FR2830346A1 - Modulateur electro-optique, procede de realisation et bloc pour mise en oeuvre - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un modulateur électro-optique comportant un bloc (1) d'un cristal à propriétés électro-optiques, le bloc étant allongé en longueur le long d'un grand axe et comportant un guide de lumière (4) s'étendant entre une entrée de guide de lumière et une sortie de guide de lumière, un signal électrique de modulation agissant sur une zone d'interaction du bloc par des électrodes (5) coplanaires en relation avec le guide de lumière par l'intermédiaire d'une couche diélectrique, les électrodes étant disposées sur une face principale allongée du bloc et la zone d'interaction étant sensiblement allongée le long du grand axe, la lumière à moduler arrivant par une fibre optique d'entrée (2') couplée au guide de lumière au niveau de l'entrée de guide de lumière sur une première face du bloc, la lumière modulée quittant le modulateur par une fibre optique de sortie (2 " ) couplée au guide de lumière au niveau de la sortie de guide de lumière sur une seconde face du bloc. Selon l'invention, la première face et la seconde face sont une seule et même face (D) parallèle au grand axe, le guide de lumière comportant deux courbures (11', 11 ") respectivement entre l'entrée de guide de lumière et une première extrémité de la zone d'interaction et entre une seconde extrémité de la zone d'interaction et la sortie de guide de lumière, les deux courbures étant sensiblement symétriques entre elles. Un procédé de réalisation ainsi qu'un bloc font également partie de l'invention.
Description
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La présente invention se rapporte au domaine des modulateurs électro-optiques et en particulier aux modulateurs intégrés à base de niobate de lithium et comportant une structure optique type interféromètre Mach-Zehnder, coupleur directionnel ou autre. L'invention proposée peut toutefois s'appliquer à des modulateurs réalisés dans d'autres matériaux tels que le tantalate de lithium, les matériaux semi-conducteurs III-V (Arséniure de Gallium, Phosphure d'indium) ainsi qu'avec des polymères.
L'application majeure des modulateurs optiques rapides à base de niobate de lithium concerne principalement le domaine des télécommunications numériques par fibre optique sur longue distance et à haut débit. Ce type de modulateur connu comporte une puce optique dont les dimensions typiques sont de l'ordre de 5
cm dans le sens de la longueur, 2 mm dans le sens de la largeur et 0,5 mm dans le sens de la hauteur. La puce optique est généralement insérée dans un boîtier métallique dont les propriétés de dilatation thermiques sont prises en compte par rapport à celles de la puce et à celles des fibres optiques d'entrée et de sortie.
cm dans le sens de la longueur, 2 mm dans le sens de la largeur et 0,5 mm dans le sens de la hauteur. La puce optique est généralement insérée dans un boîtier métallique dont les propriétés de dilatation thermiques sont prises en compte par rapport à celles de la puce et à celles des fibres optiques d'entrée et de sortie.
La puce optique à base de cristaux électro-optiques de niobate de lithium comporte vers sa surface un circuit optique permettant de guider la lumière selon une configuration d'interféromètre de Mach-Zehnder, de coupleur directionnel, ou, plus généralement, toute autre structure permettant une modulation d'un signal optique par un signal électrique. Dans le cas d'une configuration d'interféromètre de Mach-Zehnder qui est prise comme exemple dans la présente demande, le circuit optique ou guide de lumière comporte deux embranchements en Y reliés par deux bras rectilignes. Le guide de lumière peut être réalisés par diffusion thermique d'un métal tel que le titane ou bien également par substitution entre ions lithium et protons d'une source d'acide, méthode appelée échange protonique.
A la surface du guide, une couche d'un matériau diélectrique est déposée en fine épaisseur, environ 1 um. Sur cette couche diélectrique, par exemple constituée de silice, une structure d'électrodes dite à ondes progressives est réalisée. Ces électrodes
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peuvent en particulier se présenter selon une architecture de guide d'onde coplanaire, avec un conducteur central et deux plans de masse latéraux. Ces électrodes permettent d'acheminer un signal électrique de modulation qui interagit avec la lumière se propageant dans les bras de l'interféromètre. Le déphasage optique différentiel entre les bras qui est modulé par l'effet électrooptique se traduit par des interférences lumineuses modulées et aboutit à un signal lumineux dont l'intensité varie suivant la modulation. Le modulateur agit donc comme interface entre le signal électrique et le signal lumineux. Pour un fonctionnement efficace, la ligne coplanaire doit présenter des pertes faibles, être adaptée en impédance pour éviter les réflexions parasites, et, de plus, la vitesse de l'onde micro-onde dans la ligne doit être égale à la vitesse de l'onde lumineuse dans le guide optique (condition d'isochronisme) pour garantir un fonctionnement optimal sur une large bande de fréquences.
