WO2004059356A2 - Reseau a gaine artificielle en optique integree presentant une variation de couplage ainsi que son procede de realisation - Google Patents

Reseau a gaine artificielle en optique integree presentant une variation de couplage ainsi que son procede de realisation Download PDF

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WO2004059356A2
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Definitions

  • the invention relates to an artificial sheath network in integrated optics, presenting a coupling variation as well as its production method.
  • ACG artificial cladding grating
  • the term “artificial cladding grating” (ACG) in English terminology is understood to mean an interaction zone produced in a substrate, this interaction zone comprising a core produced in the substrate, a sheath created artificially in the substrate independently of the heart and a network.
  • the network being able to couple the mode or modes of the core to one or more sheath modes and vice versa.
  • the invention finds applications in all fields requiring in particular spectral filtering. It applies in particular to the production of gain flatteners for optical amplifiers used for example in the field of telecommunications or also to the production of linear response filters with the wavelength on a spectral band defined for recognition spectral in particular for measuring spectral shifts from power variation for example in the field of sensors. In general, the invention applies particularly well to all systems requiring the use of spectral response filtering adapted to a determined need, this type of filtering generally requiring the development of an advanced filter.
  • optical networks are known in the field of optical fibers.
  • the optical cladding conventionally surrounds the core of the fiber and has a lower refractive index than that of the core to allow propagation of a light wave in the core.
  • the optical sheath allows mechanical maintenance of the heart.
  • the core of a fiber cannot exist without the sheath.
  • optical network produced in the fiber makes it possible to couple one or more modes guided in the core of a fiber to the sheath mode (s) of the fiber or vice versa.
  • This network is generally formed in the core of the fiber.
  • variable-size sheath uses laser insolation techniques, fiber stretching or chemical etching, weakening the final component.
  • FIG 1 there is shown in section in a plane containing the direction z of propagation of a light wave, such an optical fiber.
  • This fiber is composed of a core 9 and a sheath 11.
  • the sheath has a first narrowing zone 11a (called “typing” in English terminology) in which a network 13 is placed.
  • the shrinking of the sheath has for effect the variation of the effective index along the network which amounts to creating a "chirp" on the network, that is to say a variation of the resonance wavelength along the network.
  • the sheath then has a narrowed zone 11b but of constant section, then a widening linked zone making it possible to adapt the narrowed section of the sheath to the normal section thereof.
  • the modulation of the size of the sheath is obtained in this case by chemical attack or by fusion drawing of the fiber.
  • the object of the present invention is to propose an artificial sheath network in integrated optics, thus presenting a variation in coupling. as its production process.
  • the use of a sheath according to the invention making it possible to overcome the difficulties of the prior art by offering on the one hand more possibilities in the realization of this variation and on the other hand a structure which is not fragile.
  • One object of the invention is to provide an artificial sheath network, the optical sheath being independent of the guide core with which it is associated.
  • independence of the core and of the sheath it is meant that they can exist in a substrate independently of one another.
  • the heart can exist without the sheath and the sheath can exist without the heart.
  • the artificial sheath network in integrated optics of the invention comprises in a substrate an optical guide core, an optical sheath independent of the heart and surrounding at least a portion of the heart in an area of the substrate known as the interaction comprising a network capable of coupling at least one guided mode of the heart to at least one sheath mode or vice versa, said interaction zone comprising a coupling variation along the direction of propagation of the modes, the refractive index of the sheath being different from the refractive index of the substrate and lower than the refractive index of the heart at least in the part of the sheath close to the heart in the interaction zone.
  • the fundamental mode profile of the guide core has a maximum which is included in the index profile of the sheath.
  • the profile of the fundamental mode of the heart may be all or part included in the index profile of the sheath, which results in the structural level by a heart located anywhere in the sheath including at its periphery in which case the heart may be partly outside the sheath.
  • the coupling of the modes generated by the network has two main characteristics: the coupling wavelength and the coupling force. These characteristics are advantageously the variations of which are produced.
  • the variation in coupling along the direction of propagation of the modes can be a variation in the coupling force and / or in the coupling wavelength.
  • This variation is such that it makes it possible to obtain, at the output of the interaction zone in the sheath and / or in the core, the desired light spectra.
  • the variation in coupling of the artificial cladding network is obtained by modulating the section of the cladding in the interaction zone.
  • the variation in coupling of the artificial sheath network is obtained by a variation in the centering of the core with respect to the section of the sheath.
  • This coupling results in a transfer of energy between the guided mode of the core and the sheath mode (s) for the central wavelengths ⁇ j or vice versa.
  • the energy coupled in the modes of sheath is then guided in the sheath, the same reasoning can perhaps be made for the mode coupled in the heart.
  • - ds is an element of integration in a plane perpendicular to the direction of propagation of the modes.
  • the modification of K 0J is obtained by varying the profile of the modes and / or the index profile induced by the network, in other words by varying in particular the opto-geometric characteristics of the sheath.
  • the coupling force depends on the relative position in the plane transverse to the direction of propagation of the profiles of the cladding mode, of the guided mode in the core and of the network .
  • the parameters linked to the network being more difficult to control than those linked to the sheath, it is chosen to advantageously make a network with constant pattern in period and / or in amplitude and to play on the other coupling parameters such as the opto dimensions. -Geometric of the sheath and the decentering of the heart.
  • the coupling coefficient is generally not zero. In this case, it can be shown that a decentering of the heart with respect to the sheath changes little the value of K.
  • the realization of the artificial sheath network in integrated optics makes it possible to obtain the sheath advantageously by modifying the refractive index of the substrate, in particular by implantation or ion exchange. Therefore, the desired shape of the sheath can be obtained without etching or stretching as in the prior art, but for example with an appropriate pattern mask.
  • the sheath and the heart exist independently of each other in the substrate which is not the case in the prior art.
  • This independence allows more flexibility in the realization of the component of the invention and an easy integration of this component in a complex architecture.
  • the heart may no longer be located in the sheath outside of the interaction zones but only in the substrate which allows the optical isolation of the heart.
  • the sheath acts on the propagation of a light wave in the heart of the associated guide only in the part which surrounds the heart and the sheath can guide or convey light waves independently of the heart.
  • This independence between the heart and the sheath also makes it possible to create a greater number of combinations by varying not only the size of the sheath but also the position of the heart in the sheath.
  • the network according to the invention may include one or more elementary networks.
  • elementary network is meant a network of which all the structural parameters are constant.
  • the network can be produced by direct disturbance of the guide core, for example by segmenting the heart and / or by varying the section of the heart.
  • the network can also be obtained by an indirect disturbance of the core, such as the etching on the surface of the substrate, the segmentation of the sheath and / or the variation in section of the sheath.
  • networks of the apodized or chirped networks type can thus be easily produced.
  • the substrate can of course be produced by a single material or by the superposition of several layers of materials.
  • the index of. sheath refraction is different from the refractive index of the substrate at least as regards the neighboring layers of the sheath.
  • the sheath has a higher refractive index than that of the substrate.
  • the guide may be a planar guide, when the confinement of light is in a plane containing the direction of propagation of light or a microguide, when the confinement of light is carried out in two directions transverse to the direction of light propagation.
  • a light wave introduced into the heart of an artificial sheath network is filtered in said zone.
  • one or more guided modes of the light wave introduced into the heart are coupled in the area of interaction by the network, to one or more modes of the sheath associated with this area, for the wavelengths ⁇ j defined. in relation (1).
  • the coupled part of the light wave in the sheath mode or modes may or may not be recovered at the outlet of the sheath and the uncoupled part of the wave continues to be conveyed by the heart at the outlet of the interaction zone .
  • Said heart can be connected to an optical component. The same reasoning can be made when the light wave is introduced into the sheath.
  • the artificial sheath network of the invention applies in particular to the production of a gain flattener.
  • the coupling variation must be such that a light wave comprising several spectral bands of different amplitude, after passing through said interaction zone is transformed into a light wave whose spectral bands all present substantially the same amplitude.
  • spectral band is meant a band having a set of wavelengths with a determined central wavelength and bandwidth, a light wave may include one or more spectral bands.
  • the artificial sheath network of the invention also applies in particular to the production of a linear filter.
  • a linear filter is a filtering component whose spectral transfer function is linear with respect to the wavelength.
  • the use of such a component allows for example to stabilize a laser source in frequency.
  • the slightest spectral shift in one direction or another of the spectrum then results in a decrease or an increase in the output signal.
