WO2010081792A1 - Dispositif de transmission optique a fibre optique couplee par ondes evanescentes a un guide d'onde planaire - Google Patents

Dispositif de transmission optique a fibre optique couplee par ondes evanescentes a un guide d'onde planaire Download PDF

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WO2010081792A1
WO2010081792A1 PCT/EP2010/050255 EP2010050255W WO2010081792A1 WO 2010081792 A1 WO2010081792 A1 WO 2010081792A1 EP 2010050255 W EP2010050255 W EP 2010050255W WO 2010081792 A1 WO2010081792 A1 WO 2010081792A1
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WO
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optical fiber
core
waveguide
diffraction grating
optical
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/050255
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English (en)
Inventor
Alexei Tchelnokov
Badhise Ben Bakir
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating

Definitions

  • the invention relates to the field of optoelectronics, and more particularly to the achievement of a coupling and an optical transmission between a planar waveguide and an optical fiber.
  • Planar waveguide technologies make it possible to integrate complex optical beam management functions such as multiplexing, demultiplexing, modulation or spectral routing in a compact manner on a single chip. All these functions are necessary both for optical links very short distances, of the order of a millimeter (for example for intra-chip communications), or very long distances, of the order of several kilometers (for example for networks metropolitan areas), and make it possible to increase the throughput of the interconnection buses.
  • the preferred optical transport medium is the optical fiber whose transverse section dimensions are high (for example from 10 to a few tens of micrometers). Therefore, the optical coupling systems between the planar waveguides and the optical fibers must compensate for this dimensional mismatch between these two elements.
  • the dimensions of the sections of the semiconductor portions carrying out the transmission in these waveguides are greatly reduced, and are for example chosen to be smaller than the length of the waveguides. transmitted wave.
  • the low ratio of refractive indices between the material forming the core of an optical fiber and that of its sheath relaxes the dimensional constraint with respect to the monomodal characteristic of these fibers.
  • the size of the output mode of an optical fiber is generally close to ten micrometers.
  • the coupling efficiency between a single-mode planar waveguide and a monomode optical fiber is proportional, in the first order, to the ratio of the modes surfaces, and is generally less than 5%, which limits the transmission between these two. elements.
  • a gradual adaptation, or variation, of the section of the planar waveguide at the interface with the optical fiber is made in order to gradually de-confining the planar waveguide mode, ie ie increase the size of the planar waveguide mode.
  • the heart of the planar waveguide is based on semiconductor, it is possible to de-confining the mode up to about 3 microns, which however remains well below the size of the optical fiber mode.
  • This solution thus makes it possible to obtain compatibility of the modes of the optical fiber and the waveguide by combining an increase in the size of the planar waveguide mode and a reduction in the mode size of the optical fiber.
  • this solution makes the final device, comprising the optical fiber coupled to the waveguide, complex to manufacture and expensive, in particular because of the very precise alignment to be performed between the reduced section end of the optical fiber and the waveguide.
  • An object of the present invention is to propose a transmission device in which an optical fiber is optically coupled to a planar waveguide coplanarly, the waveguide thus being aligned with the axis of revolution of the optical fiber. , which is inexpensive to achieve and whose alignment between the optical fiber and the planar waveguide is less complex to achieve compared to existing solutions.
  • Another object of the present invention is also to provide an optical transmission device in which an optical fiber is optically coupled to a planar waveguide coplanarly over a short coupling distance, for example less than about 100 microns.
  • the present invention proposes an optical transmission device comprising at least: an optical fiber comprising at least one core and a sheath surrounding the core, and comprising, at the level of at least a portion of the optical fiber, a portion the core of which at least one surface is not covered by the sheath, - a planar waveguide comprising evanescent wave coupling means disposed in the vicinity of said surface of the portion of the core of the optical fiber, said means of coupling comprising at least one diffraction grating, and wherein the refractive index of the core material of the optical fiber is between about 1 and 2.5, and the refractive index of a material from which are made the coupling means is between about 3 and 4.
  • the transmission device Compared to the devices of the prior art performing off-plane coupling of an optical fiber and a waveguide (optical fiber arranged perpendicular to the g wave device), the transmission device according to the invention makes it possible to reduce the bulk due to the evanescent wave coupling produced by the planar waveguide, which can therefore be arranged parallel to the axis of the optical fiber.
  • the optical fiber is thus coplanarly aligned with the waveguide, and more particularly coplanar with the diffraction grating of the waveguide.
  • this transmission device facilitates the alignment between the optical fiber and the waveguide by virtue of the evanescent wave coupling made with the surface of the core of the bare fiber and which imposes alignment constraints only on a single dimension perpendicular to the axis of the fiber; revolution of the fiber.
  • the refractive index of the core of the fiber is low, that is to say between about 1 and 2.5.
  • Such index values are, for example, obtained by using, for producing the core of the fiber, at least one dielectric material such as a semiconductor oxide, for example SiO 2
  • the refractive index of the material of the coupling means is strong, that is to say between about 3 and 4 (index values obtained by realizing the means coupling the waveguide for example from a semiconductor material such as InP, GaAs, Si, etc. ).
  • the invention can greatly reduce the necessary coupling distance between the optical fiber and the diffraction grating.
  • This coupling distance is for example between about 1 micron and 100 microns.
  • Said surface of the portion of the core of the optical fiber and the diffraction grating may be coplanar.
  • an optical transmission device which may comprise at least: an optical fiber comprising at least one core and a sheath surrounding the core, and comprising, at least a portion of the optical fiber, a portion of the core at least one surface is not covered by the sheath, - a planar waveguide comprising evanescent wave coupling means disposed in the vicinity of said surface of the portion of the core of the optical fiber.
  • Yl coupling refraction of the heart of the optical fiber material, and n i fail age refractive index of a material from which are made the coupling means.
  • ⁇ c can therefore form a minimum critical angle which may be greater than or equal to approximately 27 ° when the refractive index of the core material of the optical fiber is equal to approximately 1.55 and the refractive index of the material from of which the coupling means are made, for example silicon, is equal to about 3.5.
  • an optical transmission device may include at least:
  • an optical fiber comprising at least one core and a sheath surrounding the core, and comprising, at the level of at least a portion of the optical fiber, a flat surface exposing a surface of the core of the optical fiber,
  • ⁇ c can be such that: 27 ° ⁇ c ⁇ 90 °.
  • Said surface of the portion of the core of the optical fiber may be included in a plane substantially parallel to the axis of revolution of the optical fiber.
  • the line normal to said surface of the portion of the core of the optical fiber shape, with an axis of revolution of the optical fiber an angle equal to about 90 °.
  • an optical transmission device which may comprise at least: an optical fiber comprising at least one core and a sheath surrounding the core, and comprising, at least a portion of the optical fiber, a portion of the core at least one surface lying in a plane substantially parallel to the axis of revolution of the optical fiber is not covered by the sheath,
  • a planar waveguide comprising evanescent wave coupling means disposed in the vicinity of said surface of the core portion of the optical fiber.
  • Said portion of the optical fiber may be an end portion of the optical fiber.
  • Said part of the optical fiber may comprise, in a plane perpendicular to the axis of revolution of the optical fiber, a truncated disc-shaped section.
  • Said portion of the core may comprise, in a plane perpendicular to the axis of revolution of the optical fiber, a circular or elliptical truncated disk-shaped section, the truncated surface may be less than or equal to the untrimmed surface of the disk.
  • the waveguide may be of the edge or ribbon type, and formed in an SOI substrate, that is to say of the semiconductor on insulator type.
  • the diffraction grating may include an etched portion of an active layer of the SOI substrate.
  • the diffraction grating may be bonded, for example by molecular bonding or by means of an optically transparent bonding interface, against the surface of the portion of the core not covered by the sheath, or against the flat part. formed at said portion of the optical fiber.
  • the dimension of the diffraction grating substantially perpendicular to the axis of revolution of the optical fiber and lying in a plane substantially parallel to said surface of the portion of the core of the optical fiber not covered by the sheath may be substantially equal to the mode intended for to be transmitted in the optical fiber.
  • the waveguide may comprise a portion of guiding material coupled to the diffraction grating and whose section decreases gradually.
  • the optical fiber and / or the waveguide may be single mode.