Des difficultés de mise en oeuvre sont toutefois présentes dans ces dispositifs classiques qui présentent également des limitations. En effet, pour réduire la valeur de la tension de commande à quelques volts seulement, la largeur du conducteur central doit être inférieure à une dizaine de micromètres et l'écartement des plans de masse ne doit pas excéder trois fois la largeur de la ligne pour satisfaire à la fois la condition d'adaptation de phase et d'impédance et maintenir un champ électrique élevé à l'intérieur du guide sous une différence de potentiel faible. De plus, les modulateurs nécessitent une tension de commande continue afin de contrôler le point de fonctionnement du dispositif. Ceci est généralement assuré par prélèvement d'une partie de l'énergie lumineuse sur la fibre de sortie par l'intermédiaire d'un coupleur à fibre. Le signal ainsi prélevé est détecté par une photodiode externe reliée à un circuit électronique d'asservissement relié soit à un jeu d'électrodes basses fréquences, soit aux électrodes microondes par l'intermédiaire d'un composant appelé "Té" de polarisation. Ceci a pour conséquence d'alourdir le montage.
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La puce optique telle qu'elle est connue, est également caractérisée par le fait que l'entrée et la sortie du circuit optique s'effectuent par une section de guide rectiligne commençant et se terminant sur les faces opposées du dispositif. En contrepartie, l'entrée et la sortie de la ligne micro-onde s'effectuent par l'un ou par chacun des côtés perpendiculaires aux faces d'entrée/sortie optiques.
Les fibres optiques d'entrée/sortie sont classiquement collées au cristal par l'intermédiaire d'une ferrule polie. Les fibres optiques peuvent être brasées sur des orifices du boîtier de manière à garantir l'herméticité du boîtier. Cette opération peut être réalisée en dénudant la fibre optique de sa gaine, en la métallisant et en réalisant la brasure sur la partie dénudée.
Cette configuration généralement adoptée présente un certain nombre d'inconvénients d'une part sur le plan mécanique et liés à l'encapsulation, d'autre part sur le plan du comportement aux fréquences micro-ondes. Ces inconvénients sont en particulier les suivants : - Le fait de dénuder la fibre optique sur une courte section la rend mécaniquement fragile à manipuler. Pour éviter de tordre excessivement la fibre lors de l'insertion de la puce optique dans le boîtier, on est obligé d'utiliser un boîtier de grande longueur autorisant de grands rayons de courbure aux fibres optiques. L'inconvénient qui en résulte est l'encombrement important d'un tel boîtier, incompatible avec une miniaturisation. On peut toutefois résoudre ce problème en réalisant des passages de boîtier ouverts sur un bord pour la puce munie de ses deux fibres, les passages étant refermés ensuite par des pièces sur lesquelles la brasure est réalisée, ce qui implique des pièces mécaniques supplémentaires qui devront être également soudées à l'ensemble du boîtier, d'où une complexité et un coût accrus.
- Le fait que les fibres soient sur des faces opposées selon la plus grande longueur rend critique le problème de dilatation thermique différentielle entre les fibres, le cristal et le boîtier métallique, la
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traction qui en résulte pouvant provoquer un décollement des ferrules.
- Un autre inconvénient résultant du collage des fibres sur les faces opposées est lié au fait que dans ce cas il est nécessaire de polir les deux faces, ce qui alourdit les étapes de fabrication.
- Le fait que l'entrée et la sortie du signal micro-onde se fasse perpendiculairement à la direction de propagation des signaux dans la région d'interaction nécessite le recours à une courbure des électrodes importante. Les deux courbures introduisent dans un premier temps des pertes de propagation. Elles provoquent d'autre part un effet d'antenne avec un couplage possible sur les modes de substrat notamment du fait de l'anisotropie de ce dernier, entraînant une atténuation du signal à haute fréquence et l'apparition de raies d'absorption indésirables. Pour corriger ceci, la courbure doit être spécifiquement étudiée et les modes de substrats éliminés par exemple avec un amincissement du cristal.
La présente invention vise à proposer une solution à ces différents inconvénients en proposant un modulateur de structure particulière et permettant de mettre en oeuvre une nouvelle méthode d'assemblage des fibres optiques sur la puce optique. L'invention est basée sur approche originale de l'encapsulation des modulateurs, dans le but d'améliorer de façon notable leurs performances en particulier lors d'un fonctionnement à très haute fréquence. A cette fin il est proposé que le circuit optique intègre les courbures classiquement introduites dans le dessin des lignes micro-ondes disposées sur le modulateur optique rapide.
L'invention concerne un modulateur électro-optique comportant un bloc d'un cristal à propriétés électro-optiques, le bloc étant allongé en longueur le long d'un grand axe et comportant un guide de lumière s'étendant entre une entrée de guide de lumière et une sortie de guide de lumière, un signal électrique de modulation agissant sur une zone d'interaction du bloc par des électrodes coplanaires en relation avec le guide de lumière par l'intermédiaire d'une couche diélectrique, les électrodes étant disposées sur une face principale
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allongée du bloc et la zone d'interaction étant sensiblement allongée le long du grand axe, la lumière à moduler arrivant par une fibre optique d'entrée couplée au guide de lumière au niveau de l'entrée de guide de lumière sur une première face du bloc, la lumière modulée quittant le modulateur par une fibre optique de sortie couplée au guide de lumière au niveau de la sortie de guide de lumière sur une seconde face du bloc.
