FR2694817A1 - Filtre optique accordable interférométrique. - Google Patents

Filtre optique accordable interférométrique. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne les filtres optiques interférométriques. Un filtre optique accordable interférométrique sélectionne une ou plusieurs longueurs d'ondes prédéterminées d'un signal multiplexé par répartition en longueur d'onde. Dans chaque branche, on peut commander individuellement l'amplitude et la phase du signal à l'aide d'un moyen de commande d'amplitude (12) et d'un moyen de commande de phase (14). On recombine ensuite les signaux de chaque branche. L'interférence résultante donne un spectre de transmission dépendant de la longueur d'onde que l'on peut régler de la manière désirée. Application aux télécommunications optiques.

Description

i La présente invention concerne un dispositif consistant en un filtre
optique, et elle concerne plus
particulièrement un filtre optique accordable interféro-
métrique dans lequel une ou plusieurs longueurs d'onde prédéterminées d'un signal optique sont sélectionnées à partir de signaux optiques multiplexés par répartition en
longueur d'onde.
Des systèmes de télécommunication par ondes lumineuses utilisant le multiplexage de longueur d'onde
(ou WDM) non cohérents et à densité élevée, sont intéres-
sants en comparaison avec des systèmes de télécommunica-
tion cohérents (de type hétérodyne), du fait que le système non cohérent utilise le grand domaine de longueurs d'onde (fréquences) qui est disponible dans une fibre optique en attribuant des longueurs d'onde différentes à différents canaux dans le système de télécommunication Le récepteur d'ondes lumineuses, qui assure le filtrage, l'amplification et la détection des signaux d'ondes lumineuses, constitue un composant clé dans un système de télécommunication par ondes lumineuses à multiplexage de longueur d'onde, de type non cohérent Si on utilise une détection directe au lieu d'une détection cohérente, il
sera nécessaire d'employer des filtres optiques accorda-
bles pour séparer les différentes longueurs d'onde
(canaux) multiplexées, à la fois dans un but d'achemine-
ment et dans un but de détection finale Un récepteur à multiplexage de longueur d'onde utilisant la détection optique directe doit filtrer de façon optique le signal à multiplexage de longueur d'onde multifréquence, pour transmettre seulementle ou les canaux désirés au détecteur optique direct Un filtre optique accordable a donc la fonction qui consiste à sélectionner un signal de lumière de longueur d'onde prédéterminée, parmi l'ensemble de signaux d'ondes lumineuses qui sont multiplexés Par conséquent, le but d'un filtre optique accordable est de sélectionner un canal (ou plusieurs canaux) dans un signal optique à multiplexage de longueur d'onde entrant donné, et d'empêcher que les autres canaux ne traversent le filtre. On a développé plusieurs filtres optiques différents On a développé des filtres de Fabry-Pérot avec accord mécanique, c'est-à-dire des filtres utilisant un élément piézoélectrique Cependant, l'utilisation de
filtres actionnés mécaniquement présente plusieurs incon-
vénients Premièrement, des filtres optiques comportant des composants mobiles sont de façon caractéristique volumineux et leur fabrication est coûteuse De plus, des filtres optiques comportant des composants mobiles ont une
mauvaise fiabilité et des vitesses de commutation infé-
rieures à celles de filtres optiques commandés de façon électronique On a également développé des filtres
optiques basés sur une conversion de modes TE/TM acousto-
optique et sur des guides d'ondes Cependant, ces filtres exigent un circuit d'attaque relativement complexe pour générer les ondes acoustiques exigées De plus, les filtres sont relativement grands, avec une longueur de l'ordre d'un à deux centimètres On a également développé
des filtres optiques basés sur des diodes lasers à semi-
conducteurs à réaction répartie (ou DFB) et sur des diodes lasers du type Fabry-Pérot à sections multiples On fait fonctionner de telles structures lasers à semiconducteurs à réaction répartie avec un courant de polarisation fixé au-dessous du courant de seuil pour l'émission laser Bien que ces dispositifs aient l'avantage d'avoir un gain, ils ont également plusieurs inconvénients Premièrement, la gamme d'accord de ces dispositifs lasers à semiconducteurs
à réaction répartie est faible, soit moins de deux nanomè-
tres à une longueur d'onde de 1,5 micromètre pour un dispositif In Ga As P/In P En outre, ils ont une largeur de bande très étroite à cause du gain, et ils sont suceptibles de faire apparaître des effets de saturation
si la puissance du signal entrant est trop élevée.