  • the optical fiber may be multimode.
  • the transmission device may comprise several waveguides each comprising means for coupling evanescent waves, for example diffraction gratings, and arranged next to each other in the vicinity of said surface of the portion of the heart. of the optical fiber.
  • the device may comprise a bundle of optical fibers each comprising a portion of the core whose at least one surface lying in a plane substantially parallel to an axis of revolution of the optical fiber is not covered by the sheath, and a plurality of planar waveguides each comprising evanescent wave coupling means arranged in the vicinity of one of the surfaces of the portions of the cores of the optical fibers not covered by the sheaths.
  • Such a device has the particular advantage that the optical fibers can be polished at once to expose said surface of the core, and coupled at one time by aligning them in a single axis with respect to the waveguides (collective fabrication several transmission devices).
  • the invention also relates to a method for producing an optical transmission device, comprising at least the steps of:
  • the optical fiber may be arranged in a V-shaped groove formed on a face of a substrate, this face acting as a stop surface during chemical-mechanical polishing.
  • the method may further comprise, before the implementation of the coupling step, a step of producing the evanescent wave coupling means comprising an etching of a diffraction grating in a semiconductor-based layer.
  • FIGS. 1A, 1B and 1C represent views at different angles of an example of an optical fiber forming part of an optical transmission device, object of the present invention
  • FIGS. 2A and 2B show partial views of two examples of planar waveguides, each part of an optical transmission device, object of the present invention
  • FIG. 3 represents an exemplary waveguide of an optical transmission device, object of the present invention
  • FIG. 4 represents an optical transmission device, object of the present invention, according to a particular embodiment
  • FIGS. 5A and 5B show the steps for producing optical fibers forming part of an optical transmission device, object of the present invention.
  • optical transmission device 100 an exemplary embodiment of which is shown in FIG. 4, will first be described individually.
  • FIGS. 1A, 1B and 1C which respectively represent a 3D view, a profile sectional view and a front view of an example of an optical fiber 102 forming part of the optical transmission device 100.
  • the optical fiber 102 is here a monomode fiber of substantially cylindrical shape extending along an axis of revolution 103, or axis of symmetry, parallel to an axis X shown in Figures IA, IB and IC.
  • the fiber 102 is formed by a core 104, also of substantially cylindrical shape extending along the axis of revolution 103, and a sheath 106 covering the core 104, the sheath 106 having a tubular shape extending along the axis of revolution 103 and in which is disposed the heart 104.
  • one end 110 of the fiber 102 is machined, or truncated, in the shape of a "D" over a length 1 (see FIG. 1B) parallel to the axis of revolution 103. 1 is for example between about 10 microns and 1 cm.
  • the end 110 of the optical fiber 102 has a transverse section, that is to say a section in a plane perpendicular to the axis of revolution 103 (and therefore parallel to the (Y, Z) plane), in the form of a truncated disc, leaving a portion 108 of the core 104 of this end 110 at bay.
  • This portion 108 thus has a surface 109, located in a plane parallel to the axis of revolution 103, which is not covered by the sheath 106.
  • This bare surface 109 forms a flat part made at the end 110 of the optical fiber 102. transverse of the rest of the fiber 102, that is to say outside the end 110, has a disc shape.
  • the portion 108 of the core 104 is machined, or truncated, over a height h (see FIG. 1C), parallel to the axis Z, corresponding to the distance between the outer surface of the initial wall of the heart. 104 and the surface 109.
  • This height h is preferably chosen to be less than or equal to the radius of the initial transverse section, that is to say not truncated, of the core 104.
  • the optical transmission device 100 further comprises a planar waveguide.
  • FIG. 2A shows a part of a first example of an edge-type planar waveguide 120 forming part of the optical transmission device 100.
  • This planar waveguide 120 is made from an SOI substrate comprising a support layer 122 based on silicon, on which is stacked a dielectric layer 124 based on SiO 2 and an active layer 126 based on silicon.
  • the active layer 126 is partially etched so as to form an edge 128 at the upper face of the active layer 126 (the upper face being the face opposite to that in contact with the dielectric layer 124).
  • the active layer 126 is covered by a protective layer 130, here based on SiO 2, optically transparent.
  • the active layer 126 thus forms, thanks to the difference in values between the refractive index of the material of the active layer 126, here silicon, and that of the protective layer 130, here SiO 2, a monomode medium in which the The waves are guided along the entire length of the waveguide 120, parallel to the X axis shown in FIG. 2A.
  • the edge 128 has for example a width (dimension along the Y axis shown in FIG. 2A) equal to approximately 0.9 ⁇ m or between approximately 0.2 ⁇ m and 1 ⁇ m, and height (dimension along the axis Z shown in Figure 2A) equal to about 0.4 microns or between about 0.2 microns and 1 micron.
  • the waveguide 140 represents a part of a second exemplary embodiment of a planar waveguide 140, also of monomode type, forming part of the optical transmission device 100.
  • the waveguide 140 is made from the SOI substrate formed by the layers 122, 124 and 126 previously described.
  • the active layer 126 is here etched throughout its thickness (dimension along the Z axis of FIG. 2B) so as to form a ribbon 132, that is to say a portion of width (dimension along the Y axis) smaller than the initial width of the active layer 126, capable of carrying out the waveguiding along the entire length of the waveguide 140, that is to say according to FIG. X axis.
  • the ribbon 132 has for example a width (dimension along the Y axis) equal to about 0.5 microns or between about 0.2 microns and 1 micron, and a height (dimension along the Z axis). equal to about 0.2 ⁇ m, or between about 0.2 ⁇ m and 1 ⁇ m.
  • the ribbon 132 is covered by a protective layer 134 based on SiO 2. The ribbon 132 thus forms the wave transmission medium of the waveguide 140. In both examples of waveguides
  • the active layer 126 is based on silicon, crystalline or amorphous.
  • the active layer in which the edge 128 or the ribbon 132 are made, or generally the portion of material capable of carrying out waveguiding may be based on a semiconductor material other than silicon, such as for example germanium, or based on indium phosphide, or silica doped with phosphorus or boron, or more generally any type III-V material.
  • FIG. 3 represents an overall view of waveguide 140 of the ribbon type (active layer 126 etched throughout its thickness).
  • the waveguide 140 comprises, at a first end, evanescent wave coupling means making it possible to perform an optical coupling between the optical fiber 102 and the waveguide 140.
  • evanescent wave coupling means making it possible to perform an optical coupling between the optical fiber 102 and the waveguide 140.
  • these coupling means comprise a diffraction grating 162 made in ribbon technology as the whole of the waveguide 140.
  • This diffraction grating 162 is intended to come in the vicinity and in contact, direct or indirect, with the end 110 of the optical fiber 102 against the truncated surface of the end 110 of the optical fiber 102, at the bare portion 108 of the core 104 of the optical fiber 102.
  • the diffraction grating 162 is connected to a portion 164 of the active layer 126 waveguide 140 forming a coupling interface between the diffraction grating 162 and the rest of the waveguide 140. Indeed, the width of the diffraction grating 162 (dimension along the Y axis shown in FIG.
  • the width of the ribbon 132 on the side opposite the diffraction grating 162, has a width generally less than 1 ⁇ m.
  • This portion 164 of the active layer 126 made throughout the thickness of the active layer 126, thus forms a "funnel", that is to say a portion of guiding material having, at a first side, a width substantially equal to that of the diffraction grating 162, this width gradually decreasing to a second side, opposite the first side, having a width substantially equal to that of the ribbon 132 of the rest of the waveguide 140, less than about 1 micron.
  • the protective layer 134 is present on the whole of the waveguide 140, that is to say on the diffraction grating 162, on the adaptation portion 164 as well as on the ribbon 132.
  • the planar waveguide 120 made in edge-type technology, also comprises evanescent wave coupling means, for example a diffraction grating substantially similar to the diffraction grating. , and an adaptation portion substantially similar to the portion 164 in order to adapt the dimensions of the diffraction grating to those of the edge 128 of the waveguide 120.
  • the grating diffraction 162 and the portion 164 are made in ribbon technology, that is to say engraved on a portion of the total thickness of the active layer 126.
  • the device 100 here comprises the optical fiber 102 and the planar waveguide 140, these two elements being coupled to one another through the network. diffraction 162 of the waveguide 140.