Selon l'invention, la première face et la seconde face sont une seule et même face parallèle au grand axe, le guide de lumière comportant deux courbures respectivement entre l'entrée de guide de lumière et une première extrémité de la zone d'interaction et entre une seconde extrémité de la zone d'interaction et la sortie de guide de lumière.
En d'autres termes, l'entrée de guide de lumière et la sortie de guide de lumière se trouvent sur la même face du bloc qui est parallèle au grand axe du bloc. D'autre part, les termes entrée et sortie sont indicatifs car on envisage des dispositifs bidirectionnels.
Dans divers modes de mise en oeuvre de l'invention, les moyens suivants pouvant être combinés selon toutes les possibilités techniquement envisageables sont employés : - les deux courbures sont sensiblement symétriques entre elles, - le modulateur est dans un boîtier, - les fibres optiques d'entrée et de sortie se terminent au niveau du boîtier par des connecteurs, - les fibres optiques d'entrée et de sortie traversent le boîtier par des passages et sont fixées par exemple par brasage sur le boîtier, - les fibres optiques sont couplées au bloc par l'intermédiaire de ferrules polies avec un angle de raccordement entre la ferrule et le bloc destiné à supprimer des réflexions parasites dans la zone de couplage, - le guide optique comporte un interféromètre Mach-Zehnder, - le bloc présente les dimensions approximatives suivantes : 5 cm le long du grand axe sur 2 mm de largeur et 0,5 mm de hauteur, - le cristal est du niobate de lithium,
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- le cristal est du tantalate de lithium, - le cristal est à base de semi-conducteurs III-V (arséniure de gallium, phosphure d'indium), -le cristal est à base de polymères, - le guide de lumière est le résultat d'une diffusion thermique d'un métal, - le métal est du titane, - le guide de lumière est le résultat d'un échange protonique par substitution d'ions lithium et protons d'un acide, - la couche diélectrique est de la silice, - la couche diélectrique a une épaisseur d'environ 1 um, - les électrodes se terminent par deux extrémités d'électrodes distantes, les extrémités d'électrode se terminant le long de bords opposés sur la face principale, - les électrodes se terminent par deux extrémités d'électrodes distantes, les extrémités d'électrode se terminant le long d'un même bord sur la face principale, - chacune des extrémités d'électrodes est reliée à un connecteur sur le boîtier, - une des extrémités d'électrodes est destinée à être reliée à un générateur de signal électrique de modulation par l'intermédiaire d'un connecteur sur le boîtier et l'autre extrémité d'électrodes est reliée à une charge d'adaptation, - un module électronique d'amplification est disposé dans le boîtier entre un connecteur et une des extrémités d'électrodes, - un module électronique de modulation et amplification est disposé dans le boîtier entre un connecteur et une des extrémités d'électrodes, - le modulateur comporte en outre des moyens de réglage de son point de fonctionnement électrique, - un des moyens de réglage du point de fonctionnement est constitué d'au moins une électrode supplémentaire disposée sur une section de l'interféromètre Mach-Zehnder et réalisée en dehors de la zone d'interaction à électrodes coplanaires,
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- un des moyens de réglage du point de fonctionnement est un circuit de contre-réaction comportant une photodiode destinée à capter un champ lumineux complémentaire transmis par l'interféromètre dans le bloc, - la photodiode est disposée sur une face latérale du bloc perpendiculaire au grand axe dudit bloc, - un des moyens de réglage du point de fonctionnement est un circuit de contre-réaction comportant un circuit électronique, - le modulateur comporte en outre des moyens de réglage de son point de fonctionnement électrique comportant une photodiode destinée à capter un champ lumineux complémentaire transmis par l'interféromètre dans le bloc, un circuit électronique et un ensemble d'électrodes de contre-réaction disposées sur une section de l'interféromètre Mach-Zehnder et réalisé en dehors de la zone d'interaction à électrodes coplanaires, - un des moyens de réglage du point de fonctionnement est un circuit de contre-réaction comportant une photodiode destinée à capter un champ lumineux complémentaire transmis par l'interféromètre dans le bloc, un circuit électronique et un ensemble d'électrodes de contre-réaction disposées sur une section de l'interféromètre Mach-Zehnder et réalisé en dehors de la zone d'interaction à électrodes coplanaires.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un modulateur électro-optique comportant un bloc d'un cristal à propriétés électro-optiques, le bloc étant allongé en longueur le long d'un grand axe et comportant un guide de lumière s'étendant entre une entrée de guide de lumière et une sortie de guide de lumière, un signal électrique de modulation agissant sur une zone d'interaction du bloc par des électrodes coplanaires en relation avec le guide de lumière par l'intermédiaire d'une couche diélectrique, les électrodes étant disposées sur une face principale allongée du bloc et la zone d'interaction étant sensiblement allongée le long du grand axe, la lumière à moduler arrivant par une fibre optique d'entrée couplée au guide de lumière au niveau de l'entrée de guide de lumière sur une première face du bloc, la
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lumière modulée quittant le modulateur par une fibre optique de sortie couplée au guide de lumière au niveau de la sortie de guide de lumière sur une seconde face du bloc dans lequel on met en oeuvre pour la première face et la seconde face une seule et même face parallèle au grand axe et l'on réalise deux courbure dans le guide de lumière respectivement entre l'entrée de guide de lumière et une première extrémité de la zone d'interaction et entre une seconde extrémité de la zone d'interaction et la sortie de guide de lumière, les deux courbures étant sensiblement symétriques entre elles.