  • the sheath and / or the core of the guide and / or the network can be produced by any type of technique making it possible to modify the refractive index of the substrate. Mention may in particular be made of ion exchange techniques, ion implantation and / or radiation, for example by laser exposure or laser photo-inscription (radiation producing local heating) or even the deposition of layers.
  • the technology by ion exchange in glass is particularly advantageous but other substrates than glass can of course be used such as for example crystalline substrates of the KTP or LiNb0 3 type , or else LiTa0 3 .
  • the network can be produced by all the techniques making it possible to change the effective index of the substrate. To the techniques mentioned above, it is therefore possible to add in particular the techniques for producing networks by etching the substrate. This etching can be performed above the sheath or in the sheath portion of the interaction zone and / or in the core portion of the interaction zone.
  • the pattern of the network can be obtained either by laser scanning in the case of the use of radiation, or by a mask.
  • the latter can be the mask which makes it possible to obtain the heart and / or the sheath or a specific mask for the realization of the network.
  • the invention also relates to a method for producing an artificial sheath network as defined above, the sheath, the core of the guide and the network being produced respectively by a modification of the refractive index of the substrate so that '' at least in the part of the sheath close to the heart and at least in the interaction zone, the refractive index of the sheath is different from the refractive index of the substrate and lower than the refractive index of the heart and so that the interaction zone has a variation in coupling along the mode propagation direction.
  • the method of the invention comprises the following steps: a) introduction of a first ionic species into the substrate so as to allow the optical sheath to be obtained after step c), b) introduction of a second ionic species into the substrate so as to allow the core of the guide to be obtained after step c), c) burial of the ions introduced in steps a) and b) so as to obtain the sheath and the core of the guide, d) creation of the network.
  • the order of the steps can of course be reversed.
  • the introduction of the first and / or the second ionic species is carried out in a way advantageous by ion exchange, or by ion implantation.
  • the first and second ionic species can be the same or they can be different.
  • the introduction of the first ionic species and / or the introduction of the second ionic species can be carried out with the application of an electric field.
  • the substrate In the case of an ion exchange, the substrate must contain ionic species capable of being exchanged.
  • the substrate is glass and contains Na + ions previously introduced, the first and second ionic species are Ag + and / or + ions.
  • step a) comprises the production of a first mask comprising a pattern suitable for obtaining the sheath, the introduction of the first ionic species being carried out through this first mask and the step b) comprises the elimination of the first mask and the production of a second mask comprising a pattern suitable for obtaining the heart, the introduction of the second ionic species being carried out through this second mask.
  • the masks used in the invention are for example aluminum, chromium, alumina or dielectric material.
  • step c) the first ion species is buried at least partially before step b) and the burial of the second ionic species is carried out at least partially after step b).
  • step c) the burial of the first ionic species and the burial of the second ionic species are carried out simultaneously after step b).
  • the burial comprises a deposition of at least one layer of material with a refractive index advantageously lower than that of the sheath, on the surface of the substrate.
  • This mode can of course be combined with the two previous modes.
  • At least part of the burial is carried out with the application of an electric field.
  • the method of the invention may also include burial by rediffusion in an ion bath.
  • This re-diffusion step can be carried out partly before step b) to rebroadcast the ions of the first ionic species and partly after step b) to rebroadcast the ions of the first and second ionic species.
  • This replay step can also be carried out entirely after step b) to replay the ions of the first and second ionic species.
  • this re-diffusion is obtained by immersing the substrate in a bath containing the same ionic species as that previously contained in the substrate.
  • step d) of making the network can be implemented independently of steps a) and b) or be carried out simultaneously during step a) and / or step b).
  • FIG. 1 represents schematically, a network produced in an optical fiber, the optical sheath comprising a variation in section
  • FIG. 2 schematically represents in section, a first example of an artificial sheath network according to invention in which the section of the sheath varies discontinuously as well as the centering of the heart in the sheath
  • FIG. 3 schematically shows in section, a second example of an artificial sheath network according to the invention, in which only the section of the sheath varies and continuously
  • Figure 4 schematically shows in section, a third example of an artificial sheath network according to the invention, in which only the centering of the heart in the sheath varies and continuously
  • FIG. 2 schematically represents in section, a first example of an artificial sheath network according to invention in which the section of the sheath varies discontinuously as well as the centering of the heart in the sheath
  • FIG. 3 schematically shows in section, a second example of an artificial sheath network according to the invention, in which only the section of the sheath
  • FIG. 5 schematically shows in section, a fourth example of an artificial sheath network according to the invention, in which the section of the sheath as well as the centering of the heart in the sheath vary continuously
  • Figure 6 shows schematically in section, another example of an artificial sheath network according to the invention, in which also only the centering of the heart in the sheath varies continuously
  • Figures 7a to 7d schematically illustrate in section a example of a method for producing an artificial sheath network according to the invention
  • Figures 8a to 8d schematically illustrate alternative embodiments of the mask pattern making it possible to obtain a network
  • Figure 9 shows in section a variant of production of an artificial sheath network according to the invention having a network in the sheath.
  • FIG. 2 schematically shows in section, a first example of an artificial sheath network according to the invention in which the section of the sheath varies as well as the centering of the heart in the sheath.
  • This section is made in a plane parallel to the surface of the substrate and containing the direction z of propagation of the light wave in the heart.
  • the optical cladding 3 is independent of the heart and surrounds part of the heart in an area of the substrate called interaction area II comprising the network 19.
  • the sheath is made up of 4 parts referenced respectively 3a, 3b, 3c, 3d called elementary sheaths which are put in series. These elementary sheaths have different sizes and positions from their center to the heart of the 5 guide, different.
  • the core of the guide 2 and the network 19 are uniform all along the interaction zone, only the shape of the sheath and its position relative to the core evolve. This evolution is done in stages thanks to the existing differences
  • This type of artificial cladding network can be used for example to perform a filtering which is particularly suitable for producing a gain flattener
  • FIG 3 is shown in the substrate 20, a sheath 31, a guide core 21 and a network 41 formed in this example in the core.
  • the interaction zone 12 corresponds to the zone of the substrate which simultaneously comprises the sheath, the core and the network.
  • the variation in coupling along the direction z of propagation of a light wave in the heart is obtained in this example by a variation of the section of the sheath in this direction. More precisely, the width of the sheath, considered in the plane of the figure, decreases from a maximum value at the end 31a of the sheath, to a minimum value at the other end 31b of the latter.
  • This variation in the width of the sheath can be defined along the pattern of the network according to a continuously variable function.
  • the coupling wavelength is also continuously variable (chirp effect) along the network.
  • FIG. 4 shows an example of an artificial sheath network in which the variation of the coupling is obtained by a decentering of the sheath relative to the core, the section of the sheath being constant.
  • an optical sheath 32 we find in the substrate 20, an optical sheath 32, a guide core 22 and a network 42.
  • the interaction zone formed from these 3 elements is referenced 13.
  • the shape of the sheath is such that its axis of symmetry 15 in the plane of the figure, is off-center at the center of the sheath, relative to the direction z, corresponding to the axis of symmetry of the heart 22; the two ends 32a and 32b of the sheath, on the other hand, are gradually refocused in this direction z (in other words at the ends of the sheath, the axis 15 and the direction z are combined) so as to reduce the coupling coefficient.
  • the artificial sheath network of the invention excites a non-symmetrical profile mode; it corresponds to an apodized type network.
  • this type of component is characterized by a network whose coupling efficiency decreases slowly at its ends. So there is no discontinuous phenomenon in the coupling and the spectral response of the filter has much weaker secondary lobes than in the case of a standard network.
  • FIG. 5 represents an example of an artificial cladding network according to the invention, the coupling variation of which is obtained by varying both the size and the position of the cladding relative to the heart, along the network.
  • the substrate 20 includes a guide core 23, an artificial sheath 33 which surrounds the heart in an interaction zone 14 and a network 43 formed in the heart 23 in the interaction zone 14.
  • the sheath has a variable section which narrows from its end 33a to its end 33b.
  • the axis of symmetry 16 of the sheath in the plane of the figure is not coincident or parallel to the direction z of propagation in the core which is linear in the interaction zone.
  • the axis 16 and the direction z intersect in the interaction zone so that the sheath has a variable offset in said zone relative to the core.
  • FIG. 6 illustrates an exemplary embodiment of this type.
  • This figure is a schematic section in a plane parallel to the surface of the substrate and containing the direction z of propagation.
  • the axis of symmetry of the sheath in the plane of the figure is coincident with the direction z of propagation while the axis of the core 54 is in this particular case coincident with the direction z only in its part not containing not the network.
