FR3056306B1 - Guide optique presentant un virage a pseudo-gradient d'indice - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un guide optique (1) comprenant un cœur qui comporte une section rectiligne d'entrée (10) selon une direction d'entrée (E), une section rectiligne de sortie (20) selon une direction de sortie (S), et une section de transition (30) entre la section rectiligne d'entrée (10) et la section rectiligne de sortie (20). La direction de sortie est différente de la direction d'entrée de sorte que la lumière se propage entre la section d'entrée et la section de sortie selon une direction de propagation en étant soumise à un virage (V) présentant un côté intérieur (CI) et un côté extérieur (CE). La section de transition (30) comprend une région à pseudo-gradient d'indice (40) présentant un bord intérieur (BI) du côté intérieur (CI) du virage (V) et un bord extérieur (BE) du côté extérieur (CE) du virage (V). La région à pseudo-gradient d'indice (40) comprend des tranchées formées dans le cœur pour introduire un indice de réfraction décroissant du bord intérieur vers le bord extérieur.
Description
GUIDE OPTIQUE PRÉSENTANT UN VIRAGE À PSEUDO-GRADIENT D'INDICE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine de l'invention est celui des structures de guidage de la lumière utilisées dans les circuits photoniques et optoélectroniques. L'invention porte plus particulièrement sur des structures de guidage où la lumière est soumise à un changement de direction par introduction d'une cassure ou d'un trajet courbe entre deux chemins rectilignes.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La propagation de signaux optique sur puce nécessite un bon compromis entre pertes et compacité. En fonction de l'application visée, le chemin optique total peut varier entre quelques millimètres pour une fonction unique (émission, modulation, filtrage, photo-détection) et plusieurs centimètres pour les circuits les plus complexes.
Dans ce contexte, la photonique sur silicium apporte, en plus de la compatibilité avec l'électronique, une plateforme extrêmement efficace par le fort contraste d'indice des guides d'onde entre le cœur (généralement en silicium) et la gaine (généralement en silice) dont il découle des pertes linéaires de propagation très basses. Néanmoins, pour les circuits les plus longs, il s'avère souvent nécessaire d'utiliser des guides larges (au-dessus de la limite de mono-modicité) afin de gagner un ordre de grandeur sur les pertes optiques.
Ce gain en termes de pertes pose toutefois un problème pour le guidage. En effet, seuls les guides étroits permettent une gestion à pertes raisonnable des courbures. Ainsi, pour permettre la réalisation de virages et diverses courbures avec des guides larges, il est nécessaire de réaliser de multiples transitions entre guides larges et guides étroits, avec des formes parfois très élaborées dans les courbures et transitions comme par exemple décrit dans le brevet EP 0 668 517 Bl.
Alternativement, il est possible de réaliser directement des virages avec des guides larges, mais les dimensions sont alors imposantes puisqu'il faut prévoir des rayons de courbure élevés.
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention vise à permettre le guidage de la lumière sur circuit photonique au moyen de guides larges pour limiter les pertes et avec des petits rayons de courbure de manière à limiter l'empreinte du circuit.
Afin de répondre à cette recherche de compromis optimal entre pertes et compacité, l'invention propose un guide optique comprenant un cœur, qui comporte une section rectiligne d'entrée orientée selon une direction d'entrée, une section rectiligne de sortie orientée selon une direction de sortie, et une section de transition entre la section rectiligne d'entrée et la section rectiligne de sortie. La direction de sortie est différente de la direction d'entrée de sorte que la lumière se propage dans le guide optique entre la section d'entrée et la section de sortie selon une direction de propagation en étant soumise à un virage présentant un côté intérieur et un côté extérieur.
