FILTRE COMMANDABLE A COMMUTATION RAPIDE
La présente invention concerne un filtre commandable à commutation rapide, et s'applique en particulier aux composants DWDM (selon l'abréviation anglo-saxonne « Dense Wavelength Division
Multiplexing ») pour les réseaux denses de communication basés sur le multiplexage en longueurs d'onde optiques.
La technologie du multiplexage dense en longueurs d'onde (ou DWDM) consiste à injecter dans une même fibre optique plusieurs signaux optiques (ou canaux) de même fréquence de modulation mais de longueurs d'onde différentes. La figure 1 représente un schéma d'un exemple de réseau WDM en anneau avec plusieurs canaux notés CANi, CAN2, CAN3, CAN4 et correspondant chacun à une longueur d'onde. Un des avantages de cette technologie réside dans sa flexibilité, c'est-à-dire la possibilité pour l'opérateur d'ajouter, ou de retirer, une longueur d'onde dans le flux DWDM en fonction des besoins. Cette flexibilité est assurée notamment par des composants appelés multiplexeurs à insertion/extraction de longueurs d'ondes (ou « OADM » selon l'expression anglo-saxonne « Optical Add-drop Multiplexer »). Sur le réseau WDM de la figure 1 , ces composants, notés respectivement OADM-i, OADM , OADM3) et OADM4 représentent des nœuds de routage du réseau optique qui permettent par exemple d'extraire certaines longueurs d'onde de la fibre et de laisser passer d'autres longueurs d'onde. Parmi les composants OADM les plus sélectifs, on peut citer les composants comprenant des filtres de type réseaux de Bragg inscrits dans le • cœur de la fibre. Généré via un procédé laser créant une modulation d'indice de réfraction directement dans la silice constituant le cœur de la fibre optique, le réseau de Bragg agit comme un miroir sélectif qui réfléchit une longueur d'onde déterminée par les caractéristiques du réseau alors que les autres longueurs d'onde du peigne continuent leur propagation dans la fibre optique. Le réseau de Bragg peut filtrer des canaux distincts de 50 GHz, le rendant adapté au multiplexage dense.
Outre leur efficacité et leur sélectivité, les composants OADM nécessitent de pouvoir modifier à tout moment les longueurs d'onde extraites et/ou insérées afin d'obtenir un réseau flexible et reconfigurable. Ce contrôle se fait dans les réseaux de Bragg thermiquement, ou mécaniquement, en générant par un dispositif piézoélectrique une modification de l'épaisseur
optique des strates du réseau, qui entraîne un décalage de la bande passante du filtre en dehors du peigne de longueurs d'onde à transmettre. Cependant, la commutation contrôlée mécaniquement ou thermiquement dans les filtres de type réseaux de Bragg de l'art antérieur n'est pas toujours ni assez rapide ni assez précise en positionnement de longueur d'onde, ce qui se traduit par un risque d'atténuation non contrôlée de la longueur d'onde que l'on veut transmettre. D'autre part, des phénomènes d'hystérésis dans le contrôle mécanique ou thermique peuvent entraîner des dérives dans le fonctionnement du filtre. L'invention propose un filtre commandable à commutation rapide et de grande précision, basé sur l'utilisation d'une matrice de polymère électro-optique commandée par l'application d'une tension électrique.
Plus précisément, l'invention propose un filtre commandable à commutation rapide tel que décrit dans la revendication 1. Selon un exemple de réalisation, la matrice de polymère est formée de deux parties jointes avec dans chacune d'elle une structure périodique permanente formée d'un réseau d'indice préenregistré, formant ainsi deux miroirs sélectifs de Bragg, diffractifs dans une bande spectrale donnée contenant la longueur d'onde de filtrage λ0, l'une des parties présentant un effet électro-optique. Les moyens de commande permettent la commutation du filtre à la longueur d'onde de filtrage par génération d'une variation d'indice dans la partie électro-optique entraînant un déphasage en réflexion à la longueur d'onde entre les deux structures périodiques. En ajustant la valeur du déphasage, la matrice devient par exemple sélectivement transparente à cette longueur d'onde.
Les différents exemples de réalisation de filtres commandables selon l'invention constituent des solutions pour réaliser des multiplexeurs actifs à extraction/insertion de longueurs d'onde réalisant une fonction de filtrage à taux d'extinction contrôlable, ajustés par simple application d'une tension électrique, ce qui permet de réfléchir entièrement ou partiellement, mais de manière contrôlée, une longueur d'onde ou de la laisser passer sans perte.