  • Such a transmission device 100 provides an alignment in the same plane, that is to say coplanar, of the optical fiber 102 and the waveguide 140, allowing thus to obtain a transmission device 100 of very small size.
  • the diffraction grating 162 is disposed under and in contact with the surface 109 of the portion 108 of the core 104 which is exposed at the end 110 of the optical fiber 102. diffraction 162 is bonded to the end 110 of the fiber 102, at the truncated portion thereof.
  • the bonding may be of the molecular type, or else carried out via a bonding interface disposed between the diffraction grating 162 (above the protective layer 130 or 134) and the truncated surface of the end 110.
  • This bonding interface is for example based on Si 3 N 4 , silica optionally doped with nanocrystals of silicon or erbium, ITO, or more generally based on an oxide or a nitride.
  • the thickness is for example between about 10 nm and 1 micron.
  • the thickness of this bonding interface is chosen according to the material of the bonding interface so that the interface is optically transparent to the evanescent waves to be transmitted between the optical fiber 102 and the diffraction grating 162.
  • the material and the thickness of the protective layer (designated by references 130 and 134 in FIGS. 2A and 2B) of the waveguide of the transmission device 100 are chosen to that a contact of the evanescent fields takes place between the optical fiber 102 and the diffraction grating 162.
  • the optical fiber 102 and the diffraction grating 162 are coupled to each other over a short distance (dimension parallel to the x axis shown in FIG. 4), for example between approximately 1 ⁇ m and 100 ⁇ m, thanks to in that the difference in refractive indices of the core materials 104 of the optical fiber 102 and the diffraction grating 162 is large, for example between about 1.5 and 4 or more.
  • the period of the diffraction grating 162 is here between about 200 nm and 2 microns.
  • the evanescent field of the optical mode propagating in the fiber 102 is picked up by the diffraction grating 162, which then makes it possible to transmit the wave in the rest of the guide. waves.
  • the side of the waveguide opposite the side comprising the diffraction grating 162 may be connected to, or coupled to, one or more photonic circuits carrying out transmission and / or reception of signals.
  • the waveguide may also comprise, at the side opposite to that comprising the diffraction grating 162, elements performing optical beam management functions such as multiplexing, demultiplexing, modulation, or routing. spectral.
  • the coupling formed between the optical fiber 102 and the waveguide 140 or 120 is bidirectional because the signals can also propagate from the waveguide to the optical fiber 102 through the evanescent wave coupling performed.
  • the choice of the type of waveguide (ribbon or edge) can be made according to the technology (ribbon or edge) of the photonic circuit or circuits to which the waveguide of the transmission device 100 can be connected.
  • the width of the diffraction grating 162 is substantially equal to that of the surface 109 of the bare portion 108 of the core 104 of the fiber 102.
  • diffraction pattern 162 is here substantially centered, along the Y axis, with this surface 109.
  • the diffraction grating 162 it is possible for the diffraction grating 162 to have a different width (greater or smaller) than the width of the surface 109 of the portion 108. laid bare.
  • the width of the diffraction grating 162 and / or the width of the surface 109 of the portion 108 exposed of the fiber 102 may be between about 5 ⁇ m and 10 ⁇ m, for example in the case of a single-mode transmission, or between about 10 ⁇ m and 100 ⁇ m in the case of a multimode signal transmission.
  • the diffraction grating 162 may also not be centered relative to the surface 109 of the portion 108. Such an offset is possible from the moment when an evanescent wave coupling is well made between the optical fiber 102 and the diffraction grating. 162.
  • the solution described here comprising the optical fiber 102 comprising a truncated portion at which a waveguide is coupled by means of evanescent wave coupling, for example a network diffraction, greatly reduces the alignment constraints that existed with the devices of the prior art because here, only an alignment along the Y axis, dimension corresponding to the widths of the optical fiber and the waveguide, must to be achieved in order to obtain an evanescent wave coupling between the optical fiber and the waveguide (no alignment required along the axis of revolution 103 of the fiber, nor along the Z axis because for this axis, c is the thickness of the materials lying above the diffraction grating 162 which automatically determines the positioning of the diffraction grating 162 with respect to the exposed surface 109 of the optical fiber 102).
  • the embodiment described above produces a monomode transmission of the waves, that is to say that the optical fiber 102 and the waveguide 120 or 140 are single mode.
  • the optical fiber may be multimode.
  • the waveguide can also be multimode.
  • the optical fiber 102 may be multi-mode, and the transmission device 100 may comprise a plurality of waveguides, arranged next to each other and each having a diffraction grating glued against the surface 109 of the fiber 102. It is thus possible to couple the multimode fiber with several single-mode waveguides. Such an embodiment makes it possible in particular to separate the spectral bands and polarizations transmitted through a multimode optical fiber.
  • the transmission device 100 may also comprise several single-mode or multi-mode optical fibers 102, each being coupled to one or more waveguides comprising evanescent wave coupling means, for example a diffraction grating.
  • the optical fiber or fibers 102 of the transmission device 100 may be manufactured individually or collectively by disposing the ends 110 of the fibers 102 to be machined, or truncated, in trenches 202 of V-shaped section ("V-grooves ") Made in a semiconductor substrate 200 (see Figure 5A).
  • the depth and width of the trenches 202 are chosen so that only the portions of the ends 110 of the fibers 102 intended to be preserved (not truncated) are disposed inside the trenches 202.
  • the machining of the ends is then performed. 110 fibers for example by chemical mechanical polishing stopping at the upper face of the substrate 200 ( Figure 5B).
  • the portions 108 of the cores 104 of the fibers 102, revealing the surfaces 109 of the fibers 102, are thus exposed.
  • these fibers 102 can be assembled simultaneously with several coupling devices similar to the coupling device 160 previously described.
  • the semiconductor elements of the transmission device 100 can be made from one or more SOI substrates by steps of photolithography and etching, as well as deposition steps, for example of the CVD type.
  • the portion 108 of the core 104 is polished, or truncated, at one end 110 of the optical fiber 102.
  • the portion 110 is not an end of the optical fiber 102.
  • optical fiber 102 but any portion of the optical fiber, thereby forming a notch at which a surface of the core is exposed.
  • the diffraction grating of the waveguide can be glued against this surface, in the notch, in order to achieve an evanescent wave coupling with the optical fiber.
  • the optical fiber would comprise an axis of revolution 103 parallel to the X axis, and the waveguide would extend along an axis parallel to the Y axis.
  • the surface 109 of the portion 108 of the core 104 of the optical fiber 102 belongs to a plane parallel to the axis of revolution 103 of the fiber 102, that is to say say that a line normal to this surface 109 forms with the axis of revolution 103 an angle equal to 90 °.
  • Yl coupling with n coeU r refractive index of the core material of the optical fiber
  • n C oupiage refractive index of a material from which are made the coupling means.

Landscapes

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  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

Dispositif de transmission optique (100) comportant : - une fibre optique (102) comprenant un coeur (104) et une gaine (106) entourant le coeur, et comportant, au niveau d'au moins une partie (110) de la fibre optique, une portion (108) du coeur dont au moins une surface (109) n'est pas recouverte par la gaine, - un guide d'ondes planaire (120, 140) comprenant des moyens de couplage (162) par ondes évanescentes disposés au voisinage de ladite surface de la portion du coeur de la fibre optique, lesdits moyens de couplage comprenant un réseau de diffraction, et dans lequel l'indice de réfraction du matériau du coeur de la fibre optique est compris entre environ 1 et 2,5, et l'indice de réfraction d'un matériau à partir duquel sont réalisés les moyens de couplage est compris entre environ 3 et 4.

Description

DISPOSITIF DE TRANSMISSION OPTIQUE A FIBRE OPTIQUE COUPLEE PAR ONDES EVANESCENTES A UN GUIDE D'ONDE
PLANAIRE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L' invention concerne le domaine de l'optoélectronique, et plus particulièrement la réalisation d'un couplage et d'une transmission optique entre un guide d'ondes planaire et une fibre optique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les technologies des guides d'ondes planaires permettent d'intégrer de façon compacte, sur une même puce, des fonctions complexes de gestion de faisceaux optiques comme le multiplexage, le démultiplexage, la modulation, ou encore le routage spectral. Toutes ces fonctions sont nécessaires aussi bien pour des liaisons optiques très courtes distances, de l'ordre du millimètre (par exemple pour des communications intra-puce) , ou très longues distances, de l'ordre de plusieurs kilomètres (par exemple pour des réseaux métropolitains) , et permettent de réaliser une augmentation du débit des bus d'interconnexion.