Le procédé de l'invention peut être combiné à toutes les actions envisageables pour parvenir aux caractéristiques structurelles précédemment listées comme, à titre d'exemple, la réalisation d'une ou plusieurs électrodes supplémentaires pour réalisation d'un des moyens de réglage du point de fonctionnement.
L'invention concerne enfin un bloc tel qu'il est mis en oeuvre dans le modulateur selon l'une ou plusieurs des caractéristiques précédentes.
L'invention permet une réduction de la taille du boîtier dans le sens de la longueur, la simplification du passage des fibres optiques dans les ouvertures du boîtier en une seule opération sans torsion excessive de la fibre. Les fibres étant collées sur un seul côté du cristal, il est nécessaire de polir seulement une seule face du substrat. Les fibres ressortant par un seul côté du boîtier, les effets de dilatation thermique ne s'exercent que d'un seul côté, évitant les tractions sur les micro-blocs collés sur des faces opposées, comme c'est le cas dans l'art antérieur.
Le mode de propagation privilégié de la lumière étant le mode extraordinaire, plus confiné que le mode ordinaire, les différences de pertes par courbures ont un effet partiellement polarisant en atténuant la composante ordinaire, ce qui est intéressant selon l'application visée.
Les courbures étant reportées sur les guides optiques, les lignes micro-ondes ou électrodes peuvent être conçues sans
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courbures, ce qui améliore significativement les performances à haute fréquence, d'une part en terme de pertes électriques, d'autre part en ce qui concerne les couplage par rayonnement sur les modes de substrat. Dans le cas des lignes droites le champ électromagnétique reste confiné entre la ligne et le plan de masse tout au long de la propagation.
Il est ainsi possible d'éliminer les pertes introduites par les courbures des électrodes dans le signal électrique se propageant et d'éliminer les couplages par effet d'antenne sur les modes de substrat du cristal de niobate de lithium.
Il est possible d'intégrer une électronique de commande en face avant du bloc de cristal et une charge adaptée en sortie, sans perturber le signal optique et sans discontinuités dans la propagation du signal électrique micro-onde. Il est également possible d'intégrer une photodiode sur la face arrière du bloc pour assurer une détection du champ lumineux complémentaire transmis par l'interféromètre et assurer une contre-réaction permettant le contrôle du point de fonctionnement du modulateur, ceci de manière compacte et sans prélever de lumière sur la fibre optique de sortie. Il est également possible dans le cadre de l'invention de réaliser un jeu d'électrodes parallèles pour l'application d'une tension continue destinée à l'ajustement du point de fonctionnement du modulateur.
L'intérêt de l'invention sur le plan de l'encapsulation, réside dans le fait que les faces d'entrée sortie doivent faire l'objet d'un polissage particulièrement précis afin d'aboutir à une arête vive présentant un angle de 90'sans ébréchures. Selon l'art antérieur, cette opération doit être effectuée une fois pour chaque face. Dans l'invention proposée, la même face faisant office de face d'entrée et de face de sortie pour la lumière, une seule opération de polissage est nécessaire, simplifiant les étapes de fabrication technologiques.
Cette invention apporte donc une solution dans le domaine de l'encapsulation notamment pour le passage des fibres optiques et pour la réduction de la taille longitudinale des boîtiers. L'invention
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permet en effet de raccourcir de manière significative la longueur du boîtier, et donc l'encombrement du dispositif. En effet selon l'art antérieur, les contributions à la longueur globale du dispositif proviennent de la longueur de la puce optique elle-même, augmentée de la longueur de deux micro-blocs maintenant les fibres en entrée sortie, des longueurs de fibre nécessaire pour rejoindre les ouverture dans le boîtier, et enfin des éléments de protection mécanique rigide et souple de la fibre, disposés à l'extérieur du boîtier. L'ensemble peut représenter une longueur totale comprise entre 12 et 15 cm. Dans l'invention proposée, les différentes contributions sont supportées par l'un des côtés du boîtier. L'encombrement latéral est donc augmenté par rapport à l'art antérieur, mais l'encombrement longitudinal est réduit au minimum correspondant à la longueur de la puce optique elle même.
