WO2024132919A1 - Circuit photonique integre de demultiplexage d'un faisceau optique incident fortement multimode et de recombinaison - Google Patents

Circuit photonique integre de demultiplexage d'un faisceau optique incident fortement multimode et de recombinaison Download PDF

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WO2024132919A1
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photonic circuit
beams
mode
planar photonic
circuit according
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PCT/EP2023/086031
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Jérôme BOURDERIONNET
Vincent Billault
Arnaud Brignon
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Thales
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    • G02B2006/12133—Functions
    • G02B2006/12164—Multiplexing; Demultiplexing

Definitions

  • the first example illustrated in Figure 1 illustrates a reception system SR1 for the case of a WDM link in which, on transmission, a beam consisting of M multiplexed wavelengths ⁇ i, ⁇ 2 , ...XM , (index j varying 1 to M) emitted by lasers L1, L2, LM, each carrying a modulation signal (modulators modi, mod2 ... and XMUX multiplexer), is emitted in free space.
  • the beam After propagation in the atmosphere FS, the beam has a strongly distorted amplitude and phase, forming the incident beam Fid on reception.
  • a third example described in the publication by Watanabe et al. “Coherent few mode demultiplexer realized as a 2D grating coupler array in silicon.” (Optics Express 28.24 (2020): 36009-36019) describes an integrated photonics device for generating and receiving low-order spatial modes for coupling to a weakly multimode FMF fiber illustrated in Figure 4.
  • spatial modes we mean d low order only the LP O i, LPn a and LPn b modes.
  • the projections of the incident field on each of these modes are denoted E O i, E 11a , E 11 b .
  • weakly multimode optical fiber we mean a fiber in which a number of spatial modes (by x or y polarization) less than or equal to 4 are propagated.
  • an integrated conversion device comprising: o free propagation zones, a free propagation zone being associated with each of the diffracted beams, the conversion device being further configured so that a diffracted beam diverges during its propagation in the associated free propagation zone, o a plurality of collector waveguides arranged downstream of each free propagation zone and o a plurality of single-mode waveguides, a collector waveguide being coupled to a single-mode waveguide and being configured to adiabatically transform a fraction of the multimode optical beam collected locally by said collecting guide into an optical beam according to a fundamental mode of said single-mode waveguide, so as to generate said plurality of single-mode sub-beams (Fi).
  • the diffractive device comprises a single diffraction grating having plane fringes and generating two diffracted beams propagating in two opposite directions
  • the conversion device comprises two divergent lenses positioned on the respective paths of the two diffracted beams upstream of the free propagation zones.
  • the diffractive device comprises two diffraction gratings having perpendicular plane fringes, and configured to each generate two diffracted beams propagating in two opposite directions, and the conversion device comprises four divergent lenses positioned on the respective paths of the four beams diffracted upstream of the free propagation zones.
  • the diffractive device comprises two diffraction gratings having plane fringes and configured to each generate a single diffracted beam and so that said two diffracted beams propagate in two non-collinear and non-orthogonal directions, and the conversion device comprises two divergent lenses positioned on the respective paths of the two diffracted beams upstream of the free propagation zones.
  • the diffractive device comprises two diffraction gratings having curved fringes and configured to each generate a single diffracted beam and so that said two diffracted beams propagate in two non-collinear and non-perpendicular directions.
  • the planar photonic circuit according to the invention further comprises an integrated device for combining and detecting said single-mode sub-beams comprising at least one photodetector.
  • the integrated combination and detection device further comprises a plurality of delay lines configured to equalize the optical or mixed optical/electrical paths of the single-mode sub-beams, considered from the position of the network(s). superimposed diffractive and up to a location where a signal is generated carrying information associated with a single wavelength and integrating the contribution of all the single-mode sub-beams.
  • the integrated combination and detection device comprises:
  • -electrical tracks configured to sum, for each wavelength, the signals from the photodetectors.
  • the combination and detection device comprises:
  • a wavelength demultiplexer a wavelength demultiplexer, a plurality of photodetectors coupled to the outputs of the demultiplexer.
  • the elementary coherent recombination device comprises an integrated interferometer comprising a first and a second phase-shifting element.
  • said location is the output of the wavelength demultiplexer.
  • the combination and detection device further comprises a mixer configured to mix the recombined beam with a local oscillator, the photodetector being a balanced photodetector.
  • the mixer has 4 outputs coupled to two photodetectors balanced so as to perform in-phase and quadrature detection.
  • Figure 1 already cited illustrates a first example of transmission/reception of a WDM link according to the state of the art, in which upon transmission a beam, consisting of M multiplexed wavelengths each carrying a modulation signal, is transmitted in free space, and on reception there is a coherent recombination.
  • Figure 2 already cited illustrates a second example of transmission/reception of a WDM link according to the state of the art in which upon reception the recombination is incoherent.
  • Figure 3 already cited illustrates a single wavelength transmission/reception system with coherent detection in phase and quadrature according to the state of the art.
  • Figure 4 already cited illustrates an integrated photonics device for generating and receiving spatial modes for coupling to a weakly multimode fiber according to the state of the art.
  • FIG. 5 illustrates the planar photonic circuit (PIC) according to the invention.
  • Figure 6 illustrates a first variant of the PIC according to the invention in which the diffractive device comprises a single diffraction grating presenting planar fringes and generating two diffracted beams propagating in two opposite directions.
  • Figure 7 illustrates the monodirectional diffraction of an incident beam spatially structured according to the so-called transverse direction Y perpendicular to the diffraction direction X and incident according to an oblique incidence.
  • Figure 8 illustrates the monodirectional diffraction of an incident beam spatially structured in the so-called longitudinal direction X (diffraction direction X) and incident in an oblique incidence.
  • Figure 9 illustrates a double diffraction in the opposite direction of a beam structured along X and incident at normal incidence on the network.
  • Figure 10 illustrates a second variant of the PIC according to the invention in which the diffractive device comprises two superimposed diffraction gratings having plane and perpendicular fringes and configured to each generate two diffracted beams propagating in two opposite directions.
  • Figure 11 illustrates a third variant of the PIC according to the invention in which the diffractive device comprises two diffraction gratings having planar fringes and configured to each generate a single diffracted beam and so that the two diffracted beams propagate along two non-collinear and non-orthogonal directions.
  • Figure 12 illustrates a fourth variant of the PIC according to the invention in which the diffractive device comprises two diffraction gratings each having curved fringes and configured to each generate a single diffracted beam and so that said two diffracted beams propagate according to two non-collinear and non-orthogonal directions.
  • the diffractive device comprises two diffraction gratings each having curved fringes and configured to each generate a single diffracted beam and so that said two diffracted beams propagate according to two non-collinear and non-orthogonal directions.
  • Figure 13 illustrates an embodiment of the PIC according to the invention in which the planar photonic circuit further comprises an integrated device for combining and detecting said single-mode sub-beams.
  • Figure 14 illustrates an embodiment for which incoherent recombination is carried out.
  • Figure 15 illustrates the cascade architecture of coherent recombination.
  • Figure 16 illustrates an elementary coherent recombination device according to the state of the art.
  • Figure 17 illustrates a planar photonic circuit according to the invention which performs spatial demultiplexing on 16 single-mode beams and coherent recombination with interferometers such as illustrated in Figure 16.
  • the invention relates to a PIC planar photonic circuit for demultiplexing a highly multimode incident optical beam into a plurality of single-mode sub-beams.
  • the complex multimode beam to be processed is arbitrary. It comes for example from degradation by propagation in the atmosphere of an initially Gaussian emitted beam or of an optical fiber, as explained above. Furthermore, the optical beam incident on the device typically comes initially from an optical source modulated by a communication signal, and has passed through a propagation channel in non-homogeneous free space or has been injected into a multimode fiber and propagated therein. Propagation in the atmosphere or in the fiber distorts the phase and amplitude profile of the beam.
  • the beam incident on the PIC according to the invention is therefore highly spatial multimode and is preferentially collimated or focused to illuminate the diffractive device Ddiff.
  • the PIC according to the invention comprises a guiding layer GL, parallel to the substrate Sub, in which the light propagates.
  • the principle of the PIC according to the invention is illustrated in Figure 5. It comprises a diffractive device Ddiff integrated into the circuit which comprises a diffractive grating or two superimposed diffractive coupling gratings, the grating(s) being configured to couple the Fine multimode incident optical beam in the guiding layer GL of the planar photonic circuit and to generate two or four diffracted beams. Only a diffracted beam Fd is illustrated in Figure 5 and the following figures 6, 10, 11 and 12 illustrate different variants of generation of two or four diffracted beams.
  • the diffracted beams from the incident beam are spatially multimode.
  • the incident beam may have one or more wavelengths or a given spectral band.
  • the demultiplexer according to the invention operates provided that the wavelength(s) are diffracted with sufficient efficiency by the diffractive grating(s).
  • the PIC also called a photonic chip, also includes an integrated Dconv conversion device comprising free propagation zones Zpl of the diffracted beams, a free propagation zone being associated with each of the diffracted beams.
  • the PIC also comprises a plurality of collector waveguides OGcol arranged downstream of each free propagation zone, and a plurality of single-mode waveguides OGmono, each collector waveguide being coupled to a single-mode waveguide ( and vice versa), so as to generate the plurality of single-mode sub-beams Fi, i varying from 1 to N.
