FR2839558A1 - Composant d'optique integree comprenant une gaine optique et son procede de realisation - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un composant en optique intégrée comprenant dans un substrat (7) au moins un coeur (11) de guide optique et au moins une gaine optique (9), le coeur et la gaine étant indépendants l'un de l'autre dans le substrat, au moins une portion de ladite gaine entourant au moins une portion dudit coeur de façon à définir au moins une zone dite d'interaction (20) entre le coeur et la gaine, l'indice de réfraction de la gaine étant différent de l'indice de réfraction du substrat et inférieur à l'indice de réfraction du coeur au moins dans la partie de la gaine voisine du coeur et au moins dans la zone d'interaction, une onde lumineuse étant introduite dans la dite zone par le guide et/ ou par la gaine. L'invention trouve des applications en particulier dans le domaine des télécommunications optiques pour réaliser par exemple un filtre spectrale ou spatial, ou encore un interféromètre de type Mach-Zehnder ou un capteur de température.
Description
FFT.
COMPOSANT D'OPTIQUE INTEGREE COMPRENANT UNE GAINE
OPTIQUE ET SON PROCEDE DE REALISATION
DESCRIPTION
Domaine technique La presente invention concerne un composant d'optique integree comprenant une gaine optique et son
procede de realisation.
L' invention trouve des applications dans tous les domaines necessitant une modification des caracteristiques des modes se propageant dans le cur d'un guide optique et/ou l' excitation de modes de gaine et en part icul ier dans le domaine de s telecommunications optiques, pour realiser en optique integree par exemple un filtre spectrale ou un capteur
de temperature.
Etat de la techni e anterieure qu Les gaines optiques vent essentiellement connues dans le domaine des fibres optiques. En effet, les gaines optiques entourent classiquement le cmur des fibres, elles ont un indice de refraction inferieur a celui du cur ce qui permet la propagation d'une once
lumineuse dans le cmur de ces fibres.
En jouant sur la valeur de l'indice de refraction de la gaine, on peut modifier les caracteristiques de propagation du ou des modes de propagation dans le cmur d'une fibre optique et en particulier optimiser ses proprietes de guidage et
notamment reduire la dispersion chromatique.
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Il est connu egalement d'utiliser des modes de gaines, en realisant ces gaines optiques avec des reseaux a fibres optiques afin de coupler un ou des modes guides dans le cur d'une fibre vers le ou les modes de gaine de la fibre ou inversement. On peut se reporter a cet effet par exemple au brevet
US 5 430 817.
Dans tous les cas, le cmur de la fibre ne peut permettre une propagation correcte d'une once lumineuse sans la gaine optique. La gaine et le cmur
vent dependents et forment la fibre.
Les figures 1 et 2 illustrent schema-
tiquement respectivement en perspective et en coupe, un exemple de realisation d'une gaine optique utilisee
selon l'art anterieur avec un reseau a fibre optique.
Ainsi, sur la figure 1, on volt le cmur 1 de la fibre d'indice de refraction nc dans lequel se fait le guidage d'une once lumineuse, une gaine optique 2 d'indice ng qui permet le guidage de cette once lumineuse par un changement dtindice par rapport au cmur (nc > ng) et une gaine mecanique 3 qui protege lt ensemble. Sur la figure 1, pour simplifier la representation, la gaine mecanique a ete volon
tairement, partiellement enlevee.
Un reseau 6, represente sur la coupe de la figure 2 par une alternance de zones grisees et blanches est realise dans le cmur 1 de la fibre. Ce reseau est forme par la creation de zones (les zones grisees) dans le cmur d'indice de refraction superieur
a celui du reste du cur (les zones blanches).
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Ce reseau permet de coupler un mode guide, represente symboliquement par un ensemble de cercles concentriques reference 4, vers un ou plusieurs modes de gaine 5 se propageant dans la gaine optique 2, dans le meme sens que le mode guidee 4. Les modes de gaine vent representes egalement symboliquement par des
ensembles de cercles concentriques references 5.
Le couplage entre les differents modes a lieu pour des longueurs d'onde determinees j par la relation connue suivante: j=AX(no-ni) (1) avec: - nO l'indice effectif du mode guide 4, - nj l'indice effectif du mode de gaine numero j - j la longueur d'onde de resonance pour le couplage au mode j,
- A la periode du reseau.
En general, il existe un faible ecart entre les indices effectif nO et nj (de quelques 10-2 a quelques 10-3), et la gamme de longueur d'onde concernee par le guidage optique est autour de 1,5 m. De ce fait, la relation (1) nous montre que les periodes des reseaux vent souvent de l'ordre de quelques dizaines de
m a quelques milkers de m.
Un tel composant est par exemple utilise
comme element de filtrage.
En effet, le couplage se traduit par un transfert d'energie entre le mode guide 4 et les modes de gaine 5 pour les longueurs d'ondes tj. L'energie couplee dans les modes de gaine est ensuite dispersee en dehors de la gaine le long de la propagation des
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modes dans la gaine, si bien que l'onde lumineuse recuperee en sortie du guide 1 presente un spectre de puissance avec des pertes d'energie pour les longueurs
d'ondes j sur des bandes spectrales cites de filtrage.
De plus, l'energie couplee dans les modes de gaine n'est pas reflechie par le reseau ce qui assure
l' isolation du filtre en terme de reflexions parasites.
En optique integree, le guidage d'une once lumineuse dans le cur d'un guide est obtenu classiquement grace au confinement du cmur dans une ou des couches d'un substrat, ces couches presentant un
indice de refraction inferieur a celui du cmur.
Par ailleurs, le brevet US 5 949 934 decrit l'utilisation d'une gaine optique de part et d'autre d'un reseau forme dans le cmur d'un guide en optique
integree, cet ensemble etant dispose sur un substrat.
Cette gaine est realisee par la superposition de
couches entre lesquelles le cur est pris en sandwich.