Afin d'obtenir une forte densité d'intégration de ces fonctions optiques, il est nécessaire de réaliser une miniaturisation poussée des circuits, conduisant également à une miniaturisation de la section des guides d'ondes planaires, par exemple à des dimensions comprises entre quelques dixièmes de micromètre et quelques micromètres. Or, pour les applications moyennes et longues distances (c'est-à- dire de quelques mètres à plusieurs kilomètres) , le médium de transport optique privilégié est la fibre optique dont les dimensions de la section transverse sont élevées (par exemple de 10 à quelques dizaines de micromètres) . Par conséquent, les systèmes de couplage optique entre les guides d' ondes planaires et les fibres optiques doivent compenser cette désadaptation dimensionnelle entre ces deux éléments.
En effet, afin de garantir la caractéristique monomodale des guides d'ondes planaires, les dimensions des sections des portions de semi-conducteur réalisant la transmission dans ces guides d'ondes sont fortement réduites, et sont par exemple choisies inférieures à la longueur d'onde transmise. A l'opposé, le faible rapport d'indices de réfraction entre le matériau formant le cœur d'une fibre optique et celui de sa gaine relaxe la contrainte des dimensions en ce qui concerne la caractéristique monomodale de ces fibres. La taille du mode sortant d'une fibre optique est généralement proche d'une dizaine de micromètres. Ainsi, l'efficacité de couplage entre un guide d' ondes planaire monomode et une fibre optique monomode est proportionnelle, au premier ordre, au rapport des surfaces des modes, et est généralement inférieure à 5 %, ce qui limite la transmission entre ces deux éléments. Réaliser un bon couplage optique entre un guide d'ondes planaire et une fibre optique, notamment lorsque ces éléments sont monomodes, est donc problématique . II est connu de coupler une fibre optique à un guide d' ondes en disposant la fibre optique perpendiculairement au guide d'ondes. Toutefois, un tel couplage n'est pas compatible avec certains packaging de circuits optiques imposant, pour des raisons d'encombrement, que la fibre optique soit disposée de manière coplanaire au guide d'ondes, le guide d'ondes devant dans ce cas être aligné, c'est-à-dire parallèle, à l'axe de révolution de la fibre optique. Pour réaliser un couplage optique tout en conservant la fibre optique alignée de manière coplanaire au guide d'ondes, il est possible d'augmenter la taille du mode du guide d'ondes planaire. Pour cela, on réalise une adaptation, ou variation, graduelle de la section du guide d'ondes planaire au niveau de l'interface avec la fibre optique afin de dé-confiner graduellement le mode du guide d'ondes planaire, c'est-à-dire augmenter la taille du mode du guide d'ondes planaire. Lorsque le cœur du guide d'ondes planaire est à base de semi-conducteur, il est possible de dé-confiner le mode jusqu'à 3 μm environ, ce qui reste toutefois bien inférieur à la taille du mode des fibres optiques.
Parallèlement à cette augmentation de la taille du mode du guide d'ondes, il est également possible de réduire la taille du mode de la fibre optique. Pour cela, on réalise une réduction de la section de la fibre optique au niveau de l'interface avec le guide d'ondes planaire, ce qui permet de réduire la taille du mode de la fibre optique. Une telle fibre optique est appelée « fibre optique étirée » (ou « tapered optical fiber » en anglais) . On obtient typiquement des modes réduits dont les dimensions sont comprises entre environ 2,5 μm et 3 μm. Toutefois, cette solution est difficile à mettre en œuvre à l'échelle industrielle. De plus, étant donné que la taille du mode est réduite, cette configuration demande un alignement mécanique de la fibre avec le guide d'ondes bien plus précis dans l'espace, c'est-à- dire selon trois dimensions, qu'avec une fibre à l'extrémité non réduite.
Cette solution permet donc d' obtenir une compatibilité des modes de la fibre optique et du guide d'ondes en combinant une augmentation de la taille du mode du guide d' ondes planaire et une réduction de la taille du mode de la fibre optique. Toutefois, cette solution rend le dispositif final, comportant la fibre optique couplée au guide d'ondes, complexe à fabriquer et coûteux, notamment en raison de l'alignement très précis à réaliser entre l'extrémité de section réduite de la fibre optique et le guide d'ondes.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de transmission dans lequel une fibre optique est couplée optiquement à un guide d'ondes planaire de manière coplanaire, le guide d'ondes étant donc aligné avec l'axe de révolution de la fibre optique, qui soit peu coûteux à réaliser et dont l'alignement entre la fibre optique et le guide d'ondes planaire soit moins complexe à réaliser par rapport aux solutions existantes. Un autre but de la présente invention est également de proposer un dispositif de transmission optique dans lequel une fibre optique est couplée optiquement à un guide d' ondes planaire de manière coplanaire sur une faible distance de couplage, par exemple inférieure à environ 100 μm.
Pour cela, la présente invention propose un dispositif de transmission optique comportant au moins : - une fibre optique comprenant au moins un cœur et une gaine entourant le cœur, et comportant, au niveau d'au moins une partie de la fibre optique, une portion du cœur dont au moins une surface n'est pas recouverte par la gaine, - un guide d'ondes planaire comprenant des moyens de couplage par ondes évanescentes disposés au voisinage de ladite surface de la portion du cœur de la fibre optique, lesdits moyens de couplage comprenant au moins un réseau de diffraction, et dans lequel l'indice de réfraction du matériau du cœur de la fibre optique est compris entre environ 1 et 2,5, et l'indice de réfraction d'un matériau à partir duquel sont réalisés les moyens de couplage est compris entre environ 3 et 4. Par rapport aux dispositifs de l'art antérieur réalisant un couplage hors plan d'une fibre optique et d'un guide d'ondes (fibre optique disposée perpendiculairement au guide d'ondes), le dispositif de transmission selon l'invention permet de réduire l'encombrement grâce au couplage par ondes évanescentes réalisé par le guide d'ondes planaire qui peut donc être disposé parallèlement à l'axe de la fibre optique. Dans ce dispositif de transmission, la fibre optique est donc alignée de manière coplanaire au guide d'ondes, et plus particulièrement de manière coplanaire au réseau de diffraction du guide d'ondes.
De plus, par rapport aux solutions de l'art antérieur dans lesquelles l'extrémité de la fibre optique est réduite et couplée au guide d'ondes en étant mise bout à bout avec le guide d'ondes, ce dispositif de transmission facilite l'alignement entre la fibre optique et le guide d' ondes grâce au couplage par ondes évanescentes réalisé avec la surface du cœur de la fibre mise à nue et qui n' impose des contraintes d'alignement que sur une seule dimension perpendiculaire à l'axe de révolution de la fibre.
La réalisation d'un tel dispositif de transmission ne fait pas appel à des étapes coûteuses telles que celles utilisées pour les dispositifs comprenant un guide optique aligné à une extrémité réduite d'une fibre optique.
Selon l'invention, l'indice de réfraction du cœur de la fibre est faible, c'est-à-dire compris entre environ 1 et 2,5. De telles valeurs d'indice sont par exemple obtenues en utilisant, pour réaliser le cœur de la fibre, au moins un matériau diélectrique tel qu'un oxyde de semi-conducteur, par exemple du Siθ2
(indice égal à environ 1,5) ou du Tiθ2, ou un nitrure de semi-conducteur, ou encore une résine optique. De plus, l'indice de réfraction du matériau des moyens de couplage est fort, c'est-à-dire compris entre environ 3 et 4 (valeurs d' indice obtenues en réalisant les moyens de couplage du guide d'ondes par exemple à partir d'un matériau semi-conducteur tel que du InP, du GaAs, du Si, etc . ) .