  • Figure 5 only illustrates a free propagation zone, associated with the beam Fd.
  • the diffractive grating(s) are Bragg gratings presenting alternation fringes of refractive index of the guiding layer. These gratings are usually used to couple a single-mode beam, typically Gaussian, from free space to a waveguide on a photonic chip. They diffract the incident beam in the guiding layer GL of the PIC and in one or more directions given by the wave vector(s) of the network(s). The diffraction of the 2-dimensional electromagnetic field incident on the diffractive device leads to one or more one-dimensional projections of the 2D Fine field in the plane of the integrated circuit. Each of these 1 D projections is spatially multimode.
  • the conversion device Dconv converts the 1 D multimode projections of Fine in the plane of the integrated circuit into a plurality of single-mode guided beams Fi, of different phases and amplitudes.
  • the one or two Bragg gratings couple the incident multimode beam to several multimode guides (the collector guides). To do this, the diffracted beam is diverged in the plane of the photonic chip (free propagation zones Zpl) and collecting guides OGcol are placed on the path of the divergent diffracted beam to sample the beam spatially. We therefore have a zone Zpl and a plurality of guides OGcol associated with each diffracted beam.
  • the conversion device is configured so that a diffracted beam diverges during its propagation in the associated free propagation zone.
  • This divergence is for example achieved with a sub-wavelength structure (called metamaterial) configured to produce an effective index variation allowing a divergent lens function to be obtained.
  • metamaterial sub-wavelength structure
  • diverging lens is thus understood to mean any structure or element making it possible to produce a divergence of the diffracted beam.
  • Each of the diffracted beams propagating in the associated free propagation zone Zpl is multimode. Single-mode extractions then take place, via the association of an OGcol collector guide, which each collects a fraction of the multimode beam propagating in the Zpl zone to send it to an associated single-mode guide OGmono.
  • each collector guide collects a fraction of the multimode wavefront (amplitude/phase) propagating in Zpl.
  • Each of the OGcol collecting guides adiabatically transforms this fraction of the multimode optical beam collected locally by the collecting guide, called multimode light, into an optical beam propagating according to the fundamental mode (downstream of the guide).
  • fundamental mode we mean the lowest order mode.
  • the number of collecting guides defines the resolution of the spatial sampling of multimode light. The minimum resolution needed depends on the number of modes of the incident light.
  • the number of guides OGcol is chosen at least as large as the number of modes in the 1 D multimode projections in the free propagation zone Zpl.
  • a single-mode waveguide is arranged in the extension (downstream side) of the associated collector waveguide and is configured to transport this fundamental mode, which constitutes the single-mode sub-beam Fi.
  • the collector guide transforms the collected multimode light into light propagating according to the fundamental mode of the associated single-mode waveguide.
  • the collector waveguide has a decreasing width depending on the direction of propagation (so-called “tap” mode, funnel shape), illustrated in Figure 5.
  • the collector waveguide has a flared shape, that is to say an increasing width according to the direction of propagation (“type >> inverted, tip shape on the upstream side). [0062] Thus it is not the physical width of the section of the collector guide that counts, but it is the size of the fundamental mode which must decrease in the direction of propagation.
  • the collecting guides are contiguous (upstream side, that is to say on the side of the propagation zone in free space) so as to recover all the light from the divergent diffracted beam.
  • Contiguous collector guides are preferably in “tap” mode (decreasing width) as illustrated in Figure 5.
  • the OGmono single-mode guides all have the same width.
  • the modes carried by these guides are intended to be recombined so it is preferable that the single-mode guides all have the same width for the simplicity of the combination.
  • the initial width/geometry of the collecting guides is adapted to the statistics of the modes most present in the incident beam.
  • the advantage of the invention is to offer a PIC which integrates a spatial mode demultiplexer.
  • an original spatial demultiplexer architecture including Ddiff and Dconv is proposed.
  • the multimode incident beam is decomposed into a plurality of single-mode components which are integrated into the PIC and available for processing also in an integrated manner, without any connection or addition of an external component, the processing taking place according to a preferred mode in the same circuit photonics (see below).
  • the diffractive device Ddiff comprises a single diffraction grating DG0 having plane fringes and generating two diffracted beams Fd1, Fd1 ', propagating along two opposite directions (bidirectional diffraction). There are therefore two free propagation zones Zpl here, one per diffracted beam.
  • the conversion device Dconv further comprises two divergent lenses LD1, LD1 'positioned on the respective paths of the two diffracted beams Fd1 and Fd1' upstream of the free propagation zones ZpL
  • N be the number of OGmono single-mode guides, here we have N/2 guides per direction.
  • the incident beam preferentially illuminates Ddiff at a normal incidence so that the Bragg condition is verified for the two opposite directions of propagation.
  • Figure 7 illustrates the monodirectional diffraction only (diffracted beam Fd) of an incident beam 70 spatially structured according to the so-called direction transverse Y perpendicular to the direction of diffraction X and incident at an oblique incidence for which the Bragg condition is verified.
  • the PIC circuit has a guiding layer GL of index ng, a substrate Sub of index nO and an intermediate layer IL of intermediate refractive index n int ⁇ ng.
  • the diffracted beam Fd coupled in the guiding layer GL of the integrated circuit PIC reproduces the structuring of the beam.
  • Figure 8 illustrates the monodirectional diffraction only (diffracted beam Fd) of an incident beam 80 spatially structured in the so-called longitudinal direction X (diffraction direction X) and incident in an oblique incidence for which the Bragg condition is verified .
  • the diffracted beam Fd coupled in the guiding layer GL of the PIC integrated circuit has an energy proportional to the overlapping integral between the structuring profile of the beam in the diffraction direction, and the diffraction profile of the grating.
  • the coupling of the Fd beam in the “middle” guiding layer thus structuring the beam, and part of the energy associated with this mode is lost.
  • Monodirectional diffraction only is therefore suboptimal for beams structured according to the diffraction direction, or even completely ineffective for certain types of modes.
  • Figure 9 illustrates the case of a double diffraction (beams Fd and Fd') in the opposite direction of a beam 90 structured along X and incident at normal incidence on the network DG.
  • the grating diffraction profile exponentially decreasing, is shown on the curves respectively on the left for the direction of propagation towards the rear of the grating Ar and on the right for the diffraction towards the front Av.
  • Diffraction by the grating towards the two directions forward and backward gives an additional degree of freedom for decompose the spatial structuring of the incident beam.
  • the overlapping integral between the beam structuring profile and the grating diffraction profile in both directions generates two beams Fd and Fd' with a total energy much higher than one-way diffraction.
  • the diffractive device Ddiff comprises two superimposed diffraction gratings DG1, DG2 having plane fringes and configured to each generate two diffracted beams, respectively (Fd1, Fd1 ') and (Fd2, Fd2') propagating in two opposite directions.
  • the respective fringes of the two networks are perpendicular to each other
  • the conversion device comprises four divergent lenses LD1, LD1 ', LD2, LD2' positioned on the respective paths of the four diffracted beams upstream of the zones of free propagation.
  • N be the number of total OGmono single-mode guides, here we have N/4 guides per direction.
  • the incident beam preferentially illuminates Ddiff at a normal incidence so that the Bragg condition is verified for the 4 diffracted beams.
  • the advantage of this configuration is that due to the presence of two perpendicular gratings, the structuring along Y of the incident beam is reproduced by diffraction on DG1 (diffraction along X and -X) and the structuring along X of the incident beam is reproduced by diffraction on DG2 (diffraction along Y and -Y).
  • the modal structure in the two directions X and Y is present in the beams diffracted by this architecture.
  • the architecture with two perpendicular gratings can potentially treat both directions of polarization of the incident beam.
  • the diffractive device Ddiff comprises two diffraction gratings DG3, DG4 having plane fringes and configured to each generate a single diffracted beam and so that the two diffracted beams propagate in two non-collinear directions and non-orthogonal.
  • the flat fringes therefore have an angle between them different from 90°.
  • the conversion device comprises two divergent lenses LD3, LD4 positioned on the respective paths of the two diffracted beams Fd3 and Fd4 upstream of the free propagation zones.
  • the advantage of this configuration is that the Bragg condition can be simultaneously respected for the two networks with an incident beam along the bisecting plane defined by the line B and the axis Z. This configuration is thus compatible with an oblique incidence in this plan.
  • the diffractive device Ddiff comprises two diffraction gratings DG5, DG6 each having curved fringes and configured to each generate a single diffracted beam and so that said two diffracted beams propagate in two non-collinear directions and not orthogonal.
  • the curved fringes therefore have an angle between them different from 90°. This configuration is compatible with an oblique incidence in the bisecting plane.
  • the planar photonic circuit according to the invention further comprises an integrated device for combining and detecting Dcd of said single-mode sub-beams Fi, Dcd comprising at least one photodetector, a plurality of photodetectors in in most cases.
  • the objective is to recover the information which modulates the incident beam.
  • electrical signals are recovered, a signal S ⁇ j per wavelength ⁇ j in the case of a WDM link (coherent or incoherent recombination), a single electrical signal for coherent mono- ⁇ j detection, or two signals electrical output from the two balanced detectors in the case of coherent l/Q detection.
  • the PIC performs monolithic integration of the spatial mode demultiplexer and the detector(s).
