and 40 which are respectively arranged on the cleaved sides cl, c4 and c5 of the planar substrate 22, between these sides and the support 42 molded by the LIGA technique, make it possible to position this planar substrate in height and to guarantee that it is parallel to the detection strip 26.
  • the three mirrors 30, 32 and 34 as well as the strip 26 rest in notches, such as the notches 44 provided in the support 42.
  • the planar guide 14 is buried at a known distance from the upper surface of the planar substrate 22, this surface serving as a reference.
  • the elementary spectrometer corresponding to a second assembly in accordance with the invention uses the second masking scheme mentioned above.
  • the planar substrate of this second assembly is also placed as a guide layer below.
  • the focusing of the light coming from the single mode optical fiber 16 is not done in integrated optics but in free space.
  • the fiber is aligned with passively in a groove -46.
  • the support 48, intended to receive the planar substrate 50 is formed with the LIGA technique, provided with this groove 46 as well as all the notches which are needed.
  • the divergent light beam 52 (whose half-angle of divergence is 8 °) is filtered by a circular opening 54 and then focused by a cylindrical lens 56 of equal focal length at 22 mm placed at equal distance (22 mm) from the planar guide and the fiber.
  • the light beam is reflected towards the microguides 60 by a mirror 58 placed at 35 ° and the fiber is inclined by 10 °.
  • the focusing parameters are defined by the Gaussian optical conjugation relationships for a guided mode having a half-width (“waist”) of 2.2 ⁇ m.
  • the transmitted beam, diffracted by the microguides 60, is recovered at the exit of the planar guide by a reflective prism 62 and then focused on the photodetector array 64 by a cylindrical lens 66 with a focal distance approximately equal to 8 mm.
  • This lens 66 can be a piano-convex lens or a Fresnel lens.
  • the edge of the planar substrate 50 is at a distance of 8.5 mm from the center of the lens 66 for a focal distance 8 mm.
  • the height of the image beam is approximately 100 ⁇ m on the photo-detectors.
  • Three mirrors 68, 70 and 72 make it possible to reflect the beam towards the bar over a distance of 175 mm in free space. More precisely, the diffracted beam coming from the prism 62 is reflected on the mirror 68 then on the mirror 70 then on the mirror 72 and the latter reflects the beam towards the bar 64.
  • the first mirror 68 makes an angle of 15 °
  • the second mirror 70 makes an angle of 75 °
  • the third mirror 72 makes an angle of 48 , 75 ° (its normal being oriented by 41.25 ° along the vertical).
  • calibrated spacers 74, 76 and 78 which are arranged on cleaved sides of the planar substrate 50, between these sides and the molded support 48, as is seen in FIG. 7A, make it possible to position this planar substrate 50 in height and to guarantee that it is parallel not only to the detection strip 64 but also to the part of the fiber which is in the groove 46 and to the axis of the cylindrical lens 56.
  • An elementary micro-spectrometer according to the first assembly (FIGS. 6A and 6B) is capable of occupying a volume of 60 ⁇ 60 ⁇ 9 mm 3 .
  • a micro-spectrometer comprising a stack of four elementary blocks makes it possible to cover a spectral range of more than 150 nm (at a wavelength of 1.55 ⁇ m) by superposition according to the following distribution:
  • a phasar is sensitive to temperature regardless of the technology with which it is made. This results in variations in the central wavelength ⁇ o of the phasar as a function of temperature, these variations resulting from the thermal expansion of the phasar material and ' variations in the refractive index of this material as a function of the temperature (thermo-optical effect). The central wavelength increases with temperature.
  • the thermal dependence of the central wavelength is order of 10 pm / ° C.
  • Each of the two proposed assemblies can be temperature controlled by a heating resistor, in order to guarantee the stability of the spectral measurements over time, and the sealing of the assembly can be provided to guarantee the resistance of this assembly to humidity and also guarantee a constant air pressure.
  • Another solution consists in providing a mechanical element for compensating for this angular offset.
  • a compensation solution consists in actuating one of the mirrors for "folding" the output beam, advantageously the first mirror 30 (FIG. 6A) or 68 (FIG. 7A ) although this principle is adaptable to each of the mirrors.
  • This mirror 30 or 68 is engaged, by one of its ends, in a positioning groove 80 ( Figure 8) or 82 ( Figure 9) which serves as a pivot and this mirror 30 or 68 is actuated by a lever arm 84 (figure 8). or 86 ( Figure 9) attached to the other end of the mirror.
  • this lever arm is an aluminum bar, engaged in a groove 88 or 90, the coefficient of thermal expansion of which is approximately 23 ⁇ 10 -5 " / ° C.
  • the extension by thermal expansion of this bar tilt the mirror and compensate for the angular offset induced by the temperature variation in the planar substrate.
  • An inclination of approximately 2.5 ⁇ 10 -5 " rad / ° C. is necessary and performed, for example, by a 20 mm long bar placed 20 mm from the pivot according to FIGS. 8 and 9 which correspond respectively to the first and second assemblies).
  • the total distance traveled by light within the spectrometer is around 10 cm, resulting in a loss of propagation of 1 dB (considering an attenuation of 0.1 dB / cm). Connectivity losses and losses at interfaces must be added. Let us therefore consider a total optical loss of the spectrometer of 6 dB.
  • An external optical fiber is connected to the planar guide 14 (FIG. 5) so as to be subsequently welded or connected to the optical circuit incorporating one or more sensitive optical fibers.
  • This fiber external thus constitutes the optical interface with the external environment (accessible by the end user).
  • this external optical fiber is single mode at the wavelength of use (typically 1300 nm, 1550 nm or even 820 nm).
  • the fiber-guide connection can be ensured by the V-groove technique.
  • the fibers can be connected to the guides by gluing (for example with an adhesive that can be polymerized by ultraviolet radiation) or by laser welding.
  • the detection unit is a set of photodiodes or an array of InGaAs photodiodes produced by epitaxy. Bars such as those sold by Thomson can be used.
  • the useful detection area is approximately 5 ⁇ m; it is separated by two passivated zones of 8 ⁇ m, hence a period of 13 ⁇ m.
  • a high frequency bandwidth (100 kHz) can be achieved by operating the photodiodes in photoconductive mode and by inserting these photodiodes into an electronic assembly of the transimpedance type for example.
  • the photodetectors can be directly incorporated into the circuit.
  • a matrix of photo-detectors making it possible to form images in two dimensions can also be used instead of several linear bars.
  • a polynomial correction between pixel and wavelength is generally implemented due to the distortion of the field observed on the bar.
  • 96 (respectively 98) of 800 microguides forming arcs of circles of 60 ° is delimited, on one side, by a cleavage 100 (respectively 102), the side resulting from this cleavage being provided with a reflective deposit 104
  • a reflective deposit is not necessary on the cleavage 116 (respectively 118) because, in the example of the figure
  • the angle of incidence is sufficient for there to be total reflection for the incident and refracted beams.
  • the two half-phasars are first separated by a cleavage 124 before any other operation.
  • marks marking the axis of this cleavage for example marks m at the two ends of this axis, can advantageously be photoetched at the same time as the masking for the diffusion of the guide.
  • An upper cleavage 126 and a lower cleavage 128 are also formed for mechanical reasons, as seen in FIG. 10.
  • the third assembly schematically represented in FIGS. 11A and 11B incorporates the optical component 91 described with reference to FIG. 10, an optical fiber 130 connected to this component by traditional techniques and a mechanical support 132, molded by the LIGA technique and supporting all the optical elements (reflective prism 134, cylindrical lens 136, folding mirrors 138, 140 and 142 and array of photo-detectors 144). It is specified that, in this assembly, the light coming from the optical component 91 is reflected by the reflective prism 134 then focused by the cylindrical lens 136 on the array of photo-detectors 144 after reflection on the folding mirrors 138, 140 and 142 .
  • the optical principle of this assembly is identical to that of the first assembly (FIGS. 6A and 6B).
  • the cylindrical lens 136 is however placed between the reflective prism 134 and the planar optical component 91 but the distance between the lens and this component is the same as for the first assembly.
  • This component also rests on three spacers 146, 148 and 150.
  • the optical fiber 130 is advantageously made of germanosilicate, its core (“core”) has a very small diameter (approximately 2 micrometers) and it has a very high index jump (greater than or approximately equal to 0.05).
  • This fiber is assembled to the planar substrate 152 of the component 191 by bonding. Fibers of this kind are used for non-linear optics or optical amplification, applications for which a very high light intensity is sought.
  • This optical fiber 130 is welded to another optical fiber 154, of the kind used in telecommunications in the wavelength band of 1.55 micrometers. These fibers have a heart of the order of 9 micrometers in diameter and a jump in index of approximately 5 ⁇ 10 -3 .
  • An adaptation of the mode of the fiber 130 to the mode of the fiber 154 is carried out in order to weld these fibers 130 and 154 with a minimum of losses.
  • the fiber 130 is locally heated to diffuse the dopant (germanium in the example considered) outwards and thus create a progressive variation in the diameter of the core until it adapts to that of fiber 154.
  • This technique is known as TEC for Thermally-diffused Expanded Core.
  • the optical fiber 130 therefore comprises, at one end, a portion of diffused core fiber 156 onto which the fiber 154 is traditionally welded.
  • a spectrometer makes it possible to provide a user with a visual indication of the optical placement of the channels.
  • DWDM It is possible to provide feedback signals to laser diode control modules in order to correct a possible drift in the wavelengths of the transmitters.
  • This control mode corresponds to pixel-by-pixel addressing. It allows for a dynamically reconfigurable multi-channel receiver.
  • Such a spectrometer is compatible with future DWDM specifications. It is characterized by a small footprint, an optimized cost (resulting from collective manufacture) and a large bandwidth, which typically ranges from a few kilohertz to a few hundred kilohertz and depends only on the photodetectors, with or without analysis of the state of polarization.
  • the monomode fibers used support two polarization modes due to the birefringence of the silica. These two modes are characterized by two slightly different effective indices.
  • the light pulse received is therefore formed of two pulses according to two polarization states, the delay of which changes over time, in particular because of the constraints in the optical cables, these constraints resulting for example from temperature variations.
  • Chromatic dispersion has long limited time multiplexing.
  • polarization mode dispersion constitutes a new limitation in terms of modulation capacity.
  • the large PMD values are defined by the spectral resolution of the spectrometer that is used, while the low PMD values are defined by the spectral range of the observed spectrum.
  • a broadband optical source is used and the wavelengths reflected by the various Bragg gratings multiplexed in wavelengths along the measurement line are analyzed.
  • Measurement and demultiplexing are carried out simultaneously by addressing to a photodetector array at an optimized cost and with a high frequency bandwidth, all these parameters being important in order to be able to use this type of metrology in the industrial environment.
  • an optical micro-system for measuring deformations or temperatures comprising photoaggregated Bragg grating transducers as shown diagrammatically in FIG. 12.
  • Such a micro-system can also comprise a balanced four-way coupler (with 50% transmission on the two output channels) which has the reference 158 in Figure 12.
  • An optical source 160 with a broad spectral band which can be a superfluorescent source with erbium-doped fiber or else a superluminescent diode, is then connected to an input arm of the coupler 158 while the micro-spectrometer 162 conforms to the The invention is connected to the other input arm of the coupler.
  • One of the two output arms of the coupler is, for its part, connected to the end of a sensitive optical fiber 164 on which have been photo-registered several Bragg networks transducers 166 and the other end of which has a cleavage at an angle 168.
  • FIG. 12 also shows the means 170 for supplying the source 160, the photodiodes array 172 which is associated with the micro-spectrometer and the electronic means 174 for detecting the signals supplied by the photodiodes array.
  • a device according to the invention therefore applies to the monitoring in real time, at high bandwidth (1 kHz), of several constraints or pressures applied to a sensitive optical fiber incorporated in a structure, for example made of composite material.
  • This device also applies to demultiplexing and to the measurement of several wavelengths, for example in the field of telecommunications multiplexed in wavelength.
  • the great manufacturing flexibility of this device makes it particularly attractive for ultisectoral instrumentation, by easy adjustment of the Bragg wavelengths of the photoinscribed networks, an addressing being then carried out on the array of photo-detectors.
  • Such phasars can be manufactured using integrated silica-on-silicon optics technology and a wafer 4 inches in diameter. With this technology we can also process slices of 8 inches (about 20 cm) in diameter. On such a support 175 (FIG. 13) it is possible to form 16 double-phasars 176 of the kind shown in FIG. 10 and therefore 32 phasar components simultaneously (collective manufacturing approach).
  • the assemblies 176 are separated by sawing (using a metal blade or a diamond blade) according to an automated digital control procedure
  • the saw cut is approximately 200 ⁇ m to 300 ⁇ m wide; it is not shown in FIG. 13.
  • the sawing operation can for example start with a separation of bands 178 of double-phasars 176 according to the dotted lines 180 and then continue with an assembly of the bands thus separated and a recutting of these to isolate the patterns of double phasars 176
  • the phasars can then be reassembled and sawn along their midline (not shown).
  • polishing operations which follow the sawing operation can be carried out simultaneously on a very large number of substrates, which further reduces the cost. It is the same for the operation of forming a reflective deposit mentioned above in the description of Figures 4 and 5. It is also possible to form cleavage marks m as we have seen above, to define the various cleavage lines that are needed, in particular cleavage lines 180.

Abstract

The invention concerns an integrated optical spectrometer with high spectral resolution, in particular for high-speed telecommunications and metrology, and a method for making same. Said spectrometer comprises at least an elementary spectrometer which includes an optical phase grating including a set of micro-guides (12) and formed on a cleaved planar optical guide (14), reflecting means (24, 30, 32, 34) adapted to successively reflect radiation derived from the set of micro-guides, so as to propagate said radiation in folded form and in free space, means (26) for photodetection of said radiation thus reflected and means (28) for focusing radiation on said photodetection means.

Description

SPECTROMÈTRE OPTIQUE INTEGRE A HAUTE RESOLUTION HIGH RESOLUTION INTEGRATED OPTICAL SPECTROMETER
SPECTRALE, NOTAMMENT POUR LES TÉLÉCOMMUNICATIONS À HAUTSPECTRAL, ESPECIALLY FOR HIGH TELECOMMUNICATIONS
DÉBIT ET LA MÉTROLOGIE, ET PROCÉDÉ DE FABRICATIONFLOW RATE AND METROLOGY, AND MANUFACTURING METHOD
DESCRIPTIONDESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA
La présente invention concerne un analyseur de spectre optique également appelé « dispositif d'analyse spectrale » ou, plus simplement, « spectromètre optique ».The present invention relates to an optical spectrum analyzer also called a “spectral analysis device” or, more simply, an “optical spectrometer”.
Ce spectromètre s'applique notamment aux rayonnements infrarouges, par exemple dans le domaine des télécommunications optiques à haut débit. D'autres applications de l'invention, en particulier la métrologie optique, seront mentionnées plus loin.This spectrometer is particularly applicable to infrared radiation, for example in the field of high speed optical telecommunications. Other applications of the invention, in particular optical metrology, will be mentioned below.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURESTATE OF THE PRIOR ART
Les télécommunications optiques ont permis une augmentation considérable des débits d'informations grâce aux codages spectral et temporel. Actuellement, des débits de l'ordre de 40 Gigabits/s sont obtenus sur une seule fibre optique. Grâce au DWDM ou multiplexage dense en longueur d'onde (« Dense Wavelength Division Mul tiplexing ») , le débit d'information dépasse 1 térabit/s . L'augmentation des débits, qui est nécessaire à l'établissement des protocoles de transfert d'informations (en particulier sur l'Internet), nécessite d'accroître simultanément la largeur spectrale de la bande des télécommunications et de diminuer l'intervalle spectral entre canaux. Cette démarche se trouve limitée par les capacités de routage en longueur d'onde, par la puissance disponible pour les amplificateurs et par les effets non-linéaires tels que l'effet Raman stimulé, l'effet Brillouin stimulé et surtout le mélange à quatre ondes qui constitue une limite pour la séparation en longueur d'onde.Optical telecommunications have enabled a considerable increase in information rates thanks to spectral and time coding. Currently, speeds of the order of 40 Gigabits / s are obtained on a single optical fiber. Thanks to DWDM or dense wavelength multiplexing ("Dense Wavelength Division Mul tiplexing"), the information rate exceeds 1 terabit / s. The increase in speeds, which is necessary for establishing information transfer protocols (in particular on the Internet), requires simultaneously increasing the spectral width of the telecommunications band and reducing the spectral interval between canals. This approach is limited by the wavelength routing capacities, by the power available for the amplifiers and by the non-linear effects such as the stimulated Raman effect, the stimulated Brillouin effect and especially the four-wave mixing. which constitutes a limit for the wavelength separation.
Il est d'usage de considérer trois fenêtres spectrales . La première se situe aux alentours de 800 nm ; elle est utilisée pour les réseaux locaux avec des fibres multimodes.It is customary to consider three spectral windows. The first is around 800 nm; it is used for local networks with multimode fibers.
La seconde fenêtre spectrale se situe aux alentours de 1280 nm à 1350 nm (correspondant à un minimum de dispersion dans la silice) ; elle est actuellement peu employée car les amplificateurs optiques à fibres dopées avec du praséodyme (PDFA) , qui ont été développés pour cette fenêtre, n'ont jamais atteint les performances des amplificateurs à fibres dopées avec de 1 ' erbium (EDFA) pour la bande à 1,55 μm.The second spectral window is located around 1280 nm to 1350 nm (corresponding to a minimum of dispersion in silica); it is currently little used because the optical amplifiers with fibers doped with praseodymium (PDFA), which were developed for this window, have never reached the performance of fiber amplifiers doped with erbium (EDFA) for the band. at 1.55 μm.
La troisième fenêtre se situe aux alentours deThe third window is located around
1550 nm (correspondant à un minimum .d'atténuation pour la silice) ; elle est actuellement décomposée en plusieurs bandes suivant les amplificateurs optiques utilisés. La bande C («C-band») est la bande spectrale amplifiée par les amplificateurs optiques EDFA traditionnels ; elle s'étend de 1528 nm à 1565 nm et donc sur 37 nm. La bande L (« L-band») s'étend de 1561 nm à 1620 nm, et donc sur 59 nm, et correspond aux amplificateurs optiques EDFA avec amplification « Raman ». Actuellement, les longueurs d'onde de transmission dans la bande C sont définies par l'UIT (« ITU ») c'est-à-dire l'Union Internationale des Télécommunications (« International Télécommunication Union ») suivant un intervalle de 100 GHz (0,8 nm) . Ce que l'on appelle « la grille ITU », c'est-à-dire l'ensemble des longueurs d'onde définies par l'UIT, commence à 1528,77 nm (196,1 THz) pour atteindre 1563,86 nm (191,7 THz). Elle comporte 45 longueurs d'onde qui s'étendent sur 36 nm environ. L'accroissement des besoins en termes de capacité de transmission fait qu'un intervalle entre canaux de 0,4 nm (50 GHz) devient probable, bien que les effets non- linéaires limitent actuellement la portée de transmission.1550 nm (corresponding to a minimum attenuation for silica); it is currently broken down into several bands depending on the optical amplifiers used. Band C (“C-band”) is the spectral band amplified by traditional EDFA optical amplifiers; it extends from 1528 nm to 1565 nm and therefore over 37 nm. The L-band (“L-band”) extends from 1561 nm to 1620 nm, and therefore over 59 nm, and corresponds to EDFA optical amplifiers with “Raman” amplification. Currently, the transmission wavelengths in the C band are defined by the ITU (“ITU”), that is to say the International Telecommunication Union (“International Telecommunication Union”) according to an interval of 100 GHz. (0.8 nm). What is called the “ITU grid”, that is to say the set of wavelengths defined by the ITU, begins at 1528.77 nm (196.1 THz) to reach 1563.86 nm (191.7 THz). It has 45 wavelengths which extend over approximately 36 nm. The growing need for transmission capacity means that a channel interval of 0.4 nm (50 GHz) becomes likely, although the non-linear effects currently limit the transmission range.