  • This axis 54 is distinct from the direction z in its part containing the network.
  • the various embodiments of artificial sheath networks described above can of course be combined with one another.
  • the network is inscribed in the core of the guide but it can of course be inscribed in the sheath and / or in the core or even in the substrate.
  • FIGS. 7a to 7d illustrate an example of a method for producing an artificial sheath network according to the invention, using ion exchange technology. These figures are sections in a plane perpendicular to the surface of the substrate and perpendicular to the direction z of propagation and containing an interaction zone, for example the interaction zone II containing the elementary sheath 3d of FIG. 2.
  • a first mask 61 is produced for example by photolithography on one of the faces of the substrate; this mask has an opening determined according to the shape and dimensions (width, length) of the sheath 3 that it is desired to obtain.
  • a first ion exchange is then carried out between ions A and ions B contained in the substrate, in a zone of the substrate located in the vicinity of the opening of the mask 61.
  • This exchange is obtained for example by dipping the substrate provided with the mask in a bath containing ions A and possibly applying an electric field between the face of the substrate on which the mask is placed and the opposite face.
  • the area of the substrate in which this ion exchange was carried out forms the sheath, which, as we have seen previously, may be non-uniform in size, in shape and / or have a variable centering.
  • a step of re-diffusing the A ions can be carried out with or without the assistance of an electric field applied as above.
  • Figure 7b shows the sheath after a partial burial step thereof.
  • the mask 61 is generally removed before this step.
  • the production of the sheath according to the invention is therefore similar to the production of a guide core but with different dimensions.
  • the next step shown in FIG. 7c consists in forming a new mask 65 on the substrate, for example by photolithography after optionally cleaning the face of the substrate on which it is produced.
  • This mask comprises patterns capable of allowing the production of a guide core 19 and in particular when the heart comprises a network, the patterns of the mask 65 can be adapted to the patterns of the network to be formed.
  • FIG. 7d illustrates the component obtained after burial of the core 19 obtained by re-diffusion of the C ions and final burial of the sheath, with or without the assistance of an electric field.
  • the mask 65 is generally removed before this burial step.
  • the conditions of the first and second ion exchanges are defined so as to obtain the desired differences in refractive indices between the substrate, the cladding and the core. The parameters for adjusting these differences are in particular the exchange time, the bath temperature, the ion concentration in the bath and the presence or absence of an electric field.
  • the substrate 20 is glass containing Na + ions
  • the mask 61 is made of aluminum.
  • the first ion exchange is carried out with a bath comprising Ag + ions at approximately 20% concentration, at a temperature of approximately 330 ° C. and for an exchange time of approximately 5 minutes.
  • a re-diffusion of the ions takes place first in the open air at a temperature of approximately 330 ° C. and for 30 s, then a partial burial of the sheath thus formed in the glass is carried out.
  • This burial is carried out by re-diffusion in a sodium bath at a temperature of around 260 ° C. the duration of this step depends on the desired burial depth for the final component. Thus for a surface component a duration of approximately 3 minutes is sufficient whereas for a buried component we will rather choose a duration of approximately 20 minutes.
  • a current of 20 mA is thus applied between two sodium baths on either side of the wafer at a temperature of 260 ° C and for 10 minutes.
  • the mask 65 is also made of aluminum.
  • the second ion exchange is carried out with a bath comprising also Ag + ions at approximately 20% concentration, at a temperature of approximately 330 ° C. and during an exchange time of approximately 5 minutes, a re-diffusion of the ions at any point. 'first place in the open air at a temperature of about 330 ° C and for 30s.
  • a partial burial of the heart thus formed in the glass is carried out by a re-diffusion in a sodium bath at a temperature of approximately 260 ° C. and for 3 min. For a buried component, this step is not necessary.
  • the final burial of the sheath and of the core is done under an electric field, the two opposite faces of the substrate being in contact with two baths (in this example sodium) capable of making it possible to apply a potential difference between these two baths.
  • two baths in this example sodium
  • the steps of burying the sheath and the heart can be carried out as described previously during 2 successive steps but they can also be carried out in certain cases simultaneously, the heart having an ionic concentration higher than that of the sheath, it is buried faster than the sheath, this which also allows possible centering of the heart in the sheath.
  • the difference in concentration between the core and the sheath is generally obtained either by a re-diffusion in a bath, of the ions forming the sheath, or by a difference in concentration of the ions introduced in steps a) and b).
  • a variant of the method would consist in depositing on the substrate 20, a layer of material 68, shown in dotted lines in FIG. 7d.
  • This material to allow optical guidance must advantageously have a refractive index lower than that of the sheath.
  • the production of the component according to the invention is not limited to the ion exchange technique.
  • the component of the invention can of course be produced by any technique which makes it possible to modify the refractive index of the substrate.
  • the period, the size, the position of the network produced, with respect to the core and the cladding are parameters which can be adapted according to the applications.
  • the pattern of the network can be defined on the mask allowing the production of the sheath and / or on the mask allowing the production of the core or even on a specific mask for the production only of the network.
  • FIGS. 8a to 8d illustrate exemplary embodiments of masks Ml, M2, M3, M4 allowing to get a network. These figures are top views of the masks and represent only the part of the masks used to obtain the network. The white areas of the mask pattern correspond to the openings of the latter.
  • the masks M1 and M4 make it possible to obtain a network by segmentation while the masks M2 and M3 make it possible to obtain a network by varying the width of the patterns.
  • These masks can for example be specific masks for producing the network in the core and / or in the sheath or else in the substrate or part of the masks enabling the core and / or the sheath to be obtained, the network being produced. then at the same time as the heart and / or the sheath.
  • Figures 2 to 6 previously described illustrate examples of a network formed in the heart of the guide.
  • FIG. 9 illustrates an exemplary embodiment of a network with an artificial sheath according to the invention, the network of which is produced by segmenting the sheath 35.
  • the network is formed in the sheath by an alternation of period de, of zones 46 with a different refractive index than the rest of the cladding.
  • These zones 46 have a variable length considered in the direction z of propagation of a light wave in the heart 25.
  • the width of the sheath considered in a direction perpendicular to the z direction is also variable to obtain a variable coupling.
  • the heart as in the previous examples crosses the sheath, the network therefore being also inscribed in the heart, in other words the heart also includes zones of refractive index different from that of the rest of the heart.
  • the networks can be formed by all the conventional techniques making it possible to locally modify the effective index of the substrate in the core and / or in the sheath.
  • the networks can therefore be carried out during ionic exchanges making it possible to produce the core and / or the sheath or during a specific ionic exchange. They can also be obtained by etching the substrate at the level of the interaction zone or by radiation.
  • the networks can be obtained by insolation of the heart and / or of the cladding with a C0 2 type laser. The laser, by producing localized heating, makes it possible to locally diffuse ions and thus inscribe the pattern of the networks.
  • the substrate can be scanned with a laser beam modulated, for example in amplitude, so as to introduce a modulation of the network at the desired step.

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Abstract

L'invention concerne un réseau à gaine artificielle en optique intégrée comportant dans un substrat (20) un coeur de guide optique (2), une gaine optique (3, 3a, 3b, 3c, 3d) indépendante du coeur et entourant au moins une portion du coeur dans une zone du substrat dite zone d'interaction (Il) comprenant un réseau (19) apte à coupler au moins un mode guidé du coeur à au moins un mode de gaine ou inversement, ladite zone d'interaction comportant une variation de couplage le long de la direction de propagation z des modes, l'indice de réfraction de la gaine étant différent de l'indice de réfraction du substrat et inférieur à l'indice de réfraction du cour au moins dans la partie de la gaine voisine du cour dans la zone d'interaction.

Description

RESEAU A GAINE ARTIFICIELLE EN OPTIQUE INTEGREE
PRESENTANT UNE VARIATION DE COUPLAGE AINSI QUE SON
PROCEDE DE REALISATION
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un réseau à gaine artificielle en optique intégrée, présentant une variation de couplage ainsi que son procédé de réalisation.
On entend par réseau à gaine artificielle ou "artificial cladding grating" (ACG) en terminologie anglo-saxonne une zone d'interaction réalisée dans un substrat, cette zone d'interaction comprenant un cœur réalisé dans le substrat, une gaine créée artificiellement dans le substrat indépendamment du cœur et un réseau. Le réseau étant apte à coupler le ou les modes du cœur à un ou des modes de gaine et inversement . L'invention trouve des applications dans tous les domaines nécessitant notamment un filtrage spectrale. Elle s'applique en particulier à la réalisation d' aplatisseurs de gain pour les amplificateurs optiques utilisés par exemple dans le domaine des télécommunications ou encore à la réalisation de filtres de réponse linéaire avec la longueur d'onde sur une bande spectrale définie pour la reconnaissance spectrale notamment pour mesurer des décalages spectraux à partir de variation de puissance par exemple dans le domaine des capteurs. D'une manière générale, l'invention s'applique particulièrement bien à tous les systèmes nécessitant l'emploi d'un filtrage de réponse spectrale adapté à un besoin déterminé, ce type de filtrage nécessitant généralement le développement d'un filtre évolué .