Dans ce brevet, le cmur est done dependent de la gaine puisqu'il ne peut exister sans les couches entre lesquelles il est dispose. Ainsi, la gaine decrit dans ce brevet permet a la fois dtinduire des modes de gaine et de realiser un support pour le cmur du guide. De plus, la gaine ayant generalement le meme indice de refraction que le substrat, la gaine ne se differencie
pas optiquement du substrat.
I1 ntexiste done pas actuellement de gaine optique associee a un cmur de guide optique en optique integree ou meme a un cur de fibre, qui soit
independent de ce cur et inversement.
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Expose de l' invention La presente invention a pour but de proposer un composant d'optique integree comprenant au moins une gaine optique qui soit independante du ou des curs de guide auquel elle est associee. On entend par independence du cmur et de la gaine, le fait qu'ils peuvent exister dans un substrat independamment l'un de l'autre. Un autre but de ['invention est de realiser, un composant d'optique integree comprenant au moins une gaine optique associee a au moins un cmur de guide optique apte a modifier notamment au moins une caracteristique du ou des modes se propageant dans le cmur et/ou a induire un ou des modes de propagation
dans cette gaine.
Les caracteristiques du ou des modes se propageant dans le cmur peuvent etre en particulier
l'indice effectif, la taille du mode et/ou la phase.
De facon plus precise, l' invention concerne un composant d'optique integree comprenant dans un substrat au moins un cmur de guide optique et au moins une gaine optique, le cur et la gaine etant independents l'un de l'autre dans le substrat, au moins une portion de ladite gaine entourant au moins une portion audit cur de facon a definir au moins une zone cite d' interaction entre le cur et la gaine, l'indice de refraction de la gaine est different de l'indice de refraction du substrat et inferieur a l'indice de refraction du cmur au moins dans la partie de la gaine voisine du cur et au moins dans la zone d' interaction,
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une once lumineuse etant apte a etre introduite dans la
cite zone par le cmur et/ou par la gaine.
Le substrat peut bien entendu etre realise par un seul materiau ou par la superposition de plusieurs couches de materiaux. Dans ce dernier cas, l'indice de refraction de la gaine est different de l'indice de refraction du substrat au moins dans les
couches voisines de la gaine.
Selon un mode prefere, la gaine et le cmur vent realises a partir du substrat, par une modification de l'indice de refraction du substrat et
non comme dans l'art anterieur par report de couches.
Selon ['invention, le guide peut etre un guide planaire, lorsque le confinement de la lumiere se fait dans un plan contenant la direction de propagation de la lumiere ou un microguide, loreque le confinement de la lumiere est realise dans deux directions transverses a la direction de propagation de la lumiere. Le cmur du guide et la gaine vent independents l'un de l'autre, c'est-a-dire qu'ils peuvent exister dans le substrat independamment l'un de l'autre. Aussi, selon un mode avantageux de l' invention, la gaine n'entoure qu'une portion du cur du guide. Ainsi la gaine nagit sur la propagation d'une once lumineuse dans le cur du guide que dans la zone d' interaction et la gaine peut guider ou vehiculer
des ondes lumineuses independamment du cmur.
La gaine etant independante du cmur, les parametres de la gaine et du cmur vent facilement
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adaptables aux applications recherchees. Ainsi, on peut jouer facilement sur les dimensions, la valeur de l'indice de refraction et la position de la gaine par rapport aux dimensions et a la valeur de l'indice de refraction du cmur du guide. On peut ainsi modifier au moins une caracteristique du ou des modes se propageant dans le cmur du guide et/ou d'un ou des modes de
propagation dans la gaine.
Pour induire des modes de propagation de gaine, de fagon avantageuse, la gaine presente un
indice de refraction superieur a celui du substrat.
Par ailleurs, pour induire ces modes de gaine, selon un premier mode de realisation, lionde lumineuse est introduite dans la gaine. Et selon un 1 5 deuxieme mode de real isat ion qui peut etre combine avec le premier, la zone d' interaction comporte un reseau
forme dans le cmur du guide et/ou dans la gaine.
Selon ce deuxieme mode de realisation, lorsque l'onde lumineuse est introduite dans le cur du guide alors le mode du guide est couple a un ou plusieurs des modes de gaine dans la zone d' interaction et inversement loreque l'onde lumineuse est introduite dans la gaine, le ou les modes de gaines vent couples
au mode guide du cur dans la zone d' interaction.
Le reseau peut etre periodique ou pseudo periodique, il peut etre egalement compose d'une
succession de reseaux.
De nombreux composants en optique integree peuvent etre realises en combinant un ou plusieurs curs de guide avec une ou plusieurs gaines optiques de
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fa,con a creer plusieurs zones d/interactions chaque
zone pouvant comporter ou non un reseau.
Ainsi, on peut realiser un composant comprenant dans un substrat un cur de guide comportant une premiere et une deuxieme extremite, une gaine optique et une zone dtinteraction formee par une partie de la gaine entourant une partie du cur, ladite zone comportant un reseau, une once lumineuse etant introduite dans le cur par une des extremites et
recuperee en sortie du cur par l'autre extremite.
Avantageusement, les deux extremites du cmur vent en dehors de la zone d' interaction, ce qui permet plus de souplesse dans ['introduction et/ou la recuperation de l'onde et un meilleur filtrage loreque
ce composant est utilise en tent que filtre.
En effet, ce composant permet en particulier de realiser un filtre optique: le mode guide de l'onde lumineuse introduite dans le cur est couple dans la zone d' interaction par le reseau a un ou plusieurs modes de gaine pour les longueurs dionde j definis dans la relation (1). La partie couplee de lionde lumineuse dans les modes de gaine peut etre ou non recuperee en sortie de la gaine et la partie non couplee de l'onde, c'est-a-dire l'onde lumineuse filtree pour les longueurs d'onde j est recuperee en
sortie du cur.
De meme, des composants selon l' invention
sans reseau peuvent etre realises.