De plus, étant donné que la différence entre l'indice de réfraction du matériau du cœur de la fibre optique et l'indice de réfraction du matériau des moyens de couplage est importante, et que le transfert d'énergie entre le cœur de la fibre optique et les moyens de couplage est inversement proportionnel à cette différence d'indices, l'invention permet de réduire fortement la distance de couplage nécessaire entre la fibre optique et le réseau de diffraction. Cette distance de couplage est par exemple comprise entre environ 1 μm et 100 μm. Ladite surface de la portion du cœur de la fibre optique et le réseau de diffraction peuvent être coplanaires .
Il est également proposé un dispositif de transmission optique pouvant comporter au moins : - une fibre optique comprenant au moins un cœur et une gaine entourant le cœur, et comportant, au niveau d'au moins une partie de la fibre optique, une portion du cœur dont au moins une surface n'est pas recouverte par la gaine, - un guide d'ondes planaire comprenant des moyens de couplage par ondes évanescentes disposés au voisinage de ladite surface de la portion du cœur de la fibre optique.
Une droite normale à ladite surface de la portion du cœur de la fibre optique peut former, avec un axe de révolution de la fibre optique, un angle compris entre θc et 90°, tel que : n θc = arcsin coeur avec nrθeiir : indice de
Yl couplage réfraction du matériau du cœur de la fibre optique, et ncoupiage : indice de réfraction d'un matériau à partir duquel sont réalisés les moyens de couplage.
Θc peut donc former un angle critique minimal qui peut être supérieur ou égal à environ 27° lorsque l'indice de réfraction du matériau du cœur de la fibre optique est égale à environ 1,55 et que l'indice de réfraction du matériau à partir duquel sont réalisés les moyens de couplage, par exemple du silicium, est égale à environ 3,5.
Il est également proposé un dispositif de transmission optique pouvant comporter au moins :
- une fibre optique comprenant au moins un cœur et une gaine entourant le cœur, et comportant, au niveau d'au moins une partie de la fibre optique, un méplat mettant à nue une surface du cœur de la fibre optique,
- un guide d'ondes planaire comprenant des moyens de couplage par ondes évanescentes disposés au voisinage de ladite surface de la portion du cœur de la fibre optique. θc peut être tel que : 27° < θc < 90°.
Ladite surface de la portion du cœur de la fibre optique peut être incluse dans un plan sensiblement parallèle à l'axe de révolution de la fibre optique. Dans ce cas, la droite normale à ladite surface de la portion du cœur de la fibre optique forme, avec un axe de révolution de la fibre optique, un angle égal à environ 90°.
Il est également proposé un dispositif de transmission optique pouvant comporter au moins : - une fibre optique comprenant au moins un cœur et une gaine entourant le cœur, et comportant, au niveau d'au moins une partie de la fibre optique, une portion du cœur dont au moins une surface se trouvant dans un plan sensiblement parallèle à l'axe de révolution de la fibre optique n'est pas recouverte par la gaine,
- un guide d'ondes planaire comprenant des moyens de couplage par ondes évanescentes disposés au voisinage de ladite surface de la portion du cœur de la fibre optique.
Ladite partie de la fibre optique peut être une partie d'extrémité de la fibre optique.
Ladite partie de la fibre optique peut comporter, dans un plan perpendiculaire à l'axe de révolution de la fibre optique, une section en forme de disque tronqué.
Ladite portion du cœur peut comporter, dans un plan perpendiculaire à l'axe de révolution de la fibre optique, une section en forme de disque tronqué circulaire ou elliptique, la surface tronquée pouvant être inférieure ou égale à la surface non tronquée du disque .
Le guide d' ondes peut être du type arête ou ruban, et formé dans un substrat SOI, c'est-à-dire de type semi-conducteur sur isolant. Lorsque le guide d' ondes est formé dans un substrat SOI, le réseau de diffraction peut comporter une portion gravée d'une couche active du substrat SOI. Dans ce cas, le réseau de diffraction peut être collé, par exemple par un collage moléculaire ou par l'intermédiaire d'une interface de collage optiquement transparente, contre la surface de la portion du cœur non recouverte par la gaine, ou contre le méplat formé au niveau de ladite partie de la fibre optique. La dimension du réseau de diffraction sensiblement perpendiculaire à l'axe de révolution de la fibre optique et comprise dans un plan sensiblement parallèle à ladite surface de la portion du cœur de la fibre optique non recouverte par la gaine peut être sensiblement égale au mode destiné à être transmis dans la fibre optique.
Le guide d'ondes peut comporter une portion de matériau guidant couplée au réseau de diffraction et dont la section diminue graduellement. La fibre optique et/ou le guide d'ondes peuvent être monomodes.
Dans une autre variante, la fibre optique peut être multimodes. Dans ce cas, le dispositif de transmission peut comporter plusieurs guides d'ondes comprenant chacun des moyens de couplage par ondes évanescentes, par exemple des réseaux de diffraction, et disposés les uns à côté des autres au voisinage de ladite surface de la portion du cœur de la fibre optique . Le dispositif peut comporter un faisceaux de fibres optiques comprenant chacune une portion du cœur dont au moins une surface se trouvant dans un plan sensiblement parallèle à un axe de révolution de la fibre optique n'est pas recouverte par la gaine, et une pluralité de guides d'ondes planaires comprenant chacun des moyens de couplage par ondes évanescentes disposés au voisinage d'une des surfaces des portions des cœurs des fibres optiques non recouvertes par les gaines. Un tel dispositif a notamment pour avantage que les fibres optiques peuvent être polies en un seul fois pour mettre à nue ladite surface du cœur, et couplées en un seul fois en les alignant selon un seul axe par rapport aux guides d'ondes (fabrication collective de plusieurs dispositifs de transmission) .
L' invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif de transmission optique, comportant au moins les étapes de :
- polissage mécano-chimique d'au moins une partie d'une fibre optique comprenant au moins un cœur et une gaine entourant le cœur, tel qu'au moins une surface d'une portion du cœur ne soit plus recouverte par la gaine,
- couplage d' au moins un guide d' ondes planaire comprenant des moyens de couplage par ondes évanescentes au voisinage de ladite surface de la portion du cœur de la fibre optique, lesdits moyens de couplage comprenant au moins un réseau de diffraction et dans lequel l'indice de réfraction du matériau du cœur de la fibre optique est compris entre environ 1 et 2,5, et l'indice de réfraction d'un matériau à partir duquel sont réalisés les moyens de couplage est compris entre environ 3 et 4. II est également proposé un procédé de réalisation d'un dispositif de transmission optique, pouvant comporter au moins les étapes de :
- polissage mécano-chimique d'au moins une partie d'une fibre optique comprenant au moins un cœur et une gaine entourant le cœur, tel qu'au moins une surface d'une portion du cœur se trouvant dans un plan sensiblement parallèle à un axe de révolution de la fibre optique ne soit plus recouverte par la gaine, ou formant un méplat mettant à nue une surface du cœur de la fibre optique,
- couplage d' au moins un guide d' ondes planaire comprenant des moyens de couplage par ondes évanescentes au voisinage de ladite surface de la portion du cœur de la fibre optique.
Lors de l'étape de polissage mécano- chimique, la fibre optique peut être disposée dans une rainure en V formée sur une face d'un substrat, cette face servant de surface d'arrêt lors du polissage mécano-chimique.
Le procédé peut comporter en outre, avant la mise en œuvre de l'étape de couplage, une étape de réalisation des moyens de couplage par ondes évanescentes comprenant une gravure d'un réseau de diffraction dans une couche à base de semi-conducteur.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- les figures IA, IB et IC représentent des vues selon différents angles d'un exemple de fibre optique faisant partie d'un dispositif de transmission optique, objet de la présente invention,
- les figures 2A et 2B représentent des vues partielles de deux exemples de guides d' ondes planaires faisant chacun partie d'un dispositif de transmission optique, objet de la présente invention,
- la figure 3 représente un exemple de guide d'ondes d'un dispositif de transmission optique, objet de la présente invention,
- la figure 4 représente un dispositif de transmission optique, objet de la présente invention, selon un mode de réalisation particulier,
- les figures 5A et 5B représentent les étapes de réalisation de fibres optiques faisant parties d'un dispositif de transmission optique, objet de la présente invention.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles .
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Les différents éléments formant ensemble un dispositif de transmission optique 100, dont un exemple de réalisation est représenté sur la figure 4, vont tout d'abord être décrits individuellement.