On a également développé des filtres optiques basés sur une structure laser à réflexion de Bragg répartie (ou DBR) La structure laser à réflexion de Bragg répartie est employée sous la forme d'un récepteur intégré
dans un système de télécommunication par ondes lumineuses.
La structure laser DBR est polarisée électriquement au-
dessous du seuil d'émission laser pour travailler à la manière d'un élément multifonction en accomplissant
l'opération intégrée d'amplification et de filtrage réson-
nants des signaux d'ondes lumineuses qui sont reçus En polarisant électriquement la section de Bragg de la structure laser DBR, il est possible d'accorder le filtre de façon à sélectionner la longueur d'onde désirée La structure laser DBR a une plus grande gamme d'accord que les diodes lasers DFB (jusqu'à 15 nanomètres), et on peut la rendre insensible à la puissance du signal d'entrée en éliminant la section d'amplification Cependant, la structure laser DBR fonctionne en utilisant une réflexion dans laquelle le signal de sortie est réfléchi vers l'arrière à travers le signal d'entrée, ce qui entraîne des pénalités d'atténuation lorsque les signaux sont séparés. La présente invention décrit un filtre optique accordable prévu pour l'utilisation dans des systèmes à multiplexage par répartition en longueur d'onde Le filtre optique divise le signal d'entrée pour le diriger vers un
ensemble de branches Dans chaque branche, on peut com-
mander individuellement l'amplitude et la phase du signal.
On recombine ensuite les signaux On peut recombiner les signaux en utilisant le même type de jonction en Y que
l'on a utilisé pour diviser la lumière entre les branches.
L'interférence résultante donne un spectre de transmission dépendant de la longueur d'onde que l'on peut régler de la
manière désirée.
Dans un autre mode de réalisation de la présente
invention, on utilise un filtre optique accordable inter-
férométrique dans un laser, à titre de moyen de commande de longueur d'onde Un guide d'ondes est formé dans la surface d'un substrat semiconducteur et il est défini latéralement à l'intérieur de cette surface Un miroir d'extrémité partiellement réfléchissant permet à la lumière de sortir du laser Une section du guide d'ondes est divisée en un ensemble de branches Chaque branche peut contenir un moyen de commande de phase et un moyen à réflectivité élevée pour réfléchir la lumière vers l'arrière, à travers le moyen de commande de phase Une section de commande de phase est placée sur le guide d'ondes pour sélectionner une longueur d'onde de lumière désirée Le guide d'ondes contient également une section
de commande de gain.
Ces caractéristiques et avantages de la présente invention, ainsi que d'autres, apparaîtront aisément à
l'homme de l'art à la lecture de la description écrite qui
suit, et en se référant aux dessins dans lesquels: la figure 1 représente un filtre optique de la présente invention;
la figure 2 représente un autre mode de réalisa-
tion d'un filtre optique de la présente invention; la figure 3 est un diagramme explicatif montrant le spectre de transmission de puissance d'un filtre optique de la présente invention; la figure 4 représente un filtre optique indépendant de la polarisation, conforme à la présente invention; et la figure 5 représente un laser à longueur d'onde accordable, utilisant un filtre interférométrique
de la présente invention à titre d'élément sélectif vis-à-
vis de la longueur d'onde.