De nouveaux amplificateurs optiques à fibres dopées avec du thulium (TDFA) permettent de couvrir le domaine spectral qui s'étend de 1470 nm à 1500 nm. Ce domaine, qui est actuellement appelé «bande S» (« S- band ») complète ainsi la troisième fenêtre (la bande spectrale située à 1510 nm + 10 nm comportant des canaux de supervision) .New optical amplifiers with fibers doped with thulium (TDFA) make it possible to cover the spectral range which extends from 1470 nm to 1500 nm. This domain, which is currently called “S-band” (“S-band”) thus completes the third window (the spectral band located at 1510 nm + 10 nm comprising supervision channels).
En vue d'augmenter la capacité spectrale de transmission, on étudie des amplificateurs optiques utilisant des mécanismes d'amplification par effet Raman stimulé. Dans de tels amplificateurs, l'amplification est fournie de manière répartie et non pas ponctuelle (comme c'est le cas dans les amplificateurs EDFA) . Les facteurs de bruit obtenus en utilisant une amplification Raman sont meilleurs que ceux que l'on obtient avec des amplificateurs EDFA, ce qui permet de diminuer les puissances optiques transmises et donc de diminuer l'intervalle spectral entre canaux. De surcroît, contrairement aux amplificateurs EDFA qui ne permettent d'amplifier que la bande C, les amplificateurs à effet Raman stimulé permettent d'amplifier une bande spectrale beaucoup plus large moyennant un assemblage adapté de lasers de pompage.In order to increase the spectral transmission capacity, optical amplifiers are studied using amplification mechanisms by stimulated Raman effect. In such amplifiers, the amplification is provided in a distributed and not a pointwise manner (as is the case in EDFA amplifiers). The noise factors obtained using a Raman amplification are better than those that one obtained with EDFA amplifiers, which makes it possible to reduce the transmitted optical powers and therefore to reduce the spectral interval between channels. In addition, unlike EDFA amplifiers which only allow amplification of the C band, stimulated Raman effect amplifiers make it possible to amplify a much wider spectral band by means of a suitable assembly of pumping lasers.
En théorie, un amplificateur Raman peut ainsi couvrir toutes les longueurs d'onde entre 1300 nm et 1660 nm, c'est-à-dire beaucoup plus que les bandes actuellement couvertes par les amplificateurs à fibres dopées .In theory, a Raman amplifier can thus cover all wavelengths between 1300 nm and 1660 nm, that is to say much more than the bands currently covered by doped fiber amplifiers.
Ainsi, le spectre actuel de transmission DWDM s'étend sur une centaine de nanomètres (bandes C et L) pour une séparation spectrale entre canaux de 0,8 nm. Or on pense pouvoir améliorer les amplificateurs TDFA pour la bande S, ce qui permettrait de couvrir une bande spectrale totale d'environ 150 nm (bandes S, C et L) .Thus, the current DWDM transmission spectrum extends over a hundred nanometers (C and L bands) for a spectral separation between channels of 0.8 nm. However, it is believed that the TDFA amplifiers can be improved for the S band, which would make it possible to cover a total spectral band of approximately 150 nm (S, C and L bands).
L'augmentation de capacité en DWDM rend donc prévisible l'apparition d'amplificateurs Raman qui sont compatibles avec le réseau optique existant et pour lesquels la gamme spectrale totale atteint plus de 350 nm, d'où un total de près de 900 canaux par fibre optique (pour une séparation entre canaux de 0,4 nm) au lieu d'à peine une centaine actuellement.The increase in DWDM capacity therefore makes the appearance of Raman amplifiers predictable, which are compatible with the existing optical network and for which the total spectral range reaches more than 350 nm, resulting in a total of nearly 900 channels per fiber. optical (for a separation between channels of 0.4 nm) instead of barely a hundred currently.
Afin de gérer efficacement la répartition des canaux de télécommunications, il est donc nécessaire d'utiliser des analyseurs de spectres optiques permettant de couvrir toute les gammes spectrales mentionnées précédemment et d'identifier précisément les canaux pour en déduire leur occupation.In order to effectively manage the distribution of telecommunications channels, it is therefore necessary to use optical spectrum analyzers to cover all spectral ranges mentioned previously and to identify precisely the channels to deduce their occupation.
En particulier, il est important de disposer d'un analyseur de spectre optique afin de vérifier les attributions en longueur d'onde et de maintenir un faible taux d'erreur sur tous les canaux. Il est également important de mesurer l'intensité des signaux optiques avec un bon rapport signal-sur-bruit.In particular, it is important to have an optical spectrum analyzer in order to check the wavelength allocations and to maintain a low error rate on all the channels. It is also important to measure the intensity of optical signals with a good signal-to-noise ratio.
Pour les opérateurs de télécommunications, il est souhaitable de concevoir un spectromètre compact, portable, à coût optimisé, permettant d'analyser le contenu spectral de la grille ITU et de vérifier la position en longueur d'onde (pour analyser une éventuelle dérive) ainsi que la puissance de chacun des canaux.For telecommunications operators, it is desirable to design a compact, portable spectrometer, at an optimized cost, making it possible to analyze the spectral content of the ITU grid and to check the position in wavelength (to analyze a possible drift) as well. than the power of each channel.
De plus, il est souhaitable que le pouvoir séparateur de ce spectromètre soit environ égal ou supérieur à 30000 et que la gamme de longueur d'onde observée permette de satisfaire au futur standard de bande passante (entre 120 nm et 180 nm) . Le nombre total de points de mesure est donc au moins de l'ordre de 2400 à 3600 et de préférence proche de 7200.In addition, it is desirable that the separating power of this spectrometer is approximately equal to or greater than 30000 and that the observed wavelength range makes it possible to satisfy the future bandwidth standard (between 120 nm and 180 nm). The total number of measurement points is therefore at least of the order of 2400 to 3600 and preferably close to 7200.
Un tel spectromètre devient vital pour les futurs réseaux DWDM et serait largement utilisé pour des contrôles optiques en chaque nœud d'un réseau (« network ») comportant un injecteur-extracteur de longueur d'onde (« wavelength add-drop device ») , un terminal ou un amplificateur.Such a spectrometer becomes vital for future DWDM networks and would be widely used for optical checks at each node of a network (“network”) comprising a wavelength add-drop device), a terminal or amplifier.
Les dispositifs d'analyse spectrale commercialisés, permettant d'observer le spectre défini selon les normes définies par l'UIT, sont des spectromètres à réseaux de diffraction (« diffraction gratings ») à simple ou double passage, des cavités interférométriques de Fabry-Perot à balayage en espace libre ou des spectromètres à Transformée de Fourier fondés sur des interféromètres de Michelson.The spectral analysis devices marketed, making it possible to observe the spectrum defined according to the standards defined by the ITU, are diffraction gratings spectrometers (“diffraction gratings”) with single or double passage, Fabry-Perot interferometric cavities with free space scanning or Fourier Transform spectrometers based on Michelson interferometers.
Tous ces dispositifs connus sont coûteux, encombrants et fragiles. De surcroît, leurs fréquences de travail sont environ égales ou inférieures à 100 Hz et ils ne permettent pas de garantir un pouvoir séparateur de plus de 30000 sur plus de 40 nm.All these known devices are expensive, bulky and fragile. In addition, their working frequencies are approximately equal to or less than 100 Hz and they do not guarantee a separating power of more than 30,000 over more than 40 nm.
De plus, certains multiplexeurs/ démultiplexeurs connus pourraient être utilisés comme analyseurs de spectres optiques mais ces dispositifs ne permettent pas d'effectuer des mesures de spectres optiques et exécutent seulement les fonctions de multiplexage compatibles avec le standard ITU 50 GHz.In addition, certain known multiplexers / demultiplexers could be used as optical spectrum analyzers, but these devices do not make it possible to perform optical spectrum measurements and only perform the multiplexing functions compatible with the ITU 50 GHz standard.
Il en est de même pour les dispositifs utilisant des réseaux de diffraction gravés sur des substrats planaires . De plus, ces dispositifs connus ne permettent pas de déterminer directement des longueurs d'onde de Bragg avec une précision suffisamment, élevée.The same is true for devices using diffraction gratings etched on planar substrates. In addition, these known devices do not allow direct determination of Bragg wavelengths with sufficiently high precision.
Il serait souhaitable de disposer d'un spectromètre optique ayant les qualités suivantes : " séparation en longueur d'onde meilleure que l'intervalle entre canaux (0,4 nm) , c'est-à-dire au moins 0,05 nm (pouvoir de résolution du spectromètre supérieur à 30000) ,It would be desirable to have an optical spectrometer having the following qualities: "wavelength separation better than the interval between channels (0.4 nm), that is to say at least 0.05 nm ( spectrometer resolution power greater than 30,000),
» grande bande spectrale d'analyse pour un spectre optique (au moins 120 nm voire 360 nm) , le nombre de points significatifs étant d'au moins 2400 et extensible à 7200,»Large spectral analysis band for an optical spectrum (at least 120 nm or even 360 nm), the number of significant points being at least 2400 and extendable to 7200,
" possibilité d'intégration (par exemple dans un boîtier portable) , " faible coût,"possibility of integration (for example in a portable case)," low cost,
" grande dynamique de mesure,"great measurement dynamics,
" grande bande passante en fréquence (quelques kilohertz ou plus) ,"large frequency bandwidth (a few kilohertz or more),
" indépendance vis-à-vis de la, température et de la pression atmosphérique (qui sont susceptibles d'induire des variations d'indice de réfraction), et"independence from , temperature and atmospheric pressure (which are likely to induce variations in the refractive index), and
" indépendance vis-à-vis de la polarisation de la lumière."independence from polarization of light.
On connaît déjà des composants optiques appelés « phasars » ou réseaux de phase optiques (« optical phase arrays ») . Au sujet de ces composants, que l'on appelle également AWGs (pour « Arrayed WaveguideThere are already known optical components called "phasars" or optical phase arrays. About these components, also known as AWGs (for "Arrayed Waveguide
Gratings ») , on pourra se reporter au document suivant : [1] Demande de brevet européen pourGratings ”), reference may be made to the following document: [1] European patent application for
« Dispositif optique à réseau de phase et procédé de fabrication de celui-ci », publiée sous le n° EP 0911660 A, invention de G. Grand et al. - voir aussi la demande de brevet américain déposée le 26 octobre 1998 sous le n°09/179, 133."Optical device with phase grating and method for manufacturing it", published under the number EP 0911660 A, invention of G. Grand et al. - see also the American patent application filed on October 26, 1998 under No. 09/179, 133.
D'autres phasars sont également connus par :Other phasars are also known by:
[2] M. Zirngibl, C.H. Joyner and J.C. Centanni, Size réduction of waveguide grating router through folding back the input-output fanouts, Electron. Lett. Vol.33, n°4, 1997, pages 295-297. EXPOSÉ DE L'INVENTION[2] M. Zirngibl, CH Joyner and JC Centanni, Size reduction of waveguide grating router through folding back the input-output fanouts, Electron. Lett. Vol. 33, No. 4, 1997, pages 295-297. STATEMENT OF THE INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients mentionnés plus haut et de proposer des spectromètres optiques présentant tout ou partie des qualités mentionnées précédemment et en particulier une aptitude à séparer des longueurs d'onde très proches les unes des autres, une large bande spectrale de fonctionnement et la possibilité d'être peu encombrants et obtenus sous forme intégrée pour être portables.The present invention aims to remedy the drawbacks mentioned above and to provide optical spectrometers having all or part of the qualities mentioned above and in particular an ability to separate wavelengths very close to each other, a wide spectral band of operation and the possibility of being compact and obtained in integrated form to be portable.
De façon précise, la présente invention a pour objet un spectromètre optique comprenant au moins un spectromètre optique élémentaire, ce spectromètre optique élémentaire étant caractérisé en ce qu'il comprend : un réseau de phase optique comprenant un ensemble de micro-guides, ce réseau de phase optique étant formé sur un guide optique planaire qui est clivé, - des moyens de réflexion aptes à réfléchir successivement des rayonnements issus de l'ensemble des microguides, en vue d'une propagation de ces rayonnements sous forme repliée et en espace libre,Specifically, the subject of the present invention is an optical spectrometer comprising at least one elementary optical spectrometer, this elementary optical spectrometer being characterized in that it comprises: an optical phase network comprising a set of micro-guides, this network of optical phase being formed on a planar optical guide which is cleaved, - reflection means capable of successively reflecting radiation from all of the microguides, with a view to propagation of this radiation in folded form and in free space,
- des moyens de photodétection des rayonnements ainsi réfléchis, et des moyens de focalisation des rayonnements sur ces moyens de photodétection.- means for photodetecting the radiation thus reflected, and means for focusing the radiation on these photodetection means.
De préférence, ' les moyens de réflexion sont aptes à permettre la propagation des rayonnements sous forme repliée, d'abord dans le guide optique planaire puis en espace libre, au dessus de ce guide optique planaire, dansun plan qui est parallèle à ce dernier.Preferably, 'the reflecting means are adapted to enable propagation of radiation in folded form, first in the planar optical guide then in free space, above this planar optical guide, in a plane which is parallel to the latter.
Selon un premier mode de réalisation particulier du spectromètre optique objet de l'invention, le réseau de phase optique est prévu pour fonctionner par réflexion et le guide optique planaire comporte une pluralité de côtés clivés, rendus réfléchissants vis-à-vis des rayonnements issus de l'ensemble de microguides et vis-à-vis de rayonnements destinés à pénétrer dans cet ensemble.According to a first particular embodiment of the optical spectrometer which is the subject of the invention, the optical phase grating is designed to operate by reflection and the planar optical guide has a plurality of cleaved sides, made reflective with respect to radiation from the set of microguides and vis-à-vis radiation intended to penetrate this set.
Dans ce cas, selon un mode de réalisation préféré, l'ensemble des microguides aboutit à l'un des côtés clivés et le réseau de phase optique comprend une zone de focalisation qui aboutit à l'un au moins de ces côtés clivés .In this case, according to a preferred embodiment, the set of microguides ends at one of the cleaved sides and the optical phase grating comprises a focusing zone which leads to at least one of these cleaved sides.
Selon une variante du premier mode de réalisation particulier, le réseau de phase optique est prévu pour fonctionner par réflexion et le guide optique planaire comporte un côté clivé, qui est rendu réfléchissant vis-à-vis des rayonnements issus de l'ensemble de microguides et vis-à-vis des rayonnements destinés à pénétrer dans cet ensemble et auquel l'ensemble des microguides aboutit, ainsi que d'autres côtés clivés aptes à réfléchir ces rayonnements, ces rayonnements étant prévus pour arriver sur ces autres côtés clivés avec des angles d'incidence suffisamment grands pour conduire à une réflexion totale de ces rayonnements .According to a variant of the first particular embodiment, the optical phase network is designed to operate by reflection and the planar optical guide has a cleaved side, which is made to reflect vis-à-vis radiation from the set of microguides and vis-à-vis the radiation intended to penetrate this assembly and to which all of the microguides ends, as well as other cleaved sides capable of reflecting this radiation, this radiation being intended to arrive on these other cleaved sides with angles of 'incidence large enough to lead to a total reflection of these radiations.
L'un des avantages de cette variante réside dans le fait que ces autres côtés, dépourvus de traitement réflecteur, n'induisent aucune polarisation de la lumière qu'ils réfléchissent.One of the advantages of this variant lies in the fact that these other sides, devoid of reflective treatment, do not induce any polarization of the light they reflect.
Dans le réseau de phase optique, les microguides forment par exemple des arcs de cercles concentriques.In the optical phase network, the microguides form, for example, arcs of concentric circles.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, le réseau de phase optique est prévu pour fonctionner par transmission.According to a second particular embodiment, the optical phase network is designed to operate by transmission.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les moyens de réflexion comprennent :According to a preferred embodiment of the invention, the reflection means comprise:
- un prisme, qui est prévu pour réfléchir les rayonnements issus de l'ensemble de microguides dans un plan parallèle au guide optique planaire sur lequel est formé le réseau de phase optique, et - au moins un miroir prévu pour réfléchir les rayonnements se propageant dans ce plan vers les moyens de photodétection.- a prism, which is provided for reflecting the radiation from the set of microguides in a plane parallel to the planar optical guide on which the optical phase network is formed, and - at least one mirror provided for reflecting the radiation propagating in this plan towards the photodetection means.
Le spectromètre optique objet de l'invention peut comprendre en outre un support sur lequel le réseau de phase optique, les moyens de réflexion et les moyens de photodétection sont positionnés les uns par rapport aux autres .The optical spectrometer which is the subject of the invention may further comprise a support on which the optical phase grating, the reflection means and the photodetection means are positioned in relation to each other.
De préférence, ce support est obtenu par moulage ou emboutissage à chaud d'une matière plastique, à partir d'un moule obtenu par une technique de moulage par lithographie et électro-formage.Preferably, this support is obtained by molding or hot stamping of a plastic material, from a mold obtained by a molding technique by lithography and electro-forming.
De préférence, le spectromètre optique objet de l'invention comprend en outre des moyens de compensation de modifications subies par le réseau de phase optique à cause de variations de température. Dans le cas du mode de réalisation préféré utilisant au moins un miroir, ces moyens de compensation comprennent, de préférence, un barreau ayant un coefficient de dilatation thermique de préférence élevé, ce barreau étant rendu solidaire du miroir pour engendrer, par dilatation thermique, des modifications de l'orientation du miroir, aptes à compenser les modifications subies par le réseau de phase optique. De préférence, le guide optique planaire est obtenu par une technique d'optique intégrée sur verre ou sur un semiconducteur, en particulier le silicium ou le phosphure d'indium.Preferably, the optical spectrometer which is the subject of the invention further comprises means for compensating for modifications undergone by the optical phase network due to variations in temperature. In the case of the preferred embodiment using at least one mirror, these compensating means preferably comprise a bar having a coefficient of preferably high thermal expansion, this bar being made integral with the mirror to generate, by thermal expansion, changes in the orientation of the mirror, capable of compensating for the changes undergone by the optical phase grating. Preferably, the planar optical guide is obtained by an integrated optical technique on glass or on a semiconductor, in particular silicon or indium phosphide.
La présente invention a également pour objet un spectromètre optique comprenant une pluralité de spectromètres optiques élémentaires conformes à l'invention, prévus pour couvrir de façon modulaire une gamme spectrale déterminée et optiquement couplés à une fibre optique d'entrée par l'intermédiaire de moyens de séparation de longueur d'onde.The present invention also relates to an optical spectrometer comprising a plurality of elementary optical spectrometers according to the invention, intended to cover in a modular manner a determined spectral range and optically coupled to an input optical fiber by means of wavelength separation.
Selon un premier mode de réalisation particulier, ce spectromètre comprend en outre des moyens de séparation de polarisation qui relient ces moyens de séparation de longueur d'onde aux spectromètres optiques élémentaires.According to a first particular embodiment, this spectrometer further comprises polarization separation means which connect these wavelength separation means to the elementary optical spectrometers.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, ce spectromètre comprend en outre des moyens de séparation de puissance et des moyens de polarisation qui relient ces moyens de séparation de longueur d'onde aux spectromètres optiques élémentaires . La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication avantageux du spectromètre objet de l'invention, dans lequel le réseau de phase optique est du genre replié, pour fonctionner par réflexion, et fabriqué en plusieurs exemplaires, par paires tête- bêche, selon les techniques de l'optique intégrée, à partir d'un même substrat qui est ensuite clivé pour obtenir les divers réseaux de phase optique ainsi fabriqués et former un spectromètre optique élémentaire avec chacune de ceux-ci.According to a second particular embodiment, this spectrometer further comprises power separation means and polarization means which connect these wavelength separation means to the elementary optical spectrometers. The present invention also relates to an advantageous method of manufacturing the spectrometer which is the subject of the invention, in which the optical phase grating is of the folded type, to operate by reflection, and manufactured in several copies, by head-to-tail pairs, according to the techniques. integrated optics, from the same substrate which is then cleaved to obtain the various optical phase networks thus manufactured and to form an elementary optical spectrometer with each of these.
