FR2789182A1 - Multiplexeur/demultiplexeur de longueur d'onde optique - Google Patents
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Abstract
Un multiplexeur / démultiplexeur de longueur d'onde optique comprend un premier coupleur en étoile (202) pour diviser la puissance de signaux optiques reçus à partir de guides d'ondes optiques d'entrée (200); un réseau de diffraction à groupement de guides d'ondes (204) pour guider les signaux optiques de façon qu'ils aient respectivement des phases différentes; un second coupleur en étoile (208) pour diviser ou coupler les longueurs d'onde des signaux optiques émis par le réseau de diffraction; et un élément de commande de mode de guide d'ondes (206) pour commander le profil d'un mode de guide d'ondes des signaux optiques émis par le réseau de diffraction, pour que les signaux optiques focalisés à une sortie du second coupleur en étoile puissent avoir des caractéristiques d'amplitude plates.
Description
La présente invention concerne un multiplexeur / démultiplexeur de
longueur d'onde optique, et elle concerne plus particulièrement un multiplexeur / démultiplexeur de longueur d'onde optique capable de réduire une différence de perte entre des canaux.
Le fonctionnement d'un multiplexeur / démulti-
plexeur de longueur d'onde optique utilisant un réseau de diffraction à groupement de guides d'ondes (ou AWG pour "arrayed waveguide grating") peut être défini en utilisant une équation de réseau de diffraction décrivant des caractéristiques de dispersion de la lumière incidente qui résultent d'une diffraction de la lumière incidente dans la condition dans laquelle un groupement de guides d'ondes est considéré comme un réseau de diffraction. Un tel multiplexeur / démultiplexeur de longueur d'onde optique est appelé démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG. La phase de la lumière qui tombe sur un tel démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG varie au passage à travers trois parties du démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG, c'est-à-dire un premier coupleur en étoile, une structure AWG et un second coupleur en étoile. Les variations de phase de la lumière qui sont respectivement produites par les parties du démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG sont sommées dans un plan de sortie final, c'est-à-dire une interface entre la structure AWG et le second coupleur en étoile, de façon à obtenir un effet d'interférence renforcé dans le plan de sortie final. L'équation de réseau de diffraction mentionnée ci-dessus est une équation pour établir une condition dans laquelle un effet d'interférence renforcé est obtenu dans le plan de sortie final, grâce à la somme des variations de phase. En supposant que la lumière tombe sur un guide d'ondes central d'une pluralité de guides d'ondes d'entrée, l'équation de réseau de diffraction mentionnée ci-dessus s'exprime de la façon suivante: [Expression 1] nsdsinO + ncAL = mi Dans cette expression, "ns représente l'indice de réfraction effectif des coupleurs en étoile, "nc" représente un indice de réfraction effectif de la structure AWG, "d" représente le pas de la structure AWG, "m" représente l'ordre de diffraction, "AL" représente une différence de longueur entre des guides d'ondes adjacents dans la structure AWG, et "" représente la longueur d'onde
de la lumière incidente, respectivement.
La fréquence de fonctionnement centrale X0 correspondant à la longueur d'onde de la lumière lorsque "O" dans l'Expression 1 correspond à zéro. Cette fréquence de fonctionnement centrale X0 est définie de la façon suivante: [Expression 2] ncAL %0 - m D'après l'Expression 1, il est possible d'établir une équation d'une variation de l'angle de diffraction de
la lumière en fonction d'une variation de longueur d'onde.
Cette équation peut s'exprimer de la façon suivante: [Expression 3] dO m d% nsd Lorsque la longueur d'onde de la lumière incidente varie de la manière exprimée dans l'Expression 3, il se produit une variation de la direction du front d'onde de la lumière. Une telle variation de la direction du front d'onde de la lumière entraîne une variation de la position du pic principal d'une figure d'interférences qui est
formée sur le plan image du second coupleur en étoile.
Ainsi, une figure d'interférences est formée dans une position décalée conformément à une variation de la longueur d'onde de la lumière. Par conséquent, lorsqu'un guide d'ondes de sortie est placé à la position à laquelle de la lumière d'une longueur d'onde désirée est focalisée, on peut réaliser une fonction de multiplexage /
démultiplexage de longueur d'onde.