La figure 1 représente un filtre optique 10 de la présente invention La lumière présente dans le guide d'ondes d'entrée 10 est divisée et appliquée à un ensemble de branches N La lumière peut être divisée et appliquée aux différentes branches par un diviseur à jonction en Y ou par un commutateur numérique Un élément de commande d'amplitude 12 et un élément de commande de phase 14 sont placés dans chaque branche De plus, la longueur du chemin du point A jusqu'au point B est différente pour chaque branche Il en résulte que les lumières provenant des différentes branches ne seront pas mutuellement en phase, ce qui fait que les lumières dans les différentes branches interféreront mutuellement au moment de la recombinaison des lumières provenant de chaque branche L'interférence entre différents signaux de lumière dépend des différences de phase entre les signaux Du fait que la différence de phase est une fonction de la longueur d'onde, la structure de la présente invention conduit à une transmission de A vers B qui dépend de la longueur d'onde Le spectre de puissance de A vers B, en fonction de la longueur d'onde A, pour un dispositif avec N branches, peut être calculé de la façon suivante: N 2 lr 2 T(A-B) = 7 A k exp (-j È n Lk + (q 1 avec les notations suivantes: l'amplitude Ak de chaque
branche est commandée par l'élément de commande d'ampli-
tude 12, la phase 'k est commandée par l'élément de com-
mande de phase 14, N est l'indice de réfraction effectif pour la lumière qui se propage dans le guide d'ondes et Lk est la distance de A à B pour la lumière qui se propage dans la branche k En changeant l'amplitude et la phase, on peut changer le spectre de transmission à travers le filtre Il en résulte que l'on peut utiliser la structure résultante à la manière d'un filtre optique accordable Il est également possible d'associer en cascade plusieurs de ces dispositifs, de façon que le spectre de transmission résultant soit le produit du spectre de transmission de chaque dispositif. La figure 2 montre un mode de réalisation spécifique de la présente invention dans lequel le nombre de branches N est égal à 4 Dans cet exemple simple, le filtre ne comporte pas un élément de commande d'amplitude 14, et la lumière est divisée de façon égale entre les
quatre branches Chaque branche contient cependant effec-
tivement une section de commande de phase La longueur de chaque branche et la phase de chaque branche sont basées sur les relations suivantes: Lk = Lo + k*d (éq 2) ik = (k,+ k*V)mod 21 r (éq 3) Il en résulte que le spectre de transmission de puissance pour le dispositif peut s'écrire sous la forme suivante si N 2-ri d'X -t IV)N/2) 2 TN = ( sin(l nd/A N/2) (éq 4) Il en résulte que le spectre de transmission de puissance TN dépend seulement de n, d et N (qui sont fixes), et de vr, qui est accordable Avec ce choix de paramètres, on obtient un filtre périodique avec une période fixée par
nd De plus, le filtre périodique a une position passe-
bande qui est accordable par y, dans la période fixée Il en résulte que chaque section de phase doit être capable de produire un déphasage dans la plage de O à 2 Tf, du fait que tout est modulo 21 T
La figure 3 représente le spectre de transmis-
sion de puissance du filtre optique qui est représenté sur la figure 2 Pour la figure 3, les paramètres sont fixés
de la façon suivante: N = 4, N = 3,25, d = 47 micro-
mètres, et A est approximativement égal à 1,55 micromètre.
La ligne continue représente le spectre de puissance lorsque ' = O et la ligne en pointillés indique le spectre de puissance lorsque 'y = 21 r/3 Dans ce mode de réalisation, la période du filtre est d'environ 15,7 manomètres. La manière selon laquelle on peut réaliser les éléments de commande d'amplitude et de phase dépend du matériau qui est employé pour fabriquer le filtre Dans un semiconducteur à bande interdite directe, tel que In Ga As P/ In P, pour la gamme de 1,2 à 1,6 micromètre, et Al Ga As/Ga As pour la gamme de 0,8 à 0,9 micromètre, on peut réaliser la section de commande d'amplitude au moyen d'un élément à perte/gain variable, par exemple en faisant en sorte qu'une section du guide d'ondes soit un amplificateur à diode à semiconducteurs Le coeur du guide d'ondes est réalisé à partir d'un matériau ayant une longueur d'onde de bande interdite qui correspond à la longueur d'onde de la lumière qui traverse le dispositif, et il est intercalé entre un matériau dopé avec le type p et un matériau dopé avec le type n, ayant une plus grande bande d'énergie interdite, de façon que des porteurs puissent être injectés et produisent un gain lorsque l'amplificateur est polarisé en direct Si aucun courant n'est appliqué à
l'amplificateur, le guide d'ondes absorbera la lumière.
