FR2950440A1

FR2950440A1 - Dispositif de couplage entre une fibre optique et un guide d'ondes nanophotonique

Info

Publication number: FR2950440A1
Application number: FR0956416A
Authority: FR
Inventors: Christophe Kopp; Stephane Bernabe
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2011-03-25

Abstract

L'invention concerne un dispositif optique comprenant une fibre optique (50) dont une extrémité est couplée à un réseau de diffraction (46) défini en surface d'un élargissement d'un guide d'ondes nanophotonique (44), un faisceau lumineux transporté par la fibre optique atteignant la surface du réseau de diffraction selon une direction formant un angle non nul avec la normale au réseau de diffraction dans un plan perpendiculaire à un support du guide d'ondes et passant par ce guide d'ondes, le guide d'ondes étant propre à propager quasi identiquement des faisceaux lumineux de polarisation TE et TM, dans lequel ledit angle, les dimensions et la nature du réseau de diffraction et du guide d'ondes sont tels que deux polarisations orthogonales dudit faisceau lumineux sont guidées dans le guide d'ondes respectivement dans un premier sens avec un état de polarisation TE et dans un deuxième sens opposé avec un état de polarisation TM.

Description

B9740 - DD11444E0 1 DISPOSITIF DE COUPLAGE ENTRE UNE FIBRE OPTIQUE ET UN GUIDE D'ONDES NANOPHOTONIQUE

Domaine de l'invention La présente invention concerne des composants optiques intégrés et, plus particulièrement, un dispositif de couplage entre une fibre optique et un guide d'ondes nanophotonique.

Exposé de l'art antérieur Les composants optiques intégrés sont de plus en plus utilisés dans le domaine des télécommunications, notamment pour la transmission, le traitement et/ou le stockage de données. Les composants optiques intégrés peuvent avoir de nombreuses fonctions, par exemple d'émission, de réception, de multiplexage, de démultiplexage, de modulation, de démodulation, de routage spectral, d'amplification, d'accumulation, de filtrage, de résonateur... Les composants optiques ou optoélectroniques intégrés sont généralement formés sur et dans des plaquettes semi-conductrices similaires à celles utilisées en microélectronique. Un circuit optique intégré comprend un ou plusieurs composants optiques élémentaires réalisant un traitement sur un ou plusieurs faisceaux lumineux. Les faisceaux lumineux sont acheminés entre les composants optiques élémentaires par des guides d'ondes optiques.

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2 L'intégration de plus en plus de fonctions sur une même puce nécessite une miniaturisation des composants optiques intégrés, et donc une miniaturisation des guides d'ondes optiques. Lorsque les guides d'ondes utilisés ont des dimensions infé- rieures au micromètre, on parle de guides nanophotoniques. Pour des applications moyenne et longue distance, le moyen de transport optique préféré est la fibre optique. Un type classique de fibre optique est constitué d'un coeur central entouré d'une gaine, le coeur ayant un indice de réfraction plus élevé que celui de la gaine. Ceci permet de confiner la lumière dans le coeur de la fibre optique. La gaine de la fibre est généralement recouverte d'une protection plastique. Le coeur d'une fibre optique a un diamètre au moins égal à la longueur d'ondes dans le coeur de la fibre du signal lumineux que l'on veut transmettre, par exemple de l'ordre de 3 à 10 }gym pour le proche infrarouge. Ainsi, lorsque l'on veut coupler une fibre optique à un guide d'ondes, un premier problème vient de l'adaptation en taille entre la fibre optique et le guide d'ondes. De plus, en sortie d'une fibre optique, l'état de polarisation d'un faisceau lumineux est inconnu et instable. En effet, la polarisation d'un faisceau lumineux varie généralement le long de la fibre optique. De plus, de nombreux facteurs, tels que la température, provoquent une variation supplémentaire et en pratique imprévisible de la polarisation du faisceau lumineux dans la fibre optique. Etant donné que, généralement, les guides nanophotoniques ne transmettent pas identiquement des ondes de polarisations différentes, cela pose problème. De plus, même si un guide d'ondes était apte à transmettre un faisceau lumineux de polarisation inconnue, les circuits nanophotoniques sont optimisés pour traiter des faisceaux dont la polarisation est connue (transverse électrique ou magnétique). La figure 1 illustre un exemple de dispositif de couplage connu entre une fibre optique et des composants nanophotoniques séparant deux composantes de polarisation B9740 - DD11444EO