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
L'utilisation de réseaux optiques est connue dans le domaine des fibres optiques.
Dans ce domaine, la gaine optique entoure classiquement le cœur de la fibre et présente un indice de réfraction inférieur à celui du cœur pour permettre la propagation d'une onde lumineuse dans le cœur. Conjointement, la gaine optique permet le maintien mécanique du cœur. Le cœur d'une fibre ne peut exister sans la gaine.
Par ailleurs, le réseau optique réalisé dans la fibre permet de coupler un ou des modes guidés dans le cœur d'une fibre vers le ou les modes de gaine de la fibre ou inversement. Ce réseau est en général formé dans le cœur de la fibre.
Pour faire varier le couplage de ce type de réseau, il est connu de modifier la taille de la gaine pour modifier l'indice effectif du ou des modes guidés. On peut se reporter par exemple au brevet US 5 420 948
Cependant, la réalisation d'une gaine à taille variable est complexe. Elle fait appel en particulier à des techniques d'insolation laser, d'êtirement de la fibre ou de gravure chimique, fragilisant le composant final.
Sur la figure 1, on montre en coupe dans un plan contenant la direction z de propagation d'une onde lumineuse, une telle fibre optique. Cette fibre est composée d'un cœur 9 et d'une gaine 11. La gaine présente une première zone de rétrécissement lia (appelée "taper" en terminologie anglo-saxonne) dans laquelle est placé un réseau 13. Le rétrécissement de la gaine a pour effet la variation de l'indice effectif le long du réseau ce qui revient à créer un "chirp" sur le réseau c'est-à-dire une variation de la longueur d'onde de résonance le long du réseau.
La gaine présente ensuite une zone 11b rétrécie mais de section constante, puis une zone lie d'élargissement permettant d'adapter la section rétrécie de la gaine à la section normale de celle-ci.
La modulation de la taille de la gaine est obtenue dans ce cas de figure par attaque chimique ou par fusion étirage de la fibre.
En plus des difficultés mécaniques, le cœur d'une fibre ne pouvant exister sans la gaine optique, cette dépendance limite les possibilités de paramétrage de la gaine, des réseaux et les solutions de conceptions, d'architecture et d'intégration des réseaux dans des systèmes complexes .
EXPOSE DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de proposer un réseau à gaine artificielle en optique intégrée, présentant une variation de couplage ainsi que son procédé de réalisation. L'utilisation d'une gaine selon l'invention permettant de pallier les difficultés de l'art antérieur en offrant d'une part plus de possibilités dans la réalisation de cette variation et d'autre part une structure qui ne soit pas fragile.
Un but de 1 ' invention est de proposer un réseau à gaine artificielle, la gaine optique étant indépendante du cœur de guide auquel elle est associée. On entend par indépendance du cœur et de la gaine, le fait qu' ils peuvent exister dans un substrat indépendamment l'un de l'autre. Autrement dit, le cœur peut exister sans la gaine et la gaine peut exister sans le cœur. De façon plus précise, le réseau à gaine artificielle en optique intégrée de l'invention comporte dans un substrat un cœur de guide optique, une gaine optique indépendante du cœur et entourant au moins une portion du cœur dans une zone du substrat dite zone d'interaction comprenant un réseau apte à coupler au moins un mode guidé du cœur à au moins un mode de gaine ou inversement, ladite zone d'interaction comportant une variation de couplage le long de la direction de propagation des modes, l'indice de réfraction de la gaine étant différent de l'indice de réfraction du substrat et inférieur à l'indice de réfraction du cœur au moins dans la partie de la gaine voisine du cœur dans la zone d'interaction.
On entend par entourer le fait que le profil de mode fondamental du cœur du guide présente un maximum qui est inclus dans le profil d'indice de la gaine. Ainsi le profil du mode fondamental du cœur peut-être tout ou parti inclus dans le profil d'indice de la gaine ce qui se traduit au niveau structurel par un cœur situé n' importe où dans la gaine y compris à sa périphérie auquel cas le cœur peut-être en partie à l'extérieur de la gaine.
Le couplage des modes générés par le réseau a deux caractéristiques principales : la longueur d'onde de couplage et la force de couplage. Ce sont avantageusement ces caractéristiques dont on réalise les variations.
Ainsi, selon l'invention, la variation de couplage le long de la direction de propagation des modes peut être une variation de la force de couplage et/ou de la longueur d'onde de couplage. Cette variation est telle qu'elle permet l'obtention en sortie de la zone d' interaction dans la gaine et/ou dans le cœur, des spectres lumineux recherchés.
Cette variation de couplage permet ainsi d'utiliser le réseau à gaine artificielle de l'invention dans un grand nombre de composants, compte tenu du fait que le couplage peut-être ainsi adapté à l'application désirée.
Différents modes de réalisation de cette variation qui peuvent-être combinés entre-eux sont envisageables .
Selon un premier mode de réalisation, la variation de couplage du réseau à gaine artificielle est obtenue par une modulation de la section de la gaine dans la zone d'interaction. Selon un deuxième mode de réalisation, la variation de couplage du réseau à gaine artificielle est obtenue par une variation du centrage du cœur par rapport à la section de la gaine. On peut en effet jouer sur la position relative du cœur par rapport à la gaine ou de la gaine par rapport au cœur.
Le couplage par un réseau entre différents modes a lieu pour des longueurs d'onde déterminées λj définies par la relation connue suivante :
λ. =Λ x (nn -n.) (1) avec
— n0 l'indice effectif du mode guidé 0 dans le coeur, — nj l'indice effectif du mode de gaine numéro
Figure imgf000008_0001
— λj la longueur d'onde de résonance pour le couplage au mode j ,
— Λ la période du réseau.
Ce couplage se traduit par un transfert d'énergie entre le mode guidé du coeur et le ou les modes de gaine pour les longueurs d'ondes centrales λj ou inversement. L'énergie couplée dans les modes de gaine est ensuite guidée dans la gaine, le même raisonnement peut-être fait pour le mode couplé dans le coeur.
La modification de λj passe donc par le paramétrage de Λ et/ou de la répartition des indices effectifs des différents modes. Par ailleurs, l'efficacité du couplage entre les modes dépend de la longueur du réseau et du coefficient de couplage KQJ entre les modes 0 et j . Ce coefficient est donné par l'intégrale de recouvrement spatiale des modes 0 et j , pondérée par le profil d'indice induite par le réseau. On a ainsi une relation du type :
0J - JJξ0.ξj.ΔΔnJ (2)
avec
- ξ0 et ξ les profils transversaux des modes 0 et j et ξj le conjugué complexe de ξ ,
- Δn l'amplitude de la modulation d'indice effectif induite par le réseau dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation des modes,
- ds est un élément d'intégration dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation des modes.
La modification de K0J est obtenue en faisant varier le profil des modes et/ou le profil d'indice induit par le réseau, autrement dit en faisant varier notamment les caractéristiques opto-géométriques de la gaine.
Au niveau d'une gaine, plus ses dimensions et son niveau d'indice seront importants plus on aura de modes de gaines admis à se propager et plus on aura donc de bandes spectrales de filtrage possibles. Cela peut être un avantage si on cherche des filtrages multiples ou pour avoir plus de marge dans le choix d'un mode de filtrage.
Si on cherche à limiter le nombre de modes de gaine pouvant être couplé, il est intéressant à l'inverse de réduire les dimensions opto-géométriques de la gaine .
Au niveau du cœur, ses dimensions et son niveau d'indice conditionnent les caractéristiques du mode qui s'y propage. Par ailleurs, plus les écarts d'indice entre le coeur, la gaine et le substrat seront importants et plus on aura potentiellement de chance d'avoir des couplages pour des périodes de réseaux faibles comme le montre l'équation (1) (à une longueur d'onde de résonance donnée, la période est inversement liée à la différence d'indice entre le mode guidé du cœur et le mode de gaine) .