L'effet électro-optique est avantageusement obtenu grâce au dopage d'une matrice de polymère avec des chromophores orientés.
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures annexées qui représentent :
- La figure 1 , le schéma d'un réseau WDM en anneau (déjà décrite) ;
- Les figures 2A, 2B et 2C, les schémas d'un exemple de réalisation d'un filtre commandable selon l'invention, selon différents modes de fonctionnement.
Un exemple de réalisation d'un filtre selon l'invention est illustré par les figures 2A à 2C. Selon cet exemple, le filtre commandable 60 selon l'invention comprend une matrice de polymère 61 photosensible formée de deux parties jointes 62, 63. Chaque partie comprend une structure périodique permanente formée d'un réseau d'indice préenregistré, les deux parties formant ainsi deux miroirs sélectifs de Bragg (respectivement Bi et B2) dans une bande spectrale BS donnée comprenant les longueurs d'onde λi à λn à transmettre, et centrés autour d'une longueur d'onde de résonance λ0 pour un angle d'incidence θo par rapport à la normale à la structure périodique du réseau. L'angle θ0 est défini par rapport à la normale (n sur la figure 2A) aux strates du réseau. Avantageusement, la bande spectrale des miroirs sera plus large que la bande de longueurs d'onde à traiter de manière à réduire la dispersion chromatique dans la bande λi à λn. Les miroirs sélectifs de Bragg peuvent être enregistrés par holographie dans un montage de type ondes contra-propagatives. Avantageusement, les deux miroirs de Bragg présentent des caractéristiques sensiblement identiques. Ils peuvent être agencés de façon jointive ou séparés d'un espace ou d'une couche d'un matériau donné comme cela sera expliqué dans la suite.
Une des deux parties de la matrice de polymère (notée 62 sur les figures 2A à 2C) présente, selon l'invention, un effet électro-optique. Il s'agit avantageusement d'un polymère dopé dans lequel un miroir de Bragg permanent a été photo-inscrit et dont la variation d'indice moyen est de l'ordre de quelques 10"3. Par exemple, le matériau de base est un polymère photosensible à très forte variation d'indice photo induite, typiquement δn de l'ordre de 5 10"2 (par exemple un polymère de type Dupont de Nemours pour holographie). Il s'agit par exemple d'un polymère dopé avec des chromophores dont l'orientation est imposée par l'application préalable d'un
champ électrique (et symbolisée par des flèches sur les figure 2A et 2B). La présence simultanée d'un champ électrique et d'un éclairement UV permet de stabiliser de façon permanente les chromophores. Les matériaux polymères ont déjà démontré, depuis les études menées dans les années 90, leur potentiel pour réaliser des dispositifs électro-optiques qui présentent des coefficients électro-optiques comparables aux meilleurs cristaux, tels que LiNb03, avec une technologie bas coût sur substrat de grande dimension. Les travaux récents effectués sur ces matériaux ont permis d'améliorer de façon significative la stabilité dans le temps de ce type de matériaux. Ainsi, un exemple de réalisation est donné dans l'article « Electro-Optic polymer modulators for 1 ,55 μm wavelength using phenyltetraene bridged chromophore in polycarbonate » (Applied Physics Letters, Vol.76, N°24, juin 2000, pages 3525-3527), qui décrit la fabrication d'un polymère dopé présentant un effet électro-optique à 1 ,55 μm particulièrement intéressant. Selon l'invention, le filtre comprend des moyens d'application 64 d'une tension électrique V sur ladite partie électro-optique 62 de la matrice. Dans l'exemple décrit, le filtre est réalisé en propagation libre et les moyens 64 sont formés de deux électrodes surfaciques transparentes, par exemple en ITO (oxyde d'Etain) dont la stœchiométrie est ajustée pour optimiser la transparence dans la bande de longueurs d'onde λ à λπ. Il comprend en outre des moyens de commande de la tension (non représentés) permettant la commutation du filtre à la longueur d'onde de résonance λ0 par génération d'une variation d'indice induite par effet électro-optique dans la partie 62 présentant un effet électro-optique. En fonction de la tension appliquée, on obtient un coefficient d'atténuation variable à la longueur d'onde de filtrage (λ0). Si la tension appliquée est calculée pour entraîner un déphasage de π en réflexion à la longueur d'onde de résonance entre les deux structures périodiques, les deux miroirs de Bragg Bi et B2 se trouvent alors en opposition de phase. La matrice 61 devient alors sélectivement transparente à la longueur d'onde de résonance. Le traitement théorique détaillé des propriétés de transparence sélective de deux réseaux de Bragg ainsi disposés est traité par exemple dans l'article de M.A.Rodriguez et al. (« Transmission properties of refractive index-shifted bragg gratings », Opt. Comm. 177 (2000), pages 251 -257).