Cependant, dans le cas du démultiplexeur de
longueur d'onde optique à structure AWG mentionné ci-
dessus, un défaut de non-uniformité de perte allant de 2,5 dB à 3 dB se manifeste à cause de rendements de diffraction différents. Dans le cas d'un réseau de communication optique ayant un grand nombre de noeuds, un tel défaut de non-uniformité de perte s'accumule au fur et à mesure que des signaux optiques traversent chaque dispositif, comme mentionné ci-dessus, ce qui fait que son effet est amplifié. Ceci peut constituer une limitation importante dans la configuration d'un système désiré. En pratique, un procédé classique utilisé pour obtenir une perte uniforme entre les canaux de sortie consiste à employer environ la moitié du nombre total de guides d'ondes de sortie disponibles qui peuvent être couplés au second guide d'ondes à plaque. On peut réaliser ceci en étendant la gamme spectrale libre (ou FSR pour "free spectral range") du dispositif au double de la gamme de longueur d'onde à utiliser. En utilisant ce procédé, il est possible de réduire le défaut de non-uniformité de perte dans une plage d'environ 0,5 à 1 dB. Cependant, ce procédé réduit le nombre de dispositifs qui peuvent être placés sur une seule
tranche, du fait d'une taille accrue des dispositifs.
D'autre part, on peut améliorer l'uniformité de perte en employant une pluralité de démultiplexeurs de longueur d'onde optiques à structure AWG pour compenser des guides d'ondes ayant des pertes différentes. Cependant, le procédé mentionné exige de placer en cascade, en série, de nombreux démultiplexeurs de longueur d'onde optiques à
structure AWG, et par conséquent le défaut de non-
uniformité de perte de chaque dispositif demeure présent.
Pour parvenir à une amélioration dans le dispositif, un autre procédé a été proposé par J.C CHEN, et ai., ("WAVEGUIDE GRATING ROUTERS WITH GREATER CHANNEL UNIFORMITY", Electronics Letters, 1997, Vol. 33, n 23, pages 1951 - 1952). Ce procédé propose l'insertion d'un guide d'ondes supplémentaire entre des guides d'ondes adjacents dans une structure AWG, comme représenté sur la
figure 1.
Le but de l'invention est de procurer un démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG comprenant un élément de commande de mode de guide d'ondes disposé entre sa structure AWG et son second coupleur en étoile, de façon que le second coupleur en étoile puisse former une figure de diffraction plate, pour obtenir ainsi
une uniformité de perte.
Conformément à la présente invention, ce but est atteint en procurant un multiplexeur / démultiplexeur de longueur d'onde optique pour le couplage ou la division de signaux optiques de différentes longueurs d'onde reçus à partir d'un ou d'une pluralité de guides d'ondes optiques d'entrée, et pour émettre les signaux optiques couplés ou divisés vers un ou une pluralité de guides d'ondes optiques de sortie, respectivement, comprenant: un premier coupleur en étoile pour diviser des puissances des signaux optiques d'entrée reçus à partir des guides d'ondes optiques d'entrée; un réseau de diffraction à groupement de guides d'ondes pour guider à travers lui les signaux optiques émis par le premier coupleur en étoile, de manière que les signaux optiques aient une différence de phase constante dans des guides d'ondes voisins; un second coupleur en étoile pour coupler ou diviser les longueurs d'onde des signaux optiques émis par le réseau de diffraction à groupement de guides d'ondes, et pour émettre les signaux optiques résultants vers les guides d'ondes de sortie, respectivement; et des moyens de commande de mode de guide d'ondes pour commander le profil d'un mode de guide d'ondes des signaux optiques qui sont émis par le réseau de diffraction à groupement de guides d'ondes, pour permettre ainsi aux signaux optiques diffractés par chaque guide d'ondes de la structure AWG d'avoir des caractéristiques d'amplitude plates dans le plan image du second coupleur en étoile. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la
description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à
titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description
se réfère aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique illustrant un multiplexeur / démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG classique, avec une perte non uniforme; La figure 2 est une représentation schématique illustrant un multiplexeur / démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG avec une perte uniforme, conforme à la présente invention; La figure 3 est une représentation graphique montrant des caractéristiques de sortie du démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG classique, présentant un défaut de non- uniformité de perte; La figure 4 est une représentation schématique illustrant la structure d'un interféromètre multimode conforme à la présente invention; La figure 5 est une représentation graphique pour la comparaison d'une figure de diffraction formée par le démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG conforme à la présente invention, avec une figure de diffraction formée par le démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG classique; et La figure 6 est une représentation graphique montrant des caractéristiques de sortie du démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG conforme à la
présente invention.