Pour fabriquer le spectromètre objet de l'invention, on peut former chaque réseau de phase optique à partir d'un substrat et former des repères de clivage en même temps que les microguides de réseau de phase optique sur ce substrat.To manufacture the spectrometer which is the subject of the invention, it is possible to form each optical phase network from a substrate and to form cleavage marks at the same time as the optical phase network microguides on this substrate.
La présente invention concerne en outre un dispositif d'analyse spectrale pour les télécommunications optiques à haut débit utilisant un multiplexage dense en longueur d'onde, ce dispositif comprenant le spectromètre objet de l'invention, qui comprend la pluralité de spectromètres optiques élémentaires, pour fournir une indication en temps réel du placement de canaux dans l'intervalle allant de 1528,77 nm à 1563,86 nm, de façon modulaire et adaptable selon les besoins des utilisateurs.The present invention further relates to a spectral analysis device for high speed optical telecommunications using dense wavelength division multiplexing, this device comprising the spectrometer object of the invention, which comprises the plurality of elementary optical spectrometers, for provide a real-time indication of channel placement in the range from 1528.77 nm to 1563.86 nm, in a modular fashion and adaptable to the needs of users.
La présente invention concerne également un dispositif de métrologie optique à réseaux de Bragg, ce dispositif comprenant le spectromètre objet de l'invention, qui comprend la pluralité de spectromètres optiques élémentaires, pour mesurer des longueurs d'onde de Bragg. Ce spectromètre est par exemple destiné à détecter des signaux optiques issus d'au moins un capteur à réseau de Bragg.The present invention also relates to a Bragg grating optical metrology device, this device comprising the spectrometer which is the subject of the invention, which comprises the plurality of elementary optical spectrometers, for measuring Bragg wavelengths. This spectrometer is for example intended to detect optical signals coming from at least one Bragg grating sensor.
Selon divers aspects de l'invention : - le dispositif dispersif que comporte le spectromètre optique élémentaire est un composant de micro-optique intégrée appelé réseau de phase optique, ou encore phasar, qui comporte une pluralité de guides d'onde dont chacun introduit un déphasage par rapport à celui qui le précède; un tel phasar engendre un ensemble « mono-dimensionnel » de signaux électriquesAccording to various aspects of the invention: - the dispersive device that the elementary optical spectrometer comprises is a component of integrated micro-optics called an optical phase network, or also phasar, which comprises a plurality of waveguides, each of which introduces a phase shift compared to the one preceding it; such a phasar generates a “mono-dimensional” set of electrical signals
(formant un« vecteur ») , cet ensemble étant représentatif du spectre optique de la lumière injectée dans la fibre d'entrée du spectromètre élémentaire ; - un spectromètre conforme à 1 ' invention peut comporter un ou plusieurs spectromètres élémentaires montés en parallèle, agencés en étages multiples; le spectre optique recherché est alors obtenu en concaténant tous les spectres élémentaires issus de chacun des phasars ; ce montage en parallèle permet de résoudre la contradiction physique entre l'obtention d'une bonne résolution spectrale (c'est-à-dire d'une forte dispersion), d'une grande étendue spectrale et d'un encombrement minimal pour le spectromètre ; - en outre, pour minimiser l'encombrement, chaque phasar peut être un phasar fonctionnant en transmission ou un demi-phasar « replié » (pour fonctionner en réflexion) grâce à une interface formant un miroir, située dans la zone des microguides déphaseurs ; de plus, l'adaptation des propriétés de dispersion du phasar aux dimensions des barrettes de photo-détecteurs conduit à « replier » une pluralité de fois la zone de focalisation de façon que la taille du circuit optique formé reste compatible avec les techniques connues de fabrication et optimisée pour diminuer son coût dans le cadre d'une ' fabrication collective ;(forming a "vector"), this set being representative of the optical spectrum of the light injected into the input fiber of the elementary spectrometer; - A spectrometer according to one invention may include one or more elementary spectrometers mounted in parallel, arranged in multiple stages; the optical spectrum sought is then obtained by concatenating all the elementary spectra coming from each of the phasars; this parallel assembly makes it possible to resolve the physical contradiction between obtaining a good spectral resolution (that is to say a high dispersion), a large spectral range and a minimum bulk for the spectrometer ; - in addition, to minimize congestion, each phasar can be a phasar operating in transmission or a half-phasar "folded" (to operate in reflection) thanks to an interface forming a mirror, located in the area of phase shifting microguides; moreover, the adaptation of the phasar dispersion properties to the dimensions of the photo-detector arrays leads to “folding” the focusing area a plurality of times so that the size of the optical circuit formed remains compatible with known manufacturing techniques. and optimized to reduce its cost in the context of ' collective manufacturing;
- des moyens d'auto-compensation des variations de température, utilisant le « repliement » du faisceau lumineux traité, peuvent être prévus.- Self-compensation means for temperature variations, using the "folding" of the treated light beam, can be provided.
Remarquons les originalités de divers aspects de l'invention par rapport à des spectromètres optiques connus : • selon l'une- de ses conceptions, le spectromètre optique de l'invention comprend des demi- phasars « repliés » au niveau des micro-guides par une interface formant un miroir et la zone de focalisation est donc identique pour l'entrée et la sortie (contrairement aux phasars classiques) ;Note the originalities of various aspects of the invention compared to known optical spectrometers: • according to one of its designs, the optical spectrometer of the invention comprises half-phasars "folded" at the level of the micro-guides by an interface forming a mirror and the focusing area is therefore identical for entry and exit (unlike conventional phasars);
• la zone de focalisation peut être également « repliée » en partie sur le subs'trat où elle est formée et aussi en espace libre, par des moyens optiques assemblés sur un support de préférence obtenu par pré-formage selon la technique appelée LIGA, ce support étant susceptible de comporter des moyens d'auto-compensation en température ;• the focusing zone can also be "folded" in part on the substrate where it is formed and also in free space, by optical means assembled on a support preferably obtained by pre-forming according to the technique called LIGA, this support being capable of including temperature self-compensation means;
• on peut utiliser plusieurs phasars ou de i- phasars formés sur des substrats planaires montés en parallèle, agencés en ulti-étages, permettant d'augmenter le domaine spectral couvert par concaténation des vecteurs-spectres obtenus.• it is possible to use several phasars or i-phasars formed on planar substrates mounted in parallel, arranged in ulti-stages, allowing to increase the spectral range covered by concatenation of the vector-spectra obtained.
Un tel spectromètre optique multi-étages avec « repliement » permet de résoudre les problèmes posés dans le domaine des télécommunications DWDM.Such a multi-stage optical spectrometer with “folding” makes it possible to solve the problems posed in the field of DWDM telecommunications.
Les avantages suivants sont susceptibles d'être obtenus grâce à 1 ' invention :The following advantages are likely to be obtained thanks to the invention:
• pouvoir de résolution supérieur à 30000 (résolution de 50 p que l'on peut améliorer par un traitement centroïde) ,• resolving power greater than 30,000 (resolution of 50 p which can be improved by centroid processing),
• étendue spectrale modulable par multiples de 40 nm, de 40 nm à 360 nm,• spectral range adjustable in multiples of 40 nm, from 40 nm to 360 nm,
• dynamique de mesure (diaphonie) de l'ordre de -30 dB (grâce au réseau de phase), • rapport signal-sur-bruit important (grâce à l'analyse spectrale en parallèle),• measurement dynamics (crosstalk) of the order of -30 dB (thanks to the phase network), • significant signal-to-noise ratio (thanks to parallel spectral analysis),
• bande passante importante (supérieure à 1 kHz ) ,• significant bandwidth (greater than 1 kHz),
• indépendance vis-à-vis de la polarisation, • indépendance vis-à-vis de la température• independence from polarization, • independence from temperature
(grâce à une auto-compensation mécanique ou à une stabilisation thermique) ,(thanks to mechanical self-compensation or thermal stabilization),
• miniaturisation (rendue possible par les substrats planaires et aussi par l'agencement sous forme de multi-étages) ,• miniaturization (made possible by planar substrates and also by arrangement in the form of multi-stages),
• spectromètre adapté à une utilisation sur le terrain,• spectrometer suitable for use in the field,
• coût de fabrication optimisé (rendu possible par une fabrication collective en optique intégrée) et production de grande série du boîtier-support (grâce à l'utilisation de la technique LIGA) .• optimized manufacturing cost (made possible by collective manufacturing in integrated optics) and mass production of the support box (using the LIGA technique).
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :The present invention will be better understood on reading the description of exemplary embodiments given below, by way of purely indicative and in no way limiting, with reference to the appended drawings in which:
- la figure 1 est un schéma-bloc d'un spectromètre DWDM conforme à l'invention,FIG. 1 is a block diagram of a DWDM spectrometer according to the invention,
- la figure 2 est un schéma-bloc d'un autre spectromètre DWDM conforme à l'invention, utilisant des séparateurs de polarisation,FIG. 2 is a block diagram of another DWDM spectrometer according to the invention, using polarization splitters,
- la figure 3 est un schéma-bloc d'un autre spectromètre DWDM conforme à l'invention, utilisant des polariseurs à fibres optiques,FIG. 3 is a block diagram of another DWDM spectrometer according to the invention, using optical fiber polarizers,
- la figure 4 illustre schématiquement un exemple de schéma de masquage d'un demi-phasar en optique intégrée sur verre, utilisable dans l'invention,FIG. 4 schematically illustrates an example of a masking diagram for a half-phasar in integrated optics on glass, usable in the invention,
- la figure 5 est un ' schéma optique correspondant au demi-phasar représenté sur la figure 4,- Figure 5 is an optical diagram corresponding to half phasar shown in Figure 4,
- la figure 6A est une vue schématique d'un assemblage d'un micro-spectromètre élémentaire conforme à l'invention, utilisant la technique appelé LIGA pour « Lithographie Galvanoformung Abformung »,FIG. 6A is a schematic view of an assembly of an elementary micro-spectrometer according to the invention, using the technique called LIGA for "Lithography Galvanoformung Abformung",
- la figure 6B est la coupe AA de la figure 6A,FIG. 6B is the section AA in FIG. 6A,
- la figure 7A est une vue schématique d'un assemblage d'un autre micro-spectromètre élémentaire conforme à l'invention, utilisant aussi la technique LIGA,- Figure 7A is a schematic view of an assembly of another elementary micro-spectrometer according to the invention, also using the LIGA technique,
- la figure 7B est la coupe AA de la figure 7A,FIG. 7B is the section AA in FIG. 7A,
- la figure 8 illustre schématiquement un mécanisme d'auto-compensation passive de la dépendance thermique d'un réseau de phase utilisable dans 1' invention,FIG. 8 schematically illustrates a mechanism for passive self-compensation of the thermal dependence of a phase network usable in the invention,
- la figure 9 illustre schématiquement un autre mécanisme d' auto-composensation passive de la dépendance thermique d'un réseau de phase utilisable dans 1 ' invention,FIG. 9 schematically illustrates another mechanism for passive self-compensation of the thermal dependence of a phase network usable in the invention,
- la figure 10 illustre schématiquement un exemple de schéma de masquage de deux demi-phasars en optique intégrée sur verre, utilisable dans l'invention,FIG. 10 schematically illustrates an example of a masking diagram of two half-phasars in integrated optics on glass, usable in the invention,
- la figure 11A est une vue schématique d'un assemblage d'un autre micro-spectromètre élémentaire conforme à l'invention, utilisant la technique LIGA,FIG. 11A is a schematic view of an assembly of another elementary micro-spectrometer according to the invention, using the LIGA technique,
- la figure 11B est la coupe AA de la figure 11A,FIG. 11B is the section AA in FIG. 11A,
- la figure 12 illustre schématiquement une application d'un dispositif conforme à l'invention à la mesure de déformations, de pressions et de températures à l'aide de réseaux de Bragg formant des transducteurs, etFIG. 12 schematically illustrates an application of a device according to the invention to the measurement of deformations, pressures and temperatures using Bragg gratings forming transducers, and
- la figure 13 illustre schématiquement une tranche (« wafer ») de 8 pouces (environ 20 cm) en optique intégrée silice sur silicium ainsi qu'un exemple de schéma de masquage de composants phasars selon le masque élémentaire décrit en faisant référence à la figure 10. EXPOSE DÉTAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS- Figure 13 schematically illustrates a wafer of 8 inches (about 20 cm) in integrated silica on silicon optics as well as an example of a masking scheme of phasar components according to the elementary mask described with reference to the figure 10. DETAILED DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
Un objectif de la présente invention est la réalisation d'un spectromètre compact, à coût optimisé, qui permette de couvrir le spectre utile pour la troisième fenêtre de télécommunication (bande conventionnelle, ou bande C, et bande longue ou bande L) . La bande spectrale à couvrir pour satisfaire au marché actuel des télécommunications est de l'ordre de 120 nm. De plus, la grille ITU actuelle est de 50 GHz, ce qui correspond à une séparation d'environ 0,4 nm entre canaux (le nombre de canaux étant égal à 300) .An objective of the present invention is the production of a compact spectrometer, at optimized cost, which makes it possible to cover the useful spectrum for the third telecommunications window (conventional band, or C band, and long band or L band). The spectral band to cover to satisfy the current telecommunications market is around 120 nm. In addition, the current ITU grid is 50 GHz, which corresponds to a separation of approximately 0.4 nm between channels (the number of channels being equal to 300).
Un domaine d'application essentiel de ce spectromètre à haute résolution et à grande étendue est celui des télécommunications à très haute densité spectrale (utilisant la technique DWDM) .An essential field of application of this high resolution and wide range spectrometer is that of telecommunications with very high spectral density (using the DWDM technique).
Dans la présente invention, on utilise des phasars pour des raisons de dispersion (les phasars ayant un ordre de diffraction élevé) , de compacité et de performances de diaphonie. Toutefois, des calculs de dimensionnement montrent qu'il n'est pas facile de fabriquer un phasar unique pour toute la gamme de longueur d'onde car le nombre de micro-guides requis pour satisfaire au critère de résolution spectrale est très élevé : il est supérieur à 2500. De plus, le dimensionnement d'un tel composant conduit à une valeur de distance focale de sortie très supérieure à la taille d'une plaquette (« wafer ») semiconductrice. C'est pourquoi, dans l'invention, on préfère « replier » le faisceau diffracté par les micro-guides une ou plusieurs fois dans la zone de focalisation et monter une pluralité de phasars en parallèle selon une approche « multi-étages »In the present invention, phasars are used for reasons of dispersion (phasars having a high diffraction order), compactness and crosstalk performance. However, sizing calculations show that it is not easy to manufacture a single phasar for the entire wavelength range because the number of micro-guides required to satisfy the spectral resolution criterion is very high: it is greater than 2500. In addition, the dimensioning of such a component leads to a value of focal focal length output much greater than the size of a semiconductor wafer. This is why, in the invention, it is preferable to "fold" the beam diffracted by the micro-guides one or more times in the focusing zone and mount a plurality of phasars in parallel using a “multi-stage” approach
(empilement) pour couvrir l'intégralité du spectre des bandes C et L en mettant bout à bout, grâce à un ordinateur, les informations respectivement issues des phasars .(stacking) to cover the entire spectrum of the C and L bands by putting end to end, thanks to a computer, the information respectively from the phasars.
On décrit maintenant un mode de réalisation particulier d'un phasar qui est utilisable dans l'invention et fonctionne à un ordre 39 pour une étendue spectrale de 40 nm. D'autres modes de réalisation particuliers sont possibles, l'un de ces derniers consistant par exemple à travailler à un ordre 78 sur une étendue spectrale de 20 nm.We will now describe a particular embodiment of a phasar which can be used in the invention and operates at order 39 for a spectral range of 40 nm. Other particular embodiments are possible, one of these consisting for example of working at an order 78 over a spectral range of 20 nm.
Un phasar se comporte comme un réseau de diffraction concave en transmission dont l'équation s'écrit : n sin θi + sin θo ) J = n. -dg- - nc. dg- = n. ^λ d "g λo )A phasar behaves like a concave diffraction grating in transmission, the equation of which is written: n sin θi + sin θo) J = n. -dg- - n c . dg- = n. ^ λ d " g λo )
Dans cette équation, dg est l'intervalle entre deux micro-guides à l'entrée de la zone de focalisation de sortie, ns l'indice du guide planaire, nc l'indice du guide (qui est souvent le même) , les angles θi et θ0 sont les angles diffractés respectivement dans la zone de focalisation d'entrée et dans celle de sortie, ΔL est le décalage de longueur d'un guide à l'autre, et n est l'ordre de diffraction. La longueur d'onde λ0 est la longueur d'onde centrale du phasar qui s'écrit:In this equation, d g is the interval between two micro-guides at the entrance to the exit focusing zone, n s the index of the planar guide, n c the index of the guide (which is often the same) , the angles θi and θ 0 are the diffracted angles respectively in the input focusing zone and in that of the output, ΔL is the length offset from one guide to the other, and n is the diffraction order. The wavelength λ 0 is the central wavelength of the phasar which is written:
Pour un demi-phasar (replié en réflexion) , l'équation est modifiée en remplaçant ΔL par 2.ΔL : ns sin θi + sin θo ) = n. Le phasar permet de démultiplexer les longueurs d'onde issues de l'un des guides d'entrée vers les guides de sortie. Le phasar permet d'exécuter cette fonction à partir de n'importe quel guide d'entrée ; le spectre reçu en sortie se trouve alors décalé de façon proportionnelle à l'emplacement du guide d'entrée considéré . For a half-phasar (folded in reflection), the equation is modified by replacing ΔL by 2.ΔL: ns sin θi + sin θo) = n. The phasar demultiplexes the wavelengths from one of the input guides to the output guides. The phasar allows you to perform this function from any input guide; the spectrum received at the output is then shifted proportionally to the location of the input guide considered.
Cette propriété peut être utilisée afin de réaliser une auto-compensation en température en fixant la fibre optique d'entrée sur un support mécanique dont le déplacement induit par dilatation thermique compense le décalage spectral dû à la dépendance thermique du composant .This property can be used in order to achieve temperature self-compensation by fixing the input optical fiber on a mechanical support whose displacement induced by thermal expansion compensates for the spectral shift due to the thermal dependence of the component.
Dans l'invention, cette propriété est également applicable au cas de l'utilisation d'un demi-phasar (replié) afin de décaler une fibre d'entrée d'une barrette de photo-détecteurs située dans un même plan, comme on le verra plus loin.In the invention, this property is also applicable in the case of the use of a half-phasar (folded) in order to offset an input fiber from a photodetector array located in the same plane, as is the case. will see further.