On se réfère aux figures IA, IB et IC qui représentent respectivement une vue 3D, une vue en coupe de profil et une vue de face d'un exemple de fibre optique 102 faisant partie du dispositif de transmission optique 100.
La fibre optique 102 est ici une fibre monomode de forme sensiblement cylindrique s' étendant le long d'un axe de révolution 103, ou axe de symétrie, parallèle à un axe X représenté sur les figures IA, IB et IC. La fibre 102 est formée par un cœur 104, également de forme sensiblement cylindrique s' étendant le long de l'axe de révolution 103, et une gaine 106 recouvrant le cœur 104, la gaine 106 ayant une forme tubulaire s' étendant le long de l'axe de révolution 103 et dans laquelle est disposé le cœur 104.
Comme représenté sur les figures IA, IB et IC, une extrémité 110 de la fibre 102 est usinée, ou tronquée, en forme de « D » sur une longueur 1 (voir figure IB) parallèle à l'axe de révolution 103. Cette longueur 1 est par exemple comprise entre environ 10 μm et 1 cm. Ainsi, au niveau de cette longueur 1, l'extrémité 110 de la fibre optique 102 a une section transverse, c'est-à-dire une section dans un plan perpendiculaire à l'axe de révolution 103 (et donc parallèle au plan (Y, Z)), en forme de disque tronquée, mettant à nue une portion 108 du cœur 104 de cette extrémité 110. Cette portion 108 présente donc une surface 109, se trouvant dans un plan parallèle à l'axe de révolution 103, qui n'est pas recouverte par la gaine 106. Cette surface 109 mise à nue forme un méplat réalisé au niveau de l'extrémité 110 de la fibre optique 102. La section transverse du reste de la fibre 102, c'est-à-dire en dehors de l'extrémité 110, a une forme de disque.
Au niveau de cette extrémité 110, la portion 108 du cœur 104 est usinée, ou tronquée, sur une hauteur h (voir figure IC), parallèle à l'axe Z, correspondant à la distance entre la surface extérieure de la paroi initiale du cœur 104 et la surface 109. Cette hauteur h est choisie de préférence inférieure ou égale au rayon de la section transverse initiale, c'est-à-dire non tronquée, du cœur 104. Ainsi, en limitant la hauteur h à environ la moitié du diamètre de la section initiale non tronquée du cœur 104, correspondant à un tronquage ou un usinage maximum de la moitié de l'extrémité 110 de la fibre optique 102, on évite l'apparition d'importantes perturbations dans le cœur 104 qui seraient dues à des réflexions parasites à la frontière entre l'extrémité 110 et le reste de la fibre 102.
Dans une variante, il est possible que seule la gaine 106, au niveau de l'extrémité 110, soit tronquée, mettant ainsi à nue une partie de la paroi extérieure de la portion 108 du cœur 104. Cette variante correspondrait à avoir une hauteur h d'usinage du cœur 104 sensiblement nulle.
Le dispositif de transmission optique 100 comporte en outre un guide d'ondes planaire. La figure 2A représente une partie d'un premier exemple de guide d'ondes planaire 120 de type arête faisant partie du dispositif de transmission optique 100. Ce guide d'ondes planaire 120 est réalisé à partir d'un substrat SOI comprenant une couche support 122 à base de silicium, sur laquelle est empilée une couche diélectrique 124 à base de Siθ2 et une couche active 126 à base de silicium. La couche active 126 est gravée partiellement afin de former une arête 128 au niveau de la face supérieure de la couche active 126 (la face supérieure étant la face opposée à celle en contact avec la couche diélectrique 124) . La couche active 126 est recouverte par une couche de protection 130, ici à base de Siθ2, optiquement transparente. La couche active 126 forme donc, grâce à la différence de valeurs entre l'indice de réfraction du matériau de la couche active 126, ici du silicium, et celui de la couche de protection 130, ici du Siθ2, un médium monomode dans lequel les ondes sont guidées sur toute la longueur du guide d'ondes 120, parallèlement à l'axe X représenté sur la figure 2A. L'arête 128 a par exemple une largeur (dimension selon l'axe Y représenté sur la figure 2A) égale à environ 0,9 μm ou comprise entre environ 0,2 μm et 1 μm, et une hauteur (dimension selon l'axe Z représenté sur la figure 2A) égale à environ 0,4 μm ou comprise entre environ 0,2 μm et 1 μm. La figure 2B représente une partie d'un second exemple de réalisation d'un guide d'ondes planaire 140, également de type monomode, faisant partie du dispositif de transmission optique 100. De manière analogue au guide d'ondes 120 représenté sur la figure 2A, le guide d'ondes 140 est réalisé à partir du substrat SOI formé par les couches 122, 124 et 126 précédemment décrites. Par rapport au guide d'ondes 120 de la figure 2A, la couche active 126 est ici gravée sur toute son épaisseur (dimension selon l'axe Z de la figure 2B) afin de former un ruban 132, c'est-à-dire une portion de largeur (dimension selon l'axe Y) inférieure à la largeur initiale de la couche active 126, apte à réaliser le guidage des ondes sur tout la longueur du guide d'ondes 140, c'est-à-dire selon l'axe X. Le ruban 132 a par exemple une largeur (dimension selon l'axe Y) égale à environ 0,5 μm ou comprise entre environ 0,2 μm et 1 μm, et une hauteur (dimension selon l'axe Z) égale à environ 0,2 μm, ou comprise entre environ 0,2 μm et 1 μm. Enfin, de manière analogue à l'arête 128 du guide d'ondes 120, le ruban 132 est recouvert par une couche de protection 134 à base de Siθ2. Le ruban 132 forme donc le médium de transmission des ondes du guide d'ondes 140. Dans les deux exemples de guides d'ondes
120 et 140 décrits ci-dessus, la couche active 126 est à base de silicium, cristallin ou amorphe. Dans une variante, la couche active dans laquelle l'arête 128 ou le ruban 132 sont réalisés, ou de manière générale la portion de matériau apte à réaliser le guidage des ondes, peut être à base d'un matériau semi-conducteur autre que du silicium, comme par exemple du germanium, ou encore à base de phosphure d' indium, ou de silice dopée au phosphore ou au bore, ou plus généralement de tout matériau de type III-V. La figure 3 représente une vue d'ensemble du guide d'ondes 140 de type ruban (couche active 126 gravée sur toute son épaisseur) . Le guide d'ondes 140 comporte à une première extrémité des moyens de couplage par ondes évanescentes permettant de réaliser un couplage optique entre la fibre optique 102 et le guide d'ondes 140. Sur l'exemple de la figure 3, ces moyens de couplage comportent un réseau de diffraction 162 réalisé en technologie ruban comme l'ensemble du guide d'ondes 140. Ce réseau de diffraction 162 est destiné à venir au voisinage et en contact, direct ou indirect, avec l'extrémité 110 de la fibre optique 102, contre la surface tronquée de l'extrémité 110 de la fibre optique 102, au niveau de la portion 108 mise à nue du cœur 104 de la fibre optique 102. Le réseau de diffraction 162 est relié à une portion 164 de la couche active 126 du guide d'ondes 140 formant une interface de couplage entre le réseau de diffraction 162 et le reste du guide d'ondes 140. En effet, la largeur du réseau de diffraction 162 (dimension selon l'axe Y représenté sur la figure 3) correspond sensiblement à la largeur du mode transmis dans la fibre optique 102, par exemple égale à environ 10 μm. Par contre, la largeur du ruban 132, du côté opposé au réseau de diffraction 162, a une largeur généralement inférieure à 1 μm. Cette portion 164 de la couche active 126, réalisé dans toute l'épaisseur de la couche active 126, forme donc un « entonnoir », c'est- à-dire une portion de matériau guidant comportant, au niveau d'un premier côté, une largeur sensiblement égale à celle du réseau de diffraction 162, cette largeur diminuant graduellement jusqu'à un second côté, opposé au premier côté, comportant une largeur sensiblement égale à celle du ruban 132 du reste du guide d'ondes 140, inférieure à environ 1 μm. La couche de protection 134 est présente sur l'ensemble du guide d'ondes 140, c'est-à-dire sur le réseau de diffraction 162, sur la portion d'adaptation 164 ainsi que sur le ruban 132.