La présente invention est maintenant exemplifiée par la description qui suit sans pour autant en être limitée et en relations avec les Figures suivantes : La Figure 1 de l'état de la technique, représente un modulateur dans un boîtier, la Figure 2 représente une première mise en oeuvre de l'invention, la Figure 3 représente une deuxième mise en oeuvre de l'invention, la Figure 4 représente une troisième mise en oeuvre de l'invention, la Figure 5 représente une quatrième mise en oeuvre de l'invention, la Figure 6 représente une cinquième mise en oeuvre de l'invention, la Figure 7 de l'état de la technique, représente une étape de mise en boîtier, la Figure 8 représente la même étape pour un modulateur selon l'invention.
La Figure 1 représente l'état de l'art actuel dans le domaine des modulateurs en optique intégrée sur niobate de lithium. Dans cette version de base, la puce optique reçoit deux fibres optiques 2'et 2"d'entrée/sortie montées sur des ferrules polies 3'et 3"
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respectivement avec un angle pour s'affranchir des réflexions parasites et alignées avec un guide de lumière 4 diffusé à la surface du bloc 1 de cristal. On note qu'il est ici nécessaire de polir les deux faces opposées du bloc. Le guide de lumière est réalisé selon une architecture d'interféromètre de Mach-Zehnder. L'entrée du guide de lumière se fait le long du bord ou face A du bloc et la sortie par le bord ou face B. Des électrodes coplanaires 5 sont alignées parallèlement au motif du guide. L'entrée 6 et la sortie 7 des électrodes, situées sur le bord ou face C du cristal, sont alignées perpendiculairement à la direction principale de propagation du guide d'onde et reliées à la zone d'interaction électro-optique par l'intermédiaire d'une courbure effectuant une rotation d'un angle de 90'. Un connecteur 8 monté sur le boîtier permet l'alimentation en signal électrique de modulation sur l'entrée des électrodes. Un deuxième connecteur 9 est relié sur la sortie des électrodes 5 et permet le branchement d'une charge adaptée à l'impédance caractéristique de la ligne. Les fibres sont dénudées derrière le micro-bloc et brasées sur la pièce permettant le passage de la fibre vers l'extérieur du boîtier 10.
Dans une telle configuration la puce optique de niobate de lithium, par exemple coupée de manière préférentielle selon la direction Z du cristal, comporte une partie active d'interféromètre de Mach-Zehnder, constituée de deux sections de guides rectilignes parallèles formant les bras de l'interféromètre. Une jonction Y est reliée à chacun de ces bras, en entrée pour diviser et séparer en deux l'onde lumineuse incidente, et en sortie pour recombiner les deux ondes déphasées par effet électro-optique par le signal électrique, permettant ainsi la modulation de la lumière.
Dans un modulateur correspondant à l'art antérieur, ces jonctions en forme de Y, comme représentée sur la Figure 1, sont reliées à des sections de guide optique rectiligne, se terminant sur chaque face opposée du cristal selon une arête vive qui permet l'insertion de la lumière par un premier côté et l'extraction de la lumière par le côté opposé. Comme on le verra à la Figure 7, une telle configuration impose des contraintes importantes sur la fibre par
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courbure lors de son passage dans au moins l'une des ouvertures lors de la mise en boîtier.
Les guides optiques constituant le circuit optique intégré sont généralement réalisés par dépôt d'un ruban métallique, par exemple en titane, d'épaisseur donnée, par exemple 70 nm et de largeur fixée, par exemple à 7 um. Un gradient d'indice est obtenu à partir de cette couche métallique par diffusion thermique à haute température pendant une dizaine d'heures. Le guide optique obtenu supporte un seul mode à la longueur d'onde de travail. Faiblement confiné, il permet par un compromis un couplage efficace entre le champ lumineux de la fibre optique et le champ lumineux guidé par le gradient d'indice diffusé.
La figure 2 correspond à la première version de l'invention et représente la puce optique sous forme d'un bloc 1 de matériau à propriétés électro-optiques insérée dans son boîtier 10. Dans cette configuration, l'entrée et la sortie du guide de lumière sont sur la même face D du bloc 1. Ceci est obtenu par réalisation d'une courbure 11'et 11"à chaque extrémité du circuit optique dans le bloc, les deux courbures étant de préférence symétriques entre elles comme représentées. On note qu'ici, une seule et même face D du bloc doit être polie ce qui simplifie les opérations de fabrication. Les micro-blocs 3'et 3"enfermant les fibres optiques sont attachés et collés sur une seule et même face D et par conséquent les deux fibres ressortent du même côté. Cette première approche permet l'insertion des fibres par les passages d'entrée/sortie 12'et 12", percés dans le boîtier, en une seule opération sans torsion excessive des fibres. En cas de variation de température, la traction qui peut être exercée sur les fibres à cause de la dilatation des matériaux se fait dans une seule direction. Selon la figure 2, les lignes micro-ondes comportent une courbure en entrée sortie. L'avantage majeur de cette approche est de réduire considérablement les dimensions et l'encombrement du boîtier dans le sens de la longueur ou grand axe du bloc.