Le dimensionnement d'un réseau de phase pour des applications de spectrométrie nécessite tout d'abord d'ajuster l'ordre de diffraction maximum possible (et le décalage en longueur entre chaque microguide) en considérant l'étendue spectrale observéeThe dimensioning of a phase grating for spectrometry applications firstly requires adjusting the maximum possible diffraction order (and the length offset between each microguide) by considering the spectral range observed
(sans recouvrement d'un ordre à un ordre suivant ou précédent) , puis le nombre de micro-guides minimal est choisi pour garantir le pouvoir de résolution recherché. Pour finir, la distance focale de sortie est calculée en fonction des caractéristiques de la barrette de photo-détecteurs . Pour supprimer toute ambiguité, les recouvrements spectraux d'un ordre i à un ordre suivant i+1 ou précédent i-1 sont évités. Pour cela, l'intervalle spectral libre, noté ISL, est choisi au mieux égal (ou supérieur) à l'étendue spectrale observée, notée ES. Ceci définit une condition sur l'ordre de diffraction du phasar :(without overlapping from one order to a next or previous order), then the minimum number of micro-guides is chosen to guarantee the desired resolving power. Finally, the focal length of the output is calculated according to the characteristics of the photodetector array. To remove any ambiguity, the spectral overlaps from an i order to a following order i + 1 or previous i-1 are avoided. For this, the free spectral interval, denoted ISL, is chosen at best equal (or greater) to the observed spectral range, denoted ES. This defines a condition on the phasar diffraction order:
Le pouvoir de résolution du phasar s'écrit: The resolving power of the phasar is written:
- k- = n.M où n est l'ordre de diffraction et M le Δλ nombre de micro-guides. Δλ correspond à la largeur spectrale de la « tache d'Airy » ; on cherche à avoir 0,05 nm afin de pouvoir distinguer les canaux au sein de la grille ITU.- k- = n.M where n is the diffraction order and M the Δλ number of micro-guides. Δλ corresponds to the spectral width of the "Airy spot"; we try to have 0.05 nm in order to be able to distinguish the channels within the ITU grid.
Le décalage de longueur entre chaque microguide est égale à ΔL = . λo pour le demi-phasar et à ΔL = — .λo pour le phasar entier. nc The length offset between each microguide is equal to ΔL =. λo for the half-phasar and at ΔL = - .λo for the entire phasar. n c
A titre d'exemple, les micro-guides sont constitués d'arcs de cercles.As an example, the micro-guides are made up of arcs of circles.
Dans le cas du demi-phasar, on choisit, à titre d'exemple, un angle de 60° pour ces arcs de cercles et la relation entre le décalage en longueur et leIn the case of the half-phasar, we choose, by way of example, an angle of 60 ° for these arcs of circles and the relationship between the offset in length and the
3 décalage en rayon ΔR s'écrit: ΔR = — .ΔL ; à titre π d'exemple, pour le phasar entier (angle de 120°), le décalage en rayon ΔR s'écrit: ΔR = —— .ΔL 3 offset in radius ΔR is written: ΔR = - .ΔL; for example π, for the entire phasar (angle of 120 °), the offset in radius ΔR is written: ΔR = —— .ΔL
La relation de dispersion qui lie le déplacement Δy de la tâche focale, à la sortie des micro-guides, à la longueur d'onde λ s'écrit:The dispersion relation which links the displacement Δy of the focal spot, at the output of the micro-guides, at the wavelength λ is written:
où ns est l'indice effectif de la zone de focalisation et f la longueur de cette zone qui correspond à la distance focale de sortie. where n s is the effective index of the focusing area and f the length of this area which corresponds to the focal length of the output.
Si l'on considère toute la largeur spectrale observée, la largeur L focalisée correspondant à la largeur utile de la barrette, on obtient que cette largeur L est peu différente de la quantité i1 .ISLIf we consider all the spectral width observed, the focused width L corresponding to the useful width of the bar, we obtain that this width L is little different from the quantity i 1 .ISL
elle-même peu différente de f . -τ~—- et la distance dgXLs , focale f est donc peu différente de ns: g . L . L'intervalle dg ne peut pas être réduit autant qu'on le souhaite ; il est limité par la diaphonie entre les guides. Cette valeur étant fixée, la distance focale ne dépend que de la longueur de la barrette. D'autre part, la distance focale dans le verre (d'indice 1,46) est plus grande que la distance focale dans l'air (d'indice 1) du fait de l'auto-focalisation à la sortie du guide planaire.itself little different from f. -τ ~ —- and the distance dgXLs, focal length f is therefore little different from ns : g . L. The interval d g cannot be reduced as much as desired; it is limited by the crosstalk between the guides. This value being fixed, the focal distance only depends on the length of the bar. On the other hand, the focal distance in the glass (index 1.46) is greater than the focal distance in the air (index 1) due to the self-focusing at the exit of the planar guide. .
Toute diminution de la largeur spectrale observée ne se répercute donc pas sur la distance focale car elle est compensée par un ordre de diffraction d'autant plus faible (l'ISL étant ajusté en conséquence) . L'obtention d'une meilleure résolution spectrale nécessite une nouvelle conception optique, détaillée dans la présente description, conception qui permet un parcours géométrique plus grand.Any reduction in the spectral width observed does not therefore have an effect on the focal distance because it is compensated for by an even lower order of diffraction (the ISL being adjusted accordingly). Obtaining better spectral resolution requires a new optical design, detailed in the present description, a design which allows a larger geometric path.
A titre purement indicatif et nullement limitatif, les caractéristiques de chaque demi-phasar sont données ci-après:As a purely indicative and in no way limitative, the characteristics of each half-phasar are given below:
• intervalle spectral libre : 40 nm, • ordre de diffraction: 39,• free spectral interval: 40 nm, • diffraction order: 39,
• nombre de micro-guides: 800,• number of micro-guides: 800,
• intervalle entre micro-guides: 19,8 μm,• interval between micro-guides: 19.8 μm,
• écart de longueur entre micro-guides: 20,7 μm • largeur de la tache de diffraction : 0,05 nm,• length difference between micro-guides: 20.7 μm • width of the diffraction spot: 0.05 nm,
• intervalle de pixel : 13 μm,• pixel interval: 13 μm,
• nombre de pixels par barrette : 1024 pixels,• number of pixels per strip: 1024 pixels,
• longueur (utile) de la barrette : 13,3 mm,• length (useful) of the bar: 13.3 mm,
• résolution spectrale (barrette) : 40 nm/1024 pixels, c'est-à-dire environ 0,04 nm/pixel,• spectral resolution (bar): 40 nm / 1024 pixels, that is to say approximately 0.04 nm / pixel,
• distance focale de sortie: 250 mm dans le verre (indice 1,46), d'où un parcours de 50 mm dans le verre ajouté à 140 mm dans l'air (équivalent à 200 mm dans le verre) [exemple qui s'applique à l'assemblage représenté sur les figures 6A et 6B] ou bien 175 mm dans l'air [exemple qui s'applique à l'assemblage représenté sur les figures 7A et 7B] .• focal length of exit: 250 mm in the glass (index 1.46), from where a path of 50 mm in the glass added to 140 mm in the air (equivalent to 200 mm in the glass) [example which s 'applies to the assembly shown in Figures 6A and 6B] or 175 mm in the air [example which applies to the assembly shown in Figures 7A and 7B].
Ces caractéristiques prennent en compte l'adaptation nécessaire entre la largeur de la tache de diffraction et la largeur du spectre reportée sur la barrette de photo-détecteurs (ici, environ 50 pm par pixel) . La réalisation d'un masque par la méthode de propagation de faisceau (« Beam Propagation Method ») prend en compte la dispersion des matériaux mis en oeuvre dans la définition précise du dimensionnement optique du composant à réaliser.These characteristics take into account the necessary adaptation between the width of the diffraction spot and the width of the spectrum plotted on the photo-detector array (here, approximately 50 μm per pixel). The production of a mask by the beam propagation method (“Beam Propagation Method”) takes into account the dispersion of the materials used in the precise definition of the optical dimensioning of the component to be produced.
Considérons maintenant le principe de fonctionnement d'un micro-spectromètre conforme à l' invention. Quatre modes de conception peuvent être distingués selon que le micro-spectromètre comprend un phasar unique ou une pluralité de phasarsLet us now consider the operating principle of a micro-spectrometer according to the invention. Four design modes can be distinguished depending on whether the micro-spectrometer comprises a single phasar or a plurality of phasars
(respectivement ' assignés à des domaines de longueurs d'onde distincts) :(respectively ' assigned to distinct wavelength domains):
(1) . spectromètre à phasar unique (indépendant de la polarisation ou corrigé de la dépendance en polarisation) ,(1). single phasar spectrometer (independent of polarization or corrected for polarization dependence),
(2) . spectromètre à couple de phasars (à séparation de polarisation) ,(2). phasar pair spectrometer (polarization separation),
(3). spectromètre à pluralité de phasars élémentaires (indépendants de la polarisation ou corrigés de la dépendance en polarisation) , et(3). spectrometer with a plurality of elementary phasars (independent of polarization or corrected for polarization dependence), and
(4) . spectromètre à pluralité de couples de phasars élémentaires (à séparation de polarisation) .(4). spectrometer with a plurality of pairs of elementary phasars (polarization separation).
Le mode de conception (1) (respectivement (2)) est un cas particulier du mode de conception (3)The design mode (1) (respectively (2)) is a special case of the design mode (3)
(respectivement (4)). C'est pourquoi ne seront détaillés que les modes de conception (3) et (4). La dépendance en polarisation d'un phasar se traduit par la superposition de deux spectres à la sortie de ce phasar, correspondant .aux deux états de polarisation (transverse électrique, notée TE et transverse magnétique, noté TM) . Si l'état de polarisation n'est pas maintenu à la sortie de la liaison par fibre optique que l'on veut analyser (ce qui est le cas des liaisons de télécommunications optiques classiques) , le spectre observé est donc brouillé par la superposition de ces deux états. Ce problème peut être résolu de trois façon différentes : • en concevant un dispositif dispersif indépendant de la polarisation (par exemple au moyen d'une technique d'échange d'ions sur du verre),(respectively (4)). This is why only the design modes (3) and (4) will be detailed. The polarization dependence of a phasar results in the superposition of two spectra at the output of this phasar, corresponding to the two polarization states (electric transverse, denoted TE and magnetic transverse, denoted TM). If the polarization state is not maintained at the output of the fiber optic link that we want to analyze (which is the case with conventional optical telecommunications links), the observed spectrum is therefore blurred by the superposition of these two states. This problem can be solved in three different ways: • by designing a dispersive device independent of polarization (for example by means of an ion exchange technique on glass),
• en concevant un dispositif dispersif où l'on compense les effets de la polarisation, par exemple en insérant une lame demi-onde au milieu de la zone des guides déphaseurs et, à ce sujet, on se reportera par exemple au document suivant : [3] US 5937113A, • en séparant les deux états de polarisation avant dispersion par deux composants dispersifs, chacun étant étalonné pour un état de polarisation donné (TE ou TM) .• by designing a dispersive device where one compensates for the effects of polarization, for example by inserting a half-wave plate in the middle of the zone of the phase shift guides and, on this subject, one will refer for example to the following document: [ 3] US 5937113A, • by separating the two polarization states before dispersion by two dispersive components, each being calibrated for a given polarization state (TE or TM).
Cette dernière approche (modes de conception (2) et (4)) présente l'avantage d'utiliser des phasars de conception plus simple (sans compensation de polarisation) , qui sont par exemple formés au moyen d'une technique d'optique intégrée sur silicium, et permet de réaliser un spectromètre à contrôle de polarisation. En revanche, elle nécessite de fabriquer deux fois plus de substrats et de contrôler l'état de polarisation à l'entrée de ces substrats, ce qui complique beaucoup la mise en oeuvre de cette approche et augmente le coût du dispositif final. Les modes de conception (1) et (2) sont respectivement identiques aux modes de conception (3) et (4) mais sans séparateur en longueur d'onde.The latter approach (design modes (2) and (4)) has the advantage of using phasars of simpler design (without polarization compensation), which are for example formed by means of an integrated optics technique on silicon, and allows to realize a polarization control spectrometer. However, it requires manufacturing twice as many substrates and controlling the state of polarization at the input of these substrates, which greatly complicates the implementation of this approach and increases the cost of the final device. The design modes (1) and (2) are respectively identical to the design modes (3) and (4) but without a wavelength separator.
Ce séparateur en longueur d'onde a pour but d'effectuer une première séparation des bandes observées par chacun des micro-spectromètres élémentaires. Ce peut être un démultiplexeur à réseau du genre de celui qui est commercialisé sous la marque STIMAX par la Société Jobin-Yvon ou bien un dispositif d'optique intégrée tel qu'un phasar du commerce.The purpose of this wavelength separator is to perform a first separation of the bands observed by each of the elementary micro-spectrometers. It can be a network demultiplexer of the kind that is marketed under the STIMAX brand by the Jobin-Yvon Company or else an integrated optical device such as a commercial phasar.
Considérons, à titre d'exemple, un micro- spectromètre conforme à l'invention, assurant la mesure sur trois étendues spectrales .Consider, by way of example, a micro-spectrometer in accordance with the invention, ensuring measurement over three spectral ranges.
La figure 1 représente le schéma-bloc optique d'un tel micro-spectromètre, appliqué à la technique DWDM et comprenant un séparateur en longueur d'onde 2 ainsi que trois blocs, à savoir trois micro- spectromètres élémentaires dont les références sont respectivement Ml, M2 et M3 , selon le mode de conception (3 ) .FIG. 1 represents the optical block diagram of such a micro-spectrometer, applied to the DWDM technique and comprising a wavelength separator 2 as well as three blocks, namely three elementary micro-spectrometers whose references are Ml respectively , M2 and M3, depending on the design mode (3).
On voit sur la partie droite de la figure 1 le spectre reconstitué S avec, en abscisses, les longueurs d'onde λ et, en ordonnées, les intensités lumineuses I.We see on the right side of FIG. 1 the reconstituted spectrum S with, on the abscissa, the wavelengths λ and, on the ordinate, the light intensities I.
Les figures 2 et 3 représentent des schémas- blocs optiques d'un micro-spectromètre constitué de six blocs, à savoir six micro-spectromètres élémentaires dont les références sont respectivements Mlx et Mly,FIGS. 2 and 3 represent optical block diagrams of a micro-spectrometer made up of six blocks, namely six elementary micro-spectrometers whose references are Mlx and Mly,
M2x et M2y et M3x et M3y, selon le mode de conception (4) .M2x and M2y and M3x and M3y, depending on the design mode (4).
Ce mode de conception peut faire intervenir un séparateur en longueur d'onde 4 (par exemple, un phasar ayant une bande passante de 40 nm) et trois coupleurs à séparation de polarisation Cl, C2 , C3 (voir la figure 2) qui utilisent de préférence des cristaux biréfringents pour effectuer la séparation des polarisations car la diaphonie est alors faible. Une autre solution (voir la figure 3) consiste à utiliser le séparateur en longueur d'onde 2 de la figure 1, trois coupleurs à séparation de puissance Pi, P2 , P3 et six polariseurs intégrés sur fibres, à savoir trois couples de polariseurs Px et Py, Px permettant une polarisation selon une direction x et Py selon une direction y perpendiculaire à x.This design mode may involve a wavelength separator 4 (for example, a phasar having a bandwidth of 40 nm) and three polarization separation couplers C1, C2, C3 (see Figure 2) which use preferably birefringent crystals to effect the separation of the polarizations because the crosstalk is then low. Another solution (see Figure 3) is to use the wavelength separator 2 of the FIG. 1, three couplers with power separation Pi, P2, P3 and six polarizers integrated on fibers, namely three pairs of polarizers Px and Py, Px allowing polarization in a direction x and Py in a direction y perpendicular to x.
Dans les deux cas (figures 2 et 3), les fibres optiques de liaison entre les coupleurs à séparation de polarisation ou les polariseurs et les microspectrometres élémentaires sont des fibres à maintien de polarisation 6.In both cases (FIGS. 2 and 3), the optical fibers for connection between the polarization separation couplers or the polarizers and the elementary microspectrometers are fibers with polarization maintenance 6.
Le premier axe neutre de chaque fibre à maintien de polarisation 6 est placé parallèlement à la surface du substrat sur lequel est formé le micro- spectromètre associé (cette surface étant par exemple parallèle à la direction x) .The first neutral axis of each polarization-maintaining fiber 6 is placed parallel to the surface of the substrate on which the associated microspectrometer is formed (this surface being for example parallel to the direction x).
Le deuxième axe neutre de cette fibre 6 est placé perpendiculairement à cette surface (et donc parallèlement à l'axe y dans l'exemple considéré) .The second neutral axis of this fiber 6 is placed perpendicular to this surface (and therefore parallel to the y axis in the example considered).
A propos des figures 1 à 3, on précise que le signal lumineux devant être analysé par le microspectromètre lui parvient par une fibre optique d'entrée FE ; le séparateur en longueur d'onde 2With reference to FIGS. 1 to 3, it is specified that the light signal to be analyzed by the microspectrometer reaches it by an input optical fiber FE; the wavelength separator 2
(respectivement 4) est relié aux microspectrometres élémentaires Ml, M2 , M3 (respectivement aux coupleurs Cl, C2, C3 ou Pi, P2 , P3 ) par des fibres optiques fl, f2, f3 ; chacun des coupleurs PI, P2 , P3 est relié aux deux polariseurs associés Px et Py par deux fibres optiques fx et fy.(respectively 4) is connected to the elementary microspectrometers Ml, M2, M3 (respectively to couplers C1, C2, C3 or Pi, P2, P3) by optical fibers fl, f2, f3; each of the couplers PI, P2, P3 is connected to the two associated polarizers Px and Py by two optical fibers fx and fy.
Trois techniques possibles pour fabriquer un phasar utilisable dans l'invention sont : la technique d'optique intégrée sur semiconducteur ou la technique d'optique intégrée sur silicium - ou la technique d'échange d'ions sur verre.Three possible techniques for manufacturing a phasar which can be used in the invention are: the integrated optical technique on semiconductor or the integrated optical technique on silicon - or the ion exchange technique on glass.
Nous ne considérerons que les techniques utilisant un substrat de silicium ou un substrat de verre .We will only consider techniques using a silicon substrate or a glass substrate.
Considérons d'abord un phasar fabriqué par une technique d'optique intrégrée sur silicium.Let us first consider a phasar produced by an integrated optical technique on silicon.
Les techniques du genre « Si02/Si » (couches guidantes en Si02, SiON ou Si3N4) sont parfaitement adaptées à la fabrication d'un tel composant. Les procédés utilisés dans ce cas sont fondés sur un dépôt en phase vapeur (essentiellement un dépôt chimique en phase vapeur) ou une hydrolyse à la flamme et sur une gravure ionique réactive pour la réalisation des motifs .Techniques of the “Si0 2 / Si” type (guiding layers in Si0 2 , SiON or Si 3 N 4 ) are perfectly suited to the manufacture of such a component. The processes used in this case are based on vapor deposition (essentially chemical vapor deposition) or hydrolysis with a flame and on reactive ion etching for the production of the patterns.
Prenons l'exemple de la technique utilisant des guides de silice sur silicium. A ce sujet, on se reportera aux documents suivants :Take the example of the technique using guides on silica on silicon. On this subject, reference is made to the following documents:
[4] S. Valette et al., Si-based integrated optics technologies, Solid State Tech., 1989, pages 69- 74 [5] S. Valette et al., Silicon-based integrated optics technology for optical sensor applications, Sensors and Act. A, 1990, pages 1087-1091.[4] S. Valette et al., Si-based integrated optics technologies, Solid State Tech., 1989, pages 69-74 [5] S. Valette et al., Silicon-based integrated optics technology for optical sensor applications, Sensors and Act. A, 1990, pages 1087-1091.
Dans ce cas, le substrat optique est une couche de silice d'épaisseur suffisante pour isoler la lumière du silicium (6 μm pour une longueur d'onde de 0,8 μm etIn this case, the optical substrate is a layer of silica of sufficient thickness to isolate the light from the silicon (6 μm for a wavelength of 0.8 μm and
12 μm pour une longueur d'onde de l'ordre de 1,3 μm à 1,55 μm) , la couche guidante est une couche de silice dopée au phosphore (avec une épaisseur de 2 μm à 5 μm suivant la longueur d'onde) et la couche de recouvrement, ou superstrat, est équivalente, du point de vue de l'indice optique, au substrat, avec une épaisseur de 6 μm à 10 μm.12 μm for a wavelength of the order of 1.3 μm at 1.55 μm), the guiding layer is a phosphorus doped silica layer (with a thickness of 2 μm to 5 μm depending on the wavelength) and the covering layer, or superstrate, is equivalent, from the point of view from the optical index, to the substrate, with a thickness of 6 μm to 10 μm.