Cependant, si un courant suffisant est appliqué à l'ampli-
ficateur, le guide d'ondes aura un gain.
Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, on peut commander l'amplitude de la lumière dans les différentes branches en utilisant un commutateur numérique à chaque division, comme décrit dans les documents: "Integrated Optics 4 x 4 Switch Matrices With Digital Optical Switches", P Granestrand, Electronic Letters, Vol 26 ( 1), 4 janvier 1990, pages 4 et 5, et "Polarization-And Wavelength Insensitive Guided-Wave Optical Switch with Semiconductor Y-Junction", H Yanagawa, K Ueki, et Y Kamata, Journal of Lightwave Technology, Vol 8 ( 8), août 1990, pages 1192-1197, qui sont incorporés ici par référence Il en résulte que l'on peut commander le rapport de division de la lumière par la tension ou le courant qui est appliqué au commutateur On peut utiliser le commutateur numérique avec des semiconducteurs, mais également par exemple avec des dispositifs basés sur
Li Nb O 3.
On peut réaliser la section de commande de phase au moyen d'une section de guide d'ondes avec un indice effectif accordable L'accord de l'indice effectif peut être réalisé de plusieurs manières Enpremier lieu,on peut utiliser l'injection de porteurs libres dans le guide d'ondes Le procédé d'injection de porteurs libres utilise une polarisation en sens direct dans une structure de diode p-i-n pour injecter des porteurs dans le guide d'ondes Ce procédé est utilisé dans des lasers DBR accordables, comme décrit dans le document "Semiconductor Lasers for Coherent Optical Fiber Communications", T Koch et U Koren, Journal of Lightwave Technology, Vol 8 ( 3), mars 1990, pages 274-293 On peut également utiliser la désertion de porteurs libres dans le guide d'ondes pour changer l'indice de réfraction effectif Le procédé de désertion de porteurs libres utilise une polarisation inverse pour entraîner les porteurs hors du guide d'ondes, pour changer ainsi l'indice de réfraction effectif On peut également changer l'indice de réfraction effectif en utilisant un accord électro-optique Dans l'accord électro-optique, le champ électrique qui est appliqué par l'intermédiaire d'une structure p-i-n polarisée en inverse change l'indice de réfraction dans le guide d'ondes Ceci peut être accompli avec un matériau massif, mais on utilisera probablement des puits quantiques dans le but d'obtenir un changement d'indice suffisant Les procédés mentionnés ci-dessus qui changent l'indice effectif ne sont pas indiqués de manière exhaustive, du fait que d'autres procédés sont également possibles Par exemple, si les guides d'ondes étaient réalisés en Si O 2 sur Si, on pourrait utiliser un accord thermo-thermique pour changer
l'indice de réfraction effectif du guide d'ondes.
Le filtre est généralement d'un type dépendant de la polarisation, ce qui signifie que l'on devrait utiliser la diversité de polarisation s'il n'y avait aucune commande de l'état de polarisation de la lumière entrante Cependant, si un élément qui fait tourner de 900 la polarisation de la lumière est introduit au milieu de
chaque branche du guide d'ondes, de façon que le dispo-
sitif soit symétrique par rapport à l'élément de polari-
sation, le dispositif complet est alors indépendant de la polarisation La figure 4 représente un filtre optique à quatre branches qui contient des rotateurs de polarisation 40 Les rotateurs de polarisation 40 sont placés au milieu
de chaque branche de façon que le dispositif soit symétri-
que par rapport au rotateur de polarisation De plus, les éléments de commande de phase et d'amplitude doivent être
divisés symétriquement par rapport au rotateur de polari-
sation, comme représenté sur la figure 4 Il en résulte qu'un élément de commande d'amplitude et un élément de commande de phase doivent être placés de part et d'autre
du rotateur de polarisation 40.