La section de transition comprend une région à pseudo-gradient d'indice présentant un bord intérieur du côté intérieur du virage et un bord extérieur du côté extérieur du virage. Cette région comprend des tranchées formées dans le cœur et présente un indice de réfraction décroissant du bord intérieur vers le bord extérieur.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce guide optique sont les suivants : l'indice de réfraction décroît linéairement du bord intérieur vers le bord extérieur ; les tranchées sont agencées périodiquement entre le bord intérieur et le bord extérieur, et la largeur des tranchées augmente d'une période à l'autre du bord intérieur vers le bord extérieur ; le cœur est réalisé en un matériau cœur d'indice de réfraction ne et les tranchées ont un indice de réfraction nr différent de l'indice de réfraction ne de la couche cœur, avec de préférence une différence entre les indices de réfraction du cœur et des tranchées est au moins égal à 0,2 ; la section de transition est une section rectiligne orientée selon la direction d'entrée, ou une section courbe en arc de cercle ; les tranchées peuvent être courbées conformément à la courbure de la section de transition, et s'étendre tout le long de la section de transition.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre du guide optique selon l'invention selon l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma en vue de dessus illustrant un guide optique intégrant une cassure entre deux chemins optiques rectilignes ; la figure 2 est un schéma en vue de dessus illustrant un guide optique présentant un trajet courbe ; la figure 3 est un schéma en vue de dessus d'un guide optique conforme à l'invention intégrant une région de pseudo-gradient d'indice dans une section de transition rectiligne entre deux chemins rectilignes non alignés ; la figure 4 est une vue en coupe d'une région de pseudo-gradient d'indice d'un guide optique selon l'invention ; les figures 5 et 6 représentent la distribution de champ électromagnétique dans un guide présentant un virage abrupt de 20°, respectivement non doté et doté d'une section de pseudo-gradient d'indice ; les figures 7a et 7b illustrent respectivement un guide de largeur 3 pm qui présente un virage à 90° de rayon de courbure 10 pm non doté d'une section de pseudo-gradient d'indice et la distribution de champ électromagnétique au sein de celui-ci ; les figures 8a et 8b illustrent respectivement un guide de largeur 3 pm qui présente un virage à 90° de rayon de courbure 10 pm doté d'une pluralité de régions rectilignes de pseudo-gradient d'indice distribués le long du virage et la distribution de champ électromagnétique au sein de celui-ci ; les figures 9a et 9b illustrent respectivement un guide de largeur 3 pm qui présente un virage à 90° de rayon de courbure 5,5 pm non doté d'une section de pseudo-gradient d'indice et la distribution de champ électromagnétique au sein de celui-ci ; les figures 10a et 10b illustrent respectivement un guide de largeur 3 pm qui présente un virage à 90° de rayon de courbure 5,5 pm doté d'une région courbe de pseudo-gradient d'indice tout au long du virage et la distribution de champ électromagnétique au sein de celui-ci.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On a représenté sur la figure 1 une vue schématique d'un guide optique intégrant une cassure entre deux chemins optiques rectilignes, sous la forme d'un virage abrupt à 90°. Avec une telle cassure à angle droit, la lumière se retrouve confrontée à de fortes pertes radiatives, que le guide soit étroit ou large. Pour éviter une telle cassure, on peut alors recours à une courbe à grand rayon comme cela est représenté sur la figure 2. Le déplacement du champ électromagnétique hors du guide est alors minimisé, mais au détriment de la compacité.
On a représenté sur la figure 3 une vue schématique d'un guide optique 1 selon l'invention dans lequel la lumière se retrouve déviée tout en conservant un front d'onde uniforme.
Selon l'invention, le guide optique 1 peut être un guide d'onde planaire (« Planar waveguide » ou « Slab waveguide » selon la terminologie Anglo-Saxonne), un guide d'onde canal (« Ridge waveguide » selon la terminologie Anglo-Saxonne), ou un guide d'onde en arête (« Rib waveguide » selon la terminologie Anglo-saxonne).
Le guide optique 1 comprend un cœur réalisé en un matériau cœur, par exemple du silicium. Le cœur est entouré d'une gaine réalisée en un matériau présentant un indice de réfraction inférieur à celui du matériau cœur, par exemple en silice.