Typiquement, pour le composant décrit, les dimensions des canaux sont de l'ordre de 4 μm x 4 μm avec un dopage à 1 ' oxyde de germanium permettant d'atteindre un saut d'indice de l'ordre de 2 x 10"2 afin d'assurer un fort confinement du mode et de limiter la diaphonie entre guides .Typically, for the component described, the dimensions of the channels are of the order of 4 μm x 4 μm with doping with 1 germanium oxide making it possible to achieve an index jump of the order of 2 × 10 −2 in order to ensure a strong confinement of the mode and to limit crosstalk between guides.
On sait fabriquer un phasar de haute densité d'intégration avec cette technique. A ce sujet, on se reportera au document suivant :We know how to make a phasar of high density of integration with this technique. On this subject, we refer to the following document:
[6] Y. Hibino et al., Fabrication of silica-on-[6] Y. Hibino et al., Fabrication of silica-on-
Si waveguide with higher index différence and its application to 256 channel arrayed waveguide multi/demultiplexer , Optical Fiber Communications (OFC) 2000, Baltimore, WH-2-1, page 127.Si waveguide with higher index difference and its application to 256 channel arrayed waveguide multi / demultiplexer, Optical Fiber Communications (OFC) 2000, Baltimore, WH-2-1, page 127.
Un saut d'indice plus important, de l'ordre de 3xl0~2, peut être atteint en faisant un dépôt de SiON.A larger index jump, of the order of 3 × 10 -2 , can be achieved by depositing SiON.
Un avantage important de l'optique intégrée sur silicium est de pouvoir graver simultanément des rainures en V («V-grooves») ou des rainures en U pour le positionnement de fibres optiques monomodes .An important advantage of integrated optics on silicon is to be able to simultaneously engrave V-grooves or V-grooves for positioning single-mode optical fibers.
Au sujet des rainures en U on pourra se reporter au document suivant :Regarding the U-shaped grooves, we can refer to the following document:
[7] G. Grand et al., New method for low-cost and efficient optical connection between single-mode fibers and silica guides, Electron. Lett., Vol.27, n°l, 1991, pages 16-17.[7] G. Grand et al., New method for low-cost and efficient optical connection between single-mode fibers and silica guides, Electron. Lett., Vol. 27, No. 1, 1991, pages 16-17.
Un autre avantage de cette technique réside dans le contrôle de la pente des flancs de gravure (pour limiter les réflexions parasites aux extrémités des guides, réflexion qui sont génératrices de diaphonie) .Another advantage of this technique lies in controlling the slope of the etching flanks (to limit parasitic reflections at the ends of the guides, reflections which generate crosstalk).
Considérons maintenant un phasar fabriqué par une technique d'optique intégrée sur verre. Cette technique est bien adaptée pour réaliser le composant représenté sur la figure 4. La technique utilisée est celle de l'échange thermique d'ions tels que Na+, K+ ou Cs+, éventuellement assisté par un champ électrique. Cette technique bien connue consiste à échanger des ions alcalins (par exemple des ions Na+) , déjà présents dans le verre, avec d'autres ions tels que Ag+ ou Tl+ qui ont pour effet d'augmenter localement l'indice de réfraction du verre.Now consider a phasar made by an integrated optical technique on glass. This technique is well suited for producing the component shown in FIG. 4. The technique used is that of the thermal exchange of ions such as Na + , K + or Cs + , possibly assisted by an electric field. This well-known technique consists in exchanging alkaline ions (for example Na + ions), already present in the glass, with other ions such as Ag + or Tl + which have the effect of locally increasing the refractive index. glass.
Les pertes optiques dues à la connexion fibre/guide et à l'atténuation dans le guide ont été considérablement diminuées grâce à la technique des guides enterrés. Cette dernière consiste à faire diffuser le premier dopage dans le substrat (sous champ électrique) ou bien à réaliser une seconde diffusion thermique d'ions sodium. On obtient ainsi des guides caractérisés par des sections de dopage quasi- circulaires, ayant un mode conforme à celui d'une fibre optique monomode -on optimise le recouvrement modal- et présentant des atténuations linéiques beaucoup plus faibles du fait de la quasi-disparition de la diffusion de surface : elle est typiquement inférieure à 0,1 dB/cm.The optical losses due to the fiber / guide connection and attenuation in the guide have been considerably reduced thanks to the technique of buried guides. The latter consists in diffusing the first doping into the substrate (under an electric field) or else in performing a second thermal diffusion of sodium ions. Guides are thus obtained characterized by quasi-circular doping sections, having a mode conforming to that of a single-mode optical fiber -on optimizes modal overlap- and having much lower linear attenuations due to the virtual disappearance of diffusion surface: it is typically less than 0.1 dB / cm.
Un autre avantage de cette technique est de pouvoir réaliser des guides présentant une très faible dépendance vis-à-vis de la polarisation, et ayant ainsi une conception moins coûteuse : il n'y a plus besoin de compenser les effets de biréfringence au moyen d'une lame demi-onde insérée au milieu de la zone des microguides par exemple . Considérons maintenant des schémas de masquage de phasars qui sont utilisables dans l'invention.Another advantage of this technique is to be able to produce guides having a very low dependence on polarization, and thus having a less costly design: there is no longer any need to compensate for the effects of birefringence by means of '' a half-wave blade inserted in the middle of the microguides area for example. Let us now consider phasar masking schemes which can be used in the invention.
Nous distinguons au moins deux schémas de masquage pour les phasars.We distinguish at least two masking schemes for phasars.
Le premier schéma de masquage correspond à un demi-phasar replié (fonctionnant donc en réflexion) , avec une zone de focalisation du faisceau d'entrée dans une couche guidante, ce faisceau d'entrée provenant d'une fibre optique (voir les figures 4 et 5) .The first masking scheme corresponds to a folded half-phasar (therefore operating in reflection), with a focusing zone of the input beam in a guiding layer, this input beam coming from an optical fiber (see FIGS. 4 and 5).
Le deuxième schéma de masquage correspond à un phasar fonctionnant en transmission (et donc non replié) , sans zone de focalisation en optique intégrée : cette focalisation a lieu en espace libre.The second masking scheme corresponds to a phasar operating in transmission (and therefore not folded), without focusing area in integrated optics: this focusing takes place in free space.
Au premier (respectivement deuxième) schéma de masquage correspond un boîtier adapté qui est représenté sur les figures 6A et 6B (respectivement 7A et 7B) .The first (respectively second) masking scheme corresponds to a suitable housing which is shown in FIGS. 6A and 6B (respectively 7A and 7B).
A titre d'exemple, la figure 4 montre un masque d'un demi-phasar replié selon le premier schéma de masquage. Le substrat employé est un disque de verre 8 de 60 mm de diamètre et de 1,5 mm d'épaisseur. La zone utile, délimitée par un cercle 10 en pointillés, est restreinte à un disque de 50 mm de diamètre. Les microguides 12 et le guide planaire 14 sont obtenus par enterrement de la couche guidante.By way of example, FIG. 4 shows a mask of a half-phasar folded according to the first masking scheme. The substrate used is a glass disc 8 60 mm in diameter and 1.5 mm thick. The useful area, delimited by a dotted circle 10, is restricted to a disc 50 mm in diameter. The microguides 12 and the planar guide 14 are obtained by burying the guide layer.
En utilisant la technologie « silice sur silicium » avec une plaquette (« wafer ») de 6 poucesUsing “silica on silicon” technology with a 6 inch wafer
(c'est-à-dire environ 15 cm) de diamètre, au moins quatre demi-phasars du genre de celui qui est représenté sur la figure 4 peuvent être réalisés par plaquette. Pour des plaquettes de 8 pouces (c'est-à- dire environ 20 cm) de diamètre, il devient possible de former, sur un seul substrat, huit demi-phasars du genre de celui qui est représenté sur la figure 4, et donc de diminuer encore les coûts de fabrication.(that is to say about 15 cm) in diameter, at least four half-phasars of the kind which is shown in FIG. 4 can be produced by plate. For plates 8 inches (that is to say about 20 cm) in diameter, it becomes possible to form, on a single substrate, eight half-phasars of the kind shown in FIG. 4, and therefore to further reduce manufacturing costs.
Toujours à titre d'exemple, ce demi-phasar comporte cinq côtés clivés et polis cl, c2 , c3 , c4 et c5. Les côtés c2 et c3 font un angle de 90° l'un par rapport à l'autre ; les côtés cl et c2 font un angle de 45°+60°=105° l'un par rapport à l'autre ; les côtés c4 et c3 font un angle de 45°+90°=135° l'un par rapport à l'autre ; et le côté c5 est perpendiculaire au côté c4.Still by way of example, this half-phasar has five cleaved and polished sides cl, c2, c3, c4 and c5. The sides c2 and c3 make an angle of 90 ° relative to each other; the sides cl and c2 make an angle of 45 ° + 60 ° = 105 ° relative to each other; the sides c4 and c3 make an angle of 45 ° + 90 ° = 135 ° relative to each other; and side c5 is perpendicular to side c4.
A titre d'exemple, selon les spécifications décrites plus haut et relatives à un .phasar travaillant à un ordre 39 pour une étendue spectrale de 40 nm, 800 microguides 12 séparés de 19,8 micromètres les uns des autres forment des arcs de cercles de 60°. Le rayon de courbure minimal est de ' 4 mm et le rayon de courbure maximal est de 19,8 mm.By way of example, according to the specifications described above and relating to a .phasar working at a 39 order for a spectral range of 40 nm, 800 microguides 12 separated by 19.8 micrometers from each other form arcs of circles of 60 °. The minimum radius of curvature is' 4 mm and the maximum radius of curvature is 19.8 mm.
La zone de focalisation F, intégrée sur le guide planaire 14 et délimitée par les côtés c , c3 et c2 (figure 5), permet d'étendre toute la lumière issue d'une fibre optique 16 (figure 5) sur tous les microguides sans optique de focalisation supplémentaire.The focusing zone F, integrated on the planar guide 14 and delimited by the sides c, c 3 and c 2 (FIG. 5), makes it possible to extend all the light emitted of an optical fiber 16 (FIG. 5) on all the microguides without additional focusing optics.
L'ouverture numérique des fibres optiques monomodes traditionnellement utilisées dans les télécommunications optiques est de l'ordre de 0,15 à 0,17 dans l'air, d'où un demi-angle de divergence d'environ 9° à 10° dans l'air et d'environ 6° à 7° dans le verre. L'extrémité de la fibre 16 se trouve ainsi à environ 55 mm de l'interface des micro-guides. On précise que cette extrémité de la fibre 16 est optiquement couplée au guide planaire par micropositionnement et collage (technique de « pigtail ») .The numerical aperture of the single-mode optical fibers traditionally used in optical telecommunications is of the order of 0.15 to 0.17 in air, hence a half-angle of divergence of approximately 9 ° to 10 ° in air and about 6 ° to 7 ° in the glass. The end of the fiber 16 is thus approximately 55 mm from the interface of the micro-guides. It is specified that this end of the fiber 16 is optically coupled to the planar guide by micrositioning and bonding (“pigtail” technique).
Après clivage et polissage, les côtés cl, c2 et c3 doivent se comporter en réflecteurs. Pour ce faire, le côté cl auquel aboutissent orthogonalement les extrémités respectives des microguides 12 formant des arcs de cercle concentriques, et éventuellement les côtés c2 et c3 reçoivent un dépôt réfléchissant R qui peut être une métallisation ou, de préférence, une multicouche diélectrique dont le spectre de réflexion est centré sur le domaine de longueurs d'onde analysé.After cleavage and polishing, the sides cl, c2 and c3 must behave as reflectors. To do this, the side cl to which the respective ends of the respective microguides 12 orthogonally end forming concentric arcs of a circle, and possibly the sides c2 and c3 receive a reflective deposit R which may be a metallization or, preferably, a dielectric multilayer whose reflection spectrum is centered on the wavelength domain analyzed.
Même si les côtés c2 et c3 ne reçoivent pas de dépôt réfléchissant, les rayons incidents et leurs homologues, qui émergent du phasar, arrivent sur ces côtés avec un angle suffisant pour qu'il y ait réflexion sur les dioptres qu'ils constituent.Even if the sides c2 and c3 do not receive a reflective deposit, the incident rays and their counterparts, which emerge from the phasar, arrive on these sides with a sufficient angle for there to be reflection on the dioptres which they constitute.
Le côté c5 peut recevoir un dépôt multicouche anti-reflet A (dans la bande spectrale utile selon le parcours allant du verre vers l'air). Les sorties des microguides sont réparties le long d'un cercle de rayon 250 mm correspondant au diamètre du cercle de Rowland sur lequel sont dispersés les points images. Une petite distorsion de l'image (portée sur un cercle de 125 mm de rayon) est donc observée sur la barrette plane de photodétecteurs, utilisée avec le demi-phasar (voir figures 6A et 6B) , et n'excède pas un demi-pixel en bord de champ, ce qui autorise donc une correction de planéité dans la mesure spectrale.The side c5 can receive an anti-reflection multilayer deposit A (in the useful spectral band along the path from the glass to the air). The microguide outputs are distributed along a circle with a radius of 250 mm corresponding to the diameter of the Rowland circle on which the image points are dispersed. A small image distortion (carried on a circle with a radius of 125 mm) is therefore observed on the flat array of photodetectors, used with the half-phasar (see Figures 6A and 6B), and does not exceed half a pixel at the edge of the field, which therefore allows a flatness correction in the spectral measurement.
Les côtés c2 , c3 et c4 permettent de replier le faisceau lumineux incident 18 provenant de la fibre optique d'injection 16 (figure 5). Ce faisceau 18 est ensuite étendu naturellement sur toutes les entrées des microguides. La fibre 16 est décalée par rapport au champ de sortie. A titre d'exemple, la fibre 16 est une fibre optique monomode de 125 μm et d'ouverture numérique 0,16 et cette fibre peut être disposée à proximité de l'axe de la plaquette et orientée à environ 13° par rapport à cet axe. Le front d'onde incident est donc décalé par rapport au front des microguides et la longueur d'onde λo définie plus haut correspond alors à la longueur d'onde la plus basse du spectre et non plus à la longueur d'onde centrale (correspondant au cas où la fibre est placée au centre) . Sur les figures 4 et 5, la référence 20 désigne une zone séparatrice qui résulte, par exemple, d'une diffusion de chrome ou de cobalt (absorbant à 1,55 μm) .The sides c2, c3 and c4 allow the incident light beam 18 coming from the injection optical fiber 16 to be folded back (FIG. 5). This beam 18 is then naturally extended over all the inputs of the microguides. Fiber 16 is offset from the output field. By way of example, the fiber 16 is a single-mode optical fiber of 125 μm and digital aperture 0.16 and this fiber can be placed close to the axis of the wafer and oriented at about 13 ° relative to this axis. The incident wavefront is therefore offset from the front of the microguides and the wavelength λo defined above then corresponds to the lowest wavelength of the spectrum and no longer to the central wavelength (corresponding in case the fiber is placed in the center). In FIGS. 4 and 5, the reference 20 designates a separating zone which results, for example, from a diffusion of chromium or cobalt (absorbent at 1.55 μm).
Selon un deuxième schéma de masquage (non représenté) , le phasar est similaire à celui qui a été décrit en faisant référence aux figures 4 et 5, excepté qu'il n'est pas replié et opère donc en transmission. A titre d'exemple, il comporte quatre côtés clivés de façon précise et parallèles deux à deux ainsi qu'un côté clivé supplémentaire. Un premier côté clivé correspondant à l'entrée des micro-guides fait un angle de 120° avec un deuxième côté clivé correspondant à la sortie des micro-guides et les troisième et quatrième côtés clivés sont respectivement parallèles aux premier et deuxième côtés clivés .According to a second masking scheme (not shown), the phasar is similar to that which has been described with reference to Figures 4 and 5, except that it is not folded and therefore operates in transmission. AT by way of example, it has four precisely cleaved sides which are parallel in pairs and an additional cleaved side. A first cleaved side corresponding to the entry of the micro-guides makes an angle of 120 ° with a second cleaved side corresponding to the exit of the micro-guides and the third and fourth cleaved sides are respectively parallel to the first and second cleaved sides.
Le côté clivé supplémentaire relie le premier côté clivé au quatrième et le clivage de ce côté supplémentaire permet de loger une lentille cylindrique dans le support d'un microspectromètre utilisant ce phasar comme on le voit sur la figure 7A.The additional cleaved side connects the first cleaved side to the fourth and the cleavage of this additional side makes it possible to accommodate a cylindrical lens in the support of a microspectrometer using this phasar as seen in FIG. 7A.
A titre d'exemple de réalisation, un spectromètre conforme à l'invention est un assemblage de plusieurs blocs de micro-spectromètres élémentaires comme on l'a vu plus haut, chaque micro-spectromètre élémentaire permettant de couvrir une étendue spectrale de 40 nm. La superposition de plusieurs de ces blocs permet de couvrir une étendue spectrale plus importante qui est modulable selon les applications.As an exemplary embodiment, a spectrometer according to the invention is an assembly of several blocks of elementary micro-spectrometers as we saw above, each elementary micro-spectrometer making it possible to cover a spectral range of 40 nm. The superposition of several of these blocks makes it possible to cover a larger spectral range which can be adjusted according to the applications.
La focalisation du faisceau à la sortie du spectromètre peut s'effectuer de différentes manières. Il est possible d'aligner plusieurs couches guidantes en superposant des substrats planaires connectés entre eux par un polissage à 45° formant un prisme réflecteur ou par un ruban de fibres optiques monomodes .The focusing of the beam at the exit of the spectrometer can be carried out in different ways. It is possible to align several guiding layers by superimposing planar substrates connected together by a 45 ° polishing forming a reflective prism or by a ribbon of single-mode optical fibers.
Avantageusement, la technique d'assemblage préconisée consiste à disposer le substrat planaire (comportant le phasar) et le prisme réflecteur ainsi que la lentille et la barrette de photodétecteurs dans un substrat ou support moulé, élaboré par une technique de moulage par lithographie et électro-formage, appelée « technique LIGA » (pour Lithographie Galvanoformung Abformung) . Au sujet 'de cette technique, on pourra se reporter aux documents suivants :Advantageously, the recommended assembly technique consists in placing the planar substrate (comprising the phasar) and the reflective prism as well as the lens and the array of photodetectors in a molded substrate or support, developed by a lithography and electro-forming molding technique, called "LIGA technique" (for Lithography Galvanoformung Abformung). On 'this technique, one may refer to the following:
[8] J. Mohr, LIGA- A technology for fabricating microstructures and microsystems, Sensors and Materials, vol.10, n°6, 1998, pages 363-373 [9] J. Mohr et al., Micro-optical devices based on free space optics with LIGA micro-optical benches- examples and perspectives, SPIE 2783, 1996, pages 48-54[8] J. Mohr, LIGA- A technology for fabricating microstructures and microsystems, Sensors and Materials, vol.10, n ° 6, 1998, pages 363-373 [9] J. Mohr et al., Micro-optical devices based on free space optics with LIGA micro-optical benches- examples and perspectives, SPIE 2783, 1996, pages 48-54
[10] H. Nakajima et al., Micro-optical sensors fabricated by the LIGA process, SPIE 3513, 1998 pages 106-112.[10] H. Nakajima et al., Micro-optical sensors fabricated by the LIGA process, SPIE 3513, 1998 pages 106-112.
Le procédé LIGA permet la fabrication en série, et donc à un coût optimisé, des blocs de détection élémentaires c'est-à-dire des micro-spectromètres élémentaires . Selon ce procédé, on forme un moule métallique par électro-formage (d'où une croissance électrolytique du moule) après une lithographie de haute résolution (de l'ordre de lμm) .The LIGA process allows mass production, and therefore at an optimized cost, of elementary detection blocks, that is to say elementary micro-spectrometers. According to this process, a metal mold is formed by electro-forming (hence an electrolytic growth of the mold) after a high resolution lithography (of the order of lμm).