  • the integration in the same circuit of all the reception functionalities gives the PIC according to the invention an extreme compactness going well beyond approaches to the state of the art, and entirely relevant for embedded applications.
  • a field of exploitation of the PIC according to the invention is that of free space communications in the space domain (earth-satellite), or that of communication between carriers in the land, naval or air domains.
  • the compactness of the reception system according to the invention makes the solution usable for communications between drones.
  • the coherent or incoherent recombination of the modulated sub-beams makes it possible to drastically reduce the fading of the communication signal induced by the rapid exchanges of energy between the spatial modes, typically due to atmospheric turbulence.
  • the combination and detection device Dcd further comprises a plurality of delay lines LR configured to equalize the optical or mixed optical/electrical paths of the single-mode sub-beams, considered from the position of the superimposed diffractive grating(s), and up to 'at a location where the signal is generated carrying information associated with a single wavelength and integrating the contribution of all the single-mode sub-beams.
  • a delay line is for example a spiral “delay line” or “delay line” in English.
  • the location of the end of the path to be equalized with the other paths is different depending on the type of recombination.
  • the different wavelengths ⁇ j (carriers) are for example separated by a frequency Av and modulated to an RF signal of bandwidth A.
  • an incoherent recombination is carried out, the generic architecture of which is illustrated in Figure 2.
  • This example integrates the first variant of Ddiff and performs demultiplexing on 6 (2x3) spatial modes.
  • an electrical detection is carried out on each of the optical carriers and then the electrical signals (photocurrents) are summed.
  • the combination and detection device Dcd thus comprises a plurality (N) of DEMUX wavelength demultiplexers respectively coupled to the plurality (N) of single-mode waveguides Fi. It also includes a plurality of PD photodetectors coupled to the M outputs of each of the N demultiplexers, i.e. M x N photodetectors and electrical tracks 7 configured to sum, for each wavelength, the signals coming from the photodetectors. We find our at the output with M electrical signals S ⁇ j integrating the contributions of each of the spatial modes.
  • the paths to be equalized are in this case mixed optical/electrical and the electrical summation location is the point denoted Pf in the figure, which includes all the contributions of the signals coming from the photodetectors associated with the same wavelength. Equalization is carried out with the LR delay lines.
  • a coherent recombination is carried out, the generic architecture of which is illustrated in Figure 1.
  • the phases and the respective amplitudes of the single-mode beams are adjusted to make a constructive optical sum Frecomb then, after a Wavelength demultiplexing recovers the optical signal associated with each wavelength on a photodetector.
  • the constructive optical sum is typically carried out according to a cascade architecture as illustrated in figure from an elementary coherent recombination device 15 which recombines the beams two by two.
  • the optical lengths of the paths connecting the successive coherent combination stages (E1, E2, etc.) are equalized.
  • the output of the last combining element (Frecomb beam) is connected to a Demux wavelength multiplexer, a detector PDj being connected to each of the outputs for conversion into the electrical domain of the modulation signal.
  • the device 15 is an integrated interferometer as illustrated in Figure 16 and described in the aforementioned document US 2020-0195355.
  • the optical beams Fi of the single-mode channels OGmono are summed 2 to 2 optically by means of the integrated interferometer 15, which comprises a first controllable phase shifter element PS on at least one of the arms, and a second controllable phase shifter element DL upstream of at least one of the arms. minus one of the entries.
  • the elementary device 15 comprises a variable coupler VC comprising a first 2x2 Comb combiner, the phase modulator PS and a second 2x2 Comb' combiner, according to a Mach Zehnder or MZI interferometer architecture.
  • the first phase shifter PS can be positioned indifferently on the 2 arms of the MZI because the two inputs Fi1 and Fi2 are mixed following the first combiner Comb.
  • the second combiner Comb' has a main output constituting the output Out of the elementary device 15 and delivers the output beam and a complementary output Sc delivering a beam complementary to the output beam.
  • a control detector Det is connected to the complementary output Sc.
  • the PIC circuit of the figure therefore comprises a plurality of elementary coherent recombination devices 15 arranged in cascades so as to obtain a Frecomb recombined beam, the single-mode waveguides being coupled 2 by 2 to the elementary coherent recombination devices of the first stage E1 of said cascade . It also includes a demultiplexer in Demux wavelength and a plurality of photodetectors PDj (M photodetectors) coupled to the outputs of the demultiplexer.
  • PDj photodetectors
  • the PIC according to the invention carries out single-wavelength detection and coherent recombination for an application, for example of the coherent optical communication type (where the two quadratures of the electric field are modulated ) or lidar.
  • the PIC according to the invention comprises in this case a mixer configured to mix the recombined Frecomb beam with a local oscillator, the photodetector being a balanced photodetector.
  • the mixer has 4 outputs coupled to two photodetectors balanced so as to perform detection in phase and in quadrature (see generic architecture in Figure 3).

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Abstract

L'invention concerne un circuit photonique planaire (PIC) pour le démultiplexage d'un faisceau optique incident multimode en une pluralité de sous-faisceaux monomodes comprenant une couche guidante (GL), le circuit photonique planaire comprenant: • - un dispositif diffractif (Ddiff) intégré comprenant un réseau diffractif ou deux réseaux diffractifs superposés (DGO, DG1, DG2, DG3, DG4, DG5, DG6) de couplage, configuré pour coupler le faisceau optique multimode dans la couche guidante du circuit photonique planaire et pour générer deux ou quatre faisceaux diffractés (Fd1, Fd1 ', Fd2, Fd2', Fd3, Fd4), • - un dispositif de conversion (Dconv) intégré comprenant des zones de propagation libre (Zpl), une zone de propagation libre étant associée à chacun des faisceaux diffractés, une pluralité de guide d'ondes collecteurs disposés en aval de chaque zone de propagation libre (OGcol), et une pluralité de guides d'ondes monomodes (OGmono), un guide d'onde collecteur étant couplé à un guide d'onde monomode, de manière à générer ladite pluralité de sous-faisceaux monomode (Fi).

Description

DESCRIPTION
TITRE : Circuit photonique intégré de démultiplexage d’un faisceau optique incident fortement multimode et de recombinaison.
DOMAINE DE L’INVENTION
[0001] L’invention concerne le domaine des communications optiques selon un canal de propagation multimode spatial. C’est notamment le cas en espace libre, où le front de phase de l’onde vecteur de l’information est plus ou moins fortement distordu par la traversée d’un milieu perturbé, tel une couche atmosphérique dans une liaison terre-satellite. Selon un autre exemple, une propagation dans une fibre multimode induit une perturbation du faisceau par couplage entre les modes spatiaux.
[0002] Plus particulièrement l’invention concerne un circuit photonique planaire comprenant les fonctionnalités nécessaires au démultiplexage spatial du faisceau incident, c’est à dire la collecte du faisceau incident multimode et sa décomposition en une pluralité de faisceaux optiques monomodes. L’invention concerne également un circuit photonique planaire intégrant les fonctionnalités de recombinaison et de détection/traitement des faisceaux monomodes.
ETAT DE LA TECHNIQUE
[0003] Un problème à résoudre pour les communications optiques, lorsque le front de phase d’un faisceau optique porteur d’information est distordu par une traversée en espace libre, est de maintenir un bilan de liaison optimal en dépit de ces perturbations.
[0004] Si ce faisceau dégradé était directement couplé à un guide monomode une grande majorité de l’énergie sur les autres modes spatiaux serait perdue et le rapport signal sur bruit serait très dégradé. En outre, à cause des perturbations atmosphériques, l’énergie peut passer rapidement d’un mode à l’autre. Dans le cas d’une détection monomode, on arrive à des fluctuations énormes d’intensité couplée (allant par exemple jusqu’à 30 dB), alors qu’en récupérant et en sommant l’énergie de chacun des modes, on réduit énormément ces fluctuations d’énergie couplée. On cherche ainsi à récupérer le maximum de modes spatiaux possibles contenus dans le faisceau dégradé pour récupérer le maximum d’énergie et ainsi améliorer le rapport signal sur bruit.
[0005] Pour cela lors de la réception une solution consiste à collecter puis à transformer un faisceau multimode en de multiples faisceaux monomodes, cette opération étant réalisée par un dispositif de démultiplexage spatial 14. Les différents faisceaux monomodes sont ensuite recombinés, puis traités/détectés. Ainsi le dispositif de démultiplexage spatial s’insère dans un système de réception dont 3 exemples sont donnés ci-dessous à titre non limitatifs.
[0006] Le premier exemple illustré figure 1 illustre un système de réception SR1 pour le cas d’une liaison WDM dans lequel, à l’émission, un faisceau constitué de M longueurs d’onde multiplexées Ài, À2, ...XM, (indice j variant 1 à M) émises par des lasers L1 , L2, LM, chacune portant un signal de modulation (modulateurs modi , mod2 ... et multiplexeur XMUX), est émis en espace libre. Après propagation dans l’atmosphère FS le faisceau présente une amplitude et une phase fortement distordues, formant à la réception le faisceau incident Fid. Le système de réception SR1 comprend le démultiplexeur spatial 14 qui décompose le faisceau multimode Fid en une pluralité de N faisceau monomodes Fi (i variant de 1 à N). Les faisceaux monomodes sont ensuite recombinés de manière cohérente par un recombineur 20, qui génère un faisceau recombiné Frecomb. Le faisceau somme Frecomb est alors démultiplexé par un dispositif de démultiplexage en longueur d’onde ÀDEMUX de manière à former M faisceaux à M longueur d’ondes Àj constituant chacun un canal de transport de l’information. Puis les M faisceaux sont envoyés chacun vers M détecteurs PDi, PD2,... PDM (pour M canaux WDM). En sortie des détecteurs on récupère M signaux électriques S j, un par longueur d’onde. Il s’agit ici d’un système de réception à recombinaison cohérente présentant une très bonne efficacité de recombinaison sur une large bande spectrale ou peigne de fréquences (architecture WDM). Le document US 2020-0195355 décrit un tel système de réception et une architecture de composant recombineur cohérent 20 intégrable dans un circuit photonique planaire.