On remarque que les ferrules supportant les fibres sont inclinées. Cela correspond à la nécessité d'introduire un angle
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faible lors de l'insertion de la lumière de la fibre vers le guide et du guide vers la fibre. Cet angle est généralement utilisé pour éviter des réflexions sur les interfaces entre dioptres d'indices de réfraction différents, préjudiciables à la qualité du rayonnement et à celle de la modulation. On utilise les relations de Snell-Descartes pour choisir l'angle d'incidence du guide optique par rapport à celui de la fibre optique. Compte tenu de l'indice du cristal de niobate de lithium de l'ordre de 2,14 à la longueur d'onde de 1550 nm employé dans les systèmes de communications par fibre moderne, et de l'indice de la silice de la fibre optique de l'ordre de 1,46, si l'on considère un angle de 100 entre la direction du guide et le plan de sortie du cristal, la fibre doit être polie avec un angle de 14, 6 . Cet angle d'émergence de 100 limite la rotation de la courbure à 800.
Les pertes dans les courbures étant proportionnelles à l'angle parcouru, l'angle d'émergence contribue pour quelques pour cents à la réduction des pertes optiques.
Selon la présente invention, comme représenté sur la figure 2, les jonctions en forme de Y sont reliées à une section de guide optique de forme courbe, dessinant un arc de cercle, qui permet à la lumière de parcourir un angle compris par exemple entre 800 et 900, et ceci avec un rayon de courbure de l'ordre de 5 mm, typiquement. L'orientation des courbures est telle qu'il est possible de relier ces guides courbes à une section de guide rectiligne de courte longueur permettant de relier chaque extrémité du circuit optique vers une face latérale unique du cristal. Dans une telle configuration, la lumière issue d'une fibre optique maintenue dans une ferrule va rentrer par une face du cristal pour ressortir à l'autre extrémité du circuit optique vers la fibre de sortie reliée par une ferrule à la même face du cristal. L'un des intérêts de cette approche réside dans la simplification du passage des fibres dans les ouvertures du boîtier, comme on le verra avec la figure 8. Cette solution permet ainsi de s'affranchir des contraintes exercées sur la fibre et sur les ferrules collées à la puce optique supportant la fibre.
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Les pertes optiques par propagation dans les courbures, peuvent être réduites de manière significative par augmentation du confinement de la lumière, de manière localisée. Il suffit pour cela d'augmenter dans les régions courbes l'épaisseur du ruban de titane, par exemple 100 nm, et sa largeur, par exemple 8 um. Ceci correspond à un fonctionnement quasi multimode pour un guide droit qui réduit très fortement les pertes lorsqu'une courbure est introduite. Ce processus technologique peut être dit de "double dépôt".
Il faut noter que le profil de diffusion de l'indice extraordinaire utilisé pour réaliser un modulateur à faible tension de commande, est notablement différent de celui de l'indice ordinaire. En particulier, le profil d'indice ordinaire obtenu après diffusion thermique de titane est fortement moins confiné que celui de l'indice extraordinaire. En conséquence, les pertes de propagation optique dans les courbures, même pour une structure à "double dépôtl1 pour le mode ordinaire sont significativement plus élevées que celles du mode extraordinaire. L'introduction de courbure a donc un effet partiellement polarisant sur le rayonnement incident, ce qui peut présenter un intérêt dans de multiples applications.
La figure 3 est une alternative dans laquelle, par rapport au dispositif de la Figure 2, les lignes micro-ondes déposées à la surface du circuit optique ne comportent pas de courbures et sont reliées en A et B à des connecteurs électroniques 8 et 9 d'entrée/sortie insérées sur deux côtés opposés du boîtier. Les circuits optiques comportent des courbures 11'et 11". L'avantage majeur de cette configuration sans courbure dans les lignes électriques est, d'une part, de limiter les pertes, autorisant un fonctionnement à très haute fréquence, et, d'autre part, de limiter les couplages sur les modes de substrats, ce qui permet d'obtenir une réponse sans résonances à haute fréquence.
En ce qui concerne l'intérêt pour la modulation micro-onde d'un transfert de courbures entre les lignes électriques et les guides optiques, celui ci doit être considéré en vue d'une utilisation du dispositif à des fréquences très élevées ( > 20GHz). En effet,
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pour ces fréquences, on constate la présence de résonances fortes dans la courbe de transmission du signal micro-onde. Ces résonances sont provoquées par couplage par effet d'antenne dans les courbures sur les modes de propagation propres du guide d'onde micro-onde formé par un substrat parallélépipédique de niobate de lithium de permittivité diélectrique très élevé, formant de ce fait un guide d'onde rectangulaire. Ces résonances sont fortement réduites lorsque les lignes ne comportent pas de courbures mais uniquement une section rectiligne. Dans le cas où l'insertion de la lumière se fait par des guides optiques courbés par l'un des côtés du substrat permet de réaliser les lignes dans le sens de la longueur. Dans ce cas les connecteurs micro-ondes sont disposés à chaque extrémité du boîtier, comme cela est représenté sur la figure 3. On évite ainsi toute rupture dans la propagation de l'onde micro-onde.