Le procédé LIGA X, un cas particulier du procédé LIGA, consiste à insoler une résine photosensible (« photoresist ») , par exemple le PMMA, à travers un masque-membrane portant une couche d'or qui absorbe les rayons X. Après dissolution des parties insolées, une couche de métal est déposée par électro- formage jusqu'à recouvrir le motif de PMMA et former un moule qui sert à former les pièces finales par moulage ou emboutissage à chaud d'un plastique, techniques adaptées à une production de masse.The LIGA X process, a special case of the LIGA process, consists in exposing a photosensitive resin ("photoresist"), for example PMMA, through a membrane mask carrying a layer of gold which absorbs X-rays. exposed parts, a layer of metal is deposited by electro-forming until it covers the PMMA pattern and forms a mold which is used to form the final parts by molding or hot stamping of a plastic, techniques suitable for mass production.
Si toutefois le moulage du plastique a lieu sur un substrat métallique, une deuxième croissance électrolytique peut permettre d'obtenir un produit fini métallique. De plus, l'emboutissage à chaud du plastique peut avoir lieu sur un substrat en céramique afin de diminuer la dilatation thermique du composant final . Le spectromètre élémentaire correspondant à un premier assemblage conforme à l'invention (figures 6A et 6B) utilise le premier schéma de masquage (voir les figures 4 et 5). Le substrat planaire 22, portant le demi-phasar, est placé couche guidante dessous et comporte la partie de focalisation d'entrée (fibre optique d'injection 16 -guide planaire 14) intégrée sur le substrat planaire 22.If, however, the plastic is molded on a metallic substrate, a second electrolytic growth can make it possible to obtain a finished metallic product. In addition, the hot stamping of the plastic can take place on a ceramic substrate in order to reduce the thermal expansion of the final component. The elementary spectrometer corresponding to a first assembly in accordance with the invention (FIGS. 6A and 6B) uses the first masking scheme (see FIGS. 4 and 5). The planar substrate 22, carrying the half-phasar, is placed guiding layer below and comprises the input focusing part (injection optical fiber 16 - planar guide 14) integrated on the planar substrate 22.
Après réflexion à l'interface-miroir (côté cl pourvu d'un revêtement réflecteur - voir figure 4) à la sortie des micro-guides 12, le faisceau lumineux diffracté par ces micro-guides est récupéré à la sortie du guide planaire 14 par un prisme réflecteur 24 puis focalisé sur une barrette de photodétecteurs 26 par une lentille cylindrique 28 dont la distance focale vaut environ 6 mm. Trois miroirs 30, 32 et 34 permettent de réfléchir le faisceau vers la barrette 26, sur une distance de 140 mm en espace libre.After reflection at the mirror interface (side cl provided with a reflective coating - see FIG. 4) at the exit of the micro-guides 12, the light beam diffracted by these micro-guides is recovered at the exit of the planar guide 14 by a reflective prism 24 then focused on a photodetector array 26 by a cylindrical lens 28 whose focal distance is approximately 6 mm. Three mirrors 30, 32 and 34 allow the beam to be reflected towards the bar 26, over a distance of 140 mm in free space.
Plus précisément, le faisceau diffracté issu du prisme se réfléchit sur le miroir 30 puis sur le miroir 32 qui est perpendiculaire à ce miroir 30 puis sur le miroir 34 qui est perpendiculaire à ce miroir 32 et le miroir 34 réfléchit le faisceau vers la barrette 26.More precisely, the diffracted beam coming from the prism is reflected on the mirror 30 then on the mirror 32 which is perpendicular to this mirror 30 then on the mirror 34 which is perpendicular to this mirror 32 and the mirror 34 reflects the beam towards the bar 26.
En tenant compte de la relation de conjugaison entre le mode à la sortie du guide planaire et 1 ' image sur la barrette, le bord du substrat se trouve à une distance de 6,27 mm du centre de la lentille pour une distance focale de 6 mm. La hauteur du faisceau image sur les photo-détecteurs vaut environ 120 μm.Taking into account the conjugation relation between the mode at the exit of the planar guide and the image on the bar, the edge of the substrate is at a distance of 6.27 mm from the center of the lens for a focal distance of 6 mm. The height of the image beam on the photo-detectors is approximately 120 μm.
Dans l'exemple des figures 6A et 6B, des entretoises calibrées 36, 38 et 40, qui sont respectivement disposées sur les côtés clivés cl, c4 et c5 du substrat planaire 22, entre ces côtés et le support 42 moulé par la technique LIGA, permettent de positionner ce substrat planaire en hauteur et de garantir qu'il est parallèle à la barrette de détection 26. les trois miroirs 30, 32 et 34 ainsi que la barrette 26 reposent dans des encoches, telles que les encoches 44 prévues dans le support 42. Dans le cas de la technique d'échange d'ions sur verre, le guide planaire 14 est enterré à une distance connue de la surface supérieure du substrat planaire 22, cette surface servant de référence.In the example of FIGS. 6A and 6B, calibrated spacers 36, 38 and 40, which are respectively arranged on the cleaved sides cl, c4 and c5 of the planar substrate 22, between these sides and the support 42 molded by the LIGA technique, make it possible to position this planar substrate in height and to guarantee that it is parallel to the detection strip 26. the three mirrors 30, 32 and 34 as well as the strip 26 rest in notches, such as the notches 44 provided in the support 42. In the case of the ion exchange technique on glass, the planar guide 14 is buried at a known distance from the upper surface of the planar substrate 22, this surface serving as a reference.
Le spectromètre élémentaire correspondant à un deuxième assemblage conforme à l'invention (figures 7A et 7B) utilise le deuxième schéma de masquage mentionné plus haut. Le substrat planaire de ce deuxième assemblage est également placé couche guidante dessous.The elementary spectrometer corresponding to a second assembly in accordance with the invention (FIGS. 7A and 7B) uses the second masking scheme mentioned above. The planar substrate of this second assembly is also placed as a guide layer below.
Contrairement au premier assemblage, la focalisation de la lumière issue de la fibre optique monomode 16 ne se fait pas en optique intégrée mais en espace libre. Pour ce faire, la fibre est alignée de façon passive dans une rainure -46. Le support 48, destiné à recevoir le substrat planaire 50 est formé avec la technique LIGA, pourvu de cette rainure 46 ainsi que de toutes les encoches dont on a besoin. A titre d'exemple, à la sortie de la fibre monomode 16, le faisceau lumineux divergent 52 (dont le demi-angle de divergence vaut 8°) est filtré par une ouverture circulaire 54 puis focalisé par une lentille cylindrique 56 de distance focale égale à 22 mm placée à égale distance (22 mm) du guide planaire et de la fibre. Le faisceau lumineux est réfléchi vers les microguides 60 par un miroir 58 placé à 35° et la fibre est inclinée de 10°. Les paramètres de focalisation sont définis par les relations de conjugaison d'optique gaussienne pour un mode guidé ayant une demi-largeur (« waist ») de 2 , 2 μm.Unlike the first assembly, the focusing of the light coming from the single mode optical fiber 16 is not done in integrated optics but in free space. To do this, the fiber is aligned with passively in a groove -46. The support 48, intended to receive the planar substrate 50 is formed with the LIGA technique, provided with this groove 46 as well as all the notches which are needed. For example, at the output of the single-mode fiber 16, the divergent light beam 52 (whose half-angle of divergence is 8 °) is filtered by a circular opening 54 and then focused by a cylindrical lens 56 of equal focal length at 22 mm placed at equal distance (22 mm) from the planar guide and the fiber. The light beam is reflected towards the microguides 60 by a mirror 58 placed at 35 ° and the fiber is inclined by 10 °. The focusing parameters are defined by the Gaussian optical conjugation relationships for a guided mode having a half-width (“waist”) of 2.2 μm.
Le faisceau transmis, diffracté par les microguides 60, est récupéré à la sortie du guide planaire par un prisme réflecteur 62 puis focalisé sur la barrette de photodétecteurs 64 par une lentille cylindrique 66 de distance focale environ égale à 8 mm. Cette lentille 66 peut être une lentille piano-convexe ou une lentille de Fresnel .The transmitted beam, diffracted by the microguides 60, is recovered at the exit of the planar guide by a reflective prism 62 and then focused on the photodetector array 64 by a cylindrical lens 66 with a focal distance approximately equal to 8 mm. This lens 66 can be a piano-convex lens or a Fresnel lens.
En tenant compte de la relation de conjugaison entre le mode en sortie du guide planaire et l'image sur la barrette, le bord du substrat planaire 50 se trouve à une distance de 8,5 mm du centre de la lentille 66 pour une distance focale de 8 mm. La hauteur du faisceau image fait environ 100 μm sur les photo-détecteurs. Trois miroirs 68, 70 et 72 permettent de réfléchir le faisceau vers la barrette sur une distance de 175 mm en espace libre. Plus précisément, le faisceau diffracté issu du prisme 62 se réfléchit sur le miroir 68 puis sur le miroir 70 puis sur le miroir 72 et ce dernier réfléchit le faisceau vers la barrette 64.Taking into account the conjugation relation between the mode at the exit of the planar guide and the image on the bar, the edge of the planar substrate 50 is at a distance of 8.5 mm from the center of the lens 66 for a focal distance 8 mm. The height of the image beam is approximately 100 μm on the photo-detectors. Three mirrors 68, 70 and 72 make it possible to reflect the beam towards the bar over a distance of 175 mm in free space. More precisely, the diffracted beam coming from the prism 62 is reflected on the mirror 68 then on the mirror 70 then on the mirror 72 and the latter reflects the beam towards the bar 64.
A titre d'exemple, en prenant comme référence la verticale (interface du substrat planaire) , le premier miroir 68 fait un angle de 15°, le second miroir 70 fait un angle de 75° et le troisième miroir 72 fait un angle de 48,75° (sa normale étant orientée de 41,25° suivant la verticale).By way of example, taking the vertical as a reference (interface of the planar substrate), the first mirror 68 makes an angle of 15 °, the second mirror 70 makes an angle of 75 ° and the third mirror 72 makes an angle of 48 , 75 ° (its normal being oriented by 41.25 ° along the vertical).
Dans le cas des figures 7A et 7B, au même titre que pour le premier assemblage, des entretoises calibrées 74, 76 et 78 qui sont disposées sur des côtés clivés du substrat planaire 50, entre ces côtés et le support moulé 48, comme on le voit sur la figure 7A, permettent de positionner ce substrat planaire 50 en hauteur et de garantir qu'il est parallèle non seulement à la barrette de détection 64 mais aussi à la partie de la fibre qui se trouve dans la rainure 46 et à l'axe de la lentille cylindrique 56.In the case of FIGS. 7A and 7B, in the same way as for the first assembly, calibrated spacers 74, 76 and 78 which are arranged on cleaved sides of the planar substrate 50, between these sides and the molded support 48, as is seen in FIG. 7A, make it possible to position this planar substrate 50 in height and to guarantee that it is parallel not only to the detection strip 64 but also to the part of the fiber which is in the groove 46 and to the axis of the cylindrical lens 56.
Un micro-spectromètre élémentaire selon le premier assemblage (figures 6A et 6B) est susceptible d'occuper un volume de 60x60x9 mm3.An elementary micro-spectrometer according to the first assembly (FIGS. 6A and 6B) is capable of occupying a volume of 60 × 60 × 9 mm 3 .
Selon le deuxième assemblage (figures 7A et 7B) , il est susceptible d'occuper un volume de 60x60x12mm3. Un micro-spectromètre comprenant un empilement de quatre blocs élémentaires permet de couvrir une étendue spectrale de plus de 150 nm (à une longueur d'onde de 1,55 μm) par superposition selon la répartition suivante:According to the second assembly (Figures 7A and 7B), it is likely to occupy a volume of 60x60x12mm 3 . A micro-spectrometer comprising a stack of four elementary blocks makes it possible to cover a spectral range of more than 150 nm (at a wavelength of 1.55 μm) by superposition according to the following distribution:
Bande Domaine Nombre spectral (nm) de blocsBand Domain Spectral number (nm) of blocks
S de 1470 a 1 1500S from 1470 to 1 1500
C de 1528 a 1 1565C from 1528 to 1 1565
L de 1566 a 2 1645L from 1566 to 2 1645
Considérons maintenant la stabilité en température d'un spectromètre conforme à l'invention.Let us now consider the temperature stability of a spectrometer according to the invention.
Un phasar est sensible à la température quelle que soit la technologie avec laquelle il est fabriqué. Cela se traduit par des variations de la longueur d'onde centrale λo du phasar en fonction de la température, ces variations résultant de la dilatation thermique du matériau du phasar et 'des variations de l'indice de réfraction de ce matériau en fonction de la température (effet thermo-optique). La longueur d'onde centrale augmente avec la température .A phasar is sensitive to temperature regardless of the technology with which it is made. This results in variations in the central wavelength λo of the phasar as a function of temperature, these variations resulting from the thermal expansion of the phasar material and ' variations in the refractive index of this material as a function of the temperature (thermo-optical effect). The central wavelength increases with temperature.
Pour un demi-phasar mentionné plus haut, travaillant à l'ordre 39 pour une étendue spectrale de 40 nm, réalisé en optique intégrée sur silicium ou en optique intégrée sur verre, la dépendance thermique de la longueur d'onde centrale est de l'ordre de 10 pm/°C. On aboutit donc à un décalage du spectre sur la barrette de photodétecteurs de l'ordre de 3 μm/°C, c'est-à-dire un quart de pixel/°C.For a half-phasar mentioned above, working at order 39 for a spectral range of 40 nm, produced in integrated optics on silicon or in integrated optics on glass, the thermal dependence of the central wavelength is order of 10 pm / ° C. We therefore end up with a spectrum shift on the array of photodetectors of the order of 3 μm / ° C, i.e. a quarter of a pixel / ° C.
Chacun des deux assemblages proposés (figures 6A-6B et 7A-7B) peut être régulé en température par une résistance chauffante, afin de garantir la stabilité des mesures spectrales dans le temps, et l'etanchéite de l'assemblage peut être prévue pour garantir la résistance de cet assemblage à l'humidité et garantir aussi une pression d'air constante. Une autre solution consiste à prévoir un élément mécanique de compensation de ce décalage angulaire.Each of the two proposed assemblies (FIGS. 6A-6B and 7A-7B) can be temperature controlled by a heating resistor, in order to guarantee the stability of the spectral measurements over time, and the sealing of the assembly can be provided to guarantee the resistance of this assembly to humidity and also guarantee a constant air pressure. Another solution consists in providing a mechanical element for compensating for this angular offset.
Dans le cas des spectromètres des figures 6A-6B et 7A-7B, une solution de compensation consiste à actionner l'un des miroirs de « repliement » du faisceau de sortie, avantageusement le premier miroir 30 (figure 6A) ou 68 (figure 7A) bien que ce principe soit adaptable à chacun des miroirs. Ce miroir 30 ou 68 est engagé, par l'une de ses extrémités, dans une rainure de positionnement 80 (figure 8) ou 82 (figure 9) qui sert de pivot et ce miroir 30 ou 68 est actionné par un bras de levier 84 (figure 8). ou 86 (figure 9) fixé à l'autre extrémité du miroir.In the case of the spectrometers in FIGS. 6A-6B and 7A-7B, a compensation solution consists in actuating one of the mirrors for "folding" the output beam, advantageously the first mirror 30 (FIG. 6A) or 68 (FIG. 7A ) although this principle is adaptable to each of the mirrors. This mirror 30 or 68 is engaged, by one of its ends, in a positioning groove 80 (Figure 8) or 82 (Figure 9) which serves as a pivot and this mirror 30 or 68 is actuated by a lever arm 84 (figure 8). or 86 (Figure 9) attached to the other end of the mirror.
A titre d'exemple, ce bras de levier est un barreau d'aluminium, engagé dans une rainure 88 ou 90 dont le coefficient de dilatation thermique est d'environ 23xlO"5/°C. L'extension par dilatation thermique de ce barreau incline le miroir et compense le décalage angulaire induit par la variation de température dans le substrat planaire. Une inclinaison d'environ 2,5xl0"5 rad/°C est nécessaire et réalisée, par exemple, par un barreau de 20 mm de longueur placée à 20 mm du pivot selon les figures 8 et 9 qui correspondent respectivement aux premier et deuxième assemblages) . En ce qui concerne la sensibilité des mesures, la distance totale parcourue par la lumière au sein du spectromètre est de l'ordre de 10 cm, d'où une perte de propagation de 1 dB (en considérant une atténuation de 0,1 dB/cm) . Les pertes de connectique et les pertes aux interfaces doivent être rajoutées. Considérons donc une perte optique totale du spectromètre de 6 dB.By way of example, this lever arm is an aluminum bar, engaged in a groove 88 or 90, the coefficient of thermal expansion of which is approximately 23 × 10 -5 " / ° C. The extension by thermal expansion of this bar tilt the mirror and compensate for the angular offset induced by the temperature variation in the planar substrate. An inclination of approximately 2.5 × 10 -5 " rad / ° C. is necessary and performed, for example, by a 20 mm long bar placed 20 mm from the pivot according to FIGS. 8 and 9 which correspond respectively to the first and second assemblies). Regarding the sensitivity of the measurements, the total distance traveled by light within the spectrometer is around 10 cm, resulting in a loss of propagation of 1 dB (considering an attenuation of 0.1 dB / cm). Connectivity losses and losses at interfaces must be added. Let us therefore consider a total optical loss of the spectrometer of 6 dB.
Dans le cas de l'utilisation de ce spectromètre pour la mesure de longueurs d'onde de réseaux de Bragg en métrologie optique, la plupart des sources superluminescentes continues utilisées émettent typiquement quelques centaines de microwatts sur quelques dizaines de nm de largeur spectrale. Ceci correspond à une densité spectrale d'excitation de l'ordre de 100 μW/10 nm, c'est-à-dire 1 μW/À. Sachant que la largeur spectrale typique d'un réseau de Bragg transducteur est de l'ordre de 1Â (100 pm) , la puissance renvoyée par la fibre optique externe est donc environ égale à -30 dBm (1 μW) . Ainsi, la puissance analysée au niveau de la barrette de photodétecteurs est estimée à -42 dBm (en tenant compte des pertes optiques et du recouvrement spot/pixel) .In the case of the use of this spectrometer for the measurement of wavelengths of Bragg gratings in optical metrology, most of the continuous superluminescent sources used typically emit a few hundred microwatts over a few tens of nm of spectral width. This corresponds to an excitation spectral density of the order of 100 μW / 10 nm, that is to say 1 μW / λ. Knowing that the typical spectral width of a transducer Bragg grating is of the order of 1 A (100 μm), the power returned by the external optical fiber is therefore approximately equal to -30 dBm (1 μW). Thus, the power analyzed at the level of the photodetector array is estimated at -42 dBm (taking into account the optical losses and the spot / pixel recovery).
Une fibre optique externe est connectée au guide planaire 14 (figure 5) afin d'être ultérieurement soudée ou connectée au circuit optique incorporant une ou plusieurs fibres optiques sensibles. Cette fibre externe constitue ainsi l'interface optique avec le milieu extérieur (accessible par l'utilisateur final).An external optical fiber is connected to the planar guide 14 (FIG. 5) so as to be subsequently welded or connected to the optical circuit incorporating one or more sensitive optical fibers. This fiber external thus constitutes the optical interface with the external environment (accessible by the end user).
Avantageusement, cette fibre optique externe est monomode à la longueur d'onde d'utilisation (typiquement 1300 nm, 1550 nm ou encore 820 nm) .Advantageously, this external optical fiber is single mode at the wavelength of use (typically 1300 nm, 1550 nm or even 820 nm).