[0007] Le deuxième exemple illustré figure 2 concerne une détection incohérente dans laquelle le système de réception SR2 comprend également le démultiplexeur spatial 14 qui décompose le faisceau multimode Fid en une pluralité de N faisceaux monomodes Fi. Chaque faisceau monomode Fi est couplé à un démultiplexeur ÀDEMUX et les faisceaux à chaque longueur d’onde Àj sont détectés par N x M photodétecteurs PDi,j. Des liaisons électriques réalisent la sommation sur i de tous les signaux issus des détecteurs PDij à la longueur d’onde Àj. A l’issu de la sommation on récupère M signaux électriques S^j, un par longueur d’onde.
[0008] Le troisième exemple illustré figure 3 illustre un système de détection cohérente mono-longueur d’onde SR3, par exemple utilisé dans le domaine des télécommunications, dans le cas des communications optiques cohérentes pour fournir de très hauts débits de transmission de données. Le faisceau émis par le laser L1 à À1 est modulé à la fois en amplitude et en phase grâce à deux modulateurs mod,l et mod,Q. Le système de réception SR3 comprend le démultiplexeur spatial 14 et le recombineur cohérent 20. Le signal recombiné est ensuite mélangé par un mélangeur 24 à un signal issu d’un oscillateur local OL. Le mélangeur est typiquement un composant de type MMI pour « Multi Mode Interference coupler » en anglais. Pour la détection cohérente classique, en mélangeant le signal avec un oscillateur local on a accès à l’amplitude du champ électrique par battement sur une photodiode balancée. Dans le domaine des communications optiques cohérentes on a besoin à la fois de l’information encodée sur le champ en phase et en quadrature (I et Q). Dans ce cas, illustré figure 3, on a une détection cohérente pour le signal en phase (I) sur un détecteur balancé PDb (signal électrique de sortie Si) et une détection cohérente pour la détection du signal en quadrature (Q) sur un autre détecteur balancé (signal électrique de sortie SQ). Le MMI 2 vers 4 (deux entrées : le signal et l’oscillateur local) génère directement le mélange des 2 signaux avec les phases adéquates. Ce format de modulation particulier a la plus large capacité de transmission de données, mais est d’autant plus sensible aux perturbations atmosphériques.
[0009] Tous les systèmes de réception décrits ci-dessus nécessitent un démultiplexeur spatial 14 qui se décline selon plusieurs architectures connues de l’homme de l’art. [0010] Selon un premier exemple décrit dans le document EP3100095 on effectue un échantillonnage spatial du faisceau incident selon une base de modes spatiaux préétablie (par exemple Hermite-Gauss) par traversée successive de lames de phase et de sections de propagation libre. Ce démultiplexeur est donc constitué d’éléments optiques discrets, est passif, et n’inclut pas de composants pour la détection. Un produit commercial est issu de ce brevet (TILBA) et a été associé à un circuit photonique intégré pour la recombinaison cohérente et la détection des faisceaux monomodes (V. Billault, et al. "Free space optical communication receiver based on a spatial demultiplexer and a photonic integrated coherent combining circuit," Opt. Express 29, 33134-33143 (2021 )).
[001 1 ] Selon un deuxième exemple décrit dans le document US20150086157 le démultiplexeur spatial réalise une fusion adiabatique de fibres monomodes vers une fibre à cœur multimode. Cette solution entièrement fibrée est intéressante, mais il n’existe que peu de produis commerciaux, et n’offrant que quelques modes spatiaux (3 ou 6 pour le produit de la société OPTOSCRIBE).
[0012] Le défaut principal de ces deux approches est d’être relativement volumineuse et non intégrable sur un circuit photonique. Il convient de les associer, avec les problèmes de connexion afférents, à d’autres composants externes pour la réalisation des fonctions plus complexes (recombinaison, détection), ce qui rend le système final peu compact et moins robuste à l’environnement.
[0013] Un troisième exemple décrit dans la publication de Watanabe et al. "Coherent few mode demultiplexer realized as a 2D grating coupler array in silicon." (Optics Express 28.24 (2020): 36009-36019) décrit un dispositif en photonique intégrée de génération et de réception de modes spatiaux d’ordre peu élevé pour le couplage à une fibre faiblement multimode FMF illustré figure 4. On entend par modes spatiaux d’ordre peu élevé uniquement les modes LPOi, LPna et LPnb. Il est noté EOi, E11a, E11 b les projections du champ incident sur chacun de ces modes. On entend par fibre optique faiblement multimode une fibre dans laquelle se propagent un nombre de modes spatiaux (par polarisation x ou y) inférieur ou égal à 4.
[0014] La technique exposée consiste à juxtaposer 4 réseaux de couplage bidimensionnels G1 , G2, G3 et G4 en matrice 2x2 (voir figure 4 A). Cette décomposition en 4 réseaux permet ainsi de traiter séparément et en simultané 4 zones spatiales de la lumière incidente sur le démultiplexeur. Tous les modes non gaussiens présentant des lobes spatiaux symétriques par rapport à un ou deux axes (x et/ou y) et d’amplitude opposée, l’intégrale de recouvrement entre un mode non gaussien et un réseau de diffraction vers un guide monomode est généralement proche de zéro : les modes non gaussiens ne sont pas couplés dans la couche guidante. En traitant séparément 4 zones spatiales, cette structure permet de collecter l’intensité de 4 lobes d’une onde optique incidente au circuit intégré. Cette structure permet ainsi de traiter les projections EOi, Ena, E-i-ib (voir figure 4 B). Ce système n’est pas extrapolable à un nombre plus élevé de modes spatiaux. Chacun des 4 réseaux est en outre la superposition de 2 réseaux orthogonaux. Chaque réseau Gi est couplé respectivement à 2 guides monomodes perpendiculaires MC (« Mode Coupler »), pour collecter les polarisations rectilignes et orthogonales correspondantes. Le faisceau incident sortant de la fibre multimode est ainsi couplé à 8 guides monomodes via les 4 réseaux G1 à G4. Le signal se propageant dans chacun des 8 guides monomodes est ensuite mélangé à un signal LO issu d’un oscillateur local au moyen d’un MMI, pour effectuer une détection cohérente l,Q sur chacun des canaux. Ce dispositif présente l’avantage d’être intégré sur un circuit photonique mais il est adapté à une fibre faiblement multimode et ne permet pas de traiter un nombre de modes spatiaux supérieur à 4.
[0015] Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un circuit photonique planaire comprenant un démultiplexeur spatial intégré capable de traiter de nombreux modes spatiaux d’un faisceau incident fortement multimode. L’intégration du démultiplexeur permet en outre de réaliser sur un même circuit photonique planaire l’intégralité du traitement en incluant la recombinaison et la détection des faisceaux monomodes.
DESCRIPTION DE L’INVENTION
[0016] La présente invention a pour objet un circuit photonique planaire pour le démultiplexage d’un faisceau optique incident multimode en une pluralité de sous-faisceaux monomodes, comprenant une couche guidante, le circuit photonique planaire comprenant : - un dispositif diffractif intégré comprenant un réseau diffractif ou deux réseaux diffractifs superposés de couplage, configuré pour coupler le faisceau optique multimode dans la couche guidante du circuit photonique planaire et pour générer deux ou quatre faisceaux diffractés,
- un dispositif de conversion intégré comprenant : o des zones de propagation libre, une zone de propagation libre étant associée à chacun des faisceaux diffractés, le dispositif de conversion étant en outre configuré de sorte qu’un faisceau diffracté diverge lors de sa propagation dans la zone de propagation libre associée, o une pluralité de guide d’ondes collecteurs disposés en aval de chaque zone de propagation libre et o une pluralité de guides d’ondes monomodes, un guide d’onde collecteur étant couplé à un guide d’onde monomode et étant configuré pour transformer de manière adiabatique une fraction du faisceau optique multimode collectée localement par ledit guide collecteur en un faisceau optique selon un mode fondamental dudit guide d’onde monomode, de manière à générer ladite pluralité de sous- faisceaux monomode (Fi).
[0017] Selon un premier mode de réalisation le dispositif diffractif comprend un réseau de diffraction unique présentant des franges planes et générant deux faisceaux diffractés se propageant selon deux directions opposées, et le dispositif de conversion comprend deux lentilles divergentes positionnées sur les trajets respectifs des deux faisceaux diffractés en amont des zones de propagation libres.