De manière analogue à l'exemple de la figure 3, le guide d'ondes planaire 120, réalisé en technologie de type arête, comporte également des moyens de couplage par ondes évanescentes, par exemple un réseau de diffraction sensiblement similaire au réseau de diffraction 162, ainsi qu'une portion d'adaptation sensiblement similaire à la portion 164 afin d'adapter les dimensions du réseau de diffraction à celles de l'arête 128 du guide d'ondes 120. Dans ce guide d'ondes 120, le réseau de diffraction 162 ainsi que la portion 164 sont réalisés en technologie ruban, c'est-à-dire gravés sur une partie de l'épaisseur totale de la couche active 126.
On se réfère maintenant à la figure 4 qui représente le dispositif de transmission optique 100 dans son ensemble selon un mode de réalisation particulier. Le dispositif 100 comporte ici la fibre optique 102 et le guide d'ondes planaire 140, ces deux éléments étant couplés l'un à l'autre grâce au réseau de diffraction 162 du guide d'ondes 140. Un tel dispositif de transmission 100 permet d'obtenir un alignement dans un même plan, c'est-à-dire coplanaire, de la fibre optique 102 et du guide d'ondes 140, permettant ainsi d'obtenir un dispositif de transmission 100 d'encombrement très faible.
Dans ce dispositif de transmission 100, le réseau de diffraction 162 est disposé sous et en contact avec la surface 109 de la portion 108 du cœur 104 qui est mise à nue au niveau de l'extrémité 110 de la fibre optique 102. Le réseau de diffraction 162 est collé à l'extrémité 110 de la fibre 102, au niveau de la partie tronquée de celle-ci. Le collage peut être de type moléculaire, ou bien réalisé par l'intermédiaire d'une interface de collage disposée entre le réseau de diffraction 162 (au-dessus de la couche protection 130 ou 134) et la surface tronquée de l'extrémité 110. Cette interface de collage est par exemple à base de Si3N4, de silice éventuellement dopé par des nanocristaux de silicium ou d' erbium, d' ITO, ou plus généralement à base d'un oxyde ou d'un nitrure. L'épaisseur est par exemple comprise entre environ 10 nm et 1 μm. L'épaisseur de cette interface de collage est choisie en fonction du matériau de l'interface de collage pour que l'interface soit optiquement transparente aux ondes évanescentes devant être transmises entre la fibre optique 102 et le réseau de diffraction 162. De plus, le matériau et l'épaisseur de la couche de protection (désignée par les références 130 et 134 sur les figures 2A et 2B) du guide d'ondes du dispositif de transmission 100 sont choisis pour qu'un contact des champs évanescents ait lieu entre la fibre optique 102 et le réseau de diffraction 162.
La fibre optique 102 et le réseau de diffraction 162 sont couplés l'un à l'autre sur une faible distance (dimension parallèle à l'axe x représenté sur la figure 4), par exemple comprise entre environ 1 μm et 100 μm, grâce au fait que la différence d'indices de réfraction des matériaux du cœur 104 de la fibre optique 102 et du réseau de diffraction 162 est importante, par exemple comprise entre environ 1,5 et 4 ou plus. De plus, la période du réseau de diffraction 162 est ici comprise entre environ 200 nm et 2 μm.
Ainsi, lorsque des ondes sont transmises depuis la fibre optique 102, le champ évanescent du mode optique se propageant dans la fibre 102 est capté par le réseau de diffraction 162, ce qui permet alors de transmettre l'onde dans le reste du guide d'ondes. Le côté du guide d'ondes opposé au côté comportant le réseau de diffraction 162 peut être relié, ou couplé, à un ou plusieurs circuits photoniques réalisant une émission et/ou une réception de signaux. En outre, le guide d'ondes peut également comporter, au niveau du côté opposé à celui comportant le réseau de diffraction 162, des éléments réalisant des fonctions de gestion de faisceaux optiques comme le multiplexage, le démultiplexage, la modulation, ou encore le routage spectral. Le couplage réalisé entre la fibre optique 102 et le guide d'ondes 140 ou 120 est donc bidirectionnel car les signaux peuvent également se propager depuis le guide d'ondes vers la fibre optique 102 grâce au couplage par ondes évanescentes réalisé. Le choix du type de guide d'ondes (ruban ou arête) peut être réalisé en fonction de la technologie (ruban ou arête) du ou des circuits photoniques auxquels peut être relié le guide d'ondes du dispositif de transmission 100.
Dans le dispositif de transmission 100 décrit en liaison avec la figure 4, la largeur du réseau de diffraction 162 est sensiblement égale à celle de la surface 109 de la portion 108 mise à nue du cœur 104 de la fibre 102. De plus, le réseau de diffraction 162 est ici sensiblement centré, selon l'axe Y, avec cette surface 109. Toutefois, il est possible que le réseau de diffraction 162 ait une largeur différente (supérieure ou inférieure) à la largeur de la surface 109 de la portion 108 mise à nue. De manière générale, la largeur du réseau de diffraction 162 et/ou la largeur de la surface 109 de la portion 108 mise à nue de la fibre 102 peuvent être comprises entre environ 5 μm et 10 μm, par exemple dans le cas d'une transmission monomode, ou comprise entre environ 10 μm et 100 μm dans le cas d'une transmission de signaux multimodes. Le réseau de diffraction 162 peut également ne pas être centré par rapport à la surface 109 de la portion 108. Un tel décalage est possible à partir du moment où un couplage par ondes évanescentes est bien réalisé entre la fibre optique 102 et le réseau de diffraction 162. On voit donc que la solution décrite ici, comportant la fibre optique 102 comprenant une partie tronquée au niveau de laquelle un guide d'ondes est couplé par des moyens de couplage par ondes évanescentes, par exemple un réseau de diffraction, permet de réduire fortement les contraintes d'alignement qui existaient avec les dispositifs de l'art antérieur car ici, seul un alignement selon l'axe Y, dimension correspondant aux largeurs de la fibre optique et du guide d'ondes, doit être réalisé afin d'obtenir un couplage par ondes évanescentes entre la fibre optique et le guide d' ondes (pas d'alignement nécessaire selon l'axe de révolution 103 de la fibre, ni selon l'axe Z car pour cet axe, c'est l'épaisseur des matériaux se trouvant au-dessus du réseau de diffraction 162 qui détermine automatiquement le positionnement du réseau de diffraction 162 par rapport à la surface 109 mise à nue de la fibre optique 102) . L'exemple de réalisation décrit ci-dessus réalise une transmission monomode des ondes, c'est-à- dire que la fibre optique 102 et le guide d'ondes 120 ou 140 sont monomodes. Dans un autre mode de réalisation, la fibre optique peut être multimodes. Dans ce cas, le guide d'ondes peut également être multimodes. Dans un autre mode de réalisation, la fibre optique 102 peut être multimodes, et le dispositif de transmission 100 peut comporter plusieurs guides d'ondes, disposés les uns à côtés des autres et comportant chacun un réseau de diffraction collé contre la surface 109 de la fibre 102. On peut ainsi réaliser un couplage de la fibre multimodes avec plusieurs guides d'ondes monomodes. Un tel mode de réalisation permet notamment de séparer les bandes spectrales et polarisations transmises à travers une fibre optique multimodes . Dans une variante, le dispositif de transmission 100 peut également comporter plusieurs fibres optiques 102, monomodes ou multimodes, chacune étant couplée à un ou plusieurs guides d'ondes comprenant des moyens de couplage par ondes évanescentes, par exemple un réseau de diffraction.
La ou les fibres optiques 102 du dispositif de transmission 100 peuvent être fabriquées de manière individuelle ou collective en disposant les extrémités 110 des fibres 102 destinées à être usinées, ou tronquées, dans des tranchées 202 de section en forme de V (« V-grooves ») réalisées dans un substrat semiconducteur 200 (voir figure 5A) . La profondeur et la largeur des tranchées 202 sont choisies de manière à ce que seules les parties des extrémités 110 des fibres 102 destinées à être conservées (non tronquées) soient disposées à l'intérieur des tranchées 202. On réalise alors l'usinage des extrémités 110 des fibres 102 par exemple par polissage mécano-chimique en s' arrêtant au niveau de la face supérieure du substrat 200 (figure 5B) . On met ainsi à nues les portions 108 des cœurs 104 des fibres 102, révélant les surfaces 109 des fibres 102. Ensuite, ces fibres 102 peuvent être assemblées simultanément à plusieurs dispositifs de couplage similaires au dispositif de couplage 160 précédemment décrit .