Le rotateur de polarisation 40 peut être réalisé de diverses manières En premier lieu, le rotateur de
polarisation peut être réalisé sous la forme d'un conver-
tisseur de mode de guide d'ondes, comme décrit dans le document "Passive Mode Converter with a Periodically Tilted In P/Ga In As P Rib Waveguide", H Heindrich et al, IEEE Photon Technology Letters, Vol 4 ( 1), janvier 1992, pages 34-36 De plus, le rotateur peut être réalisé sous la forme d'une lame de quartz, comme décrit dans le document "Polarization Insensitive Arrayed-Waveguide Grating Wavelength Multiplexer on Silicon", H Takhashi, Y Hibino, et I Nishi, Optics Letters, Vol 17 ( 7),
1 er avril 1992, pages 499-501.
Dans un autre mode de réalisation de la présente
invention, on peut utiliser le filtre optique en remplace-
ment d'un réseau accordable dans un laser DBR à trois sections Dans ce mode de réalisation, on simplifie la conception du filtre en repliant le filtre le long de la ligne de symétrie traversant chaque branche La figure 5 illustre un tel laser avec une section interférométrique à quatre branches Un élément de commande de phase 52 est placé dans chacune des quatre branches du guide d'ondes Un élément à réflectivité élevée 54 est placé à l'extrémité de chaque élément de commande de phase 52 La lumière qui se propage dans le guide d'ondes traverse une
section de gain 56 et une section de commande de phase 58.
La lumière est ensuite divisée et appliquée aux quatre branches différentes du guide d'ondes par des diviseurs à jonction en Y ou par des commutateurs numériques La lumière traverse les éléments de commande de phase 52 et elle est réfléchie vers l'arrière à travers les éléments de commande de phase 52 par l'élément à réflectivité
élevée 54 Un élément 51 consistant en un miroir transmet-
tant partiellement la lumière, qui est placé à l'extrémité de la section de gain 56, permet à une fraction de la lumière de sortir du laser, et il réfléchit le reste de la lumière vers l'arrière, en direction de la section de gain 56 La lumière a des phases différentes dans chacune des branches du guide d'ondes Les éléments de commande de phase 52 doivent seulement être capables de produire des déphasages compris entre O et tr, du fait que la lumière
traverse deux fois les éléments de commande de phase.
il
Le spectre de réflexion de la section interfé-
rométrique est identique au spectre de transmission du filtre optique décrit ci-dessus, et il est également accordable La gamme d'accord dépend de la période du filtre et on pourrait la choisir en choisissant les
différences entre les longueurs des différentes branches.
Les éléments de commande de phase 52 permettraient la sélection de longueur d'onde dans la période du filtre On utilise la section de commande de phase 58 pour régler la phase correspondant au trajet aller et retour global dans le laser, et on peut donc l'utiliser à titre d'élément de
commande fine pour la longueur d'onde d'émission laser.
L'homme de l'art notera que la présente inven-
tion peut être réalisée sous d'autres formes spécifiques, sans s'écarter de son esprit ou de son caractère essentiel Les modes de réalisation qui sont décrits ici sont donc considérés à tous égards comme des illustrations
n'ayant aucun caractère restrictif Le cadre de l'inven-
tion est indiqué par les revendications annexées et non
par la description précédente, et on considère que ce
cadre englobe tous les changements qui entrent dans
l'esprit et la gamme d'équivalents de l'invention.

Claims (16)

REVENDICATIONS
1 Filtre optique accordable interférométrique ( 10), caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat semiconducteur ayant une première électrode formée sur une première surface de ce substrat; un guide d'ondes formé dans la surface du substrat, et défini latéralement à l'intérieur de cette surface, pour acheminer des ondes lumineuses, dans lequel un segment du guide d'ondes est divisé en un ensemble de branches, chaque branche ayant une longueur différente; des moyens pour diviser les ondes lumineuses et pour les appliquer aux branches du guide
d'ondes; et des moyens pour recombiner les ondes lumi-
neuses après le segment divisé du guide d'ondes.