Le cœur présente différente portions dont une section rectiligne d'entrée 10 orientée selon une direction d'entrée E, une section rectiligne de sortie 20 orientée selon une direction de sortie S, et une section de transition 30 entre la section rectiligne d'entrée et la section rectiligne de sortie. La direction de sortie S est différente de la direction d'entrée E de sorte que la lumière se propage dans le guide optique entre la section d'entrée 10 et la section de sortie 20 selon une direction de propagation en étant soumise à un virage V présentant un côté intérieur Cl et un côté extérieur CE.
Dans l'exemple de la figure 3, la section de transition est une section rectiligne orientée selon la direction d'entrée E, et le virage est alors abrupt avec un changement de direction instantané (ou ponctuel). L'invention s'étend toutefois également, comme cela sera décrit par la suite, à une section de transition courbe, en arc de cercle à centre de courbure du côté intérieur au virage. L'arc de cercle commence selon la direction d'entrée et se termine selon la direction de sortie. Le virage est alors moins abrupt, le changement de direction étant graduel.
La section de transition 30 comprend une région à pseudo-gradient d'indice 40 qui présente un bord intérieur Bl du côté intérieur Cl du virage V et un bord extérieur BE du côté extérieur CE du virage V.
Par pseudo-gradient d'indice, on entend dans le cadre de l'invention que la région 40 ne comporte pas un véritable profil de variation d'indice de réfraction du matériau cœur comme c'est le cas des structures dite « graded-index » (ou GRIN), mais qu'elle en présente les mêmes propriétés. Ainsi lors de son passage dans la région 40, la lumière rencontre l'équivalent d'un gradient d'indice de réfraction.
Avec une telle région à pseudo-gradient d'indice, la lumière se retrouve déviée tout en conservant un front d'onde uniforme, ce qui garantit la conservation du mode d'entrée (ici le mode fondamental avec un maximum d'intensité centré au milieu du guide). Il s'avère dès lors possible de courber la lumière guidée avec de très petits rayons de courbure, sans modification modale et sans modes radiés, entre des guides d'entrée et de sortie larges et faibles pertes.
La région à pseudo-gradient d'indice 40 est plus précisément issue d'une structuration du cœur. En référence à la figure 4 qui représente une vue en coupe, orthogonalement à la direction de propagation de la lumière, cette région 40 comprend des tranchées T1-T4 formées dans une couche du matériau cœur 2. Le chiffre de quatre tranchées est ici donné à titre purement illustratif, l'invention s'étendant à un nombre quelconque de tranchées, de préférence un nombre supérieur ou égal à sept dans les applications visées par l'invention, étant entendu que plus il y a de tranchées, plus le (pseudo-)gradient d'indice est lisse.
Les tranchées T1-T4 sont agencées entre le bord intérieur Bl et le bord extérieur BE de la section 40 de manière à créer le pseudo-gradient d'indice avec une décroissance d'indice du bord intérieur vers le bord extérieur.
Dans un exemple de réalisation, la largeur des tranchées augmente du bord intérieur Bl vers le bord extérieur BE. Dans cet exemple de réalisation, les tranchées T1-T4 sont de préférence agencées périodiquement, selon une période P, entre le bord intérieur Bl et le bord extérieur BE. La largeur des tranchées augmente alors d'une période à l'autre du bord intérieur Bl vers le bord extérieur BE. Le guide optique étant destiné à guider un rayonnement lumineux quasi monochromatique d'une longueur d'onde λ selon un mode optique associé à un indice de réfraction effectif neff, la largeur d'une période P est inférieure au rapport de la longueur d'onde λ sur l'indice de réfraction effectif neff, et est de préférence proche du rapport de la longueur d'onde λ sur deux fois l'indice de réfraction effectif neff.
Dans un autre exemple de réalisation, on peut prévoir une densité plus importante de tranchées à l'extérieur du virage qu'à l'intérieur, par exemple une densité croissante de tranchées de l'intérieur vers l'extérieur du virage. Cette croissance de la densité peut être linéaire. Les tranchées peuvent être de même largeur.