Des modes de réalisation préférés de la présente invention seront décrits de façon détaillée en se référant
aux dessins annexés. Il faut noter qu'une description
détaillée d'une fonction ou d'une structure connue de la présente invention sera omise si on estime qu'elle est susceptible de nuire à la clarté de ce qui constitue le
sujet de la présente invention.
La figure 2 est une représentation schématique illustrant la configuration d'un démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG avec une perte uniforme, conforme à la présente invention. Comme représenté sur la figure 2, le démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG comprend une pluralité de guides d'ondes d'entrée 200, un premier coupleur en étoile 202 couplé aux sorties des guides d'ondes d'entrée 200; une structure AWG 204 couplée à la sortie du premier coupleur en étoile 202, un élément de commande de mode de guide d'ondes 206 adapté pour commander le profil de mode de guide d'ondes de signaux optiques qui sont émis par la structure AWG 204, un second coupleur en étoile 208, et une pluralité de guides d'ondes de sortie 210. Sur la figure 2, la référence 209
désigne un plan focal du second coupleur en étoile 208.
On va maintenant décrire le fonctionnement du démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG ayant la configuration mentionnée ci-dessus. Des signaux optiques émis par un guide d'ondes d'entrée 200 traversent le premier coupleur en étoile 202, et entrent ensuite dans la structure AWG 204 comportant une pluralité de guides d'ondes optiques groupés. Les signaux optiques ont respectivement différentes phases en traversant la structure AWG 204. Les signaux optiques de différentes phases tombent ensuite sur le second coupleur en étoile 208 dans lequel un renforcement et des interférences se produisent pour les signaux optiques. Il en résulte que les signaux optiques sont focalisés sur l'un des guides d'ondes de sortie 210, d'une manière formant automatiquement une image. L'image résultante est ensuite émise par le guide
d'ondes 210 associé.
L'élément de commande de mode de guide d'ondes 206 maintient le pic principal du mode de guide d'ondes des signaux optiques émis par la structure AWG 204, tout en déphasant des queues du mode de guide d'ondes. Les signaux optiques résultants provenant de l'élément de commande de mode de guide d'ondes 206 sont ensuite appliqués au second
coupleur en étoile 208.
Le démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG est réalisé au moyen d'un réseau de diffraction à groupement de guides d'ondes ayant une configuration prévue pour faire varier sa direction de front d'onde sous la dépendance d'une variation de la longueur d'onde de la lumière. Dans ce démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG, une dispersion linéaire représentative d'une variation dans le décalage du pic principal d'une figure d'interférences sur un plan focal 209, en fonction d'une variation de longueur d'onde, peut s'exprimer de la façon suivante: [Expression 4] dx fm dk nsd Dans cette expression, "f" représente la distance focale du coupleur en étoile, "m" représente l'ordre de diffraction, "d" représente le pas d'une structure AWG, et "ns" représente l'indice de réfraction effectif du coupleur en
étoile, respectivement.
Conformément à l'Expression 4, la distribution de longueur d'onde de signaux optiques est projetée de façon spatiale sur le plan focal 209 du second coupleur en étoile 208. Par conséquent, lorsqu'une pluralité de guides d'ondes de sortie sont couplés au plan focal 209 tout en étant uniformément espacés les uns des autres d'une distance prédéterminée, il est possible de réaliser un démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG ayant un écartement de longueur d'onde uniforme désiré. La perte dans un tel démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG est minimisée au canal central, tout en étant progressivement augmentée dans une direction s'éloignant du canal central. Ceci vient du fait que chaque mode de guide d'ondes de la structure AWG 204 couplée au second coupleur en étoile 208 a un profil gaussien, comme représenté sur la figure 3. Ainsi, la courbe de défaut de non-uniformité de perte de la figure 3, qui est formée en reliant les unes aux autres les pertes dans tous les canaux, a une relation directe avec la figure de diffraction ou d'interférences formée sur le plan focal 209. Pour obtenir une uniformité de perte des canaux, il est donc nécessaire de former une figure de diffraction plate dans le second coupleur en étoile 208. Pour un cas idéal dans lequel une figure de diffraction rectangulaire est formée, le mode de guide d'ondes de sortie de la
structure AWG 204 doit avoir la forme d'une fonction sinc.
On décrira ceci en détail ci-après.