[0018] Selon un deuxième mode de réalisation le dispositif diffractif comprend deux réseaux de diffraction présentant des franges planes perpendiculaires, et configurés pour générer chacun deux faisceaux diffractés se propageant selon deux directions opposées, et le dispositif de conversion comprend quatre lentilles divergentes positionnées sur les trajets respectifs des quatre faisceaux diffractés en amont des zones de propagation libre. [0019] Selon un troisième mode de réalisation le dispositif diffractif comprend deux réseaux de diffraction présentant des franges planes et configurés pour générer chacun un faisceau diffracté unique et pour que lesdits deux faisceaux diffractés se propagent selon deux directions non colinéaires et non orthogonales, et le dispositif de conversion comprend deux lentilles divergentes positionnées sur les trajets respectifs des deux faisceaux diffractés en amont des zones de propagation libres.
[0020] Selon un quatrième mode de réalisation le dispositif diffractif comprend deux réseaux de diffraction présentant des franges courbes et configurés pour générer chacun un faisceau diffracté unique et pour que lesdits deux faisceaux diffractés se propagent selon deux directions non colinéaires et non perpendiculaires.
[0021] Selon un mode de réalisation le circuit photonique planaire selon l’invention comprend en outre un dispositif intégré de combinaison et de détection desdits sous-faisceaux monomodes comprenant au moins un photodétecteur.
[0022] Selon un mode de réalisation le dispositif intégré de combinaison et de détection comprend en outre une pluralité de lignes à retard configurées pour égaliser les trajets optiques ou mixtes optique/électrique des sous-faisceaux monomodes, considérés depuis la position du ou des réseaux diffractifs superposés et jusqu’à un endroit où est généré un signal portant une information associée à une seule longueur d’onde et intégrant la contribution de tous les sous-faisceaux monomodes.
[0023] Selon un mode de réalisation le dispositif intégré de combinaison et de détection comprend :
-une pluralité de démultiplexeurs en longueur d’onde respectivement couplés à la pluralité guide d’ondes monomodes,
-une pluralité de photodétecteurs couplés aux sorties desdits démultiplexeurs,
-des pistes électriques configurées pour sommer, pour chaque longueur d’onde, les signaux issus des photodétecteurs.
[0024] Selon un mode de réalisation ledit endroit est celui pour lequel la sommation électrique inclut tous les signaux issus des photodétecteurs associés à une même longueur d’onde. [0025] Selon un mode de réalisation le dispositif de combinaison et de détection comprend :
- une pluralité de dispositifs élémentaires de recombinaison cohérente agencés en cascades de manière à obtenir un faisceau recombiné, les guides d’onde monomodes étant couplés 2 à 2 aux dispositifs élémentaires de recombinaison cohérente du premier étage de ladite cascade,
- un démultiplexeur en longueur d’onde, une pluralité de photodétecteurs couplés aux sorties du démultiplexeur.
[0026] Selon un mode de réalisation le dispositif élémentaire de recombinaison cohérente comprend un interféromètre intégré comprenant un premier et un deuxième élément déphaseur.
[0027] Selon un mode de réalisation ledit endroit est la sortie du démultiplexeur en longueur d’onde.
[0028] Selon un mode de réalisation le dispositif de combinaison et de détection comprend en outre un mélangeur configuré pour mélanger le faisceau recombiné avec un oscillateur local, le photodétecteur étant un photodétecteur balancé.
[0029] Selon un mode de réalisation le mélangeur présente 4 sorties couplées à deux photodétecteurs balancés de manière à effectuer une détection en phase et en quadrature.
[0030] La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l’invention: ces exemples sont non limitatifs de la portée de l’invention. Ces exemples de réalisation présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l’invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés.
[0031 ] L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques, buts et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
[0032] La figure 1 déjà citée illustre un premier exemple d’émission/réception d’une liaison WDM selon l’état de la technique, dans lequel à l’émission un faisceau, constitué de M longueurs d’onde multiplexées portant chacune un signal de modulation, est émis en espace libre, et à la réception on a une recombinaison cohérente.
[0033] La figure 2 déjà citée illustre un deuxième exemple d’émission/réception d’une liaison WDM selon l’état de la technique dans lequel à la réception la recombinaison est incohérente.
[0034] La figure 3 déjà citée illustre un système d’émission/réception mono longueur d’onde avec une détection cohérente en phase et en quadrature selon l’état de la technique.
[0035] La figure 4 déjà citée illustre un dispositif en photonique intégrée de génération et de réception de modes spatiaux pour le couplage à une fibre faiblement multimode selon l’état de la technique.
[0036] La figure 5 illustre le circuit photonique planaire (PIC) selon l’invention.
[0037] La figure 6 illustre une première variante du PIC selon l’invention dans laquelle le dispositif diffractif comprend un réseau de diffraction unique présentant des franges planes et générant deux faisceaux diffractés se propageant selon deux directions opposées.
[0038] La figure 7 illustre la diffraction monodirectionnelle d’un faisceau incident structuré spatialement selon la direction dite transverse Y perpendiculaire à la direction de diffraction X et incident selon une incidence oblique.
[0039] La figure 8 illustre la diffraction monodirectionnelle d’un faisceau incident structuré spatialement selon la direction dite longitudinale X (direction de diffraction X) et incident selon une incidence oblique.
[0040] La figure 9 illustre une double diffraction en sens opposé d’un faisceau structuré selon X et incident en incidence normale sur le réseau.
[0041 ] La figure 10 illustre une deuxième variante du PIC selon l’invention dans laquelle le dispositif diffractif comprend deux réseaux de diffraction superposés présentant des franges planes et perpendiculaires et configurés pour générer chacun deux faisceaux diffractés se propageant selon deux directions opposées. [0042] La figure 11 illustre une troisième variante du PIC selon l’invention dans laquelle le dispositif diffractif comprend deux réseaux de diffraction présentant des franges planes et configurés pour générer chacun un faisceau diffracté unique et pour que les deux faisceaux diffractés se propagent selon deux directions non colinéaires et non orthogonales.
[0043] La figure 12 illustre une quatrième variante du PIC selon l’invention dans laquelle le dispositif diffractif comprend deux réseaux de diffraction présentant chacun des franges courbes et configurés pour générer chacun un faisceau diffracté unique et pour que lesdits deux faisceaux diffractés se propagent selon deux directions non colinéaires et non orthogonales.
[0044] La figure 13 illustre un mode de réalisation du PIC selon l’invention dans lequel le circuit photonique planaire comprend en outre un dispositif intégré de combinaison et de détection desdits sous-faisceaux monomodes.
[0045] La figure 14 illustre un mode de réalisation pour lequel on effectue une recombinaison incohérente.
[0046] La figure 15 illustre l’architecture en cascade de la recombinaison cohérente.
[0047] La figure 16 illustre un dispositif élémentaire de recombinaison cohérente selon l’état de la technique.
[0048] La figure 17 illustre un circuit photonique planaire selon l’invention qui effectue un démultiplexage spatial sur 16 faisceaux monomodes et une recombinaison cohérente avec des interféromètres tels qu’illustrés figure 16.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
[0049] L’invention concerne un circuit photonique planaire PIC pour le démultiplexage d’un faisceau optique incident fortement multimode en une pluralité de sous- faisceaux monomodes.
[0050] Le faisceau multimode complexe à traiter est quelconque. Il est par exemple issu d’une dégradation par propagation dans l’atmosphère d’un faisceau émis initialement gaussien ou d’une fibre optique, comme expliqué plus haut. En outre le faisceau optique incident sur le dispositif est typiquement issu initialement d’une source optique modulée par un signal de communication, et a traversé un canal de propagation en espace libre non homogène ou a été injecté dans une fibre multimode et s’est propagé dans celle-ci. La propagation dans l’atmosphère ou dans la fibre déforme le profil de phase et d’amplitude du faisceau. Le faisceau incident sur le PIC selon l’invention est donc fortement multimode spatial et est préférentiellement collimaté ou focalisé pour éclairer le dispositif diffractif Ddiff. On entend par fortement multimode un faisceau qui comprend au moins N=5 modes spatiaux par polarisation, typiquement entre 5 et 30 modes spatiaux. Le PIC selon l’invention comprend une couche guidante GL, parallèle au substrat Sub, dans laquelle se propage la lumière.
[0051] Le principe du PIC selon l’invention est illustré figure 5. Il comprend un dispositif diffractif Ddiff intégré dans le circuit qui comprend un réseau diffractif ou deux réseaux diffractifs superposés de couplage, le ou les réseaux étant configuré(s) pour coupler le faisceau optique incident multimode Fine dans la couche guidante GL du circuit photonique planaire et pour générer deux ou quatre faisceaux diffractés. Seul un faisceau diffracté Fd est illustré figure 5 et les figures suivantes 6, 10, 11 et 12 illustrent différentes variantes de génération de deux ou quatre faisceaux diffractés. Les faisceaux diffractés issus du faisceau incident sont multimodes spatiaux. Le faisceau incident peut présenter une ou plusieurs longueurs d’onde ou une bande spectrale donnée. Le démultiplexeur selon l’invention fonctionne à condition que la ou les longueurs d’ondes soient diffractées avec une efficacité suffisante par le ou les réseaux diffractifs.