En particulier, le composant de l' invention peut etre un interferometre et comprend au moins deux cmurs de guide presentant respectivement une premiere
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et une deuxieme extremite, les premieres extremites etant reliees entre elles par une premiere jonction Y et les deuxiemes extremites etant Àreliees entre elles par une deuxieme jonction Y. ce composant comportant en outre au moins une gaine entourant au moins une portion
d'un des cmurs.
De fac,on avantageuse, le substrat est du verre. Bien entendu, le substrat peut etre egalement en d'autres materiaux tels que par exemple en materiaux cristallins de type KTP ou LiNbO3, ou encore
du LiTaO3.
Par ailleurs, la gaine optique et/ou le cmur du guide et/ou le reseau peuvent etre realises par tous types de technique permettant de modifier l'indice de refraction du substrat. On peut citer notamment les techniques d'echanges d'ions, ['implantation ionique et/ou le rayonnement par exemple par l' insolation laser
ou la photo inscription laser.
De facon plus generale, le reseau peut etre realise par toutes les techniques permettant de changer l'indice effectif du substrat. Aux techniques precedemment cites, on peut done rajouter notamment les techniques de realisation de reseaux par gravure du substrat au voisinage de la zone diinteraction. Cette gravure peut etre realisee au-dessus de la zone d' interaction ou dans la portion de gaine de la zone dtinteraction et/ou eventuellement dans la portion de
cur de la zone d'interaction.
Le motif du reseau peut etre obtenu soit par balayage laser dans le cas de l'utilisation d'un
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rayonnement soit par un masque. Ce dernier peut etre le masque qui permet l'obtention du cmur et/ou de la gaine
ou un masque specifique pour la realisation du reseau.
L'invention concerne egalement un procede de realisation d'un composant en optique integree comprenant dans un substrat au moins un cmur de guide optique et au moins une gaine optique, le cur et la gaine etant independents l'un de l'autre dans le substrat, au moins une portion de la cite gaine entourant au moins une portion d'au moins un cur de facon a definir au moins une zone cite d' interaction entre le cmur et la gaine, le cmur et la gaine etant realises respectivement par une modification de l'indice de refraction du substrat de facon a ce qu'au moins dans la partie de la gaine voisine du cmur et au moins dans la zone d' interaction, l'indice de refraction de la gaine soit different de l'indice de refraction du substrat et inferieur a l'indice de
refraction du cur.
La modification de l'indice de refraction du substrat est obtenue notamment par rayonnement par exemple par insolation laser ou par photoinscription
laser et/ou par introduction d'especes ioniques.
Selon un mode prefere de realisation, le procede de l' invention comporte les etapes suivantes: - a) introduction d'une premiere espece ionique dans le substrat de facon a permettre l'obtention apres l'etape c) de la gaine optique, - b) introduction diune deuxieme espece ionique dans le substrat de fa,con a permettre ltobtention apres ltetape c) du cmur du guide,
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- c) enterrage des ions introduits aux etapes a) et b) de fa,con a obtenir la gaine et le cmur
du guide.
L'ordre des etapes a) et b) peut bien entendu etre inverse. L' introduction de la premiere et/ou de la deuxieme espece ionique est realisee de fa,con avantageuse par un echange ionique, ou par implantation ionique. Les premiere et deuxieme especes ioniques peuvent etre les memes ou elles peuvent etre differentes. L' introduction de la premiere espece ionique et/ou ['introduction de la deuxieme espece ionique peuvent etre realisees avec ['application d'un champ electrique. Dans le cas d'un echange ionique le substrat doit contenir des especes ioniques apses a etre echanges. Selon un mode prefere de realisation, le substrat est du verre et contient des ions Na+ prealablement introduits, les premiere et deuxieme
especes ioniques vent des ions Ag+ et/ou K+.
- Selon un premier mode de realisation, l'etape a) comprend la realisation d'un premier masque comportant un motif apte a l'obtention de la gaine, l' introduction de la premiere espece ionique etant realisee a travers ce premier masque et l'etape b) comprend ['elimination du premier masque et la realisation d'un deuxieme masque comportant un motif apte a l'obtention du cmur, l' introduction de la
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deuxieme espece ionique etant realisee a travers ce
deuxieme masque.
Selon un deuxieme mode de realisation, l'etape a) comporte la realisation d'un masque comportant un motif apte a l'obtention de la gaine et du cmur, l' introduction des premiere et deuxieme especes ioniques des etapes a) et b) etant realisees a
travers ce masque.
Les masques utilises dans ['invention vent par exemple en aluminium, en chrome, en alumine ou en
materiau dielectrique.
Selon un premier mode de realisation de lietape c), l'enterrage de la premiere espece ionique est realisee au moins partiellement avant lietape b) et l'enterrage de la deuxieme espece ionique est realise
au moins partiellement apres l'etape b).
Selon un deuxieme mode de realisation de ltetape c), l'enterrage de la premiere espece ionique et ltenterrage de la deuxieme espece ionique vent
realises simultanement apres l'etape b).
Selon un troisieme mode de realisation de l'etape c), l'enterrage comporte un depSt d'au moins une couche de materiau d'indice de refraction avantageusement inferieur a celui de la gaine, sur la
surface du substrat.
Ce mode peut etre bien entendu combine avec
les deux modes precedents.
De facon avantageuse, au moins une partie de l' enterrage est realisee avec [' application d' un champ
electrique.
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Generalement avant ltenterrage sous champ et/ou le depot d'une couche, le procede de ['invention peut comporter en outre un enterrage par rediffusion
dans un bain ionique.
Cette etape de rediffusion peut etre realisee en partie avant l'etape b) pour rediffuser les ions de la premiere espece ionique et en partie apres ltetape b) pour rediffuser les ions des premiere et deuxieme especes ioniques. Cette etape de rediffusion peut egalement etre realisee en totalite apres l'etape b) pour rediffuser les ions des premiere et deuxieme .
especes lonlques.