2 Filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque branche du guide d'ondes contient un moyen de commande
d'amplitude-( 12).
3 Filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de commande d'amplitude ( 12) est un amplificateur à semiconducteurs. 4 Filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque branche du guide d'ondes contient un moyen de commande de phase ( 14) pour changer l'indice effectif du guide d'ondes. Filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque branche du guide d'ondes contient un moyen de commande
d'amplitude ( 12) et un moyen de commande de phase ( 14).
6 Filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque
branche du guide d'ondes contient un rotateur de polarisa-
tion ( 40).
7 Filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque branche du guide d'ondes contient un moyen de commande d'amplitude ( 12), un moyen de commande de phase ( 14) et un
rotateur de polarisation ( 40).
8 Filtre optique accordable interférométrique
selon la revendication 6, caractérisé en ce que le rota-
teur de polarisation ( 40) est un convertisseur de mode de
guide d'ondes.
9 Filtre optique accordable interférométrique
selon la revendication 6, caractérisé en ce que le rota-
teur de polarisation ( 40) est une lame de quartz.
Filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de commande de phase ( 14) change l'indice effectif du guide d'ondes par injection de porteurs libres dans le
guide d'ondes.
11 Filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de commande de phase ( 14) change l'indice effectif du guide d'ondes par désertion de porteurs libres dans le
guide d'ondes.
12 Filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de commande de phase ( 14) change l'indice effectif du
guide d'ondes par accord électro-optique.
13 Filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de commande de phase ( 14) change l'indice effectif du
guide d'ondes par accord thermo-optique.
14 Filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à diviser les ondes lumineuses consistent en un commutateur numérique qui agit également à titre de moyen
de commande d'amplitude ( 12).
15 Filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à diviser les ondes lumineuses consistent en un diviseur à jonction en Y. 16 Filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à recombiner les ondes lumineuses consistent en
un commutateur numérique.
17 Filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à recombiner les ondes lumineuses consistent en un diviseur à jonction en Y. 18 Laser comprenant un filtre optique accordable interférométrique ( 10) à titre de moyen de commande de longueur d'onde, caractérisé en ce qu'il comprend: un
guide d'ondes formé dans la surface d'un substrat semi-
conducteur, et défini latéralement dans cette surface, ce guide d'ondes ayant un miroir d'extrémité partiellement transparent pour permettre à la lumière de sortir du laser, un segment de ce guide d'ondes étant divisé en un ensemble de branches, et chaque branche ayant une longueur différente; un moyen de commande de phase ( 14) placé dans chaque branche du guide d'ondes; un moyen à réflectivité élevée placé à proximité de chaque moyen de commande de phase ( 14) pour réfléchir la lumière vers l'arrière à travers le moyen de commande de phase ( 14); une section de commande de phase sur le guide d'ondes pour sélectionner une longueur d'onde de lumière désirée; et une section de
commande de gain ( 12) sur le guide d'ondes.
19 Laser comprenant un filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 18, caractérisé en ce que le moyen de commande de phase ( 18) change l'indice effectif du guide d'ondes par injection de
porteurs libres dans le guides d'ondes.
Laser comprenant un filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 18, dans lequel le moyen de commande de phase ( 14) change l'indice effectif du guide d'ondes par désertion de porteurs libres
dans le guide d'ondes.
21 Laser comprenant un filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 18, caractérisé en ce que le moyen de commande de phase ( 14) change
l'indice effectif du guide d'ondes par accord électro-
optique. 22 Laser comprenant un filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 18, caractérisé en ce que le moyen de commande de phase ( 14) change
l'indice effectif du guide d'ondes par accord thermo-
optique. 23 Laser comprenant un filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 18, caractérisé
en ce que les moyens destinés à diviser les ondes lumi-
neuses consistent en un commutateur numérique.
24 Laser comprenant un filtre optique accordable interférométrique selon la revendication 18, caractérisé
en ce que les moyens destinés à diviser les ondes lumi-
neuses consistent en un diviseur à jonction en Y.
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