Les signaux optiques émis par la structure AWG 204 forment une figure d'interférences sur le plan focal 209, c'est-à-dire l'interface entre la sortie du second coupleur en étoile 208 et les guides d'ondes de sortie 210, grâce à une diffraction de Fraunhofer. La diffraction de Fraunhofer décrit la relation entre les signaux optiques d'entrée et la figure de diffraction sous la forme d'une transformée de Fourier. Par conséquent, si on connait un seul élément parmi le signal optique d'entrée et la figure de diffraction, il est alors possible de calculer l'élément restant en utilisant une transformée de Fourier ou une transformée de Fourier inverse. Pour un cas idéal, la figure de diffraction formée sur le plan focal 209 doit être plate lorsqu'on suppose que l'amplitude de champ optique du guide d'ondes individuel dans le plan d'entrée a
le profil d'une fonction sinc.
Cependant, il n'est pas pratique de fixer un mode de longueur d'onde ayant la forme d'une fonction sinc. Par conséquent, pour former une figure de diffraction plate, l'élément de commande de mode de guide d'ondes 206 est interposé entre la structure AWG 204 et le second coupleur
en étoile 208, conformément à la présente invention.
L'élément de commande de mode de guide d'ondes 206 maintient le pic principal de chaque mode de guide d'ondes, tout en déphasant des queues du mode de guide d'ondes. Pour l'élément de commande de mode de guide d'ondes 206, on peut
utiliser de façon appropriée l'interféromètre multimode.
La figure 4 illustre une structure de l'interféromètre multimode. Sur la figure 4, "w" représente la largeur de chaque guide d'ondes dans la structure AWG 204, "W" représente la largeur de l'interféromètre
multimode, et "L" représente la longueur de l'inter-
féromètre multimode. Le fonctionnement de l'interféromètre multimode est déterminé conformément aux paramètres mentionnés ci-dessus, ainsi qu'à la position des guides d'ondes d'entrée. Le fonctionnement de l'interféromètre multimode est également déterminé en fonction de différents modes propres dans l'interféromètre multimode. La dimension caractéristique de l'interféromètre multimode est définie par l'Expression 5 suivante: [Expression 5] x 4 Weq L = = n m0-P- 3 n Dans l'Expression 5, "Lc" représente une longueur de couplage, "n" représente un indice de réfraction et "'0'" et "Il"' représentent des constantes de propagation
respectives des deux premiers des modes dans l'inter-
féromètre multimode, respectivement. "Weq" représente une largeur englobant non seulement la largeur réelle de l'interféromètre multimode, mais également les queues de chaque mode de guide d'ondes. Dans une structure ayant un fort pouvoir de guidage, présentant une grande différence d'indice de réfraction de guides d'ondes, "Weq" correspond
à la largeur réelle W de l'interféromètre multimode.
Le mode de guide d'ondes qui entre dans l'interféromètre multimode reconstruit de façon répétitive son profil de mode en passant à travers l'interféromètre multimode. Ainsi, le mode de guide d'ondes présente un effet d'auto-formation d'image. Grâce à un tel effet d'auto- formation d'image, le mode de guide d'ondes est reconstruit en un profil original dans sa partie de pic principale, tout en étant déphasé dans ses queues. La distance de propagation L du mode de guide d'ondes d'entrée dans l'interféromètre multimode peut être exprimée de la façon suivante: [Expression 6] M 3Lo M 4n W2 L = N a N a X Dans l'Expression 6, "N" représente le nombre d'images reconstruites, "M" représente le nombre de fois de reconstruction d'image, et "a" représente un paramètre pour déterminer les caractéristiques de l'interféromètre multimode. Dans le cas d'un interféromètre multimode ayant une configuration symétrique, si des guides d'ondes d'entrée sont disposés dans une position correspondant à W/2, on a alors a = 4. Dans le cas d'un interféromètre multimode de type 2 x N, des guides d'ondes d'entrée doivent être disposés à des positions correspondant respectivement à W/3 et 2W/3. Dans ce dernier cas, la
valeur de "a" correspond à 3.