A titre d'exemple cette rediffusion est obtenue en plongeant le substrat dans un bain contenant la meme espece ionique que celle contenue prealablement
dans le substrat.
D'autres caracteristiques et avantages de
['invention ressortiront mieux de la description qui va
suivre, en reference aux figures des dessins annexes.
Cette description est donnee a titre purement
illustratif et non limitatif.
Breve description des figures
- Les figures 1 et 2, deja decrites, representent schematiquement en perspective et en coupe une gaine optique associee a un reseau realise dans le cmur diune fibre optique, - la figure 3, represente schematiquement en perspective, un exemple de realisation selon l' invention d'une gaine optique associee a un reseau realise dans le cmur d'un guide optique,
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- la figure 4 represente schematiquement en coupe, l'exemple de la figure 3, - la figure 5 donne schematiquement un exemple de profil d'indice de refraction n obtenu dans une zone d' interaction selon ['invention, - la figure 6 illustre schematiquement en coupe un premier exemple d' application du composant de l' invention pour former un filtre, - les figures 7a et 7b illustrent schematiquement respectivement en perspective et en coupe un deuxieme exemple d' application du composant de l' invention pour former un interferometre, - les figures 8a a 8d illustrent schematiquement et en coupe un exemple de procede de realisation d'un composant selon ['invention, - les figures 9a a 9d illustrent schematiquement des variantes de real isation de mot if de masque permettant d'obtenir un reseau dans le cmur, et - la figure 10 represente en coupe une variante de realisation de composant selon l' invention
presentant un reseau dans la gaine.
Description detaillee de modes de mise en muvre de
l' invention
Pour simplifier la description de l' ensemble
de ces figures, on a represente des curs de guide et des gaines a profondeur d'enterrage constante dans le substrat etant bien entendu que suivant les applications visees, les curs et les gaines peuvent
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presenter des profondeurs d'enterrage variables. On decrit dans un souci de simplification des gaines presentant un indice de refraction constant, mais bien entendu, on peut tout a fait envisager dans le cadre de cette invention diutiliser des gaines presentant un indice variable, du moment que leurs indices au voisinage du cmur soit plus petit que l'indice de
refraction du cmur.
De meme, bien que le substrat puisse comporter une couche ou plusieurs couches, il est represente dans ['ensemble de ces figures comme un
substrat a une seule couche.
Les figures 3 et 4 representent respecti-
vement en perspective et en coupe un exemple de realisation en optique integree dans un substrat 7 d'une gaine optique 9 associee a un reseau 13 realise dans le cur 11 d'un guide optique. La coupe de la figure 4 est realisee dans un plan parallele a la
surface du substrat et contenant le cmur 11.
Sur cette figure, la gaine optique 9 entoure uniquement la portion du cmur 11 qui comporte le reseau 13. La zone du substrat qui comporte a la fois la gaine
et le cmur du guide est appelee zone d' interaction.
On volt bien sur ces figures, que le cmur 11 existe independamment de la gaine 9 puisqu'en dehors de la zone d' interaction, le cmur n'est plus situe dans la gaine mais uniquement dans le substrat 7 qui permet
l'isolement optique du cur.
La gaine est cree ainsi artificiellement, dans le substrat, au moins autour d'une portion du cmur
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comport ant le re s e au et independamment du cur e t du substrat. D'une fac,on generale, on appellera gaine artificielle ce type de gaine realise selon ['invention et reseau a gaine artificielle, loreque la zone
d' interaction comporte un reseau.
Dans cet exemple de realisation, la gaine est realisee dans le substrat de fac,on a avoir un indice de refraction compris entre celui du substrat et celui du cmur du guide, ce qui permet grace a la presence du reseau 13 d'avoir des modes de gaines
referencees 15 sur la figure 4.
Le reseau 13 realise dans le cur 11 dans la zone d/interaction, est une succession de motifs periodiques ou pseudo-periodiques formes dans cet
exemple par une segmentation du cur 11.
Ainsi, loreque le mode guide, reference 17, de l'onde lumineuse qui se propage dans le cmur 11 arrive dans la zone d' interaction definie par la partie du substrat qui comporte a la fois la gaine 9 et le cmur 11 muni ici du reseau 13, le mode 17 va etre
couple vers un ou plusieurs modes de la gaine 15.
On aurait pu egalement introduire directement l'onde lumineuse dans la gaine 15, le ou les modes de gaine auraient alors ete couples au mode guide du cmur par le reseau. Pour permettre cette introduction, la gaine est realisee de fa,con a ce qu'une de ses extremites (referencee 19) soit situee
par exemple sur une paroi laterale du substrat.
L'independance de la gaine vis-a-vis du cmur du guide permet d'adapter les parametres de la gaine
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(tels que les dimensions, le niveau d'indice et la position) par rapport aux parametres du cur (tels que les dimensions, le niveau dtindice et la position), aux
applications visees.
La force du couplage entre un mode guide et un mode de gaine donne est obtenue par le produit de la longueur du reseau avec le coefficient de couplage K. Ce dernier est proportionnel a l'integrale de recouvrement des deux modes couples, ponderes par le
profil du reseau.
Si on note t0 et (j les profile transversaux des modes respectivement guides et de gaine et An le profil du reseau, le coefficient de couplage est donne par une relation du type: K ||;o t; n (2) ou ds est un element dtintegration sur toute la surface transversale du substrat c'est-a-dire dans un plan
perpendiculaire a l'axe de propagation de ltonde.
La figure 5 donne un exemple de profil d'indice de refraction n obtenue dans la zone d/interaction, selon une direction x transverse a la direction de propagation d'une once lumineuse dans le cmur. Sur ce profil on volt clairement la dimension Lx de la gaine d'indice ng, selon cette direction ainsi que la dimension 1x du cur d'indice nc, selon cette meme direction. L'indice nS du substrat a ete pris comme reference. En faisant varier les parametres de la gaine et du cur suivant les applications visees, on obtient
bien entendu, d'autres profile d'indice.