Dans un mode de réalisation possible, la largeur des tranchées peut augmenter progressivement, par exemple linéairement ou exponentiellement, dans la direction de propagation de la lumière jusqu'à atteindre une largeur seuil, laquelle est maintenue jusqu'à atteindre la fin de la région de pseudo-gradient d'indice. On réalise de la sorte une apodisation de la région de pseudo-gradient d'indice, cette dernière apparaissant progressivement dans la direction de propagation de la lumière. Cette largeur seuil correspond à la largeur mentionnée précédemment.
Les tranchées T1-T4 ont toutes la même profondeur, inférieure voire égale à l'épaisseur de la couche de matériau cœur 2. La section transversale des tranchées de la pluralité de tranchées 41 est de forme rectangulaire. Par section transversale d'une tranchée, nous entendons l'intersection de la tranchée avec un plan perpendiculaire à la direction de propagation de la lumière.
La couche de matériau cœur 2 est réalisée en un matériau cœur d'indice de réfraction ne, et les tranchées T1-T4 présentent un indice de réfraction nr différent de l'indice de réfraction ne de la couche cœur, par exemple parce qu'elles sont remplies d'un matériau de remplissage présentant un tel indice nr. Le matériau de remplissage est par exemple de la silice S1O2. Alternativement, les tranchées ne sont pas remplies d'un matériau de remplissage et sont laissées à l'air.
La différence entre les indices de réfraction du matériau cœur et du matériau de remplissage est de préférence au moins égal à 0,2. L'indice de réfraction du matériau cœur est supérieur à l'indice de réfraction des tranchées, de manière à assurer un (pseudo-)gradient d'indice décroissant du bord intérieur vers le bord extérieur. Ainsi, la région à pseudo-gradient d'indice présente du côté du bord intérieur un indice proche de celui du matériau cœur et du côté du bord extérieur un indice proche de celui du matériau de remplissage, avec une décroissance de cet indice du bord intérieur vers le bord extérieur.
Lorsque l'on prévoit une augmentation périodique de la largeur des tranchées, cette augmentation est de préférence réalisée selon une loi parabolique de manière à réaliser un (pseudo-)gradient d'indice 40 décroissant linéairement du bord intérieur vers le bord extérieur, celui-ci pouvant s'exprimer au niveau d'une période d'indice i selon :
Avec f, le facteur de remplissage de la période d'indice i (soit f, =θ,/Ρ, avec e, la largeur de la tranchée de la période d'indice i), εΓ la permittivité de la tranchée (air ou matériau de remplissage) et 8C la permittivité du matériau cœur.
Cette linéarité du (pseudo-)gradient d'indice peut également être obtenue par un contrôle appropriée de la densité des tranchées.
De préférence, la section d'entrée, la section de sortie et la section de transition présentent une même largeur, telle que mesurée localement dans un plan
orthogonal à la direction de propagation de la lumière. On évite ainsi des transitions entre guides de largeurs différentes. Ces sections présentent par exemple une largeur supérieure ou égale à la pulsation de coupure du mode TEmn tel que m et n soit supérieur à 1. Une telle largeur correspond à toute structure de guidage supportant des modes supérieurs aux modes fondamentaux appelés par l'homme du métier TEoo ou TMoo.
On a représenté sur la figure 5 la distribution de champ électromagnétique dans un guide présentant un virage abrupt de 20°, non doté d'une région de pseudo-gradient d'indice. La figure 6 représente quant à elle la distribution de champ électromagnétique dans un guide présentant un virage abrupt de 20°, mais où une section de transition rectiligne telle que représentée sur la figure 3 comporte une région à pseudo-gradient d'indice conformément à l'invention.
Ces figures sont issues de calculs 2D de différences finies dans le domaine temporel (FDTD-2D) pour évaluer l'efficacité de la région à pseudo-gradient d'indice pour dévier de 20° le mode optique fondamental d'un guide large, et donc susceptible d'exciter des modes supérieurs indésirables, dont les différentes sections présentent ici une largeur de 5 pm. Sur la figure 6, la région de pseudo-gradient d'indice présente une longueur, dans le sens de propagation de la lumière, de 2 pm. Cette région 40 comporte 19 tranchées agencées périodiquement, dont la largeur varie linéairement de 17nm à 242nm, et remplies de silice.