La liaison fibre-guide peut être assurée par la technique des rainures en V (« V-grooves ») .The fiber-guide connection can be ensured by the V-groove technique.
La connexion des fibres aux guides peut se faire par collage (par exemple avec une colle polymerisable par un rayonnement ultraviolet) ou par soudage laser.The fibers can be connected to the guides by gluing (for example with an adhesive that can be polymerized by ultraviolet radiation) or by laser welding.
Avantageusement, l'unité de détection est un ensemble de photodiodes ou une barrette de photodiodes en InGaAs réalisée par épitaxie. Des barrettes telles que celles qui sont commercialisées par la société Thomson peuvent être utilisées. La zone utile de détection fait environ 5 μm ; elle est séparée par deux zones passivées de 8 μm, d'où une période de 13 μm.Advantageously, the detection unit is a set of photodiodes or an array of InGaAs photodiodes produced by epitaxy. Bars such as those sold by Thomson can be used. The useful detection area is approximately 5 μm; it is separated by two passivated zones of 8 μm, hence a period of 13 μm.
Une forte bande passante en fréquence (100 kHz) peut être atteinte en faisant fonctionner les photodiodes en régime photoconducteur et en insérant ces photodiodes dans un montage électronique de type transimpédance par exemple.A high frequency bandwidth (100 kHz) can be achieved by operating the photodiodes in photoconductive mode and by inserting these photodiodes into an electronic assembly of the transimpedance type for example.
En variante, dans le cas d'une technologie d'optique intégrée sur silicium, les photodétecteurs peuvent être directement incorporés au circuit.As a variant, in the case of an integrated optical technology on silicon, the photodetectors can be directly incorporated into the circuit.
Une matrice de photo-détecteurs permettant de former des images en deux dimensions peut également être utilisée au lieu de plusieurs barrettes linéaires. En ce qui concerne le calibrage, une correction polynomiale entre pixel et longueur d'onde est généralement mise en œuvre du fait de la distorsion du champ observé sur la barrette.A matrix of photo-detectors making it possible to form images in two dimensions can also be used instead of several linear bars. With regard to calibration, a polynomial correction between pixel and wavelength is generally implemented due to the distortion of the field observed on the bar.
Nous proposons aussi un troisième assemblage conforme à l'invention, incorporant un composant d'optique intégrée, schématiquement représenté sur la figure 10, de surface plus réduite afin d'optimiser son coût de fabrication. Il s'agit d'un demi-phasar fonctionnant en réflexion.We also propose a third assembly in accordance with the invention, incorporating an integrated optical component, schematically represented in FIG. 10, with a smaller surface area in order to optimize its manufacturing cost. It is a half-phasar operating in reflection.
Deux demi-phasars identiques 91, fonctionnant en réflexion, peuvent être réalisés sur un même disqueTwo identical half-phasars 91, operating in reflection, can be produced on the same disc
92 de 60 mm de diamètre (le cercle en pointillés 94 délimitant la zone utile du disque 92) .92 of 60 mm in diameter (the dotted circle 94 delimiting the useful area of the disc 92).
De façon similaire à la figure 4, un ensembleSimilar to Figure 4, a set
96 (respectivement 98) de 800 microguides formant des arc de cercles de 60 ° est délimité, d'un côté, par un clivage 100 (respectivement 102) , le côté résultant de ce clivage étant pourvu d'un dépôt réfléchissant 10496 (respectively 98) of 800 microguides forming arcs of circles of 60 ° is delimited, on one side, by a cleavage 100 (respectively 102), the side resulting from this cleavage being provided with a reflective deposit 104
(respectivement 106), et de l'autre côté, par une interface 108 (respectivement 110) vers une couche guidante planaire 112 (respectivement 114) permettant une réflexion de faisceau lumineux grâce à un autre clivage 116 (respectivement 118) .(respectively 106), and on the other side, by an interface 108 (respectively 110) to a planar guide layer 112 (respectively 114) allowing a reflection of light beam thanks to another cleavage 116 (respectively 118).
Contrairement au premier assemblage, un dépôt réfléchissant n'est pas nécessaire sur le clivage 116 (respectivement 118) car, dans l'exemple de la figureUnlike the first assembly, a reflective deposit is not necessary on the cleavage 116 (respectively 118) because, in the example of the figure
10, l'angle d'incidence est suffisant pour qu'il y ait réflexion totale pour les faisceaux incidents et réfractés .10, the angle of incidence is sufficient for there to be total reflection for the incident and refracted beams.
Les deux demi-phasars sont tout d'abord séparés par un clivage 124 avant toute autre opération. Afin de faciliter cette opération de clivage, des repères marquant l'axe de ce clivage, par exemple des marques m aux deux extrémités de cet axe, peuvent avantageusement être photogravés en même temps que le masquage pour la diffusion du guide.The two half-phasars are first separated by a cleavage 124 before any other operation. In order to facilitate this cleavage operation, marks marking the axis of this cleavage, for example marks m at the two ends of this axis, can advantageously be photoetched at the same time as the masking for the diffusion of the guide.
Un clivage supérieur 126 et un clivage inférieur 128 sont également formés pour des raisons mécaniques, comme on le voit sur la figure 10.An upper cleavage 126 and a lower cleavage 128 are also formed for mechanical reasons, as seen in FIG. 10.
De la même façon que pour le premier assemblage (figures 6A et 6B) , le troisième assemblage schématiquement représenté sur les figures 11A et 11B incorpore le composant optique 91 décrit en faisant référence à la figure 10, une fibre optique 130 connectée à ce composant par les techniques traditionnelles et un support mécanique 132, moulé par la technique LIGA et supportant tous les éléments optiques (prisme réflecteur 134, lentille cylindrique 136, miroirs plans de repliement 138, 140 et 142 et barrette de photo-détecteurs 144) . On précise que, dans cet assemblage, la lumière issue du composant optique 91 est réfléchie par le prisme réflecteur 134 puis focalisée par la lentille cylindrique 136 sur la barrette de photo-détecteurs 144 après réflexion sur les miroirs plans de repliement 138, 140 et 142.In the same way as for the first assembly (FIGS. 6A and 6B), the third assembly schematically represented in FIGS. 11A and 11B incorporates the optical component 91 described with reference to FIG. 10, an optical fiber 130 connected to this component by traditional techniques and a mechanical support 132, molded by the LIGA technique and supporting all the optical elements (reflective prism 134, cylindrical lens 136, folding mirrors 138, 140 and 142 and array of photo-detectors 144). It is specified that, in this assembly, the light coming from the optical component 91 is reflected by the reflective prism 134 then focused by the cylindrical lens 136 on the array of photo-detectors 144 after reflection on the folding mirrors 138, 140 and 142 .
Le principe optique de cet assemblage est identique à celui du premier assemblage (figures 6A et 6B) . La lentille cylindrique 136 est toutefois placée entre le prisme réflecteur 134 et le composant optique planaire 91 mais la distance entre la lentille et ce composant est la même que pour le premier assemblage. Ce composant repose également sur trois entretoises 146, 148 et 150.The optical principle of this assembly is identical to that of the first assembly (FIGS. 6A and 6B). The cylindrical lens 136 is however placed between the reflective prism 134 and the planar optical component 91 but the distance between the lens and this component is the same as for the first assembly. This component also rests on three spacers 146, 148 and 150.
Il convient de noter que, dans chacun des spectromètres des figures 6A-6B, 7A-7B et 11A-11B, la lumière que l'on veut analyser est guidée, sur une partie de son trajet, dans un guide plan, comprenant les microguides 12 ou 60 ou 96 puis une autre partie de ce trajet a lieu en espace libre, après repliement de ce trajet grâce au prisme 24 ou 62 ou 134, ce repliement permettant à la lumière de se trouver sensiblement dans un plan parallèle au guide plan, puis ce trajet en espace libre est à nouveau replié plusieurs fois dans ce plan grâce aux miroirs 30-32-34 ou 68-70-72 ou 138-140-142 avant d'atteindre les photodétecteurs, ce qui permet de confiner le trajet total dans un très faible volume et d'obtenir des spectromètres très peu encombrants .It should be noted that, in each of the spectrometers of FIGS. 6A-6B, 7A-7B and 11A-11B, the light which one wants to analyze is guided, over part of its path, in a plane guide, comprising the microguides 12 or 60 or 96 then another part of this path takes place in free space, after folding this path thanks to the prism 24 or 62 or 134, this folding allowing the light to be substantially in a plane parallel to the plane guide, then this free space path is again folded several times in this plane thanks to the mirrors 30-32-34 or 68-70-72 or 138-140-142 before reaching the photodetectors, which makes it possible to confine the total path in a very small volume and to obtain very space-saving spectrometers.
Toutefois, on ne sortirait pas du cadre de l'invention en réduisant le nombre des repliements et en diminuant, pour ce faire, le nombre des miroirs et/ou en supprimant le prisme ; on obtiendrait encore des spectromètres moins encombrants que dans l'art antérieur ; dans le cas des figures 6A-6B et 7A-7B, la suppression du prisme nécessiterait bien entendu de placer la lentille en regard du guide plan pour qu'elle puisse focaliser la lumière qui en sort.However, it would not go beyond the scope of the invention to reduce the number of folds and to reduce, for this purpose, the number of mirrors and / or by removing the prism; we would still obtain less bulky spectrometers than in the prior art; in the case of FIGS. 6A-6B and 7A-7B, the removal of the prism would of course require placing the lens opposite the planar guide so that it can focus the light which leaves it.
En revenant aux figures 11A et 11B, la fibre optique 130 est avantageusement en germanosilicate, son cœur (« core ») a un très petit diamètre (environ 2 micromètres) et elle a un très fort saut d'indice (supérieur ou environ égal à 0,05). Cette fibre est assemblée au substrat planaire 152 du composant 191 par collage. Les fibres de ce genre sont utilisées pour l'optique non-linéaire ou l'amplification optique, applications pour lesquelles une très forte intensité lumineuse est recherchée.Returning to FIGS. 11A and 11B, the optical fiber 130 is advantageously made of germanosilicate, its core ("core") has a very small diameter (approximately 2 micrometers) and it has a very high index jump (greater than or approximately equal to 0.05). This fiber is assembled to the planar substrate 152 of the component 191 by bonding. Fibers of this kind are used for non-linear optics or optical amplification, applications for which a very high light intensity is sought.
Cette fibre optique 130 est soudée à une autre fibre optique 154, du genre de celles qui sont utilisées en télécommunications dans la bande de longueurs d'onde de 1,55 micromètres. Ces fibres ont un cœur de l'ordre de 9 micromètres de diamètre et un saut d'indice d'environ 5xl0~3.This optical fiber 130 is welded to another optical fiber 154, of the kind used in telecommunications in the wavelength band of 1.55 micrometers. These fibers have a heart of the order of 9 micrometers in diameter and a jump in index of approximately 5 × 10 -3 .
Une adaptation du mode de la fibre 130 au mode de la fibre 154 est réalisée afin de souder ces fibres 130 et 154 avec un minimum de pertes. Pour ce faire on chauffe localement la fibre 130 pour faire diffuser le dopant (le germanium dans l'exemple considéré) vers l'extérieur et ainsi créer une variation progressive du diamètre de cœur jusqu'à ce qu'il s'adapte à celui de la fibre 154. Cette technique est connue sous le nom de TEC pour Thermally-diffused Expanded Core.An adaptation of the mode of the fiber 130 to the mode of the fiber 154 is carried out in order to weld these fibers 130 and 154 with a minimum of losses. To do this, the fiber 130 is locally heated to diffuse the dopant (germanium in the example considered) outwards and thus create a progressive variation in the diameter of the core until it adapts to that of fiber 154. This technique is known as TEC for Thermally-diffused Expanded Core.
La fibre optique 130 comporte donc, en une extrémité, une portion de fibre à cœur diffusé 156 sur laquelle la fibre 154 est soudée de façon traditionnelle . On considère maintenant quatre exemples d'application de l'invention.The optical fiber 130 therefore comprises, at one end, a portion of diffused core fiber 156 onto which the fiber 154 is traditionally welded. We now consider four examples of application of the invention.
1) Analyse de spectres optiques, compatible avec la grille ITU, à haute capacité en DWDM.1) Analysis of optical spectra, compatible with the ITU grid, with high capacity in DWDM.
Dans ce domaine, un spectromètre conforme à l'invention permet de fournir, à un utilisateur, une indication visuelle sur le placement optique des canaux DWDM. Il est envisageable de fournir des signaux de contre-réaction à des modules de contrôle de diodes lasers afin de corriger une éventuelle dérive des longueurs d'onde des émetteurs. Ce mode de contrôle correspond à un adressage pixel par pixel. Il permet de réaliser un récepteur multi-canal reconfigurable dynamiquement .In this field, a spectrometer according to the invention makes it possible to provide a user with a visual indication of the optical placement of the channels. DWDM. It is possible to provide feedback signals to laser diode control modules in order to correct a possible drift in the wavelengths of the transmitters. This control mode corresponds to pixel-by-pixel addressing. It allows for a dynamically reconfigurable multi-channel receiver.
Un tel spectromètre est compatible avec les futures spécifications DWDM. Il est caractérisé par un faible encombrement, un coût optimisé (résultant d'une fabrication collective) et une grande bande passante, qui va typiquement de quelques kilohertz à quelques centaines de kilohertz et ne dépend que des photodétecteurs, avec ou sans analyse de l'état de polarisation.Such a spectrometer is compatible with future DWDM specifications. It is characterized by a small footprint, an optimized cost (resulting from collective manufacture) and a large bandwidth, which typically ranges from a few kilohertz to a few hundred kilohertz and depends only on the photodetectors, with or without analysis of the state of polarization.
Son aspect modulaire (résultant du concept d'étages multiples) permet d'adresser tout ou partie du spectre optique utilisé en télécommunications à longue distance, ce spectre s ' étendant de 1300 nm à 1700 nm. 2) Mesure du rapport signal-sur-bruit des canaux optiques dans les réseaux de télécommunications DWDM.Its modular aspect (resulting from the concept of multiple stages) makes it possible to address all or part of the optical spectrum used in long-distance telecommunications, this spectrum extending from 1300 nm to 1700 nm. 2) Measurement of the signal-to-noise ratio of optical channels in DWDM telecommunications networks.
Il s'agit de mesurer la puissance de chaque canal ainsi que le bruit ambiant, induit notamment par l'émission spontanée amplifiée (ASE) des amplificateurs. Grâce au pouvoir séparateur d'un micro- spectromètre conforme à l'invention, il est possible de déterminer la courbe-enveloppe du bruit de fond optique des canaux, d'interpoler les valeurs de bruit pour chaque longueur d'onde de canal et d'en déduire le rapport signal-sur-bruit pour chacun des canaux comme cela est décrit dans le document suivant : [11] WO 98/54862 (CIENA Corp . ) .This involves measuring the power of each channel as well as the ambient noise, induced in particular by the amplified spontaneous emission (ASE) of the amplifiers. Thanks to the separating power of a micro-spectrometer according to the invention, it is possible to determine the envelope curve of the optical background noise of the channels, to interpolate the noise values for each wavelength of the channel and d '' deduce the signal-to-noise ratio for each of the channels as described in the following document: [11] WO 98/54862 (CIENA Corp.).
3) Mesure spectrale de la dispersion de modes de polarisation.3) Spectral measurement of the dispersion of polarization modes.
Les fibres monomodes utilisées supportent deux modes de polarisation du fait de la biréfringence de la silice. Ces deux modes sont caractérisés par deux indices effectifs légèrement différents. L'impulsion lumineuse reçue est donc formée de deux impulsions selon deux états de polarisation dont le retard évolue au cours du temps notamment à cause des contraintes dans les câbles optiques, ces contraintes résultant par exemple de variations de température. La dispersion chromatique a longtemps limité le multiplexage temporel. Actuellement, la dispersion de mode de polarisation (PMD) constitue une nouvelle limitation en termes de capacité de modulation.The monomode fibers used support two polarization modes due to the birefringence of the silica. These two modes are characterized by two slightly different effective indices. The light pulse received is therefore formed of two pulses according to two polarization states, the delay of which changes over time, in particular because of the constraints in the optical cables, these constraints resulting for example from temperature variations. Chromatic dispersion has long limited time multiplexing. Currently, polarization mode dispersion (PMD) constitutes a new limitation in terms of modulation capacity.
On distingue deux régimes de comportement statistique de la PMD. Dans l'un de ces régimes, la PMD est proportionnelle à la longueur L de fibre tandis que dans l'autre régime, elle est proportionnelle à L1 . En pratique, une ligne de 100 km, ayant une capacité de transmission supérieure à 10 Gbits, nécessite un coefficient de PMD inférieur à 1 ps.km1 2 et il devient important de caractériser ce paramètre sur le terrain. Les valeurs usuelles de PMD sont donc de quelques dizaines de ps sur plusieurs centaines de kilomètres de fibre. Parmi toutes les méthodes connues pour mesurer la PMD, il en existe une qui emploie une source à large bande spectrale, alternativement polarisée suivant deux directions orthogonales, et selon laquelle on recueille les spectres correspondants du faisceau lumineux transmis à travers un analyseur et l'on compte le nombre de passages par OdB de la courbe-ratio des deux spectres. A ce sujet on se reportera au document suivant :There are two regimes of statistical behavior for PMD. In one of these regimes, the PMD is proportional to the length L of fiber while in the other regime, it is proportional to L 1 . In practice, a 100 km line, with a transmission capacity greater than 10 Gbits, requires a PMD coefficient of less than 1 ps.km 1 2 and it becomes important to characterize this parameter in the field. The usual PMD values are therefore a few tens of ps over several hundred kilometers of fiber. Among all known methods for measuring PMD, there is one that uses a large source spectral band, alternately polarized in two orthogonal directions, and in which the corresponding spectra of the light beam transmitted through an analyzer are collected and the number of passages by OdB of the curve-ratio of the two spectra is counted. On this subject we will refer to the following document:
[12] CD. Poole et al., Polarization-mode dispersion measurement based on transmission spectra though a polarizer, J. of Lightwave technol. Vol.12, N°6, 1994, pages 917-929.[12] CD. Poole et al., Polarization-mode dispersion measurement based on transmission spectra though a polarizer, J. of Lightwave technol. Vol. 12, No. 6, 1994, pages 917-929.
Avec cette méthode, les grandes valeurs de PMD (correspondant à la gamme de mesure) sont définies par la résolution spectrale du spectromètre que l'on utilise, alors que les faibles valeurs de PMD sont définies par l'étendue spectrale du spectre observé.With this method, the large PMD values (corresponding to the measurement range) are defined by the spectral resolution of the spectrometer that is used, while the low PMD values are defined by the spectral range of the observed spectrum.
4) Analyse de spectres de réseaux de Bragg pour la métrologie à réseaux de Bragg.4) Analysis of Bragg grating spectra for Bragg grating metrology.
Pour une telle analyse, on utilise une source optique à large bande et l'on analyse les longueurs d'onde réfléchies par les différents réseaux de Bragg multiplexes en longueurs d'onde le long de la ligne de mesure. La mesure et le démultiplexage s'effectuent simultanément par adressage sur une barrette de photodétecteurs selon un coût optimisé et avec une forte bande passante en fréquence, tous ces paramètres étant importants afin de pouvoir utiliser ce type de métrologie dans le milieu industriel.For such an analysis, a broadband optical source is used and the wavelengths reflected by the various Bragg gratings multiplexed in wavelengths along the measurement line are analyzed. Measurement and demultiplexing are carried out simultaneously by addressing to a photodetector array at an optimized cost and with a high frequency bandwidth, all these parameters being important in order to be able to use this type of metrology in the industrial environment.