3 orthogonales du faisceau lumineux incident pour les traiter individuellement. Un tel dispositif est notamment décrit dans le brevet US 7 065 272. Le dispositif de la figure 1 comprend un support 10, par exemple un substrat semiconducteur. Un dispositif de couplage bidimensionnel 12 est formé en surface du support 10. Il est constitué, par exemple, d'ouvertures fines s'étendant sous forme de matrice en surface du support. Une fibre optique 14, positionnée perpendiculairement à la surface du support 10 et à l'aplomb du dispositif de couplage 12, éclaire ce dispositif d'un faisceau lumineux 15. Deux guides d'ondes nanophotoniques 16 et 18 s'étendent perpendiculairement l'un à l'autre en surface du substrat à partir du dispositif de couplage 12.

Un dispositif de couplage tel que le dispositif 12 est prévu pour transformer deux polarisations orthogonales arbitraires du faisceau 15 en deux faisceaux de polarisations transverse électrique (TE, axe de polarisation parallèle au plan du support 10) vers chacun des guides d'ondes 16 et 18.

Les deux faisceaux lumineux de polarisation TE transportés par les guides d'ondes 16 et 18 atteignent, respectivement, des circuits nanophotoniques 20 et 22 formés sur le support 10. Dans l'exemple représenté, les guides d'ondes 16 et 18 se rétrécissent entre le dispositif de couplage 12 et les circuits nanophotoniques 20 et 22 pour être de dimensions adaptées en entrée de ces circuits et, du côté du dispositif de couplage 12, de dimensions adaptées à la taille du faisceau 15. Les circuits 20 et 22 sont identiques et réalisent un même traitement sur les faisceaux lumineux transportés par les guides d'ondes 16 et 18. Les faisceaux lumineux en sortie des circuits nanophotoniques 20 et 22 sont acheminés par des guides d'ondes, respectivement 24 et 26, vers un dispositif de couplage de sortie 28 identique au dispositif de couplage 12. Les guides d'ondes 24 et 26 se rejoignent perpendiculairement au niveau du B9740 - DD11444EO

4 dispositif de couplage. Dans l'exemple représenté, les guides d'ondes 24 et 26 s'élargissent entre les circuits nanophotoniques 20 et 22 et le dispositif de couplage 28 pour s'adapter aux dimensions de ces éléments.

A l'aplomb du dispositif de couplage de sortie 28, perpendiculairement à la surface du support 10, est placée une fibre optique de sortie 30. Le dispositif de couplage 28 fonctionne à l'inverse du dispositif de couplage 12. Il récupère les faisceaux de polarisation TE transportés par les guides d'ondes 24 et 26 et les combine de façon que ces deux faisceaux forment deux polarisations perpendiculaires d'un faisceau en entrée de la fibre optique 30. Deux polarisations orthogonales du faisceau lumineux 32 correspondent alors aux faisceaux lumineux de polarisation TE circulant dans les guides d'ondes 24 et 26. Ainsi, deux polarisations orthogonales arbitraires constitutives du faisceau lumineux 15 transporté par la fibre optique 14 sont séparées, transformées en deux faisceaux lumineux de même polarisation TE qui sont traités en parallèle par deux circuits identiques, avant d'être combinés orthogonalement et transmis vers la fibre optique 30. Le circuit de la figure 1 a l'avantage d'être fonctionnel pour n'importe quelle polarisation du faisceau lumineux 15 en sortie de la fibre optique 14, les deux polarisations perpendiculaires arbitraires de ce faisceau lumineux étant traitées indépendamment. Cependant, il a l'inconvénient de présenter des pertes d'insertion supérieures à 6 dB. Ceci est dû, entre autre, à la difficulté de l'alignement des fibres optique 14 et 30 orthogonalement au plan du support.

Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un dispositif de couplage entre une fibre optique et un circuit nanophotonique présentant des pertes d'insertion faibles.

B9740 - DD11444EO Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un dispositif de couplage entre une fibre optique et un circuit nanophotonique dans lequel des imprécisions de positionnement peuvent être acceptées.

5 Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif optique comprenant une fibre optique dont une extrémité est couplée à un réseau de diffraction défini en surface d'un élargissement d'un guide d'ondes nanophotonique, un faisceau lumineux transporté par la fibre optique atteignant la surface du réseau de diffraction selon une direction formant un angle non nul avec la normale au réseau de diffraction dans un plan perpendiculaire à un support du guide d'ondes et passant par ce guide d'ondes, le guide d'ondes étant propre à propager quasi identiquement des faisceaux lumineux de polarisation TE et TM, dans lequel ledit angle, les dimensions et la nature du réseau de diffraction et du guide d'ondes sont tels que deux polarisations orthogonales du faisceau lumineux sont guidées dans le guide d'ondes respectivement dans un premier sens avec un état de polarisation TE et dans un deuxième sens opposé avec un état de polarisation TM.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, le réseau de diffraction comprend des rainures parallèles entre elles formées en surface de l'élargissement du guide d'ondes nanophotonique.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'angle respecte, avec une tolérance de trois degrés, les équations suivantes : mTE.X = ng.SmO -/ .nef1TE +(f -1).nef2TE 0 mTM _ -fg.Sin0 - f.neff1TM +(f -1).neff2TM 0 ng étant l'indice optique d'une gaine entourant le guide d'ondes, A et f étant, respectivement, la période et le facteur de remplissage du réseau de diffraction, a, étant la longueur d'onde du faisceau lumineux circulant dans le dispositif optique, nefflTE et nefflTM étant les indices optiques du guide B9740 - DD11444EO

6 d'ondes dans sa partie la plus mince pour des faisceaux lumineux de polarisations, respectivement, TE et TM, neff2TE et neff2TM étant les indices optiques du guide d'ondes dans sa partie la plus épaisse pour des faisceaux lumineux de polarisation, respectivement, TE et TM, mTE et mTM étant des nombres entiers. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le guide d'ondes nanophotonique est en silicium et la gaine optique est en silice. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'ensemble comprenant le guide d'ondes, le réseau de diffraction et la gaine optique est formé en surface d'un support semiconducteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le faisceau lumineux présente une longueur d'onde de 1550 nm, le facteur de remplissage du réseau de diffraction vaut 0,5, l'angle est compris entre 14 et 20° et la période (A) et l'épaisseur (e) des rainures formant le réseau de diffraction répondent à l'équation : A = 0,725.e + 636,69. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le faisceau lumineux présente une longueur d'onde de 1550 nm, le facteur de remplissage du réseau de diffraction vaut 0,5, l'angle est compris entre 10 et 16° et la période (A) et l'épaisseur (e) des rainures formant le réseau de diffraction répondent à l'équation : A = 1,0883.e + 955,15.

Un mode de réalisation de la présente invention prévoit en outre une ligne de transmission optique bidirectionnelle, comprenant : une fibre optique à maintien de polarisation au niveau des extrémités de laquelle les axes de polarisation sont inversés ; deux dispositifs optiques tels que décrit ci-dessus, chaque dispositif optique étant adapté à l'envoi d'un faisceau lumineux d'une première polarisation dans une extrémité de la fibre optique et à la réception d'un faisceau lumineux d'une seconde polarisation provenant de l'autre extrémité de la fibre optique.