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Ainsi, au niveau de la gaine, plus ses dimensions et son niveau d'indice seront importants plus on aura de modes de gaines admis a se propager et plus on aura done dans ['application filtrage de bandes de filtrage possibles. Cela peut etre un avantage si on cherche des filtrages multiples ou pour avoir plus de
merge dans le choix d'un mode de filtrage.
Si on cherche a limiter le nombre de modes de gaine pouvant etre couple, il est interessant a l' inverse de reduire les dimensions optogeometriques
de la gaine.
Pour d'autres applications de type interferometre, le choix du niveau d'indice de la gaine est aussi important puisqu'il permet de modifier la difference d'indice que lton a dans lisquation (3)
defini ulterieurement.
Au niveau du cmur du guide, ses dimensions et son niveau d'indice conditionnent les caracteristiques du mode qui s'y propage et permettent par exemple de l' adapter a un mode de fibre, dans le
cas d'un couplage cmur de guide/cmur de fibre.
Par ailleurs, plus les ecarts d'indice entre le cur, la gaine et le substrat seront importants et plus on aura potentiellement de chance d'avoir des couplages pour des periodes de reseaux falbles comme le montre l' equation (1) (a une longueur d'onde de resonance donnee, la periode est inversement liee a la
difference d'indice entre les modes guide et de gaine).
Les domaines d'applications de composants comportant une gaine optique entourant un reseau forme dans le cmur d'un guide vent les memes que celles des
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fibres optiques comportant des reseaux. On peut citer notamment les applications telles que des filtres de perte a spectre adapte (filtrage lineaire par exemple) ou encore des applications capteur. Par ailleurs, l'independance de la gaine par rapport au cmur permet de nombreuses autres applications, impossibles a
obtenir avec les concepts de l'art anterieur.
Les dimensions du reseau peuvent egalement etre adaptees aux applications visees. Ainsi, ils peuvent etre aussi bien des reseaux de type longues periodes (par exemple de quelques dizaines de m a quelques milkers de m) que des reseaux a plus faibles periodes (par exemple inferieur a quelques m) tels que
les reseaux biases ou a traits inclines.
A titre d'exemple, la figure 6 illustre en coupe un premier exemple d' application du composant de
['invention pour former un filtre.
Ainsi, la figure 6 presente un composant en optique integree comportant dans un substrat 7, un cur 11 de guide, une gaine 9 entourant le cmur 11 dans une zone d' interaction 20 comportant un reseau 13 realise dans le cmur. Dans cet exemple de realisation, le cmur du guide penetre dans la gaine par une extremite de celle-ci au niveau de la zone d' interaction et ressort de celle-ci apres la zone d/interaction, par courbure du cur. Ce dernier est ainsi separe de la gaine en dehors de la zone diinteraction et la gaine reste
presente dans le substrat sans le cmur du guide.
Au niveau du reseau 13 dans la zone d' interaction, une partie du signal guide dans le cmur
est couple aux modes de gaines 15 ou inversement.
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Ainsi, lorsqu'une once lumineuse est introduite dans le composant par ltextremite lla du cur 11, le mode guide du cur est alors couple dans la zone d' interaction par le reseau 13, au(x) mode(s) de gaine pour une ou des bandes de filtrage definies spectralement par la relation (1). En sortie de la zone d/interaction, la partie de l'onde couplee au(x) mode(s)de gaine se propage dans la gaine tandis que le reste de l'onde initiale est vehicule dans le cmur 11
et peut etre recupere par l'extremite llb du cur.
On aurait pu egalement prevoir un fonctionnement en sens inverse. Une once lumineuse serait alors introduite dans la gaine au niveau de
ltextremite 17 de la gaine qui ne comporte pas le cmur.
Au passage dans la zone diinteraction 20, la partie spectrale de ltonde qui correspond a la ou aux bandes de filtrage du reseau 13 est couplee dans le cmur du guide 11 et elle peut etre extraite du composant par
l'extremite lla du cur.
Comme on l'a vu precedemment, le fait de realiser une gaine optique qui entoure localement une portion de cmur de guide peut trouver de nombreuses autres applications que celles du couplage par un reseau. En effet, l'utilisation d'une gaine optique selon l' invention permet de modifier les
caracteristiques du mode se propageant dans le cmur.
A titre d'exemple, les figures 7a et 7b illustrent respectivement en perspective et en coupe dans un plan perpendiculaire a la surface du substrat et contenant la zone d' interaction un deuxieme exemple
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d'application du composant de l' invention pour former un interferometre de type Mach-Zehnder, ce composant ne
comportant pas de reseau dans la zone diinteraction.
Cet interferometre comporte dans le substrat 7 un cur de guide 51 et un cmur de guide 53 dont les extremites vent reliees respectivement a des jonctions
Y. referencee Y1 et Y2, formant ainsi deux bras.
Une gaine 52 entoure une portion du cmur 51
et cree ainsi une zone d' interaction.
Une once lumineuse introduite dans l'interferometre, par exemple par la jonction Yl, est done repartie dans les deux bras de l'interferometre puis se recombine en sortie dans la jonction Y2. Le dephasage A cumule entre les deux bras determine le
niveau de signal obtenu en sortie du composant.
En absence de la gaine 52, l'interferometre
est equilibre et A = 0.
En presence de la gaine 52 le dephasage At a la longueur d'onde siexprime de la facon suivante: A = (neff1 - neff2)x L (3) neff1 est l'indice effectif du mode guide dans la zone coeur-substrat et neff2 est l'indice effectif du mode guide dans la zone coeur-gaine et L est la longueur de la zone dtinteraction qui est dans cet exemple la longueur de la gaine. La difference (nelf -neff2) peut atteindre jusqu'a des valeurs de quelques -2 Classiquement pour realiser un dephasage non
nul, lthomme du metier joue sur la longueur des cmurs.