Une variante consiste à réaliser une charge de sortie de ligne à micro-onde de manière coplanaire sur un substrat d'alumine et soudé à l'extrémité de ladite ligne ce qui permet de s'affranchir du connecteur électrique de sortie.
La figure 4 est une version améliorée de la version de la figure 3 dans laquelle le boîtier comporte une électronique d'amplification 13 sous forme d'une ou plusieurs puces de semiconducteurs insérées entre le connecteur électronique d'entrée 8 et le début de la ligne micro-onde de la puce optique par la face ou bord A du bloc. De plus, en sortie, une charge adaptée 14 est reliée à l'autre extrémité de la ligne par la face ou bord B du bloc.
Cette approche permet le traitement et l'amplification d'un signal micro-onde et ceci avant l'interaction optique sans rupture d'impédance et sans effets néfastes provoqués par les courbures, ce qui améliore la réponse aux très hautes fréquences. Dans une telle configuration, le signal électrique se propage sans traverser de sections courbes depuis le connecteur jusqu'à la charge adoptée, améliorant la réponse électrique globale.
La mise au biais ou réglage du point de fonctionnement, de telles structures peut être réalisé par construction en intégrant un
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déphaseur optique de 90'entre les bras, par exemple par ablation de la surface du guide correspondant à l'un des bras, ou bien également par l'utilisation d'un Té de polarisation. Pour augmenter l'intégration du dispositif, il est possible de prélever directement la lumière en sortie du bloc avec une photodiode placée dans la trajectoire de la lumière complémentaire transmise hors du guide optique par l'interféromètre.
Selon une variante représentée sur la figure 5, il est possible de placer une photodiode sur la face arrière du substrat de manière à contrôler le point de fonctionnement du dispositif par un circuit électronique de contre-réaction. Dans ce cas, l'extrémité de la ligne micro-onde présente une courbure vers une charge adaptée, ceci après l'interaction avec l'onde optique. La photodiode est placée sur le trajet de la lumière complémentaire transmise par l'interféromètre. Cette lumière provient du couplage de la lumière après recombinaison des ondes après propagation à travers les bras. Lorsque les ondes sont en phase, elles sont couplées sur le mode fondamental symétrique du guide optique qui est transmis par la fibre. Lorsque les ondes sont en opposition de phase, elles sont couplées sur le mode antisymétrique qui n'est pas guidé et qui est donc un mode à fuite. Cette lumière qui se propage en ligne droite peut être exploitée lorsqu'elle est détectée à travers la face de sortie du substrat comme un faisceau libre. Il est à noter qu'une telle photodiode peut être une photodiode rapide destinée à réaliser une contre-réaction sur l'amplitude de modulation hyperfréquence, de manière à optimiser le taux d'erreur dans une transmission numérique standard.
Sur la figure 5, la ligne micro-onde se termine par une courbure 15 après la région ou zone d'interaction avec l'onde optique. Cette extrémité est reliée à une charge adaptée 14 placée sur un côté. L'extrémité B du bloc ou substrat qui est alors libérée est utilisée pour placer une photodiode 16 destinée à capter le champ lumineux complémentaire transmis par l'interféromètre dans le substrat. La photodiode est destinée à l'asservissement par un circuit électronique 17 de contre-réaction du point de
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fonctionnement du modulateur par le biais d'électrodes 18 basses fréquences. Ceci permet d'obtenir une version très intégrée du dispositif.
La figure 6 est encore une autre version dans laquelle on tire parti de la possibilité de réaliser des courbures dans les guides d'ondes optiques pour introduire un décalage dans la structure de Mach-Zehnder, de telle sorte qu'une section du Mach-Zehnder soit en dehors de la structure d'électrodes coplanaires 5 ceci grâce à des courbures 19, ce qui permet d'appliquer une tension continue d'ajustement du point de fonctionnement du modulateur à l'aide d'une électrode supplémentaire 20.
On comprend bien que ces quelques exemples de réalisation sont purement indicatifs et que l'on envisage dans le cadre de l'invention toutes les combinaisons possibles de formes d'électrodes à extrémités droite (s) et/ou courbes (s), de présence d'électronique ou non d'amplification et/ou de contre-réaction avec divers types d'électrodes supplémentaires.
La figure 7 représente la manière d'insérer les fibres optiques 2'et 2" dans les passages 12'et 12"du boîtier selon l'art antérieur. Les courbures introduites sont susceptibles de provoquer une rupture de la fibre, notamment si cette dernière est dénudée de sa gaine.
La figure 8 représente la procédure d'insertion des deux fibres optiques 2 dans les passages 12 du boîtier selon l'invention proposée. Cette technique permet de minimiser les courbures des fibres optiques et les contraintes exercées.