Les éléments semi-conducteurs du dispositif de transmission 100, c'est-à-dire le ou les guides d'ondes, peuvent être réalisés à partir d'un ou plusieurs substrats SOI par des étapes de photolithographie et gravure, ainsi que des étapes de dépôt, par exemple de type CVD.
Dans la fibre optique 102 précédemment décrite, la portion 108 du cœur 104 est polie, ou tronquée, au niveau d'une extrémité 110 de la fibre optique 102. Toutefois, il est également envisageable que la portion 110 ne soit pas une extrémité de la fibre optique 102 mais une partie quelconque de la fibre optique, formant ainsi une encoche au niveau de laquelle une surface du cœur est mise à nue. Dans ce cas, le réseau de diffraction du guide d'ondes peut être collé contre cette surface, dans l'encoche, afin de réaliser un couplage par ondes évanescentes avec la fibre optique. Dans ce cas, en considérant les axes X, Y et Z représentés sur les figures IA à IC, la fibre optique comporterait un axe de révolution 103 parallèle à l'axe X, et le guide d'ondes s'étendrait le long d'un axe parallèle à l'axe Y.
Dans l'exemple du dispositif 100 décrit ci- dessus, la surface 109 de la portion 108 du cœur 104 de la fibre optique 102 appartient à un plan parallèle à l'axe de révolution 103 de la fibre 102, c'est-à-dire qu'une droite normale à cette surface 109 forme avec l'axe de révolution 103 un angle égal à 90°. Dans une variante, il est également possible que cet angle soit inférieur à 90°, et supérieur à un angle critique θc tel que : n θc = arcsin coeur
Yl couplage avec ncoeUr : indice de réfraction du matériau du cœur de la fibre optique, et nCoupiage : indice de réfraction d'un matériau à partir duquel sont réalisés les moyens de couplage.
Il est ainsi possible d'avoir une fibre optique 102 dont l'angle d'attaque, par rapport au réseau de diffraction 162, soit compris entre θc et 90°.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de transmission optique (100) comportant au moins : - une fibre optique (102) comprenant au moins un cœur (104) et une gaine (106) entourant le cœur (104), et comportant, au niveau d'au moins une partie (110) de la fibre optique (102), une portion
(108) du cœur (104) dont au moins une surface (109) n'est pas recouverte par la gaine (106),
- un guide d'ondes planaire (120, 140) comprenant des moyens de couplage (162) par ondes évanescentes disposés au voisinage de ladite surface
(109) de la portion (108) du cœur (104) de la fibre optique (102), lesdits moyens de couplage (162) comprenant au moins un réseau de diffraction, et dans lequel l'indice de réfraction du matériau du cœur (104) de la fibre optique (102) est compris entre environ 1 et 2,5, et l'indice de réfraction d'un matériau à partir duquel sont réalisés les moyens de couplage (162) est compris entre environ 3 et 4.
2. Dispositif (100) selon la revendication 1, dans lequel une droite normale à ladite surface
(109) de la portion (108) du cœur (104) forme, avec un axe de révolution (103) de la fibre optique (102), un angle compris entre θc et 90°, tel que :
θc = arcsin avec nroP1]r : indice de couplage réfraction du matériau du cœur (104) de la fibre optique (102), et ncoupiage : indice de réfraction du matériau à partir duquel sont réalisés les moyens de couplage (162) .
3. Dispositif (100) selon la revendication
1 ou 2, dans lequel ladite surface (109) de la portion
(108) du cœur (104) de la fibre optique (102) et le réseau de diffraction sont coplanaires.
4. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite surface
(109) de la portion (108) du cœur (104) de la fibre optique (102) est incluse dans un plan sensiblement parallèle à l'axe de révolution (103) de la fibre optique (102) .
5. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite partie
(110) de la fibre optique (102) est une partie d'extrémité de la fibre optique (102) .
6. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite partie (110) de la fibre optique (102) comporte, dans un plan perpendiculaire à l'axe de révolution (103) de la fibre optique (102), une section en forme de disque tronqué circulaire ou elliptique.
7. Dispositif (100) selon la revendication 6, dans lequel ladite portion (108) du cœur (104) comporte, dans le plan perpendiculaire à l'axe de révolution (103) de la fibre optique (102), une section en forme de disque tronqué, la surface tronquée étant inférieure ou égale à la surface non tronquée du disque .
8. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le guide d'ondes (120, 140) est du type arête (128) ou ruban
(132), et formé dans un substrat SOI (122, 124, 126) .
9. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le réseau de diffraction est collé contre la surface (109) de la portion (108) du cœur (104) non recouverte par la gaine (106) .
10. Dispositif (100) selon la revendication 9, dans lequel le collage du réseau de diffraction contre la surface (109) de la portion (108) du cœur (104) non recouverte par la gaine (106) est de type moléculaire ou réalisé par l'intermédiaire d'une interface de collage optiquement transparente.
11. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la dimension du réseau de diffraction (162) sensiblement perpendiculaire à l'axe de révolution (103) de la fibre optique (102) et comprise dans un plan sensiblement parallèle à ladite surface (109) de la portion (108) du cœur (104) de la fibre optique (102) non recouverte par la gaine (106) est sensiblement égale au mode destiné à être transmis dans la fibre optique (102) .
12. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le guide d'ondes (120, 140) comporte une portion (164) de matériau guidant couplée au réseau de diffraction (162) et dont la section diminue graduellement.
13. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la fibre optique (102) et/ou le guide d'ondes (120, 140) sont monomodes .
14. Dispositif (100) selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel la fibre optique (102) est multimodes, le dispositif (100) comportant en outre plusieurs guides d'ondes (120, 140) comprenant chacun des moyens de couplage par ondes évanescentes
(162) et disposés les uns à côté des autres au voisinage de ladite surface (109) de la portion (108) du cœur (104) de la fibre optique (102) .
15. Dispositif (100) selon l'une des revendications 1 à 13, comportant un faisceaux de fibres optiques (102) comprenant chacune une portion (108) du cœur (104) dont au moins une surface (109) se trouvant dans un plan sensiblement parallèle à un axe de révolution (103) de la fibre optique (102) n'est pas recouverte par la gaine (106), et une pluralité de guides d'ondes planaires (120, 140) comprenant chacun des moyens de couplage (162) par ondes évanescentes disposés au voisinage d'une des surfaces (109) des portions (108) des cœurs (104) des fibres optiques (102) non recouvertes par les gaines.
16. Procédé de réalisation d'un dispositif de transmission optique (100), comportant au moins les étapes de :
- polissage mécano-chimique d'au moins une partie (110) d'une fibre optique (102) comprenant au moins un cœur (104) et une gaine (106) entourant le cœur (104), tel qu'au moins une surface (109) d'une portion (108) du cœur (104) ne soit plus recouverte par la gaine (106) , - couplage d'au moins un guide d'ondes planaire (120, 140) comprenant des moyens de couplage par ondes évanescentes (162) au voisinage de ladite surface (109) de la portion (108) du cœur (104) de la fibre optique (102), lesdits moyens de couplage (162) comprenant au moins un réseau de diffraction et dans lequel l'indice de réfraction du matériau du cœur (104) de la fibre optique (102) est compris entre environ 1 et 2,5, et l'indice de réfraction d'un matériau à partir duquel sont réalisés les moyens de couplage (162) est compris entre environ 3 et 4.
17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel, lors de l'étape de polissage mécano-chimique, la fibre optique (102) est disposée dans une rainure en V (202) formée sur une face d'un substrat (200), cette face servant de surface d'arrêt lors du polissage mécano-chimique .
18. Procédé selon l'une des revendications 16 ou 17, comportant en outre, avant la mise en œuvre de l'étape de couplage, une étape de réalisation des moyens de couplage par ondes évanescentes (162) comprenant une gravure du réseau de diffraction dans une couche à base de semi-conducteur.
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