En jouant sur la position du cœur, du réseau et de la gaine, on peut générer des couplages différents. En effet, on voit bien à partir de l'équation (2) que la force du couplage dépend de la position relative dans le plan transverse à la direction de propagation des profils du mode de gaine, du mode guidé dans le coeur et du réseau. Les paramètres liés au réseau étant plus difficiles à maîtriser que ceux liés à la gaine, on choisit de réaliser de façon avantageuse un réseau à motif constant en période et/ou en amplitude et de jouer sur les autres paramètres du couplage tels que les dimensions opto-géométriques de la gaine et le décentrement du cœur. En effet, concernant le dêcentrement du cœur, si le mode du cœur et le mode de la gaine ainsi que Δn ont des profils symétriques, le coefficient de couplage est généralement non nul. Dans ce cas, on peut montrer qu'un décentrage du cœur par rapport à la gaine change peu la valeur de K.
Si on considère par contre un couplage du mode fondamental symétrique à un mode fondamental non symétrique, l'intégrale de recouvrement est nulle. Dans ce cas, la présence d'un dêcentrement entre le cœur et le guide augmente K. On montre alors que cette variation de K est dépendante du dêcentrement δx mais peu de la variation de taille de gaine.
En outre, la réalisation du réseau à gaine artificielle en optique intégrée permet l'obtention de la gaine avantageusement par une modification de l'indice de réfraction du substrat, en particulier par implantation ou échange ionique. De ce fait, la forme souhaitée de la gaine peut être obtenue sans gravure ou etirement comme dans l'art antérieur, mais par exemple avec un masque de motif approprié.
La solution de l'invention offre ainsi des avantages pratiques de réalisation (notamment simplicité et robustesse) . Par ailleurs, la gaine et le cœur existent indépendamment l'un de l'autre dans le substrat ce qui n'est pas le cas dans l'art antérieur. Cette indépendance permet plus de souplesse dans la réalisation du composant de l'invention et une intégration aisée de ce composant dans une architecture complexe. En particulier, le cœur peut ne plus être situé dans la gaine en dehors des zones d' interaction mais uniquement dans le substrat ce qui permet l'isolement optique du cœur. Ainsi la gaine n'agit sur la propagation d'une onde lumineuse dans le cœur du guide associé que dans la partie qui entoure le cœur et la gaine peut guider ou véhiculer des ondes lumineuses indépendamment du cœur. Cette indépendance entre le cœur et la gaine permet de créer aussi un plus grand nombre de combinaisons en faisant varier non seulement la taille de la gaine mais aussi la position du cœur dans la gaine .
Le réseau selon l'invention, formé dans la zone, d'interaction, peut comporter un ou plusieurs réseaux élémentaires. On entend par réseau élémentaire, un réseau dont tous les paramètres structurels sont constants .
Le réseau peut être réalisé par la perturbation directe du cœur du guide par exemple par segmentation du cœur et/ou par la variation de section du cœur. Le réseau peut aussi être obtenu par une perturbation indirecte du cœur, telle que la gravure en surface du substrat, la segmentation de la gaine et/ou encore la variation de section de la gaine. Ces différents modes de réalisation peuvent-être combinés entre eux.
En corollaire, des réseaux de type réseaux apodisés ou chirpés peuvent être ainsi aisément réalisés .
Le substrat peut bien entendu être réalisé par un seul matériau ou par la superposition de plusieurs couches de matériaux. Dans ce dernier cas, l'indice de. réfraction de la gaine est différent de l'indice de réfraction du substrat au moins en ce qui concerne les couches voisines de la gaine.
De façon avantageuse, la gaine présente un indice de réfraction supérieur à celui du substrat .
Selon l'invention, le guide peut être un guide planaire, lorsque le confinement de la lumière se fait dans un plan contenant la direction de propagation de la lumière ou un microguide, lorsque le confinement de la lumière est réalisé dans deux directions transverses à la direction de propagation de la lumière .
Selon l'invention une onde lumineuse introduite dans le cœur d'un réseau à gaine artificielle est filtrée dans ladite zone. En effet, un ou des modes guidés de 1 ' onde lumineuse introduite dans le cœur sont couplés dans la zone d'interaction par le réseau, à un ou plusieurs modes de la gaine associée à cette zone, pour les longueurs d'onde λj définis dans la relation (1). La partie couplée de l'onde lumineuse dans le ou les modes de gaine peut-être ou non récupérée en sortie de la gaine et la partie non couplée de l'onde continue à être véhiculée par le cœur en sortie de la zone d'interaction. Ledit cœur peut être relié à un composant optique. Le même raisonnement peut être fait, lorsque l'onde lumineuse est introduite dans la gaine .
Le réseau à gaine artificielle de l'invention s'applique notamment à la réalisation d'un aplatisseur de gain. Dans ce cas, la variation de couplage doit être telle qu'une onde lumineuse comprenant plusieurs bandes spectrales d'amplitude différentes, après passage dans ladite zone d' interaction est transformée en une onde lumineuse dont les bandes spectrales présentes toutes sensiblement la même amplitude.
On entend par bande spectrale une bande présentant un ensemble de longueurs d'onde avec une longueur d'onde centrale et une largeur de bande déterminées, une onde lumineuse pouvant comporter une ou plusieurs bandes spectrales.
L'utilisation d'un tel composant est particulièrement intéressant dans un amplificateur optique, afin de récupérer en sortie de l'amplificateur une onde lumineuse dont les bandes spectrales présentes toutes la même amplitude.
Le réseau à gaine artificielle de l'invention s'applique aussi notamment à la réalisation d'un filtre linéaire. En effet, un filtre linéaire est un composant de filtrage dont la fonction de transfert spectrale est linéaire par rapport à la longueur d'onde. L'utilisation d'un tel composant permet par exemple de stabiliser une source laser en fréquence. Notamment, le passage d'un signal laser de bande spectrale étroite autour d'une longueur d'onde centrale λ0 par un filtre approprié réalisé selon l'invention donne en sortie un signal proportionnel à cette longueur d'onde T(λθ)=aλ0+β où β est une constante. Le moindre décalage spectrale dans un sens ou dans un autre du spectre se traduit alors par une baisse ou une augmentation du signal de sortie. On peut alors réaliser un asservissement de ce signal de sortie à une commande du laser agissant sur la position spectrale de l'émission et stabiliser ainsi la source. La stabilisation de la source laser ne nécessite alors qu'un réseau à gaine artificielle et un photo- détecteur, un analyseur de spectre est rendu inutile.
Selon un mode préféré, la gaine et/ou le cœur du guide et/ou le réseau peuvent être réalisés par tous types de technique permettant de modifier l'indice de réfraction du substrat . On peut citer notamment les techniques d'échanges d'ions, l'implantation ionique et/ou le rayonnement par exemple par l'insolation laser ou la photo inscription laser (le rayonnement produisant des éσhauffements locaux) ou encore le dépôt de couches . La technologie par échange d' ions dans le verre est particulièrement intéressante mais d'autres substrats que le verre peuvent bien entendu être utilisés tels que par exemple les substrats cristallins de type KTP ou LiNb03, ou encore du LiTa03. De façon plus générale, le réseau peut-être réalisé par toutes les techniques permettant de changer l'indice effectif du substrat. Aux techniques précédemment citées, on peut donc rajouter notamment les techniques de réalisation de réseaux par gravure du substrat. Cette gravure peut être réalisée au-dessus de la gaine ou dans la portion de gaine de la zone d'interaction et/ou dans la portion de coeur de la zone d' interaction.
Le motif du réseau peut être obtenu soit par balayage laser dans le cas de l'utilisation d'un rayonnement, soit par un masque. Ce dernier peut être le masque qui permet l'obtention du cœur et/ou de la gaine ou un masque spécifique pour la réalisation du réseau.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un réseau à gaine artificielle tel que défini précédemment, la gaine, le cœur du guide et le réseau étant réalisés respectivement par une modification de l'indice de réfraction du substrat de façon à ce qu'au moins dans la partie de la gaine voisine du cœur et au moins dans la zone d'interaction, l'indice de réfraction de la gaine soit différent de l'indice de réfraction du substrat et inférieur à l'indice de réfraction du cœur et de façon à ce que la zone d' interaction présente une variation de couplage le long de la direction de propagation des modes.
Selon un mode préféré de réalisation, le procédé de l'invention comporte les étapes suivantes : a) introduction d'une première espèce ionique dans le substrat de façon à permettre l'obtention après l'étape c) de la gaine optique, b) introduction d'une deuxième espèce ionique dans le substrat de façon a permettre l'obtention après l'étape c) du cœur du guide, c) enterrage des ions introduits aux étapes a) et b) de façon à obtenir la gaine et le cœur du guide, d) réalisation du réseau.