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7 Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, illustre un dispositif de couplage entre une fibre optique et un composant nanophotonique ; la figure 2 illustre un dispositif de couplage selon 10 un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 3 est une vue en coupe du dispositif de la figure 2 illustrant les différentes caractéristiques à prendre en compte pour le bon fonctionnement de ce dispositif ; les figures 4 et 5 sont des courbes de dimensions 15 possibles d'un dispositif selon un mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 6 illustre une application possible d'un dispositif selon un mode de réalisation de la présente invention. 20 Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits optiques intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. 25 Description détaillée On considère ici des dispositifs optiques comprenant des guides d'ondes ayant, par exemple, des sections de 0,2 x 0,5 pm2. De tels guides d'ondes sont, de façon connue, particulièrement optimisés et fonctionnels pour des ondes dont la 30 polarisation est transverse électrique ou TE (polarisation parallèle au plan du support sur lequel est formé le guide d'ondes). Cependant, à condition de définir des parois de guides verticales de bonne qualité, de tels guides d'ondes autorisent la propagation d'ondes ayant une polarisation transverse magnétique ou TM B9740 - DD11444EO

8 (polarisation normale au plan du support), avec des pertes très faibles. Les inventeurs prévoient de tirer profit de cette propriété et de transporter indépendamment deux polarisations perpendiculaires d'un faisceau lumineux en sortie d'une fibre optique dans un guide d'ondes, en conservant leur état de polarisation, avec des atténuations similaires. La figure 2 illustre un mode de réalisation d'un dispositif de couplage d'une fibre optique et d'un guide d'ondes.

Sur un support 40, par exemple de silicium, est formée une couche isolante 42, par exemple en oxyde de silicium, formant la partie inférieure d'une gaine optique. Sur la couche isolante 42 est formé un guide d'ondes 44, par exemple en silicium, en surface duquel est défini un réseau de diffraction 46. On notera que, pour permettre un couplage efficace avec un faisceau issu d'une fibre optique (diamètre supérieur aux dimensions du guide d'ondes), le réseau de diffraction 46 est en pratique formé en surface d'un élargissement du guide d'ondes 44. Le réseau de diffraction 46 est constitué de rainures, parallèles entre elles, gravées en surface de l'élargissement du guide d'ondes 44. Sur le guide d'ondes et le réseau de diffraction s'étend une couche isolante 48 formant la partie supérieure de la gaine optique. On notera que le réseau de diffraction pourra être formé différeituttent du réseau décrit ici. Une fibre optique 50 est positionnée au-dessus du réseau de diffraction 46. Dans le cas où cette fibre optique est une fibre optique d'entrée d'un circuit nanophotonique, elle éclaire le réseau de diffraction 46. Dans le cas où cette fibre optique est une fibre optique de sortie, elle est prévue pour recevoir un faisceau lumineux provenant du réseau de diffraction 46.

Dans l'exemple représenté, la fibre optique est une fibre optique d'entrée. Un faisceau lumineux 52 sort de la fibre optique 50 et atteint le réseau de diffraction 46. La fibre optique 50 est inclinée par rapport à la normale au réseau de diffraction dans une direction, en vue de dessus, alignée avec le guide d'ondes. Le dispositif est prévu pour qu'une première polarisation arbitraire du B9740 - DD11444EO

9 faisceau lumineux incident 52 passe dans le guide d'ondes 44 selon une première direction 54 sous la forme d'un faisceau présentant une polarisation TE et qu'une seconde polarisation du faisceau lumineux incident 52, orthogonale à la première, se propage dans le guide d'ondes, dans une direction 56 opposée à la direction de la première polarisation, sous la forme d'un faisceau présentant une polarisation TM. Par la suite, par souci de simplicité, on appellera la première polarisation arbitraire du faisceau 52 issu de la fibre optique "polarisation TE", celle-ci étant transportée par la suite sous forme TE dans le guide d'ondes et la seconde polarisation du faisceau 52 issu de la fibre optique "polarisation TM", celle-ci étant transportée par la suite sous forme TM dans le guide d'ondes. Ainsi, les deux polarisations TE et TM du faisceau lumineux incident 52 sont séparées et sont transmises dans le guide d'ondes 44, de part et d'autre du réseau de diffraction. Le guide d'ondes 44 peut, par exemple, amener ces deux faisceaux lumineux vers un ou plusieurs circuits nanophotoniques. Par la suite, on appellera angle de couplage d'un faisceau lumineux circulant dans le guide d'ondes l'angle formé entre la normale au réseau de diffraction et la direction du faisceau lumineux en entrée ou en sortie du réseau. Lorsque l'angle de couplage est positif (les faisceaux lumineux en entrée ou en sortie du réseau de diffraction, donc en entrée ou en sortie de la fibre optique, et dans le guide d'ondes ont des sens de propagation identiques en vue de dessus), on parle d'un couplage propagatif. Lorsque l'angle de couplage est négatif (les faisceaux lumineux dans la fibre optique et dans le guide d'ondes ont des sens de propagation opposés en vue de dessus), on parle d'un couplage contre-propagatif. Pour que les deux polarisations TE et TM d'un faisceau lumineux incident entrant ou sortant de la fibre optique se propagent dans des directions opposées dans le guide d'ondes, il est nécessaire que les angles de couplage des polarisations TE et TM soient opposés l'un à l'autre, c'est-à-dire que l'une des B9740 - DD11444EO