Claims (10)
1. Modulateur électro-optique comportant un bloc (1) d'un cristal à propriétés électro-optiques, le bloc étant allongé en longueur le long d'un grand axe et comportant un guide de lumière (4) s'étendant entre une entrée de guide de lumière et une sortie de guide de lumière, un signal électrique de modulation agissant sur une zone d'interaction du bloc par des électrodes (5) coplanaires en relation avec le guide de lumière par l'intermédiaire d'une couche diélectrique, les électrodes étant disposées sur une face principale allongée du bloc et la zone d'interaction étant sensiblement allongée le long du grand axe, la lumière à moduler arrivant par une fibre optique d'entrée (2') couplée au guide de lumière au niveau de l'entrée de guide de lumière sur une première face du bloc, la lumière modulée quittant le modulateur par une fibre optique de sortie (2") couplée au guide de lumière au niveau de la sortie de guide de lumière sur une seconde face du bloc, caractérisé en ce que la première face et la seconde face sont une seule et même face (D) parallèle au grand axe, le guide de lumière comportant deux courbures (11', 11") respectivement entre l'entrée de guide de lumière et une première extrémité de la zone d'interaction et entre une seconde extrémité de la zone d'interaction et la sortie de guide de lumière.
2. Modulateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les fibres optiques sont couplées au bloc par l'intermédiaire de ferrules (3', 3") polies avec un angle de raccordement entre la ferrule et le bloc destiné à supprimer des réflexions parasites dans la zone de couplage.
3. Modulateur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les électrodes se terminent par deux extrémités d'électrodes distantes, les extrémités d'électrode se terminant le long de bords opposés (A, B) sur la face principale.
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4. Modulateur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les électrodes se terminent par deux extrémités d'électrodes distantes, les extrémités d'électrode se terminant le long d'un même bord (C) sur la face principale.
5 Modulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le guide optique comporte un interféromètre Mach-Zehnder et le cristal est du niobate de lithium.
6. Modulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le bloc est dans un boîtier, chacune des extrémités d'électrodes est reliée à un connecteur sur le boîtier.
7. Modulateur selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'un module électronique d'amplification est disposé dans le boîtier entre un connecteur et une des extrémités d'électrodes.
8. Modulateur selon la revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que le modulateur comporte en outre des moyens de réglage de son point de fonctionnement électrique comportant une photodiode destinée à capter un champ lumineux complémentaire transmis par l'interféromètre dans le bloc, un circuit électronique et un ensemble d'électrodes de contre-réaction disposées sur une section de l'interféromètre Mach-Zehnder et réalisé en dehors de la zone d'interaction à électrodes coplanaires.
9. Procédé de réalisation d'un modulateur électro-optique comportant un bloc (1) d'un cristal à propriétés électro-optiques, le bloc étant allongé en longueur le long d'un grand axe et comportant un guide de lumière (4) s'étendant entre une entrée de guide de lumière et une sortie de guide de lumière, un signal électrique de modulation agissant sur une zone d'interaction du bloc par des électrodes (5) coplanaires en relation avec le guide de lumière par l'intermédiaire d'une couche diélectrique, les électrodes étant disposées sur une face principale allongée du bloc et la zone d'interaction étant sensiblement allongée le long du grand axe, la lumière à moduler arrivant par une fibre optique d'entrée couplée au guide de lumière au niveau de l'entrée de guide de lumière sur une première face du bloc, la lumière modulée quittant le
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modulateur par une fibre optique de sortie couplée au guide de lumière au niveau de la sortie de guide de lumière sur une seconde face du bloc caractérisé en ce que l'on met en oeuvre pour la première face et la seconde face une seule et même face (D) parallèle au grand axe et l'on réalise deux courbure dans le guide de lumière respectivement entre l'entrée de guide de lumière et une première extrémité de la zone d'interaction et entre une seconde extrémité de la zone d'interaction et la sortie de guide de lumière, les deux courbures étant sensiblement symétriques entre elles.
10. Bloc (1) d'un cristal à propriétés électro-optiques destiné à être mis en oeuvre dans un modulateur électro-optique, le bloc étant allongé en longueur le long d'un grand axe et comportant un guide de lumière (4) s'étendant entre une entrée de guide de lumière et une sortie de guide de lumière, le bloc comportant des électrodes (5) coplanaires en relation avec le guide de lumière par l'intermédiaire d'une couche diélectrique et destinées à recevoir un signal électrique de modulation, les électrodes étant disposées sur une face principale allongée du bloc et comportant une zone d'interaction sensiblement allongée le long du grand axe, la lumière à moduler arrivant par une fibre optique d'entrée (2') couplée au guide de lumière au niveau de l'entrée de guide de lumière sur une première face du bloc, la lumière modulée quittant le modulateur par une fibre optique de sortie (2") couplée au guide de lumière au niveau de la sortie de guide de lumière sur une seconde face du bloc, caractérisé en ce que la première face et la seconde face sont une seule et même face (D) parallèle au grand axe, le guide de lumière comportant deux courbures (11', 11") respectivement entre l'entrée de guide de lumière et une première extrémité de la zone d'interaction et entre une seconde extrémité de la zone d'interaction et la sortie de guide de lumière, les deux courbures étant sensiblement symétriques entre elles.
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