[0052] Le PIC, également dénommé puce photonique, comprend également un dispositif intégré de conversion Dconv comprenant des zones de propagation libre Zpl des faisceaux diffractés, une zone de propagation libre étant associée à chacun des faisceaux diffractés. Le PIC comprend également une pluralité de guide d’ondes collecteurs OGcol disposés en aval de chaque zone de propagation libre, et une pluralité de guides d’ondes monomodes OGmono, chaque guide d’onde collecteur étant couplé à un guide d’onde monomode (et réciproquement), de manière à générer la pluralité de sous-faisceaux monomode Fi, i variant de 1 à N. La figure 5 n’illustre qu’une zone de propagation libre, associée au faisceau Fd. [0053] A titre non limitatif quatre variantes du PIC selon l’invention sont décrites plus loin.
[0054] Le ou les réseaux diffractifs sont des réseaux de Bragg présentant des franges d’alternance d’indice de réfraction de la couche guidante. Ces réseaux sont habituellement utilisés pour coupler un faisceau monomode, typiquement gaussien, de l’espace libre vers un guide d’onde sur une puce photonique. Ils diffractent le faisceau incident dans la couche guidante GL du PIC et selon une ou plusieurs directions données par le ou les vecteurs d’onde du ou des réseaux. La diffraction du champ électromagnétique à 2 dimensions incident sur le dispositif diffractif conduit à une ou plusieurs projections à une dimension du champ 2D de Fine dans le plan du circuit intégré. Chacune de ces projections 1 D est spatialement multimode.
[0055] Le dispositif de conversion Dconv convertit les projections multimodes 1 D de Fine dans le plan du circuit intégré en une pluralité de faisceaux guidés monomodes Fi, de phases et d’amplitudes différentes. Le ou les deux réseaux de Bragg couplent le faisceau multimode incident vers plusieurs guides multimodes (les guides collecteurs). Pour ce faire on fait diverger le faisceau diffracté dans le plan de la puce photonique (zones de propagation libre Zpl) et on place des guides collecteurs OGcol sur le trajet du faisceau diffracté divergent pour échantillonner le faisceau spatialement. On a donc une zone Zpl et une pluralité de guides OGcol associés à chaque faisceau diffracté. Ainsi le dispositif de conversion est configuré de sorte qu’un faisceau diffracté diverge lors de sa propagation dans la zone de propagation libre associée. Cette divergence est par exemple réalisée avec une structure sub-longueur d’onde (dit métamatériau) configurée pour réaliser une variation d’indice effectif permettant l’obtention d’une fonction de lentille divergente. Par exemple on vient creuser des trous ou des sillons de dimensions variables pour créer la variation d’indice effectif. On entend ainsi par « lentille divergente » toute structure ou élément permettant de réaliser une divergence du faisceau diffracté.
[0056] Chacun des faisceaux diffractés se propageant dans la zone de propagation libre Zpl associée est multimode. Les extractions monomodes s’opèrent ensuite, via l’association d’un guide collecteur OGcol, qui collecte chacun une fraction du faisceau multimode se propageant dans la zone Zpl pour l’envoyer vers un guide monomode associé OGmono.
[0057] Du côté amont du guide OGcol chaque guide collecteur collecte une fraction du front d’onde (amplitude/phase) multimode se propageant dans Zpl. Chacun des guides collecteurs OGcol transforme de manière adiabatique cette fraction du faisceau optique multimode collectée localement par le guide collecteur, dite lumière multimode, en un faisceau optique se propageant selon le mode fondamental (aval du guide). On entend par mode fondamental le mode d’ordre le moins élevé. Le nombre de guides collecteurs définit la résolution de l’échantillonnage spatial de la lumière multimode. La résolution minimale nécessaire dépend du nombre de modes de la lumière incidente. Ainsi pour échantillonner efficacement le front d’onde multimode, le nombre de guides OGcol est choisi au moins aussi grand que le nombre de modes dans les projections multimodes 1 D dans la zone de propagation libre Zpl.
[0058] Dans le guide collecteur on a transféré l’énergie qui était dans les différents modes initialement présents dans la partie amont du guide, vers un seul mode présent dans la partie aval, le mode fondamental. On a donc côté aval un fort taux de rejection modal. Un guide d’onde monomode est disposé dans le prolongement (côté aval) du guide d’onde collecteur associé et est configuré pour transporter ce mode fondamental, qui constitue le sous-faisceau monomode Fi.
[0059] En d’autres termes le guide collecteur transforme la lumière multimode collectée en une lumière se propageant selon le mode fondamental du guide d’onde monomode associé.
[0060] Selon un mode de réalisation préféré le guide d’onde collecteur présente une largeur décroissante selon le sens de propagation (mode dit « taper », forme en entonnoir), illustré figure 5.
[0061] Selon un autre mode de réalisation le guide d’onde collecteur présente une forme évasée, c’est-à-dire une largeur croissante selon le sens de propagation («taper >> inversé, forme de pointe côté amont). [0062] Ainsi ce n’est pas la largeur physique de la section du guide collecteur qui compte, mais c’est la taille du mode fondamental qui doit être décroissante dans le sens de la propagation.
[0063] Selon un mode de réalisation les guides collecteurs sont jointifs (côté amont c’est à dire du côté de la zone de propagation en espace libre) de manière à récupérer toute la lumière du faisceau diffracté divergent. Des guides collecteurs jointifs sont préférentiellement en mode « taper » (largeur décroissante) tel qu’illustré figure 5.
[0064] Selon un mode de réalisation les guides monomodes OGmono présentent tous la même largeur. Les modes portés par ces guides ont vocation à être recombinés donc il est préférable que les guides monomodes aient tous la même largeur pour la simplicité de la combinaison.
[0065] Selon un mode de réalisation la largeur initiale/géométrie des guides collecteurs est adaptée à la statistique des modes les plus présents dans le faisceau incident.
[0066] Avec le PIC selon l’invention on ne cherche pas à multiplexer et/ou démultiplexer les modes spatiaux d’une fibre faiblement multimode, mais on collecte sur un circuit photonique la plus grande quantité d’énergie d’un faisceau spatialement distordu, avec un fort contenu modal.
[0067] L’avantage de l’invention est d’offrir un PIC qui intègre un démultiplexeur de modes spatiaux. Pour cela une architecture originale de démultiplexeur spatial comprenant Ddiff et Dconv est proposée. Le faisceau incident multimode est décomposé en une pluralité de composantes monomodes qui sont intégrées dans le PIC et disponibles pour un traitement également de manière intégrée, sans aucune connexion ni ajout de composant extérieur, le traitement s’effectuant selon un mode préféré dans le même circuit photonique (voir plus loin).
[0068] Une première variante du circuit PIC selon l’invention est illustrée figure 6. Dans cette variante le dispositif diffractif Ddiff comprend un réseau de diffraction unique DG0 présentant des franges planes et générant deux faisceaux diffractés Fd1 , Fd1 ’, se propageant selon deux directions opposées (diffraction bidirectionnelle). Il y a donc ici deux zones de propagation libre Zpl, une par faisceau diffracté. Pour permettre l’échantillonnage spatial par les guides collecteurs le dispositif de conversion Dconv comprend en outre deux lentilles divergentes LD1 , LD1 ’ positionnées sur les trajets respectifs des deux faisceaux diffractés Fd1 et Fd1 ’ en amont des zones de propagation libres ZpL Soit N le nombre de guides monomodes OGmono, on a ici N/2 guides par direction. Dans cette variante le faisceau incident éclaire préférentiellement Ddiff selon une incidence normale pour que la condition de Bragg soit vérifiée pour les deux directions de propagation opposées.
[0069] L’intérêt d’avoir deux directions de diffraction opposées pour un réseau DG est illustré figures 7 à 9. La figure 7 illustre la diffraction monodirectionnelle uniquement (faisceau diffracté Fd) d’un faisceau incident 70 structuré spatialement selon la direction dite transverse Y perpendiculaire à la direction de diffraction X et incident selon une incidence oblique pour laquelle la condition de Bragg est vérifiée. Le circuit PIC présente une couche guidante GL d’indice ng, un substrat Sub d’indice nO et une couche intermédiaire IL d’indice de réfraction intermédiaire nint<ng. Le faisceau diffracté Fd couplé dans la couche guidante GL du circuit intégré PIC reproduit la structuration du faisceau.
[0070] La figure 8 illustre la diffraction monodirectionnelle uniquement (faisceau diffracté Fd) d’un faisceau incident 80 structuré spatialement selon la direction dite longitudinale X (direction de diffraction X) et incident selon une incidence oblique pour laquelle la condition de Bragg est vérifiée. Le faisceau diffracté Fd couplé dans la couche guidante GL du circuit intégré PIC a une énergie proportionnelle à l’intégrale de recouvrement entre le profil de structuration du faisceau dans la direction de diffraction, et le profil de diffraction du réseau. Le couplage du faisceau Fd dans la couche guidante « moyenne » ainsi la structuration du faisceau, et une partie de l’énergie associée à ce mode est perdue. La diffraction monodirectionnelle uniquement est donc sous-optimale pour des faisceaux structurés selon la direction de diffraction, voire totalement inefficace pour certains types de modes.