10 polarisations TE ou TM subisse un couplage propagatif, et l'autre des polarisations TM ou TE subisse un couplage contre-propagatif. La figure 3 est une vue en coupe du dispositif de la figure 2 dans laquelle sont représentées les différentes caractéristiques à prendre en compte pour obtenir un tel couplage. Le coeur 44 du guide d'ondes présente un indice optique nc tandis que la gaine optique 42/48 présente un indice optique ng. On notera que les couches 42 et 48 pourront être en des matériaux différents et présenter des indices optiques différents. Le guide d'ondes 44 a une épaisseur T et les rainures formant le réseau de diffraction 46 ont une profondeur e. Le réseau de diffraction 46 a une période A et un facteur de forme ou de remplissage f. Les portions les plus épaisses du réseau de diffraction ont ainsi une largeur égale à f.O.

L'indice effectif des portions du réseau de diffraction 46 de plus grande épaisseur est appelée neffl et l'indice effectif des portions du réseau de diffraction de plus faible épaisseur est appelée neff2. Ces indices peuvent être calculés à partir des valeurs de T, e, nc et ng, de la polarisation et de la longueur d'onde du faisceau lumineux considéré. Ainsi, on utilisera la notation nefflTE et nefflTM pour, respectivement, les indices neffl des polarisations TE et TM et neff2TE et neff2TM pour, respectivement, les indices neff2 des polarisations TE et TM.

Pour déterminer les conditions à satisfaire pour que les deux polarisations d'un faisceau lumineux incident provenant d'une fibre optique soient couplées dans le guide d'ondes dans des directions opposées, on considère un faisceau lumineux 60 dans le guide d'ondes 44 dont on veut qu'il présente un couplage propagatif en sortie du réseau de diffraction 46 selon une direction formant un angle e avec la normale au réseau de diffraction et un faisceau lumineux 62 dans le guide d'ondes 44, arrivant dans une direction opposée au faisceau lumineux 60, présentant un couplage contre-propagatif selon une direction identique.