L'ordre des étapes peut bien entendu être inversé . L'introduction de la première et/ou de la deuxième espèce ionique est réalisée de façon avantageuse par un échange ionique, ou par implantation ionique .
La première et la deuxième espèces ioniques peuvent être les mêmes ou elles peuvent être différentes.
L'introduction de la première espèce ionique et/ou l'introduction de la deuxième espèce ionique peuvent être réalisées avec l'application d'un champ électrique . Dans le cas d'un échange ionique le substrat doit contenir des espèces ioniques aptes à être échangés .
Selon un mode préféré de réalisation, le substrat est du verre et contient des ions Na+ préalablement introduits, la première et la deuxième espèces ioniques sont des ions Ag+ et/ou +.
Selon un mode de réalisation, l'étape a) comprend la réalisation d'un premier masque comportant un motif apte à l'obtention de la gaine, l'introduction de la première espèce ionique étant réalisée à travers ce premier masque et l'étape b) comprend l'élimination du premier masque et la réalisation d'un deuxième masque comportant un motif apte à l'obtention du cœur, l'introduction de la deuxième espèce ionique étant réalisée à travers ce deuxième masque.
Les masques utilisés dans l'invention sont par exemple en aluminium, en chrome, en alumine ou en matériau diélectrique.
Selon un premier mode de réalisation de l'étape c) , l'enterrage de la première espèce ionique est réalisée au moins partiellement avant l'étape b) et l'enterrage de la deuxième espèce ionique est réalisée au moins partiellement après l'étape b) .
Selon un deuxième mode de réalisation de l'étape c) , l'enterrage de la première espèce ionique et l'enterrage de la deuxième espèce ionique sont réalisés simultanément après l'étape b) .
Selon un troisième mode de réalisation de l'étape c) , l'enterrage comporte un dépôt d'au moins une couche de matériau d'indice de réfraction avantageusement inférieur à celui de la gaine, sur la surface du substrat .
Ce mode peut être bien entendu combiné avec les deux modes précédents.
De façon avantageuse, au moins une partie de l'enterrage est réalisée avec l'application d'un champ électrique .
Généralement avant 1 ' enterrage sous champ et/ou le dépôt d'une couche, le procédé de l'invention peut comporter en outre un enterrage par rediffusion dans un bain ionique.
Cette étape de rediffusion peut être réalisée en partie avant l'étape b) pour rediffuser les ions de la première espèce ionique et en partie après l'étape b) pour rediffuser les ions de la première et de la deuxième espèces ioniques. Cette étape de rediffusion peut également être réalisée en totalité après l'étape b) pour rediffuser les ions des première et deuxième espèces ioniques .
A titre d'exemple cette rediffusion est obtenue en plongeant le substrat dans un bain contenant la même espèce ionique que celle contenue préalablement dans le substrat.
L'étape d) de réalisation du réseau peut être mis en œuvre indépendamment des étapes a) et b) ou être réalisé simultanément au cours de l'étape a) et/ou de l' étape b) .
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés.
Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES - La figure 1 déjà décrite, représente schématiquement, un réseau réalisé dans une fibre optique, la gaine optique comportant une variation de section, la figure 2 représente schématiquement en coupe, un premier exemple de réseau à gaine artificielle selon l'invention dans lequel la section de la gaine varie de manière discontinue ainsi que le centrage du cœur dans la gaine, la figure 3 représente schématiquement en coupe, un deuxième exemple de réseau à gaine artificielle selon l'invention, dans lequel seul la section de la gaine varie et de façon continue, La figure 4 représente schématiquement en coupe, un troisième exemple de réseau à gaine artificielle selon l'invention, dans lequel seul le centrage du cœur dans la gaine varie et de façon continue, la figure 5 représente schématiquement en coupe, un quatrième exemple de réseau à gaine artificielle selon l'invention, dans lequel la section de la gaine ainsi que le centrage du cœur dans la gaine varient de façon continue, la figure 6 représente schématiquement en coupe, un autre exemple de réseau à gaine artificielle selon l'invention, dans lequel également seul le centrage du cœur dans la gaine varie continuement, les figures 7a à 7d illustrent schématiquement en coupe un exemple de procédé de réalisation d'un réseau à gaine artificielle selon l'invention, - les figures 8a à 8d illustrent schématiquement des variantes de réalisation de motif de masque permettant d'obtenir un réseau, et la figure 9 représente en coupe une variante de réalisation d'un réseau à gaine artificielle selon l'invention présentant un réseau dans la gaine.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE MISE EN CEUVRΞ DE L'INVENTION
La figure 2 représente schématiquement en coupe, un premier exemple de réseau à gaine artificielle selon l'invention dans lequel la section de la gaine varie ainsi que le centrage du cœur dans la gaine.
Cette coupe est réalisée dans un plan parallèle à la surface du substrat et contenant la direction z de propagation de l'onde lumineuse dans le cœur.
Sur cette figure est représenté un substrat
20 dans lequel sont réalisés une gaine optique 3, un
5 cœur de guide 2 et un réseau 19.
La gaine optique 3 est indépendante du cœur et entoure une partie du cœur dans une zone du substrat dite zone d'interaction II comprenant le réseau 19.
Dans cet exemple de réalisation, le réseau
-]_Q est formé dans le cœur 2. Par ailleurs, la gaine se compose de 4 parties référencées respectivement 3a, 3b, 3c, 3d appelées gaines élémentaires qui sont mises en série. Ces gaines élémentaires présentes des tailles différentes et des positions de leur centre au cœur du 5 guide, différentes.
Ainsi, en jouant à la fois sur la taille des gaines élémentaires et sur le dêcentrement du cœur par rapport à ces gaines élémentaires on peut obtenir un réseau de type évolué.
20 Dans cet exemple de réalisation, le cœur du guide 2 et le réseau 19 sont uniformes tout le long de la zone d'interaction, seule la forme de la gaine et sa position par rapport au cœur évoluent. Cette évolution se fait par paliers grâce aux différences existant
25 entre les gaines élémentaires et permet de faire varier le couplage dans la zone d'interaction.
Ce type de réseau à gaine artificielle peut être utilisé par exemple pour réaliser un filtrage apte en particulier à réaliser un aplatisseur de gain
30 notamment pour des amplificateurs optiques ou un filtre de réponse linéaire. De façon générale le principe de la mise en série de gaines élémentaires entourant un même cœur de guide peut être étendue au principe d'une gaine de position et/ou de taille variant uniformément par rapport au cœur (et en non plus par palier comme précédemment) . Les figures 3, 4 et 5 suivantes en sont des exemples .
Ces figures sont des coupes schématiques dans un plan parallèle à la surface du substrat et contenant la direction z de propagation de l'onde lumineuse dans le cœur du guide .
Sur la figure 3, est représentée dans le substrat 20, une gaine 31, un cœur de guide 21 et un réseau 41 formé dans cet exemple dans le coeur.
La zone d'interaction 12 correspond ..à la zone du substrat qui comporte simultanément la gaine, le cœur et le réseau.
La variation de couplage le long de la direction z de propagation d'une onde lumineuse dans le cœur est obtenue dans cet exemple par une variation de la section de la gaine selon cette direction. De façon plus précise, la largeur de la gaine, considérée dans le plan de la figure, diminue d'une valeur maximum à l'extrémité 31a de la gaine, à une valeur minimum à l'autre extrémité 31b de celle-ci. Cette variation de la largeur de la gaine peut être définie le long du motif du réseau suivant une fonction continûment variable. De ce fait, la longueur d'onde de couplage est, elle aussi continûment variable (effet de chirp) le long du réseau. La figure 4 présente un exemple de réseau à gaine artificielle dans lequel la variation du couplage est obtenue par un dêcentrement de la gaine par rapport au cœur, la section de la gaine étant constante. Ainsi, sur cette figure, on retrouve dans le substrat 20, une gaine optique 32, un cœur de guide 22 et un réseau 42. La zone d' interaction formée à partir de ces 3 éléments est référencée 13. La forme de la gaine est telle que son axe de symétrie 15 dans le plan de la figure, est décentré au centre de la gaine, par rapport à la direction z, correspondant à l'axe de symétrie du cœur 22 ; les deux extrémités 32a et 32b de la gaine sont par contre, progressivement recentrées suivant cet direction z (autrement dit aux extrémités de la gaine, l'axe 15 et la direction z sont confondus) de façon à réduire le coefficient de couplage .