[0071 ] La figure 9 illustre le cas d’une double diffraction (faisceaux Fd et Fd’) en sens opposé d’un faisceau 90 structuré selon X et incident en incidence normale sur le réseau DG. Le profil de diffraction du réseau, exponentiellement décroissant, est représenté sur les courbes respectivement de gauche pour la direction de propagation vers l’arrière du réseau Ar et de droite pour la diffraction vers l’avant Av. La diffraction par le réseau vers les deux directions avant et arrière donne un degré de liberté supplémentaire pour décomposer la structuration spatiale du faisceau incident. L’intégrale de recouvrement entre le profil de structuration du faisceau et le profil de diffraction du réseau dans les deux directions génèrent deux faisceaux Fd et Fd’ avec une énergie totale bien supérieure à une diffraction monodirectionnelle.
[0072] Selon une deuxième variante illustrée figure 10 le dispositif diffractif Ddiff comprend deux réseaux de diffraction DG1 , DG2 superposés présentant des franges planes et configurés pour générer chacun deux faisceaux diffractés, respectivement (Fd1 , Fd1 ’) et (Fd2, Fd2’) se propageant selon deux directions opposées. Les franges respectives des deux réseaux sont perpendiculaires entre elles On a ici 4 zones de propagation libre et le dispositif de conversion comprend quatre lentilles divergentes LD1 , LD1 ’, LD2, LD2’ positionnées sur les trajets respectifs des quatre faisceaux diffractés en amont des zones de propagation libre. Soit N le nombre de guides monomodes OGmono total, on a ici N/4 guides par direction. Dans cette variante le faisceau incident éclaire préférentiellement Ddiff selon une incidence normale pour que la condition de Bragg soit vérifiée pour les 4 faisceaux diffractés. L’intérêt de cette configuration est que du fait de la présence de deux réseaux perpendiculaires, la structuration selon Y du faisceau incident est reproduite par la diffraction sur DG1 (diffraction selon X et -X) et la structuration selon X du faisceau incident est reproduite par la diffraction sur DG2 (diffraction selon Y et -Y). La structure modale selon les deux directions X et Y est présente dans les faisceaux diffractés par cette architecture. En outre l’architecture à deux réseaux perpendiculaires peut traiter potentiellement les deux directions de polarisation du faisceau incident.
[0073] Selon une troisième variante illustrée figure 11 le dispositif diffractif Ddiff comprend deux réseaux de diffraction DG3, DG4 présentant des franges planes et configurés pour générer chacun un faisceau diffracté unique et pour que les deux faisceaux diffractés se propagent selon deux directions non colinéaires et non orthogonales. Les franges planes présentent pour cela entre elles un angle différent de 90°. Le dispositif de conversion comprend deux lentilles divergentes LD3, LD4 positionnées sur les trajets respectifs des deux faisceaux diffractés Fd3 et Fd4 en amont des zones de propagation libres. On a N/2 guides OGmono par direction. L’avantage de cette configuration est que la condition de Bragg peut être simultanément respectée pour les deux réseaux avec un faisceau incident selon le plan bissecteur défini par la droite B et l’axe Z. Cette configuration est ainsi compatible d’une incidence oblique dans ce plan.
[0074] Selon une quatrième variante illustrée figure 12 le dispositif diffractif Ddiff comprend deux réseaux de diffraction DG5, DG6 présentant chacun des franges courbes et configurés pour générer chacun un faisceau diffracté unique et pour que lesdits deux faisceaux diffractés se propagent selon deux directions non colinéaires et non orthogonales. Les franges courbes présentent pour cela entre elles un angle différent de 90°. Cette configuration est compatible d’une incidence oblique dans le plan bissecteur.
[0075] Selon un mode de réalisation illustré figure 13 le circuit photonique planaire selon l’invention comprend en outre un dispositif intégré de combinaison et de détection Dcd desdits sous-faisceaux monomodes Fi, Dcd comprenant au moins un photodétecteur, une pluralité de photodétecteurs dans la plupart des cas. L’objectif est la récupération de l’information qui module le faisceau incident. A la sortie de Dcd on récupère des signaux électriques, un signal SÀj par longueur d’onde Àj dans le cas d’une liaison WDM (recombinaison cohérente ou incohérente), un signal électrique unique pour la détection cohérente mono-À, ou deux signaux électriques en sortie des deux détecteurs balancés dans le cas d’une détection cohérente l/Q.
[0076] Le PIC réalise une intégration monolithique du démultiplexeur de modes spatiaux et du ou des détecteurs. L’intégration dans un même circuit de l’ensemble des fonctionnalités de la réception (couplage / démultiplexage spatial / recombinaison / détection) confère au PIC selon l’invention une compacité extrême allant bien au-delà des approches de l’état de l’art, et tout à fait pertinente pour des applications embarquées. Un domaine d’exploitation du PIC selon l’invention est celui des communications en espace libre dans le domaine spatial (terre-satellite), ou celui de la communication entre porteurs dans les domaines terrestres, naval ou aérien. La compacité du système de réception selon l’invention rend la solution exploitable pour les communications entre drones.
[0077] D’autre part, l’intégration directe sur une même puce photonique de la fonction de réception multimode évite les pertes de couplage optique du récepteur vers le détecteur.
[0078] En outre la recombinaison cohérente ou incohérente des sous-faisceaux modulés permet de réduire drastiquement l’évanouissement du signal de communication induit par les échanges rapides d’énergie entre les modes spatiaux, typiquement dûs aux turbulences atmosphériques.
[0079] Enfin un autre avantage du PIC intégrant toute la réception est de permettre un équilibrage intégré des chemins optiques de chaque sous-faisceau jusqu’à la combinaison, ce qui permet de traiter une bande passante importante, et autorise notamment l’usage du PIC selon l’invention pour des formats en multiplexage de longueur d’onde. Pour cela le dispositif de combinaison et de détection Dcd comprend en outre une pluralité de lignes à retard LR configurées pour égaliser les trajets optiques ou mixtes optique/électrique des sous-faisceaux monomodes, considérés depuis la position du ou des réseaux diffractifs superposés, et jusqu’à un endroit où est généré le signal portant une information associée à une seule longueur d’onde et intégrant la contribution de tous les sous-faisceaux monomodes. Une ligne à retard est par exemple une spirale « ligne à retard » ou « delay line » en anglais.
[0080] La localisation de la fin du trajet à égaliser avec les autres trajets est différente selon le type de recombinaison. On considère une liaison WDM dans laquelle dans le faisceau incident on a M longueurs d’onde Àj modulées. Les différentes longueurs d’onde Àj (porteuses) sont par exemple séparées d’une fréquence Av et modulées à un signal RF de bande passante A .
[0081] Chaque type de recombinaison est compatible de toutes les variantes de démultiplexeur spatial [Ddiff+Dconv].
[0082] Selon un premier mode de réalisation illustré figure 14 on effectue une recombinaison incohérente dont l’architecture générique est illustrée figure 2. Cet exemple intègre la première variante de Ddiff et effectue un démultiplexage sur 6 (2x3) modes spatiaux. Dans la détection incohérente on effectue une détection électrique sur chacune des porteuses optiques et après on somme les signaux électriques (photocourants). Le dispositif de combinaison et de détection Dcd comprend ainsi une pluralité (N) de démultiplexeurs DEMUX en longueur d’onde respectivement couplés à la pluralité (N) de guides d’ondes monomodes Fi. Il comprend également une pluralité de photodétecteurs PD couplés aux M sorties de chacun des N démultiplexeurs, soit M x N photodétecteurs et des pistes électriques 7 configurées pour sommer, pour chaque longueur d’onde, les signaux issus des photodétecteurs. On se retrouve en sortie avec M signaux électriques SÀj intégrant les contributions de chacun des modes spatiaux.
[0083] Les trajets à égaliser sont dans ce cas mixtes optique/électrique et l’endroit de sommation électrique est le point noté Pf sur la figure, qui inclut toutes les contributions des signaux issus des photodétecteurs associés à une même longueur d’onde. L’égalisation s’effectue avec les lignes à retard LR.
[0084] Dans le cas incohérent l’égalisation des trajets doit s’effectuer avec une précision reliée à la fréquence de modulation A . Soit c la vitesse de la lumière dans le vide, n l’indice du milieu de propagation (couche guidante) et AL la différence de longueur maximale entre deux trajets on a :
[0085]
Figure imgf000021_0001
[0086] En prenant par exemple A = 10 GHz et Av = 300 GHz on a besoin d’une précision AL « 3 cm.
[0087] Selon un deuxième mode de réalisation on effectue une recombinaison cohérente dont l’architecture générique est illustrée figure 1. Dans cette recombinaison on ajuste les phases et les amplitudes respectives des faisceaux monomodes pour en faire une somme optique constructive Frecomb puis, après un démultiplexage en longueur d'onde on récupère le signal optique associé à chaque longueur d’onde sur un photodétecteur. La somme optique constructive s’effectue typiquement selon une architecture en cascade telle qu’illustrée figure à partir d’un dispositif élémentaire de recombinaison cohérente 15 qui recombine les faisceaux deux à deux. Les longueurs optiques des chemins reliant les étages successifs de combinaison cohérente (E1 , E2 , ...) sont égalisées. La sortie du dernier élément de combinaison (faisceau Frecomb) est reliée à un multiplexeur en longueur d’onde Demux, un détecteur PDj étant relié à chacune des sorties pour la conversion dans le domaine électrique du signal de modulation.