B9740 - DD11444E0 11 En figure 3, on définit un point A arbitraire en surface du réseau de diffraction et un point A' à une période du point A (un distance A sépare alors les points A et A'). Des rayons lumineux 64 sortent du réseau à partir des points A et A'. On définit un point B comme étant la projection du point A sur le rayon lumineux 64 issu du point A'. On notera que, en figure 3, les rayons 64 sont représentés comme ayant une même direction dans la gaine 48 et à l'extérieur de celle-ci. Ceci présuppose qu'un liquide ou un gel d'indice identique à celui de la gaine 48 soit formé entre la surface de la couche 48 et l'extrémité de la fibre optique 50. Si un tel gel ou liquide est absent, la direction des rayons 64 varie en surface de la couche 48. Dans ce cas, l'homme de l'art déterminera aisément, à partir des indices des différents milieux et de la valeur de l'angle de couplage e, la direction selon laquelle doit être placée la fibre optique 50. Pour qu'un faisceau lumineux sorte du réseau de diffraction selon un angle 8p (couplage propagatif, faisceau 60 vers le faisceau 64) ou un angle Oc (couplage contre-propagatif, faisceau 62 vers le faisceau 64), il faut satisfaire à la condition d'accord de phase entre les points A et B. Ainsi, les phases (PA et cpB, respectivement aux points A et B, doivent satisfaire la condition (PA - (PB = 2n.mp dans le cas propagatif, et (PA - (PB = 2n.mc dans le cas contre-propagatif, mp et mc étant des nombres entiers. Le déphasage entre les points A et B est égal à, dans le cas d'un couplage propagatif (faisceau 60 vers 64) : 2n 2n (PAù(PB =21t.mp = .ng.A.sinO p ù [f.A.nef1+(1ù f).A.nef2l et, dans le cas d'un couplage contre-propagatif (faisceau 62 30 vers 64) (PA -cPB =2n.me =- - .ng.A.sin0e - - [f.A.nef1 +(1- f ).A.nef2j, À étant la longueur d'onde du faisceau lumineux considéré. Ceci équivaut au système suivant : B9740 - DD11444E0 12 A Pour que deux faisceaux lumineux arrivant de deux directions opposées d'un guide d'ondes se rejoignent en sortie du réseau de diffraction dans une direction formant un angle 8 avec la normale au réseau, il faut que 8 = Op = -ec. Par exemple, dans le cas où le faisceau lumineux 60 est un faisceau de polarisation TE et où le faisceau lumineux 62 est un faisceau de polarisation TM, le dispositif est dimensionné de façon que : ng.Sln0 ù f.neff1TE +(f -1).feff2TE = InTEX , et A fg.SinO ù f.IZeff1TM +(f -1),IZeff2TM = mTM% A

mTE et mTM étant des nombres entiers. Dans le cas où on désire avoir un faisceau lumineux de polarisation TE ayant un couplage contre-propagatif et un faisceau lumineux de polarisation TM ayant un couplage propagatif, les équations précédentes doivent également être satisfaites (système équivalent). On notera que les conditions ci-dessus s'adaptent indifféremment à un faisceau lumineux entrant ou sortant de la fibre optique.

Un écart sur le respect des conditions définies ci- dessus entraîne une variation du taux de couplage entre la fibre optique et le guide d'ondes. Généralement, une tolérance de 20 % est autorisée dans tout dispositif optique. Dans le cas présent, les inventeurs ont montré qu'une telle tolérance correspond à une tolérance de trois degrés sur l'angle de couplage 8 et donc sur l'angle d'incidence de la fibre optique si un gel ou liquide

d'indice ng est placé entre la couche 48 et l'extrémité de la

fibre optique 50. Si un tel gel ou liquide est absent, l'homme

de l'art déterminera aisément la tolérance autorisée sur le

positionnement de la fibre optique 50.

Les figures 4 et 5 illustrent deux courbes de dimensions possibles du réseau de diffraction dans le cas où on considère un dispositif dans lequel la longueur d'onde des faisceaux lumineux est À = 1550 nm, le coeur du guide d'ondes ng . Sin 0, ù f .IZeffl + ( f -1),IZeff2 = ùfg.Sln8e ù f.nefl +(f -1).neff2 = A c%1,30 B9740 - DD11444E0

13 est en silicium et présente un indice optique nc = 3,47, la gaine du guide est en silice et présente un indice optique ng = 1,44, le facteur de forme du réseau de diffraction f est égal à 0,5 et l'épaisseur T du guide d'ondes 44 est égale à 220 nm. Dans le cas de la figure 4, le couplage de la polarisation TE est prévu comme étant propagatif et le couplage de la polarisation TM comme étant contre-propagatif. Avec un angle de couplage e de l'ordre de 17°, la courbe de la figure 4 (période A en fonction de l'épaisseur e des rainures du réseau de diffraction) satisfait aux équations ci-dessus. Cette courbe présente l'équation suivante : A = 0,725.e + 636,69. Ainsi, pour des dimensions satisfaisant à cette équation et un angle e compris entre 14 et 20°, on obtient un dispositif fonctionnant comme décrit en relation avec les figures 2 et 3. Dans le cas de la figure 5, le couplage de la polarisation TM est prévu comme étant propagatif et le couplage de la polarisation TE comme étant contre-propagatif. Avec un angle de couplage 0 de l'ordre de 13°, la courbe de la figure 5 (période A en fonction de l'épaisseur e des rainures du réseau de diffraction) satisfait aux équations ci-dessus. Cette courbe présente l'équation suivante : A = 1,0883.e + 955,15. Ainsi, un angle e compris entre 10 et 16° et un réseau de diffraction ayant des dimensions satisfaisant à l'équation ci-dessus permettent d'obtenir le fonctionnement désiré. On notera que de nombreuses configurations satisfont aux équations générales ci-dessus. Ainsi, plusieurs angles de couplages peuvent être prévus pour des configurations similaires des dispositifs.