1l L'interféromètre multimode utilisé dans la présente invention a une configuration symétrique de type 1 x 1. Cet interféromètre multimode a des caractéristiques déterminées par l'Expression suivante: [Expression 7]
3L0 W2
L = M. nM-
4 k La figure 5 est une représentation graphique pour comparer une figure de diffraction formée par le démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG conforme à la présente invention, avec une figure de diffraction formée par le démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG classique. Sur la figure 5, la référence 500 désigne la figure de diffraction formée conformément au procédé classique, tandis que le numéro de référence 502 désigne la figure de diffraction formée conformément à la présente invention. En se référant à la figure 4, on peut voir que la figure de diffraction conforme à la présente invention est plus plate dans une position latérale à l'endroit o elle est formée, en
comparaison avec celle conforme au procédé classique.
La figure 6 est une représentation graphique montrant des caractéristiques de sortie du démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG conforme à la présente invention. En se référant à la figure 6, on peut voir que les caractéristiques de sortie conformes à la présente invention présentent une perte plus plate, en comparaison avec les caractéristiques de sortie
représentées sur la figure 3.
Bien que la présente invention ait été décrite en détail en se référant au mode de réalisation spécifique, celui-ci n'est qu'un exemple d'applications. Il faut donc bien noter que de nombreux changements peuvent être apportés par l'homme de l'art, dans l'esprit et le cadre de
la présente invention.
Comme il ressort de la description ci-dessus, la
présente invention procure un démultiplexeur de longueur d'onde optique à structure AWG utilisant un élément de commande de mode de guide d'ondes disposé à la sortie d'une structure AWG de ce démultiplexeur, et adapté pour commander le mode de guide d'ondes de sortie de la structure AWG d'une manière qui maintient le pic principal du mode de guide d'ondes de sortie, tout en déphasant les queues du mode de guide d'ondes de sortie. Grâce au guide d'ondes effilé, il est possible de former une figure de
diffraction avec des caractéristiques d'amplitude plates.
On obtient donc une uniformité de perte entre les canaux.
Du fait que l'élément de commande de mode de guide d'ondes est disposé entre la structure AWG et le second coupleur en étoile, il n'affecte pas la taille du dispositif. Il n'y a donc aucun problème tel qu'une réduction de la capacité de
production ou une difficulté dans le traitement.
Claims (4)
1. Multiplexeur / démultiplexeur de longueur d'onde optique pour coupler ou diviser des signaux optiques de différentes longueurs d'onde reçus à partir d'un ou d'une pluralité de guides d'ondes optiques d'entrée, et pour émettre les signaux optiques couplés ou divisés vers une pluralité de guides d'ondes optiques de sortie, respectivement, caractérisé en ce qu'il comprend: un premier coupleur en étoile (202) pour diviser la puissance des signaux optiques d'entrée reçus à partir des guides d'ondes optiques d'entrée (200); un réseau de diffraction à groupement de guides d'ondes (204) pour guider à travers lui les signaux optiques émis par le premier coupleur en étoile (202), d'une manière telle que les signaux optiques aient une différence de phase constante dans des guides d'ondes voisins; un second coupleur en étoile (208) pour coupler ou diviser les longueurs d'onde des signaux optiques émis par le réseau de diffraction à groupement de guides d'ondes (204), et pour émettre les signaux optiques résultants vers les guides d'ondes de sortie (210), respectivement; et des moyens de commande de mode de guide d'ondes (206) pour commander le profil d'un mode de guide d'ondes des signaux optiques émis par le réseau de diffraction à groupement de guides d'ondes (204), pour permettre ainsi aux signaux optiques focalisés sur une sortie du second coupleur en étoile (208) d'avoir des
caractéristiques d'amplitude plates.
2. Multiplexeur / démultiplexeur de longueur d'onde optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande de mode de guide d'ondes comprennent un coupleur multimode adapté pour maintenir un pic principal du mode de guide d'ondes, tout en déphasant des queues du
mode de guide d'ondes.
3. Multiplexeur / démultiplexeur de longueur d'onde optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de commande de mode de guide d'ondes comprennent: une pluralité de coupleurs multimodes couplés à des sorties respectives de groupements de guides d'ondes dans le réseau
de diffraction à groupement de guides d'ondes (204).
4. Multiplexeur / démultiplexeur de longueur d'onde optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacun des coupleurs multimodes a une longueur déterminée de la façon suivante: w2
L _ nM-
dans laquelle "L" représente la longueur de chaque coupleur multimode, "n" représente un indice de réfraction du coupleur multimode, "M" représente le nombre de fois de reconstruction de mode pour un signal optique appliqué au coupleur multimode, "W" représente la largeur du coupleur multimode, et "X" représente la longueur d'onde du signal
optique, respectivement.
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