L'équation de comportement spectral d'un réseau de Bragg inscrit dans une fibre standard en germanosilicate s'écrit : ^ = 0 , 78 ε + 7 , 4 x 10"6 ΔT ( ° ) - 5 , 2 x 10" λThe spectral behavior equation of a Bragg grating written in a standard germanosilicate fiber is written: ^ = 0.78 ε + 7.4 x 10 "6 ΔT (°) - 5.2 x 10 " λ
6 ΔP (MPa) . 6 ΔP (MPa).
Dans cette équation ε, ΔT et ΔP correspondent respectivement à la déformation, à l'écart de température et à l'écart de pression.In this equation ε, ΔT and ΔP correspond respectively to the deformation, the temperature difference and the pressure difference.
Pour une source d'excitation dont la largeur à mi-hauteur vaut environ 48 nm, cela correspond à un multiplexage de 8 transducteurs de Bragg sur la ligne de mesure. On peut alors concevoir un micro-système optique de mesure de déformations ou de températures, comprenant des transducteurs à réseaux de Bragg photoinscrits comme le montre schématiquement la figure 12. Un tel micro-système peut comprendre en outre un coupleur équilibré à quatre voies (avec 50 % de transmission sur les deux voies de sortie) qui a la référence 158 sur la figure 12.For an excitation source whose width at half height is approximately 48 nm, this corresponds to a multiplexing of 8 Bragg transducers on the measurement line. It is then possible to design an optical micro-system for measuring deformations or temperatures, comprising photoaggregated Bragg grating transducers as shown diagrammatically in FIG. 12. Such a micro-system can also comprise a balanced four-way coupler (with 50% transmission on the two output channels) which has the reference 158 in Figure 12.
Une source optique 160 à large bande spectrale, qui peut être une source superfluorescente à fibre dopée à 1 ' erbium ou bien une diode superluminescente, est alors connectée à un bras d'entrée du coupleur 158 tandis que le micro-spectromètre 162 conforme à l'invention est connecté à l'autre bras d'entrée du coupleur. L'un des deux bras de sortie du coupleur est, quant à lui, relié à l'extrémité d'une fibre optique sensible 164 sur laquelle ont été photo-inscrits plusieurs réseaux de Bragg transducteurs 166 et dont l'autre extrémité comporte un clivage en biais 168.An optical source 160 with a broad spectral band, which can be a superfluorescent source with erbium-doped fiber or else a superluminescent diode, is then connected to an input arm of the coupler 158 while the micro-spectrometer 162 conforms to the The invention is connected to the other input arm of the coupler. One of the two output arms of the coupler is, for its part, connected to the end of a sensitive optical fiber 164 on which have been photo-registered several Bragg networks transducers 166 and the other end of which has a cleavage at an angle 168.
On rappelle que le spectre optique des diodes superluminescentes a une allure gaussienne et une largeur spectrale typique de l'ordre de 30 nm à 50 nm. On voit aussi sur la figure 12 les moyens 170 d'alimentation de la source 160, la barrette de photodiodes 172 qui est associée au micro-spectromètre et les moyens électroniques 174 de détection des signaux fournis par la barrette de photodiodes.It is recalled that the optical spectrum of superluminescent diodes has a Gaussian appearance and a typical spectral width of the order of 30 nm to 50 nm. FIG. 12 also shows the means 170 for supplying the source 160, the photodiodes array 172 which is associated with the micro-spectrometer and the electronic means 174 for detecting the signals supplied by the photodiodes array.
Un dispositif conforme à l'invention s'applique donc à la surveillance en temps réel, à forte bande passante (1 kHz) , de plusieurs contraintes ou pressions appliquées à une fibre optique sensible incorporée dans une structure par exemple en matériau composite.A device according to the invention therefore applies to the monitoring in real time, at high bandwidth (1 kHz), of several constraints or pressures applied to a sensitive optical fiber incorporated in a structure, for example made of composite material.
Il peut aussi être employé pour faire des mesures en temps réel de températures distribuées.It can also be used to make real-time measurements of distributed temperatures.
En outre, il peut être utilisé dans le domaine des télécommunications pour démultiplexer plusieurs canaux et mesurer des informations codées en longueur d' onde.In addition, it can be used in the field of telecommunications to demultiplex several channels and to measure information coded in wavelength.
Ce dispositif s'applique aussi au démultiplexage et à la mesure de plusieurs longueurs d'onde, par exemple dans le domaine des télécommunications multiplexées en longueur d'onde.This device also applies to demultiplexing and to the measurement of several wavelengths, for example in the field of telecommunications multiplexed in wavelength.
Enfin, selon le premier mode de conception de démultiplexage, la grande flexibilité de fabrication de ce dispositif le rend particulièrement attractif pour une instrumentation ultisectorielle, par un ajustement aisé des longueurs d'onde de Bragg des réseaux photoinscrits, un adressage étant alors effectué sur la barrette de photo-détecteurs.Finally, according to the first demultiplexing design mode, the great manufacturing flexibility of this device makes it particularly attractive for ultisectoral instrumentation, by easy adjustment of the Bragg wavelengths of the photoinscribed networks, an addressing being then carried out on the array of photo-detectors.
Considérons maintenant un mode de fabrication collective de phasars utilisables dans l'invention, en faisant référence à la figure 13. De tels phasars peuvent être fabriqués en utilisant une technologie d'optique intégrée silice sur silicium et une tranche (« wafer ») de 4 pouces (environ 10 cm) de diamètre. Avec cette technologie on peut aussi traiter des tranches de 8 pouces (environ 20 cm) de diamètre. Sur un tel support 175 (figure 13) il est possible de former 16 doubles-phasars 176 du genre de celui qui est représenté sur la figure 10 et donc 32 composants phasars simultanément (approche collective de fabrication) .Let us now consider a collective manufacturing method of phasars usable in the invention, with reference to FIG. 13. Such phasars can be manufactured using integrated silica-on-silicon optics technology and a wafer 4 inches in diameter. With this technology we can also process slices of 8 inches (about 20 cm) in diameter. On such a support 175 (FIG. 13) it is possible to form 16 double-phasars 176 of the kind shown in FIG. 10 and therefore 32 phasar components simultaneously (collective manufacturing approach).
Après réalisation des motifs (selon les méthodes décrites dans les documents [4] et [5] , les ensembles 176 sont séparés par sciage (au moyen d'une lame métallique ou d'une lame en diamant) selon une procédure automatisée à commande numérique. Le trait de scie fait environ 200 μm à 300 μm de large ; il n'est pas représenté sur la figure 13.After the patterns have been produced (according to the methods described in documents [4] and [5], the assemblies 176 are separated by sawing (using a metal blade or a diamond blade) according to an automated digital control procedure The saw cut is approximately 200 μm to 300 μm wide; it is not shown in FIG. 13.
L'opération de sciage peut par exemple débuter par une séparation de bandes 178 de doubles-phasars 176 selon les traits pointillés 180 puis se poursuivre par un assemblage des bandes ainsi séparées et un redécoupage de celles-ci pour isoler les motifs de double phasars 176. Les phasars peuvent être ensuite à nouveau assemblés et sciés suivant leur ligne médiane (non représentée) .The sawing operation can for example start with a separation of bands 178 of double-phasars 176 according to the dotted lines 180 and then continue with an assembly of the bands thus separated and a recutting of these to isolate the patterns of double phasars 176 The phasars can then be reassembled and sawn along their midline (not shown).
L'avantage économique de ce schéma de phasar replié tient à ce que la surface du composant est divisée par deux par rapport à un schéma traditionnel en transmission. Le nombre de composants phasars fabriqués par tranche est donc multiplié au moins par deux et le coût d'un phasar individuel est divisé au moins par deux.The economic advantage of this folded phasar scheme is that the component surface is halved compared to a traditional transmission scheme. The number of phasar components manufactured per slice is therefore multiplied at least by two and the cost of an individual phasar is halved at least.
De plus, les opérations de polissage qui suivent l'opération de sciage peuvent être réalisées simultanément sur un très grand nombre de substrats, ce qui permet encore de réduire le coût. Il en est de même pour l'opération de formation d'un dépôt réfléchissant mentionnée plus haut dans la description des figures 4 et 5. On peut encore former des repères de clivage m comme on l'a vu plus haut, pour définir les divers traits de clivage dont on a besoin, en particulier les traits de clivage 180. In addition, the polishing operations which follow the sawing operation can be carried out simultaneously on a very large number of substrates, which further reduces the cost. It is the same for the operation of forming a reflective deposit mentioned above in the description of Figures 4 and 5. It is also possible to form cleavage marks m as we have seen above, to define the various cleavage lines that are needed, in particular cleavage lines 180.

Claims

REVENDICATIONS
1. Spectromètre optique comprenant au moins un spectromètre optique élémentaire, ce spectromètre optique élémentaire étant caractérisé en ce qu'il comprend :1. Optical spectrometer comprising at least one elementary optical spectrometer, this elementary optical spectrometer being characterized in that it comprises:
- un réseau de phase optique comprenant un ensemble de micro-guides (12, 60, 96, 98), ce réseau de phase optique étant formé sur un guide optique planaire qui est clivé, - des moyens de réflexion (24, 30, 32, 34 ; 62,- an optical phase network comprising a set of micro-guides (12, 60, 96, 98), this optical phase network being formed on a planar optical guide which is cleaved, - reflection means (24, 30, 32 , 34; 62,
68, 70, 72 ; 134, 138, 140, 142) aptes à réfléchir successivement des rayonnements issus de l'ensemble des microguides, en vue d'une propagation de ces rayonnements sous forme repliée et en espace libre, - des moyens (26, 64, 144) de photodétection des rayonnements ainsi réfléchis, et des moyens (28, 66, 136) de focalisation des rayonnements sur ces moyens de photodétection. 68, 70, 72; 134, 138, 140, 142) capable of successively reflecting radiation from all of the microguides, with a view to propagation of this radiation in folded form and in free space, - means (26, 64, 144) for photodetection of the radiation thus reflected, and means (28, 66, 136) for focusing the radiation on these photodetection means.
2. Spectromètre selon la revendication 1, dans lequel les moyens de réflexion sont aptes à permettre la propagation des rayonnements sous forme repliée, d'abord dans le guide optique planaire puis en espace libre, au-dessus de ce guide optique planaire, dans un plan qui est parallèle à ce dernier.2. Spectrometer according to claim 1, in which the reflection means are capable of permitting the propagation of the radiation in folded form, first in the planar optical guide then in free space, above this planar optical guide, in a plane which is parallel to the latter.
3. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 , dans lequel le réseau de phase optique est prévu pour fonctionner par réflexion et le guide optique planaire comporte une pluralité de côtés clivés (cl, c2 , c3 ) , rendus réfléchissants vis-à-vis des rayonnements issus de l'ensemble de microguides et vis-à-vis de rayonnements destinés à pénétrer dans cet ensemble.3. Spectrometer according to any one of claims 1 and 2, in which the optical phase grating is designed to operate by reflection and the planar optical guide comprises a plurality of cleaved sides (cl, c2, c3), made reflective vis- vis-à-vis radiation from the set of microguides and vis-à-vis radiation intended to penetrate this assembly.
4. Spectromètre selon la revendication 3 , dans lequel l'ensemble des microguides aboutit à l'un (cl) des côtés clivés et le réseau de phase optique comprend une zone de focalisation (F) qui aboutit à l'un au moins de ces côtés clivés.4. Spectrometer according to claim 3, in which the set of microguides ends at one (cl) of the cleaved sides and the optical phase grating comprises a focusing zone (F) which leads to at least one of these cleaved sides.
5. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 , dans lequel le réseau de phase optique est prévu pour fonctionner par réflexion et le guide optique planaire comporte un côté clivé (cl) , qui est rendu réfléchissant vis-à-vis des rayonnements issus de l'ensemble de microguides et vis-à-vis de rayonnements destinés à pénétrer dans cet ensemble et auquel l'ensemble des microguides aboutit, ainsi que d'autres côtés clivés (c2, c3) aptes à réfléchir ces rayonnements , ces rayonnements étant prévus pour arriver sur ces autres côtés clivés avec des angles d'incidence suffisamment grands pour conduire à une réflexion totale de ces rayonnements.5. Spectrometer according to any one of claims 1 and 2, in which the optical phase grating is designed to operate by reflection and the planar optical guide comprises a cleaved side (cl), which is made reflective with respect to radiation from the set of microguides and vis-à-vis radiation intended to penetrate into this set and to which the set of microguides ends, as well as other cleaved sides (c2, c3) capable of reflecting these radiations, these radiations being planned to arrive on these other cleaved sides with angles of incidence large enough to lead to a total reflection of these radiations.
6. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les microguides forment des arcs de cercles concentriques (12, 96, 98) .6. Spectrometer according to any one of claims 1 to 5, in which the microguides form arcs of concentric circles (12, 96, 98).
7. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 , dans lequel le réseau de phase est prévu pour fonctionner par transmission.7. Spectrometer according to any one of claims 1 and 2, in which the phase network is designed to operate by transmission.
8. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 , dans lequel les moyens de réflexion comprennent : - un prisme (24, 62, 134), qui est prévu pour réfléchir les rayonnements issus de l'ensemble de microguides dans un plan parallèle au guide optique planaire sur lequel est formé le réseau de phase optique, et8. Spectrometer according to any one of claims 1 to 7, in which the reflection means comprise: - a prism (24, 62, 134), which is designed to reflect the radiations coming from the set of microguides in a plane parallel to the planar optical guide on which the optical phase network is formed, and
- au moins un miroir (30, 32, 34 ; 68, 70, 72 ; 138, 140, 142) prévu pour réfléchir les rayonnements se propageant dans ce plan vers les moyens de photodétection.- At least one mirror (30, 32, 34; 68, 70, 72; 138, 140, 142) provided for reflecting the radiation propagating in this plane towards the photodetection means.
9 . Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 , comprenant en outre un support (42, 48, 132) sur lequel le réseau de phase optique, les moyens de réflexion et les moyens de photodétection sont positionnés les uns par rapport aux autres.9. Spectrometer according to any one of claims 1 to 8, further comprising a support (42, 48, 132) on which the optical phase grating, the reflection means and the photodetection means are positioned relative to each other.
10 . Spectromètre selon la revendication 9, dans lequel le support (42, 48, 132) est obtenu par moulage ou emboutissage à chaud d'une matière plastique, à partir d'un moule obtenu par une technique de moulage par lithographie et électro-formage.10. Spectrometer according to claim 9, in which the support (42, 48, 132) is obtained by molding or hot stamping of a plastic material, from a mold obtained by a molding technique by lithography and electroforming.
11 . Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 , comprenant en outre des moyens (84, 86) de compensation de modifications subies par le réseau de phase optique à cause de variations de température.11. Spectrometer according to any one of claims 1 to 10, further comprising means (84, 86) for compensating for modifications undergone by the optical phase network due to temperature variations.
12 . Spectromètre selon la revendication 8 , comprenant en outre des moyens de compensation de modifications subies par le réseau de phase optique à cause de variations de température, ces moyens de compensation comprenant un barreau (84, 86) ayant un coefficient de dilatation thermique de préférence élevé, ce barreau étant rendu solidaire du miroir (30, 68) pour engendrer, par dilatation thermique, des modifications de l'orientation du miroir, aptes à compenser les modifications subies par le réseau de phase optique.12. Spectrometer according to claim 8, further comprising means for compensating for modifications undergone by the optical phase network due to temperature variations, these compensation means comprising a bar (84, 86) having a coefficient of thermal expansion preferably high. , this bar being made integral with the mirror (30, 68) to generate, by thermal expansion, modifications of the orientation of the mirror, capable of compensate for the modifications undergone by the optical phase network.
13 . Spectromètre selon l'une quelconque des revendications l à 12 , dans lequel le guide optique planaire est obtenu par une technique d'optique intégrée sur verre ou sur un semiconducteur, en particulier le silicium ou le phosphure d'indium.13. Spectrometer according to any one of Claims 1 to 12, in which the planar optical guide is obtained by an integrated optical technique on glass or on a semiconductor, in particular silicon or indium phosphide.
14 . Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 , comprenant une pluralité de spectromètres optiques élémentaires (Ml, M2 , M3 ; Mlx, Mly, M2x, M2y, M3x, M3y) prévus pour couvrir de façon modulaire une gamme spectrale déterminée et optiquement couplés à une fibre optique d'entrée (FE) par l'intermédiaire de moyens de séparation de longueur d'onde (2, 4) .14. Spectrometer according to any one of Claims 1 to 13, comprising a plurality of elementary optical spectrometers (Ml, M2, M3; Mlx, Mly, M2x, M2y, M3x, M3y) designed to cover in a modular fashion a determined spectral range and optically coupled to an input optical fiber (FE) via wavelength separation means (2, 4).
15 . Spectromètre selon la revendication 14 , comprenant en outre des moyens de séparation de polarisation (Cl, C2 , C3 ) qui relient ces moyens de séparation de longueur d'onde aux spectromètres optiques élémentaires.15. Spectrometer according to claim 14, further comprising polarization separation means (C1, C2, C3) which connect these wavelength separation means to the elementary optical spectrometers.
16 . Spectromètre selon la revendication 14 , comprenant en outre des moyens de séparation de puissance (Pi, P2 , P3 ) et des moyens de polarisation16. Spectrometer according to claim 14, further comprising power separation means (Pi, P2, P3) and polarization means
(Px, Py) qui relient ces moyens de séparation de longueur d'onde aux spectromètres optiques élémentaires .(Px, Py) which connect these wavelength separation means to the elementary optical spectrometers.
17 . Procédé de fabrication du spectromètre selon la revendication 1, dans lequel le réseau de phase optique est du genre replié, pour fonctionner par réflexion, et fabriqué en plusieurs exemplaires, par paires tête-bêche, selon les techniques de l'optique intégrée, à partir d'un même substrat qui est ensuite clivé pour obtenir les divers réseaux de phase optique ainsi fabriqués et former un spectromètre optique élémentaire avec chacun de ceux-ci . 17. Method of manufacturing the spectrometer according to claim 1, in which the optical phase grating is of the folded type, to operate by reflection, and produced in several copies, in head-to-tail pairs, according to optical techniques integrated, from the same substrate which is then cleaved to obtain the various optical phase networks thus manufactured and to form an elementary optical spectrometer with each of these.
18 . Procédé de fabrication du spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, dans lequel on forme chaque réseau de phase optique à partir d'un substrat et l'on forme des repères de clivage (m) en même temps que les microguides de ce réseau de phase optique sur ce substrat.18. Method of manufacturing the spectrometer according to any one of Claims 1 to 16, in which each optical phase network is formed from a substrate and cleavage marks (m) are formed at the same time as the microguides of this optical phase grating on this substrate.
19 . Dispositif d'analyse spectrale pour les télécommunications optiques à haut débit utilisant un multiplexage dense en longueur d'onde, ce dispositif comprenant le spectromètre selon l'une quelconque des revendications 14 à 16 pour fournir une indication en temps réel du placement de canaux dans l'intervalle allant de 1528,77 nm à 1563,86 nm, de façon modulaire et adaptable selon les besoins des utilisateurs.19. Spectral analysis device for high speed optical telecommunications using dense wavelength division multiplexing, this device comprising the spectrometer according to any one of claims 14 to 16 to provide a real time indication of the placement of channels in the '' range from 1528.77 nm to 1563.86 nm, modular and adaptable according to user needs.
20 . Dispositif de métrologie optique à réseaux de Bragg, ce dispositif comprenant le spectromètre selon l'une quelconque des revendications 14 à 16 pour mesurer des longueurs d'onde de Bragg.20. Bragg grating optical metrology device, this device comprising the spectrometer according to any one of claims 14 to 16 for measuring Bragg wavelengths.
21. Dispositif selon la revendication 20, dans lequel le spectromètre est destiné à détecter des signaux optiques issus d'au moins un capteur à réseau de Bragg (166) . 21. Device according to claim 20, in which the spectrometer is intended to detect optical signals coming from at least one Bragg grating sensor (166).
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