Le dispositif des figures 2 et 3 peut être par exemple utilisé dans une structure similaire à celle de la figure 1. Un faisceau lumineux provenant d'une première fibre optique éclaire un dispositif de couplage tel que présenté ci-dessus. Les deux polarisations du faisceau lumineux sont séparées et guidées, en conservant leurs polarisations, par deux guides d'ondes se B9740 - DD11444EO

14 rejoignant au niveau du réseau de diffraction. Chaque guide d'ondes transporte le faisceau lumineux associé vers un circuit nanophotonique qui réalise un traitement sur ce faisceau lumineux et le renvoie dans un autre guide d'ondes. Les guides d'ondes en sortie des circuits nanophotoniques se rejoignent de part et d'autre d'un second réseau de diffraction (second dispositif de couplage) pour former un faisceau lumineux de sortie combiné, par exemple, à destination d'une seconde fibre optique. Avantageusement, et contrairement au dispositif de la figure 1, un tel dispositif présente des pertes d'insertion faibles, inférieures à 3 dB, voire inférieures à 1 dB. La figure 6 illustre une autre application possible d'un dispositif tel que décrit ci-dessus pour former un système de communication bidirectionnel.

Dans le dispositif de la figure 6, deux dispositifs de couplage Dl et D2 tels que présentés ci-dessus sont prévus de part et d'autre d'une fibre optique à maintien de polarisation 70 (FMP). La fibre optique 70 est prévue de façon que ses axes rapide (F) et lent (S) soient inversés à ses extrémités : un faisceau lumineux présentant une polarisation TE entrant dans la fibre optique 70 en ressort ainsi avec une polarisation TM, et inversement. Le dispositif Dl, respectivement D2, comprend un guide d'ondes 72, respectivement 74, en surface duquel est formé un réseau de diffraction 76, respectivement 78. Une gaine optique 80, respectivement 82, est formée autour du guide d'ondes et du réseau de diffraction du dispositif de couplage 72/76, respectivement 74/78. Dans l'exemple représenté, une source lumineuse 84, respectivement 86, fournit un faisceau lumineux dans le guide d'ondes 72, respectivement 74, d'un premier côté du réseau de diffraction 76, respectivement 78. Le guide d'ondes 72, respectivement 74, du second côté du réseau de diffraction 76, respectivement 78, est connecté à un dispositif de détection 88, respectivement 90. On notera que les sources lumineuses 84 et 86 pourront être tout dispositif d'éclairement, ou encore une B9740 - DD11444EO

15 sortie d'un circuit optique, et que les dispositifs de détection 88 et 90 pourront être des photodétecteurs ou encore des entrées de circuits optiques. Dans l'exemple représenté, on considère que les faisceaux lumineux fournis par les sources 84 et 86 sont des faisceaux de polarisation TE. Un faisceau lumineux 92 de polarisation TE fourni par la source 84 entre dans la fibre optique 70 sous la forme TE et en ressort en un faisceau lumineux 94 présentant une polarisation TM. Le faisceau lumineux 94 atteint le détecteur 90. De façon analogue, un faisceau lumineux 96 de polarisation TE fourni par la source 86 entre dans la fibre optique 70 sous la forme TE. Le faisceau lumineux 98 correspondant en sortie de la fibre optique 70 est de polarisation TM et atteint le détecteur 88 du dispositif Dl.