Pour le guide de la figure 5, la puissance totale transférée (n'importe quel mode) est inférieure à 10% de la puissance incidente. En revanche, pour le guide de la figure 6 conforme à l'invention, la puissance totale transférée est supérieure à 95% de la puissance incidente. L'efficacité du (pseudo-)gradient d'indice sur la déviation du faisceau incident est donc particulièrement marquée. On constate néanmoins des perturbations à gauche du guide, du côté intérieur au virage. Elles sont générées par une efficacité trop importante de la déviation, et il peut alors être préférable de placer le (pseudo-)gradient d'indice linéaire dans une courbe plutôt que dans une section rectiligne.
Ainsi dans un autre mode de réalisation de l'invention, la section de transition est une section courbe en arc de cercle dont le centre de courbure est du côté intérieur du virage.
Les figures 7a, 7b et les figures 8a, 8b visent à illustrer l'efficacité de ce mode de réalisation. Les figures 7a et 7b illustrent respectivement un guide en silicium confiné dans une gaine en silice, de largeur W égale à 3 pm et qui présente un virage à 90° de rayon de courbure intérieur R de 10 pm non doté d'une section de pseudo-gradient d'indice et la distribution de champ électromagnétique au sein de celui-ci. Les figures 8a et 8b illustrent quant à elles le même guide dont la section de transition courbe 30 comporte, par souci de simplification des calculs FDTD-2D, une pluralité de régions à pseudo-gradient d'indice 40. Comme représenté sur la figure 8a, ces régions 40 sont distribuées le long de la section de transition 30 avec un pas angulaire, ici de 15° ([0, 15, 30, 45, 60, 75, 90]°).
Pour une telle largeur de guide (3 pm), en l'absence de la mise en œuvre de l'invention, le rayon de courbure minimal pour lequel les pertes radiatives sont minimales est bien plus grand que 10 pm. Il n'est donc pas surprenant de constater une efficacité de transmission (efficacité de couplage au mode fondamental, i.e. identique au mode d'entrée) inférieure à 2,5% pour la courbure de la figure 7a. Dans le cadre de l'invention (figures 8a et 8b), on constate une efficacité de couplage de 56%.
Cette efficacité de couplage remarquable est obtenue, alors même qu'une grande partie de la section courbe 30 n'est pas couverte par une région de pseudogradient d'indice et que ces régions sont identiques à celle utilisée dans la section de transition rectiligne de la figure 3 et qu'elles présentent donc des tranchées s'étendant de manière droite et non courbée selon la direction de propagation de la lumière.
Ainsi dans une variante de réalisation, on adopte des tranchées courbées conformément à la courbure de la section de transition. Le (pseudo-)gradient d'indice s'étend ainsi parfaitement entre l'intérieur et l'extérieur de la courbure. Ces tranchées courbées s'étendent en outre de préférence tout le long de la section de transition.
Les figures 9a, 9b et les figures 10a, 10b visent à illustrer l'efficacité de ce mode de réalisation. Les figures 9a et 9b illustrent respectivement un guide en silicium confiné dans une gaine en silice, de largeur 3 pm qui présente un virage à 90° de rayon de courbure intérieur 5,5 pm, non doté d'une région de pseudo-gradient d'indice et la distribution de champ électromagnétique au sein de celui-ci. Les figures 10a et 10b illustrent respectivement le même guide doté d'une région de pseudo-gradient d'indice tout au long du virage et la distribution de champ électromagnétique au sein de celui-ci.