Selon l' invention, l'utilisation dinne gaine permet de
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realiser un dephasage non nul entre les deux curs, ces deux curs pouvant etre de meme longueur, ce qui simplifie la realisation du composant. En particulier, un seul masque de cmurs peut couvrir toute une gamme de composants pouvant presenter des dephasages differents car seuls les parametres de la gaine servent a regler
ces dephasages.
De nombreuses applications de cet interferometre vent possibles et en particulier il 1 0 permet la real isat ion de references spectrales (mesures du pas des interfranges) ou d'attenuateur a certaines
longueurs diondes (filtre).
Il permet egalement la realisation de
capteur de temperature.
En effet, dans liequation 3, la difference (ne,-ne2) entre les indices effectifs de propagation du mode guide avec ou sans gaine depend notamment de la temperature, si bien que le dephasage en sortie du
composant est aussi une fonction de la temperature.
Les figures 8a a 8d illustrent en coupe dans un plan perpendiculaire a la surface du substrat et contenant la zone d' interaction, un exemple de procede de realisation d'un composant selon l' invention, a
partir de la technologie par echange d' ions.
Ainsi, sur la figure 8a est representee un substrat 7 contenant des ions B. Un premier masque 61 est realise par exemple par photolithographie sur une des faces du substrat; ce masque comporte une ouverture determinee en fonction des dimensions (largeur, longueur) de la gaine que lion
souhaite obtenir.
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Un premier echange ionique est alors realise entre des ions A et les ions B contenus dans le substrat, dans une zone du substrat situee au voisinage de l'ouverture du masque 61. Cet echange est obtenu par exemple en trempant le substrat muni du masque dans un bain contenant des ions A et en appliquant eventuellement un champ electrique entre la face du substrat sur laquelle est disposee le masque et la face opposee. La zone du substrat dans laquelle a ete
realise cet echange ionique forme la gaine 63.
Pour enterrer cette gaine, une etape de rediffusion des ions A est realisee avec l' assistance ou non d'un champ electrique applique comme precedemment. La figure 8b, represente la gaine apres une etape d'enterrage partielle de celle-ci. Le masque
61 est enleve generalement avant cette etape.
La realisation de la gaine selon l' invention s'apparente done a la realisation d'un cur de guide
mais avec des dimensions differentes.
L'etape suivante representee figure 8c consiste a former un nouveau masque 65 sur le substrat par exemple par photolithographie apres eventuellement un nettoyage de la face du substrat sur lequel il est - realise. Ce masque comporte des motifs apses a permettre la realisation d'un cur 67 de guide et en particulier lorsque le cmur comporte un reseau, les motifs du masque 65 peuvent etre adaptes aux motifs du
reseau a former.
Un deuxieme echange ionique est alors realise entre les ions B du substrat et des ions C qui peuvent etre les memes ou non que les ions A. Cet
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echange ionique peut etre realise comme precedemment en trempant le substrat dans un bain contenant des ions C
et en appliquant eventuellement un champ electrique.
Enfin, la figure 8d illustre le composant obtenu apres enterrage du cmur 67 obtenu par rediffusion des ions C et enterrage final de la gaine, avec l' assistance ou non diun champ electrique. Le masque 65 est generalement supprime avant cette etape d'enterrage. Les conditions des premier et deuxieme echanges ioniques vent definies de facon a obtenir les differences d' indices de refraction souhaitees entre le substrat, la gaine et le cur. Les parametres d'ajustement de ces differences vent notamment le temps d'echange, la temperature du bain, la concentration en ions du bain et la presence ou non d'un champ electrique. A titre d'exemple de realisation, le substrat 7 est du verre contenant des ions Na+, le masque 61 est en aluminium et presente une ouverture d'environ 30 m de large (la longueur de l'ouverture depend de la longueur desiree de gaine pour
['application visee).
Le premier echange ionique est realise avec un bain comportant des ions Ag+ environ a 20 de concentration, a une temperature d' environ 330 C et pendant un temps d'echange de 5mn environ. Une rediffusion des ions a tout d' abord lieu a l' air libre a une temperature d' environ 330 C et pendant 30s, puis on effectue un enterrage partiel de la gaine ainsi formee dans le verre. Cet enterrage est realise par une
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rediffusion dans un bain de sodium a une temperature
d'environ 260 C et pendant 3mn.
Le masque 65 est aussi en aluminium et presente un motif d'ouverture environ 3 m de large (la longueur du motif depend de la longueur desiree de cmur
pour ['application visee).
Le deuxieme echange ionique est realise avec un bain comportant des ions egalement Ag+ environ a 20% de concentration, a une temperature d' environ 330 C et pendant un temps d'echange de 5 mn environ, une rediffusion des ions a tout d'abord lieu a l'air libre a une temperature d' environ 330 C et pendant 30s. Puis on realise, un enterrage partiel du cmur ainsi forme dans le verre par une rediffusion dans un bain de sodium a une temperature d'environ 260 C et pendant 3 mn. L'enterrage final de la gaine et du cmur se fait sous champ electrique les deux faces opposees du substrat vent en contact de deux bains (dans cet exemple du sodium) apte a permettre d'appliquer une
difference de potentiel entre ces deux bains.
De nombreuses variantes du procede decrit precedemment peuvent etre realisees. Notamment, les etapes d'enterrage de la gaine et du cur peuvent etre realisees comme decrit precedemment au cours de deux etapes successives mais elles peuvent egalement etre realisees dans certains cas simultanement, le cur ayant une concentration ionique superieure a celle de la gaine, il est enterre plus vite que la gaine, ce qui
permet en outre le centrage du cmur dans la gaine.
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La difference de concentration entre le cmur et la gaine est generalement obtenue soit par une rediffusion dans un bain des ions formant la gaine soit par une difference de concentration des ions introduits aux etapes a) et b). Par ailleurs, au lieu d'utiliser un masque pour realiser la gaine et un masque pour realiser le cmur du guide, loreque le cmur et la gaine ont la meme
longueur on peut utiliser un senl masque.