Ainsi, on forme un dispositif de communication bidirectionnel utilisant une unique fibre optique, sans besoin de dispositif de multiplexage/démultiplexage (dispositifs classiques). De plus, avantageusement, les deux dispositifs de couplage Dl et D2 aux extrémités de la fibre optique sont identiques, ce qui permet une production en série économique. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on notera que de nombreuses configurations sont compatibles avec les équations données ci-dessus. De plus, les matériaux donnés ici ne le sont qu'à titre d'exemple. L'homme de l'art choisira aisément ces matériaux et les dimensions du dispositif en fonction de l'application prévue de celui-ci.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif optique comprenant une fibre optique (50) dont une extrémité est couplée à un réseau de diffraction (46) défini en surface d'un élargissement d'un guide d'ondes nanophotonique (44), un faisceau lumineux transporté par la fibre optique atteignant la surface du réseau de diffraction selon une direction formant un angle (0) non nul avec la normale au réseau de diffraction dans un plan perpendiculaire à un support du guide d'ondes et passant par ce guide d'ondes, le guide d'ondes étant propre à propager quasi identiquement des faisceaux lumineux de polarisation TE et TM, dans lequel ledit angle, les dimensions et la nature du réseau de diffraction et du guide d'ondes sont tels que deux polarisations orthogonales dudit faisceau lumineux sont guidées dans le guide d'ondes respectivement dans un premier sens avec un état de polarisation TE et dans un deuxième sens opposé avec un état de polarisation TM.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le réseau de diffraction (46) comprend des rainures parallèles entre elles formées en surface de l'élargissement du guide d'ondes nanophotonique (44).
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ledit angle (0) respecte, avec une tolérance de trois degrés, les équations suivantes : mTE - fg.Sme ûf .neff1TE +(f -1)12eff2TE 0 mTM - -JZg . sine ù f 12eff 1TM +' f -1)12eff 2TM 0 ng étant l'indice optique d'une gaine (42, 48) entourant le guide d'ondes (44), A et f étant, respectivement, la période et le facteur de remplissage du réseau de diffraction, a, étant la longueur d'onde du faisceau lumineux circulant dans le 30 dispositif optique, nefflTE et nefflTM étant les indices optiques du guide d'ondes dans sa partie la plus mince pour des faisceaux lumineux de polarisations, respectivement, TE et TM,25B9740 - DD11444EO 17 neff2TE et neff2TM étant les indices optiques du guide d'ondes dans sa partie la plus épaisse pour des faisceaux lumineux de polarisation, respectivement, TE et TM, mTE et mIM étant des nombres entiers.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le guide d'ondes nanophotonique (44) est en silicium et la gaine optique (42, 48) est en silice.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel l'ensemble comprenant le guide d'ondes (44), le réseau de diffraction (46) et la gaine optique (42, 48) est formé en surface d'un support semiconducteur (40).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel le faisceau lumineux présente une longueur d'onde de 1550 nm, le facteur de remplissage du réseau de diffraction vaut 0,5, ledit angle est compris entre 14 et 20° et la période (A) et l'épaisseur (e) des rainures formant le réseau de diffraction répondent à l'équation : A = 0,725.e + 636,69.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 3 à 5, dans lequel le faisceau lumineux présente une longueur d'onde de 1550 nm, le facteur de remplissage du réseau de diffraction vaut 0,5, ledit angle est compris entre 10 et 16° et la période (A) et l'épaisseur (e) des rainures formant le réseau de diffraction répondent à l'équation : A = 1,0883.e + 955,15.
8. Ligne de transmission optique bidirectionnelle, comprenant : une fibre optique à maintien de polarisation (70) au niveau des extrémités de laquelle les axes de polarisation sont inversés ; deux dispositifs optiques (Dl, D2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, chaque dispositif optique étant adapté à l'envoi d'un faisceau lumineux (92, 96) d'une première polarisation dans une extrémité de la fibre optique etB9740 - DD11444EO 18 à la réception d'un faisceau lumineux (94, 98) d'une seconde polarisation provenant de l'autre extrémité de la fibre optique.