De cette façon, le réseau à gaine artificielle de l'invention excite un mode de profil non symétrique ; il correspond à un réseau de type apodisé. En effet, ce type de composant est caractérisé par un réseau dont l'efficacité de couplage décroît doucement à ses extrémités. De sorte, il n'y a pas de phénomène discontinu dans le couplage et la réponse spectrale du filtre présente des lobes secondaires beaucoup plus faibles que dans le cas d'un réseau standard.
Les deux exemples précédents peuvent être extrapolés aisément par un homme de métier pour réaliser un réseau à gaine artificielle qui soit à la fois apodisé et chirpé. La figure 5 représente un exemple de réseau à gaine artificielle selon l'invention, dont la variation de couplage est obtenue par une variation aussi bien de la taille que de la position de la gaine par rapport au cœur, le long du réseau.
Le substrat 20 comporte un cœur 23 de guide, une gaine artificielle 33 qui entoure le cœur dans une zone d'interaction 14 et un réseau 43 formé dans le cœur 23 dans la zone d'interaction 14. Dans cette zone, on voit que la gaine a une section variable qui va en rétrécissant de son extrémité 33a à son extrémité 33b. Par ailleurs, l'axe de symétrie 16 de la gaine dans le plan de la figure n'est pas confondu ou parallèle à la direction z de propagation dans le cœur qui est linéaire dans la zone d'interaction. L'axe 16 et la direction z sont sécants dans la zone d' interaction de sorte que la gaine présente un dêcentrement variable dans ladite zone par rapport au cœur .
On peut également obtenir une variation de couplage dans la zone d' interaction, en utilisant une gaine de section constante et en jouant sur le dêcentrement du cœur par rapport à la gaine . La figure 6 illustre un exemple de réalisation de ce type.
Cette figure est une coupe schématique dans un plan parallèle à la surface du substrat et contenant la direction z de propagation.
Sur la figure 6, est représenté le substrat
20 dans lequel sont formés une gaine 34, un cœur 24 de guide et un réseau 44 inscrit dans le cœur dans une zone d'interaction 15 définie par une zone du substrat dans laquelle la gaine entoure le cœur. Dans cet exemple, l'axe de symétrie de la gaine dans le plan de la figure est confondu avec la direction z de propagation tandis que l'axe du cœur 54 est dans ce cas particulier confondu avec la direction z uniquement dans sa partie ne contenant pas le réseau. Cet axe 54 est distinct de la direction z dans sa partie contenant le réseau.
En effet, la partie du cœur contenant le réseau s'écarte de la direction z puis se rapproche de celle-ci pour être à nouveau confondu, de sorte que le cœur du guide est décentré par rapport à la gaine, ce dêcentrement induisant une variation de couplage.
Les différents exemples de réalisation de réseaux à gaine artificielle décrits précédemment peuvent bien entendu être combinés entre eux. Par ailleurs, dans ces différents exemples, le réseau est inscrit dans le cœur du guide mais il peut bien entendu être inscrit dans la gaine et/ou dans le cœur ou encore dans le substrat .
Le composant de l'invention peut-être bien entendu être aisément intégré dans une architecture optique plus complexe telle que celle d'un amplificateur optique pour réaliser par exemple un aplatisseur de gain ou celle d'un filtre linéaire. L'ensemble des éléments de ces architectures peuvent être réalisés ou non sur le même substrat que le composant de l'invention. Les figures 7a à 7d illustrent un exemple de procédé de réalisation d'un réseau à gaine artificielle selon l'invention, à partir de la technologie par échange d'ions. Ces figures sont des coupes dans un plan perpendiculaire à la surface du substrat et perpendiculaire à la direction z de propagation et contenant une zone d'interaction, par exemple la zone d'interaction II contenant la gaine élémentaire 3d de la figure 2.
Ainsi, sur la figure 7a sont représentés lé substrat 20 contenant des ions B.
Un premier masque 61 est réalisé par exemple par photolithographie sur une des faces du substrat ; ce masque comporte une ouverture déterminée en fonction de la forme et des dimensions (largeur, longueur) de la gaine 3 que l'on souhaite obtenir.
Un premier échange ionique est alors réalisé entre des ions A et les ions B contenus dans le substrat, dans une zone du substrat située au voisinage de l'ouverture du masque 61. Cet échange est obtenu par exemple en trempant le substrat muni du masque dans un bain contenant des ions A et en appliquant éventuellement un champ électrique entre la face du substrat sur laquelle est disposée le masque et la face opposée. La zone du substrat dans laquelle a été réalisée cet échange ionique forme la gaine, qui comme on l'a vu précédemment peut être non uniforme en dimensions, en forme et/ou présenter un centrage variable . Pour enterrer cette gaine, une étape de rediffusion des ions A peut être réalisée avec l'assistance ou non d'un champ électrique appliqué comme précédemment. La figure 7b, représente la gaine après une étape d' enterrage partielle de celle-ci. Le masque 61 est enlevé généralement avant cette étape.
La réalisation de la gaine selon l'invention s'apparente donc à la réalisation d'un cœur de guide mais avec des dimensions différentes . L'étape suivante représentée figure 7c consiste à former un nouveau masque 65 sur le substrat par exemple par photolithographie après éventuellement un nettoyage de la face du substrat sur lequel il est réalisé. Ce masque comporte des motifs aptes à permettre la réalisation d'un cœur 19 de guide et en particulier lorsque le cœur comporte un réseau, les motifs du masque 65 peuvent être adaptés aux motifs du réseau à former.
Un deuxième échange ionique est alors réalisé entre les ions B du substrat et des ions C qui peuvent-être les mêmes ou non que les ions A. Cet échange ionique peut être réalisé comme précédemment en trempant le substrat dans un bain contenant des ions C et en appliquant éventuellement un champ électrique. Enfin, la figure 7d illustre le composant obtenu après enterrage du cœur 19 obtenu par rediffusion des ions C et enterrage final de la gaine, avec l'assistance ou non d'un champ électrique. Le masque 65 est généralement supprimé avant cette étape d' enterrage. Les conditions du premier et du deuxième échanges ioniques sont définies de façon à obtenir les différences d' indices de réfraction souhaitées entre le substrat, la gaine et le cœur. Les paramètres d'ajustement de ces différences sont notamment le temps d'échange, la température du bain, la concentration en ions du bain et la présence ou non d'un champ électrique.
A titre d'exemple de réalisation, le substrat 20 est du verre contenant des ions Na+, le masque 61 est en aluminium.
Le premier échange ionique est réalisé avec un bain comportant des ions Ag+ environ à 20% de concentration, à une température d'environ 330°C et pendant un temps d'échange de 5 mn environ. Une rediffusion des ions a tout d'abord lieu à l'air libre à une température d'environ 330°C et pendant 30 s, puis on effectue un enterrage partiel de la gaine ainsi formée dans le verre. Cet enterrage est réalisé par une rediffusion dans un bain de sodium à une température d'environ 260°C. la durée de cette étape dépend de la profondeur d' enterrage souhaitée pour le composant final . Ainsi pour un composant en surface une durée d'environ 3 minutes est suffisante alors que pour un composant enterré on choisira plutôt une durée d'environ 20 minutes. Dans ce second cas il est aussi nécessaire de faire un enterrage sous champ de la gaine avant le second échange. On applique ainsi un courant de 20 mA entre deux bains de sodium de part et d'autre de la plaquette à une température de 260°C et durant 10 minutes . Le masque 65 est aussi en aluminium. Le deuxième échange ionique est réalisé avec un bain comportant des ions également Ag+ environ à 20% de concentration, à une température d'environ 330°C et pendant un temps d'échange de 5 mn environ, une rediffusion des ions a tout d'abord lieu à l'air libre à une température d'environ 330°C et pendant 30s. Puis on réalise, un enterrage partiel du coeur ainsi formé dans le verre par une rediffusion dans un bain de Sodium à une température d'environ 260°C et pendant 3 mn. Pour un composant enterré, cette étape n'est pas nécessaire.
L'enterrage final de la gaine et du cœur se fait sous champ électrique les deux faces opposées du substrat étant en contact de deux bains (dans cet exemple du sodium) apte à permettre d' appliquer une différence de potentiel entre ces deux bains. Pour un composant en surface une durée inférieure à la minute est suffisante, dans le cas d'un composant enterré une durée de l'ordre de 30 minutes est utilisée, l'enterrage se faisant avec un courant de 20 mA à 240°C.