Pour cela, on realise un masque, par exemple par photolithographie sur le substrat, ce masque presentant le motif du cmur a realiser avec ou sans
reseau suivant ['application visee.
On effectue le premier echange ionique pour former la gaine, puis un deuxieme echange ionique pour
former le cmur et on enterre le cur et la gaine.
A titre d'exemple dans ce mode de real isat ion pour un substrat 7 en verre contenant des ions Na+, le masque unique est en aluminium et presente un motif diouverture d'environ 3 m de large (la longueur du motif depend de la longueur desiree de
gaine et du cur).
Le premier echange ionique est realise avec un bain comportant des ions Ag+ a falble concentration environ a 1%, a une temperature d' environ 330 C et pendant un temps d'echange de 20 mn environ avec ['application d'un champ electrique. La rediffusion des ions dans le verre a lieu a l'air libre a une
temperature de 330 C pendant 30 s.
Le deuxieme echange ionique est realise avec un bain comportant des ions egalement Ag+ environ a 20%
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de concentration, a une temperature d' environ 330 C et pendant un temps d'echange de 8mn environ. La rediffusion des ions dans le verre a lieu a l' air libre
a une temperature de 330 C pendant 30 s.
Enfin, l'enterrage du cmur et de la gaine est realisee tout d'abord par rediffusion dans un bain de sodium a une temperature d' environ 260 C et pendant 3mn, puis par application d'un champ electrique entre
les deux faces opposees du substrat.
Comme on l'a vu precedemment, pour realiser l'enterrage de la galne et du cmur, une variante du procede consiste a deposer sur le substrat 7, une couche de materiau 68, representee en pointilles sur la figure 8d. Ce materiau, pour permettre un guidage optique doit presenter avantageusement un indice de
refraction inferieur a celui de la gaine.
La realisation du composant selon l' invention n'est pas limitee a la technique d'echange d' ions. Le composant de l' invention peut etre realise bien entendu par toutes les techniques qui permettent
de modifier l'indice de refraction du substrat.
Dans le cas de l'utilisation dans la zone dtinteraction d'un reseau, sa periode, sa taille, sa position par rapport au cmur et a la gaine vent des parametres qui peuvent etre adaptees en fonction des applications. Le motif du reseau peut etre defini sur le masque permettant la real isat ion de la gaine et /ou sur le masque permettant la realisation du cmur ou sur le masque unique permettant la realisation a la fois de la
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gaine et du cur ou encore sur un masque specifique
pour la realisation uniquement du reseau.
Les figures 9a a 9d illustrent a titre d'exemple des variantes de realisation de masques M1, M2, M3, M4 permettant d'obtenir un reseau. Ces figures vent des vues de dessus des masques et ne representent que la partie des masques permettant d'obtenir le reseau. Les zones blanches du motif des masques
correspondent aux ouvertures des masques.
Ces masques permettent d'obtenir un reseau periodique de periode A. Ces masques peuvent etre par exemple des masques specifiques pour la realisation du reseau dans le cmur et/ou dans la gaine ou une partie des masques permettant l'obtention du cmur et/ou de la gaine, le reseau etant realise alors en meme temps que le cmur
et/ou la gaine.
La figure 4 precedemment decrite illustre un
exemple de reseau forme dans le cur du guide.
La figure 10 illustre un exemple de realisation d'un reseau 33 realise dans une zone dtinteraction a la fois dans le cur 11 et dans la
gaine 9.
Ainsi, sur la figure 10, le reseau 33 est forme dans la gaine 9 par une alternance de periode A de zones 34 de largeur variable consideree dans le sens de propagation d'une once lumineuse. Ces zones ont un indice effectif different de celui du reste de la gaine grace a une modification de l'indice de refraction de ces zones. Le cur etant par ailleurs inclus dans la gaine au moins dans la zone d' interaction, le reseau
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est egalement inscrit dans le cur, autrement dit le cur comporte egalement des zones diindice de
refraction different de celui du reste du cmur.
Les reseaux peuvent etre formes par toutes les techniques classiques permettant de modifier localement l'indice effectif du substrat dans le cur
et/ou dans la gaine.
Il peut done etre realise au cours des echanges ioniques permettant de realiser le cur et/ou
la gaine ou au cours d'un echange ionique specifique.
Il peut egalement etre obtenu par une gravure du substrat au niveau de la zone d' interaction ou par un rayonnement. En particulier, le reseau peut etre obtenu par insolation du cur et/ou de la gaine avec un laser de type CO2. Le laser en produisant des echauffements localises permet de rediffuser localement des ions et
inscrire ainsi le motif du reseau.
A titre d'exemple on peut balayer le substrat avec un faisceau laser module par exemple en amplitude de maniere a introduire une modulation du
reseau au pas souhaite.
Le motif du reseau depend des applications visees. En particulier, le reseau peut etre a periode variable (reseau chirpe) ou a efficacite variable
(reseau apodise).
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Claims (23)
1. Composant en optique integree comprenant dans un substrat (7) au moins un cmur (11) de guide optique et au moins une gaine optique (9), le cur et la gaine etant independents l'un de l'autre dans le substrat, au moins une portion de ladite gaine entourant au moins une portion d'au moins un cur de fac,on a definir au moins une zone cite d' interaction (20) entre le cmur et la gaine, l'indice de refraction de la gaine etant different de l'indice de refraction du substrat et inferieur a l'indice de refraction du cmur au moins dans la partie de la gaine voisine du cur et au moins dans la zone diinteraction, une once lumineuse etant apte a etre introduite dans la cite
zone par le cur et/ou par la gaine.
2. Composant selon la revendication 1 caracterise en ce que la gaine presente un indice de
refraction superieur a celui du substrat.
3. Composant selon l'une quelconque des
revendications 1 et 2 caracterise en ce que la zone
diinteraction comporte un reseau forme dans le cur
et/ou dans la gaine.