[0088] Selon un mode de réalisation le dispositif 15 est un interféromètre intégré tel qu’illustré figure 16 et décrit dans le document US 2020-0195355 précité. Les faisceaux optiques Fi des canaux monomodes OGmono sont sommés 2 à 2 optiquement au moyen de l’interféromètre intégré 15, qui comprend un premier élément déphaseur contrôlable PS sur au moins un des bras, et un deuxième élément déphaseur contrôlable DL en amont d’au moins une des entrées. Plus précisément le dispositif élémentaire 15 comprend un coupleur variable VC comprenant un premier combineur 2x2 Comb, le modulateur de phase PS et un deuxième combineur 2x2 Comb’, selon une architecture en interféromètre Mach Zehnder ou MZI. Le premier déphaseur PS peut être positionné indifféremment sur les 2 bras du MZI car les deux entrées Fi1 et Fi2 sont mélangées à la suite du premier combineur Comb. Le deuxième combineur Comb’ présente une sortie principale constituant la sortie Out du dispositif élémentaire 15 et délivre le faisceau de sortie et une sortie complémentaire Sc délivrant un faisceau complémentaire du faisceau de sortie. Un détecteur de contrôle Det est relié à la sortie complémentaire Sc.
[0089] La figure 17 illustre un circuit photonique planaire selon l’invention qui effectue un démultiplexage spatial sur 16 faisceaux monomodes (N=16) et une recombinaison cohérente avec une pluralité d’interféromètres 15 tels qu’illustrés figure 16. Le circuit PIC de la figure comprend donc une pluralité de dispositifs élémentaires de recombinaison cohérente 15 agencés en cascades de manière à obtenir un faisceau recombiné Frecomb, les guides d’onde monomodes étant couplés 2 à 2 aux dispositifs élémentaires de recombinaison cohérente du premier étage E1 de ladite cascade. Il comprend également un démultiplexeur en longueur d’onde Demux et une pluralité de photodétecteurs PDj (M photodétecteurs) couplés aux sorties du démultiplexeur.
[0090] L’égalisation des trajets pour la recombinaison cohérente s’effectue avec pour point d’arrivée de chaque trajet la sortie du démultiplexeur. La contrainte d’accord de phase sur les différents trajets s’exprime comme suit :
[0091]
Av. n. L
2. - « 1 c
[0092] En prenant par exemple Av = 300 GHz on a besoin d’une précision :
[0093] AL « c / 2.Av.n =1 mm.
[0094] Typiquement pour avoir une combinaison efficace il faut AL de l’ordre de c / 2O.Av.n
[0095] Selon un mode de réalisation le PIC selon l’invention réalise une détection mono-longueur d’onde et une recombinaison cohérente pour une application par exemple de type communication optique cohérente cohérentes (ou l’on module les deux quadratures du champ électrique) ou lidar. Le PIC selon l’invention comprend dans ce cas un mélangeur configuré pour mélanger le faisceau recombiné Frecomb avec un oscillateur local, le photodétecteur étant un photodétecteur balancé. Préférentiellement le mélangeur présente 4 sorties couplées à deux photodétecteurs balancés de manière à effectuer une détection en phase et en quadrature (voir architecture générique figure 3).

Claims

REVENDICATIONS Circuit photonique planaire (PIC) pour le démultiplexage d’un faisceau optique incident multimode en une pluralité de sous-faisceaux monomodes comprenant une couche guidante (GL), le circuit photonique planaire comprenant :
- un dispositif diffractif (Ddiff) intégré comprenant un réseau diffractif ou deux réseaux diffractifs superposés (DGO, DG1 , DG2, DG3, DG4, DG5, DG6) de couplage, configuré pour coupler le faisceau optique multimode dans la couche guidante du circuit photonique planaire et pour générer deux ou quatre faisceaux diffractés (Fd1 , Fd1 Fd2, Fd2’, Fd3, Fd4),
- un dispositif de conversion (Dconv) intégré comprenant: o des zones de propagation libre (Zpl), une zone de propagation libre étant associée à chacun des faisceaux diffractés, le dispositif de conversion étant en outre configuré de sorte qu’un faisceau diffracté diverge lors de sa propagation dans la zone de propagation libre associée, o une pluralité de guide d’ondes collecteurs disposés en aval de chaque zone de propagation libre (OGcol) et o une pluralité de guides d’ondes monomodes (OGmono), un guide d’onde collecteur étant couplé à un guide d’onde monomode et étant configuré pour transformer de manière adiabatique une fraction du faisceau optique multimode collectée localement par ledit guide collecteur en un faisceau optique selon un mode fondamental dudit guide d’onde monomode, de manière à générer ladite pluralité de sous- faisceaux monomode (Fi). Circuit photonique planaire selon la revendication précédente dans lequel :
- le dispositif diffractif comprend un réseau de diffraction unique (DGO) présentant des franges planes et générant deux faisceaux diffractés (Fd1 , Fd1 ’) se propageant selon deux directions opposées, le dispositif de conversion comprend deux lentilles divergentes (LD1 , LD1 ’) positionnées sur les trajets respectifs des deux faisceaux diffractés en amont des zones de propagation libres.
3 Circuit photonique planaire selon la revendication 1 dans lequel :
- le dispositif diffractif comprend deux réseaux de diffraction (DG1 , DG2) présentant des franges planes perpendiculaires, et configurés pour générer chacun deux faisceaux diffractés (Fd1 , Fd1 ’, Fd2, Fd2’) se propageant selon deux directions opposées,
- le dispositif de conversion comprend quatre lentilles divergentes (LD1 , LD1 ’, LD2, LD2’) positionnées sur les trajets respectifs des quatre faisceaux diffractés en amont des zones de propagation libre.
4 Circuit photonique planaire selon la revendication 1 dans lequel :
- le dispositif diffractif comprend deux réseaux de diffraction (DG3, DG4) présentant des franges planes et configurés pour générer chacun un faisceau diffracté unique (Fd3, Fd4) et pour que lesdits deux faisceaux diffractés se propagent selon deux directions non colinéaires et non orthogonales,
- le dispositif de conversion comprend deux lentilles divergentes (LD3, LD4) positionnées sur les trajets respectifs des deux faisceaux diffractés en amont des zones de propagation libres.
5 Circuit photonique planaire selon la revendication 1 dans lequel :
- le dispositif diffractif comprend deux réseaux de diffraction (DG5, DG6) présentant des franges courbes et configurés pour générer chacun un faisceau diffracté unique et pour que lesdits deux faisceaux diffractés se propagent selon deux directions non colinéaires et non perpendiculaires
- le dispositif de conversion comprend deux lentilles divergentes positionnées sur les trajets respectifs des deux faisceaux diffractés en amont des zones de propagation libres. 6 Circuit photonique planaire selon l’une des revendications précédentes comprenant en outre un dispositif intégré de combinaison et de détection (Dcd) desdits sous-faisceaux monomodes comprenant au moins un photodétecteur.
7 Circuit photonique planaire selon la revendication précédente dans lequel le dispositif intégré de combinaison et de détection (Dcd) comprend en outre une pluralité de lignes à retard (LR) configurées pour égaliser les trajets optiques ou mixtes optique/électrique des sous-faisceaux monomodes, considérés depuis la position du ou des réseaux diffractifs superposés et jusqu’à un endroit où est généré un signal portant une information associée à une seule longueur d’onde et intégrant la contribution de tous les sous-faisceaux monomodes.
8 Circuit photonique planaire selon l’une des revendications 6 ou 7 dans lequel le dispositif intégré de combinaison et de détection comprend :
-une pluralité de démultiplexeurs (Demux) en longueur d’onde respectivement couplés à la pluralité de guides d’ondes monomodes,
-une pluralité de photodétecteurs couplés aux sorties desdits démultiplexeurs, -des pistes électriques configurées pour sommer, pour chaque longueur d’onde, les signaux issus des photodétecteurs.
9 Circuit photonique planaire selon les revendications 7 et 8 dans lequel ledit endroit est celui pour lequel la sommation électrique (Pf) inclut tous les signaux issus des photodétecteurs associés à une même longueur d’onde.
10 Circuit photonique planaire selon la revendication 7 dans lequel le dispositif de combinaison et de détection comprend :
- une pluralité de dispositifs élémentaires de recombinaison cohérente (15) agencés en cascades de manière à obtenir un faisceau recombiné (Frecomb), les guides d’onde monomodes étant couplés 2 à 2 aux dispositifs élémentaires de recombinaison cohérente du premier étage de ladite cascade,
- un démultiplexeur en longueur d’onde (Demux), une pluralité de photodétecteurs (PDj) couplés aux sorties du démultiplexeur. Circuit photonique planaire selon la revendication 10 dans lequel le dispositif élémentaire de recombinaison cohérente (15) comprend un interféromètre intégré comprenant un premier (PS) et un deuxième (DL) élément déphaseur. Circuit photonique planaire selon les revendications 7 et 10 dans lequel ledit endroit est la sortie du démultiplexeur en longueur d’onde. Circuit photonique planaire selon les revendications 10 ou 11 dans lequel le dispositif de combinaison et de détection comprend en outre un mélangeur (MMI) configuré pour mélanger le faisceau recombiné avec un oscillateur local, le photodétecteur étant un photodétecteur balancé. Circuit photonique planaire selon la revendication précédente dans lequel le mélangeur présente 4 sorties couplées à deux photodétecteurs balancés de manière à effectuer une détection en phase et en quadrature.
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