Les figures 2A à 2C illustrent ainsi le fonctionnement selon un exemple d'un filtre fonctionnant en commutation avec extinction à la longueur d'onde λ0 tel que décrit ci-dessus, appliqué à un composant OADM dans un réseau DWDM. Le filtre tel que décrit présente l'avantage de pouvoir réaliser une commutation par simple application d'une tension électrique, en mode insertion ou extraction de longueur d'onde, avec un temps de commutation très court.
Les deux miroirs de Bragg B , B2 sont par exemple jointifs de telle sorte qu'ils forment une structure diffractive centrée sur la longueur d'onde de résonance λ0. A tension nulle appliquée (figure 2B), la matrice de polymère se comporte ainsi comme un miroir pour toutes les longueurs d'onde λi à λn de la bande spectrale BS (typiquement, 50 à 60 nm).
La figure 2A illustre le fonctionnement du filtre en extraction de longueur d'onde. Un ensemble de signaux aux longueurs d'onde λi à λ
n compris dans la bande spectrale des filtres Bi et B
2 est incident sur le filtre 60. Lorsqu'une tension égale à une tension caractéristique
est appliquée sur la partie 62 électro-optique de la matrice 61 , il apparaît un déphasage de π/2 en transmission (soit un déphasage de π en réflexion) à la longueur d'onde λ
0 entre les deux réseaux de Bragg B-i et B
2. Il en résulte, comme cela a été décrit précédemment, que l'amplitude de l'onde réfléchie à la longueur d'onde de résonance s'annule sensiblement, le signal à λ
0 étant alors transmis par la structure du filtre 60, tandis que les autres signaux aux longueurs d'onde λj différentes de λ
0 sont réfléchis. En ajustant la tension appliquée, on peut contrôler le taux d'extinction à la longueur d'onde de résonance.
La figure 2C illustre le fonctionnement du filtre en insertion de longueur d'onde. Un ensemble de signaux aux longueurs d'onde λi à λn à l'exception du signal à la longueur d'onde de résonance λ0 est incident sur l'une des faces du filtre 60. Le signal à la longueur d'onde de résonance est incident sur l'autre face du filtre 60 de telle sorte que lorsqu'une tension V=Vτt/2 est appliquée sur la partie 62 électro-optique de la matrice 61 , le signal à λ0 est intégralement transmis par la structure du filtre 60 dans la direction des autres longueurs d'onde.
Le filtre peut également être conçu pour présenter un fonctionnement inverse, à savoir réfléchir l'ensemble des longueurs d'onde
sous tension et laisser passer la longueur d'onde de filtrage λ0 en l'absence de tension (V = 0). Pour cela, une couche d'un matériau (par exemple le polymère utilisé pour réaliser la matrice) d'épaisseur et d'indice choisis pour réaliser un déphasage de (2k+1)π (avec k entier) à la longueur d'onde λo pourra être introduite entre les deux miroirs. Ainsi, lorsqu'une tension V=V„/2 est appliquée sur la partie électro-optique, le filtre réfléchira l'ensemble des longueurs d'onde.
Par rapport aux solutions existantes, le filtre selon l'invention permet de diminuer le taux de lumière parasite dans la longueur d'onde de filtrage et d'accroître la réjection des canaux adjacents. En effet, ces paramètres sont essentiellement liés à la qualité des miroirs enregistrés.
Par ailleurs, du fait de la séparation spatiale des longueurs d'onde, le filtre ainsi décrit présente en outre l'avantage de pouvoir être utilisé pour réaliser une fonction de commutation spatiale du faisceau, ce qui permet par exemple, dans l'application aux composants OADM pour réseaux DWDM de s'affranchir d'un composant optique supplémentaire de type circulateur permettant de séparer un signal à une longueur d'onde donnée circulant dans un sens contraire au sens de circulation des signaux aux autres longueurs d'onde. Le filtre en longueur d'onde permet ainsi d'obtenir un filtrage à longueur d'onde fixe (λ0) et à coefficient d'atténuation variable en fonction de la tension appliquée aux bornes du filtre. Outre la fonction de commutation décrite précédemment, d'autres applications sont envisageables. Par exemple, il est possible de réaliser une fonction d'égalisation dynamique de gain en sortie d'amplificateur fibre (par exemple fibre dopée Erbium) puisque le coefficient d'extinction est réglable par la tension de commande.