De nombreuses variantes du procédé décrit précédemment peuvent être réalisées. Notamment, les étapes d' enterrage de la gaine et du cœur peuvent être réalisées comme décrit précédemment au cours de 2 étapes successives mais elles peuvent également être réalisées dans certains cas simultanément, le cœur ayant une concentration ionique supérieure à celle de la gaine, il est enterré plus vite que la gaine, ce qui permet en outre un éventuel centrage du cœur dans la gaine .
La différence de concentration entre le cœur et la gaine est généralement obtenue soit par une rediffusion dans un bain, des ions formant la gaine soit par une différence de concentration des ions introduits aux étapes a) et b) .
Comme on l'a vu précédemment, pour réaliser l'enterrage de la gaine et du cœur, une variante du procédé consisterai à déposer sur le substrat 20, une couche de matériau 68, représentée en pointillés sur la figure 7d. Ce matériau, pour permettre un guidage optique doit présenter avantageusement un indice de réfraction inférieur à celui de la gaine. La réalisation du composant selon l'invention n'est pas limitée à la technique d'échange d'ions. Le composant de l'invention peut être réalisé bien entendu par toutes les techniques qui permettent de modifier l'indice de réfraction du substrat. Par ailleurs, comme on l'a vu précédemment, la période, la taille, la position du réseau réalisé, par rapport au cœur et à la gaine, sont des paramètres qui peuvent-être adaptées en fonction des applications.
Le motif du réseau peut être défini sur le masque permettant la réalisation de la gaine et/ou sur le masque permettant la réalisation du cœur ou encore sur un masque spécifique pour la réalisation uniquement du réseau.
Les figures 8a à 8d illustrent des exemples de réalisation de masques Ml, M2, M3 , M4 permettant d'obtenir un réseau. Ces figures sont des vues de dessus des masques et ne représentent que la partie des masques permettant d'obtenir le réseau. Les zones blanches du motif des masques correspondent aux ouvertures de ces derniers .
Ces masques permettent d'obtenir un réseau périodique de période Λ. Les masques Ml et M4 permettent d'obtenir un réseau par segmentation tandis que les masques M2 et M3 permettent d'obtenir un réseau par variation de largeur des motifs.
Ces masques peuvent être par exemple des masques spécifiques pour la réalisation du réseau dans le cœur et/ou dans la gaine ou encore dans le substrat ou une partie des masques permettant l'obtention du coeur et/ou de la gaine, le réseau étant réalisé alors en même temps que le cœur et/ou la gaine.
Les figures 2 à 6 précédemment décrites illustrent des exemples de réseau formé dans le cœur du guide .
La figure 9 illustre un exemple de réalisation d'un réseau à gaine artificielle selon l'invention dont le réseau est réalisé par segmentation de la gaine 35. Ainsi, le réseau est formé dans la gaine par une alternance de période Λ, de zones 46 d'indice de réfraction différent de celui du reste de la gaine. Ces zones 46 présentent une longueur variable considérée dans la direction z de propagation d'une onde lumineuse dans le cœur 25. Par ailleurs, la largeur de la gaine considérée dans une direction perpendiculaire à la direction z est également variable pour obtenir un couplage variable. Le cœur, comme dans les exemples précédents traverse la gaine, le réseau étant de ce fait inscrit également dans le cœur, autrement dit le coeur comporte également des zones d' indice de réfraction différent de celui du reste du coeur.
Les réseaux peuvent être formés par toutes les techniques classiques permettant de modifier localement l'indice effectif du substrat dans le cœur et/ou dans la gaine.
Ils peuvent donc être réalisés au cours des échanges ioniques permettant de réaliser le cœur et/ou la gaine ou au cours d'un échange ionique spécifique. Ils peuvent également être obtenus par une gravure du substrat au niveau de la zone d' interaction ou par un rayonnement. En particulier, les réseaux peuvent être obtenus par insolation du cœur et/ou de la gaine avec un laser de type C02. Le laser en produisant des échauffements localisés permet de rediffuser localement des ions et inscrire ainsi le motif des réseaux.
A titre d'exemple, on peut balayer le substrat avec un faisceau laser modulé par exemple en amplitude de manière à introduire une modulation du réseau au pas souhaité.

Claims

REVENDICATIONS
1. Réseau à gaine artificielle en optique intégrée caractérisé en ce qu' il comporte dans un substrat un cœur de guide optique (2, 21 ,22 ,23, 24, 25), une gaine optique (3, 31, 32, 33, 34, 35) indépendante du cœur et entourant au moins une portion du cœur dans une zone du substrat dite zone d'interaction (II, 12, 13, 14, 15) comprenant un réseau (19, 41, 42, 43, 44, 46 ) apte à coupler au moins un mode guidé du cœur à au moins un mode de gaine ou inversement, ladite zone d'interaction comportant une variation de couplage le long de la direction de propagation des modes, l'indice de réfraction de la gaine étant différent de l'indice de réfraction du substrat et inférieur à l'indice de réfraction du cœur au moins dans la partie de la gaine voisine du cœur dans la zone d'interaction.
2. Réseau à gaine artificielle en optique intégrée selon la revendication 1, caractérisé en ce que la variation de couplage le long de la direction de propagation des modes peut-être une variation de force de couplage et/ou de longueur d'onde de couplage.
3. Réseau à gaine artificielle en optique intégrée selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la variation de couplage est obtenue par une modulation de la section de la gaine dans la zone d'interaction.
4. Réseau à gaine artificielle en optique intégrée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la variation de couplage est obtenue par une modulation du centrage du cœur par rapport à la section de la gaine .
5. Réseau à gaine artificielle en optique intégrée selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la modulation de la section de la gaine et/ou la modulation du centrage du cœur par rapport à la section de la gaine est une variation uniforme.
6. Réseau à gaine artificielle en optique intégrée selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la modulation de la section de la gaine et/ou la modulation du centrage du cœur par rapport à la section de la gaine est une variation par paliers.
7. Procédé de réalisation d'un réseau à gaine artificielle selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, la gaine, le cœur du guide et le réseau sont réalisés respectivement par une modification de l'indice de réfraction du substrat de façon à ce qu'au moins dans la partie de la gaine voisine du cœur et au moins dans la zone d'interaction, l'indice de réfraction de la gaine soit différent de l'indice de réfraction du substrat et inférieur à l'indice de réfraction du cœur et de façon à ce que la zone d'interaction présente une variation de couplage le long de la direction de propagation des modes.
8. Procédé de réalisation selon la revendication 7, caractérisé en ce que la modification de l'indice de réfraction du substrat est obtenue par rayonnement et/ou par introduction d'espèces ioniques.
9. Procédé de réalisation selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - a) introduction d'une première espèce ionique dans le substrat de façon à permettre l'obtention après l'étape c) de la gaine optique, b) introduction d'une deuxième espèce ionique dans le substrat de façon à permettre l'obtention après l'étape c) du cœur de guide, c) enterrage des ions introduits aux étapes a) et b) de façon à obtenir la gaine et le cœur du guide, d) formation du réseau.
10. Procédé de réalisation selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'introduction de la première et/ou de la deuxième espèces ioniques est réalisée par un échange ionique ou par implantation ionique.
11. Procédé de réalisation selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le substrat est du verre et contient des ions Na+, la première et la deuxième espèces ioniques sont des ions Ag+ et/ou K+.
12. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que l'étape a) comprend la réalisation d'un premier masque (61) comportant un motif apte à l'obtention de la gaine, l'introduction de la première espèce ionique étant réalisée à travers ce premier masque et l'étape b) comprend l'élimination du premier masque et la réalisation d'un deuxième masque (65) comportant un motif apte à l'obtention du cœur, l'introduction de la deuxième espèce ionique étant réalisée à travers ce deuxième masque.
13. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le réseau est obtenu par introduction d' espèces ioniques à travers un masque permettant l'obtention du cœur et/ou de la gaine ou par un masque spécifique.
14. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que le réseau est obtenu par des échauffements locaux.
15. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 14 caractérisé en ce que le réseau est obtenu par gravure du substrat au voisinage de la zone d'interaction.
16. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 15, caractérisé en ce qu'au moins une partie de l'enterrage est réalisée avec l'application d'un champ électrique.
17. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 16, caractérisé en ce qu'au moins une partie de l'enterrage est réalisée par une rediffusion dans un bain ionique.
18. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 17, caractérisé en ce que tout ou partie de l'enterrage est réalisé par un dépôt d'au moins une couche (68) sur la surface du substrat .
19. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 9 à 18, caractérisé en ce que l'introduction de la première espèce ionique et/ou l'introduction de la deuxième espèce ionique sont réalisées avec l'application d'un champ électrique.
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