4. Composant selon la revendication 3 caracterise en ce qu'il comprend dans le substrat (7) un cur (11) de guide comportant des premiere et deuxieme extremites (lla, lib), une gaine optique (9) et une zone d' interaction (20) formee par une partie de
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la gaine entourant une partie du cmur, ladite zone comportant un reseau (13), une once lumineuse etant introduite dans le cur par une des extremites et
recuperee en sortie du cmur par l'autre extremite.
5. Composant selon la revendication 4 caracterise en ce que les deux extremites du cmur vent
en dehors de la zone d'interaction.
6. Composant selon l'une quelconque des
revendications 1 a 5 caracterise en ce qu'il comprend
dans le substrat (7) au moins deux cmurs de guide (51, 53) presentant respectivement des premiere et deuxieme extremites, les premieres extremites etant reliees entre elles par une premiere jonction Y (Yl)et les deuxiemes extremites etant reliees entre elles par une deuxieme jonction Y (Y2), ce composant comportant en outre au moins une gaine (52) entourant au moins une
portion d'un des cmurs (51).
7. Procede de realisation d'un composant en optique integree selon l'une quelconque des
revendications precedentes caracterise en ce que le
cmur (11) et la gaine (9) vent realises respectivement par une modification de l'indice de refraction du substrat de fa,con a ce qu'au moins dans la partie de la gaine voisine du cur et au moins dans la zone d' interaction, l'indice de refraction de la gaine soit different de l'indice de refraction du substrat et
inferieur a l'indice de refraction du cmur.
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8. Procede de realisation selon la revendication 7 caracterise en ce que la modification de l'indice de refraction du substrat est obtenue par rayonnement et/ou par introduction d'especes ioniques
9. Procede de realisation selon la revendication 8 caracterise en ce qu'il comporte les etapes suivantes: - a) introduction d'une premiere espece ionique dans le substrat de fac,on a permettre liobtention apres l'etape c) de la gaine optique, - b) introduction d'une deuxieme espece ionique dans le substrat de fa,con a permettre l' obtention apres l' etape c) du cmur du guide, c) enterrage des ions introduits aux etapes a) et b) de fa,con a obtenir la gaine et le cmur
du guide.
10. Procede de realisation selon la revendication 9 caracterise en ce que l' introduction de la premiere et/ou de la deuxieme especes ioniques est realisee par un echange ionique ou par implantation ionique.
11. Procede de realisation selon la revendication 10 caracterise en ce que le substrat est du verre et contient des ions Na+, les premiere et
deuxieme especes ioniques etant des ions Ag+ et/ou K+.
12. Procede de realisation selon la revendication 9 caracterise en ce que l'etape a)
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comprend la realisation d'un premier masque (61) comportant un motif apte a l'obtention de la gaine, ['introduction de la premiere espece ionique etant realisee a travers ce premier masque et l'etape b) comprend l' elimination du premier masque et la realisation d'un deuxieme masque (65) comportant un motif apte a ltobtention du cmur, l' introduction de la deuxieme espece ionique etant realisee a travers ce
deuxieme masque.
13. Procede de realisation selon la revendication 9 caracterise en ce que le l'etape a) comporte la realisation d'un masque comportant un motif apte a l'obtention de la gaine et du cur, l' introduction des premiere et deuxieme especes
ioniques etant realisee a travers ce masque.
14. Procede de realisation selon l'une
quelconque des revendications precedentes caracterise
en ce que la zone d' interaction (20) comportant un reseau (13) celui-ci est obtenu par modification de l'indice effectif du substrat dans la gaine et/ou le
cur, selon un motif approprie.
15. Procede de realisation selon la revendication 14 caracteri se en ce que le mot if approprie du reseau est obtenu par introduction d'especes ioniques a travers un masque permettant l'obtention du cur et/ou de la gaine ou par un masque
specifique.
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16. Procede de realisation selon la revendication 14 caracterise en ce que le motif approprie du reseau est obtenu par des echauffements locaux.
17. Procede de realisation selon la revendicat ion 14 caracteri se en ce que le mot i f approprie du reseau est obtenu par gravure du substrat
au voisinage de la zone d' interaction.
18. Procede de realisation selon la revendication 9 caracterise en ce que lienterrage de la premiere espece ionique est realisee au moins partiellement avant l'etape b) et l'enterrage de la premiere et de la deuxieme especes ioniques est
realisee apres l'etape b).
19. Procede de realisation selon la revendication 9 caracterise en ce que l'enterrage de la premiere espece ionique et l'enterrage de la deuxieme
espece ionique vent realises apres l'etape b).
20. Procede de realisation selon l'une
quelconque des revendications 9 a 19 caracterise en ce
qu'au moins une partie de ltenterrage est realisee avec
['application d'un champ electrique.
21. Procede de realisation selon l'une
quelconque des revendications 9 a 20 caracterise en ce
qu' au moins une partie de l' enterrage est realisee par
une rediffusion dans un bain ionique.
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22. Procede de realization selon l'une
quelconque des revendications 9 a 21 caracterise en ce
que tout ou partie de l'enterrage est realise par un depot d'au moins une couche sur la surface du substrat.
23. Procede de realisation selon l'une
quelconque des revendications 9 a 22 caracterise en ce
que l' introduction de la premiere espece ionique et/ou l' introduction de la deuxieme espece ionique vent
realisees avec ['application dinn champ electrique.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1981185A1 (fr) | 2007-04-03 | 2008-10-15 | Schneider Electric Industries SAS | Dispositif de dérivation d'une ligne de transmission en fibres optiques |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2839558B1 (fr) | 2004-10-29 |
| US20060051018A1 (en) | 2006-03-09 |
| WO2003096083A2 (fr) | 2003-11-20 |
| WO2003096083A3 (fr) | 2004-04-08 |
| EP1504294A2 (fr) | 2005-02-09 |
| JP2005525594A (ja) | 2005-08-25 |
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