On constate une efficacité de couplage modale en l'absence de la mise en œuvre de l'invention de l'ordre de 20%. Ces 20% sont essentiellement dûs à un effet miroir (cf. figure 9b), la courbure étant tellement faible (proche de la largeur du guide) que le virage se rapproche d'un angle droit. Cette efficacité de couplage modale monte pour le guide à pseudo-gradient d'indice de l'invention à 92%. Ainsi, le (pseudo-)gradient d'indice entre l'intérieur et l'extérieur de la courbe maintient un confinement quasi-parfait du monde fondamental le long de la courbe jusqu'à un découplage parfaitement équivalent au mode d'entrée. II est important de noter ici que les dimensions critiques sont conformes aux standards actuels de la photonique sur silicium avec par exemple la tranchée la petite faisant 50nm de large et l'espace non structurée le plus petit 65nm, c'est-à-dire des valeurs parfaitement accessible par lithographie à faisceau d'électron. L'invention s'avère particulièrement avantageuse pour des guides larges et ce sur plusieurs gammes de longueurs d'ondes, permettant ainsi des applications datacom/telecom (en infrarouge) et des applications capteurs (en infrarouge de longueur d'onde moyenne ou grande) où l'empreinte sur puce est encore plus importante aux grandes longueurs d'ondes. L'invention s'étend ainsi également à un circuit photonique comportant un guide optique tel que décrit précédemment pour réaliser une communication intrapuce.
Claims (14)
- REVENDICATIONS1. Guide optique (1) comprenant un cœur réalisé en un matériau cœur d'indice de réfraction ne, le cœur comportant une section rectiligne d'entrée (10) orientée selon une direction d'entrée (E), une section rectiligne de sortie (20) orientée selon une direction de sortie (S) et une section de transition (30) entre la section rectiligne d'entrée (10) et la section rectiligne de sortie (20), la direction de sortie étant différente de la direction d'entrée de sorte que la lumière se propage dans le guide optique entre la section d'entrée et la section de sortie selon une direction de propagation en étant soumise à un virage (V) présentant un côté intérieur (Cl) et un côté extérieur (CE), la section de transition (30) comprenant une région à pseudo-gradient d'indice (40) présentant un bord intérieur (Bl) du côté intérieur (Cl) du virage (V) et un bord extérieur (BE) du côté extérieur (CE) du virage (V), caractérisé en ce que ladite région à pseudo-gradient d'indice (40) comprend des tranchées (T1-T4) d'indice de réfraction nr inférieur à l'indice de réfaction ne du matériau cœur, lesdites tranchées étant de même profondeur et formées dans le cœur de manière à ce que ladite région à pseudo-gradient d'indice (40) présente un indice de réfraction décroissant du bord intérieur vers le bord extérieur.
- 2. Guide optique selon la revendication 1, dans lequel les tranchées sont agencées de façon telle que l'indice de réfraction décroît linéairement du bord intérieur vers le bord extérieur.
- 3. Guide optique selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les tranchées sont agencées périodiquement entre le bord intérieur (Bl) et le bord extérieur (BE), et la largeur des tranchées augmente d'une période à l'autre du bord intérieur (Bl) vers le bord extérieur (BE).
- 4. Guide optique selon la revendication 3, configuré pour guider un mode optique associé à une longueur d'onde λ et un indice de réfraction effectif neff, dans lequel la largeur d'une période est inférieur au rapport de la longueur d'onde λ sur l'indice de réfraction effectif neff.
- 5. Guide optique selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les tranchées sont formées de manière à présenter une densité croissante de tranchées du bord intérieur vers le bord extérieur.
- 6. Guide optique selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la différence entre les indices de réfraction du cœur et des tranchées est au moins égal à 0,2.
- 7. Guide optique selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la largeur des tranchées augmente progressivement dans la direction de propagation de la lumière jusqu'à atteindre une largeur seuil.
- 8. Guide optique selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la section d'entrée (10), la section de sortie (20) et la section de transition (30) présentent une même largeur.
- 9. Guide optique selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la section de transition (30) est une section rectiligne orientée selon la direction d'entrée (E),
- 10. Guide optique selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la section de transition (30) est une section courbe en arc de cercle dont le centre de courbure est du côté intérieur au virage.
- 11. Guide optique selon la revendication 10, dans lequel la section de transition comprend une pluralité de régions à pseudo-gradient d'indice.
- 12. Guide optique selon la revendication 10, dans lequel les tranchées sont courbées conformément à la courbure de la section de transition.
- 13. Guide optique selon la revendication 12, dans lequel les tranchées s'étendent tout le long de la section de transition.
- 14. Circuit photonique comportant un guide optique selon l'une des revendications 1 à 13.
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