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DISPOSITIF DE COUPLAGE OPTIQUE DIRECTIONNEL ET SELECTIF
EN LONGUEUR D'ONDE.
L'invention concerne un dispositif de couplage optique directionnel
s et sélectif en longueur d'onde, le couplage étant réalisé entre deux guides
d'ondes voisins et sensiblement parallèles.
II est connu de former des guides d'onde dans des cristaux
photoniques, qui sont des composants bidimensionnels constitués d'une
pluralité d'éléments à distribution périodique, tels que des colonnes
io parallèles de matière diélectrique ou des trous cylindriques parallèles
d'un
substrat diélectrique, les guides d'ondes étant formés dans les cristaux
photoniques par une ou plusieurs rangées manquantes de trous ou de
colonnes.
On a montré, dans l'article « Mini-stopbands of a one-dimensional
is system : the channel waveguide in a two dimensional photonic crystal » de
S. Olivier, M. Rattier, H. Benisty, C. Weisbuch et al., Physical Review B,
vol. 63, 113311 du 1e~ mars 2001, que le spectre de transmission d'un
guide d'onde en cristal photonique présente une bande étroite de longueurs
d'ondes non transmises ou mini-stopband (MSB), qui est due à un
2o couplage entre le mode fondamental et un mode d'ordre supérieur du guide
d'onde.
On a également montré, dans l'article « Coupled guide and cavity
in a two-dimensional photonic crystal » de C. J. M. Smith, R. M. de la Rue
et al., Applied Physics Letters, vol 78, n° 11, 12 mars 2001, que, dans
un
2s cristal photonique comprenant un guide d'onde et une cavité voisine du
guide d'onde, on pouvait coupler avec une efficacité importante de l'énergie
à travers un nombre relativement élevé de rangées du cristal photonique
par couplage du mode de cavité et du mode d'ordre supérieur du guide
d'onde, ce mode se couplant à son tour dans le mode fondamental.
3o La présente invention a pour but d'utiliser les résultats des travaux
décrits dans ces deux documents antérieurs pour transférer, de façon
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sélective en fréquence, de l'énergie entre deux guides d'onde formés dans
un cristal photonique.
Elle propose, à cet effet, un dispositif de couplage optique
directionnel et sélectif en longueur d'onde entre deux guides d'ondes,
s caractérisé en ce qu'il comprend un composant plan à structure de cristal
photonique constitué d'un pluralité d'éléments à répartition périodique, ce
composant comprenant deux guides d'ondes parallèles séparés par une
zone de couplage, la zone de couplage étant formée de rangées parallèles
et adjacentes desdits éléments à rëpartition périodique et les guides
lo d'ondes étant formés de rangées parallèles et adjacentes dépourvues de
ces éléments ou comprenant de tels éléments dont les dimensions, les
positions, ou l'indice de réfraction ont été substantiellement modifiés, les
bords longitudinaux des guides d'ondes ayant une structure périodique
assurant, pour des fréquences déterminées, d'une part un couplage focal
is entre un mode guidé dans l'un des guides d'ondes et un mode d'ordre
supérieur de ce guide d'onde, d'autre part un couplage entre ce mode
d'ordre supérieur et un mode d'ordre supérieur de l'autre guide d'onde à
travers la zone de couplage et un couplage entre le mode d'ordre supérieur
de l'autre guide d'onde et un mode guidé de cet autre guide d'onde, de
2o sorte que lesdites fréquences peuvent étre extraites d'un signal guidé dans
un premier guide d'onde et injectée dans l'autre guide d'onde, ces
fréquences étant celles non transmises par le premier guide d'onde.
De façon connue de l'homme du métier, le cristal photonique cité
ci-dessus est un système bidimensionnel sans structuration verticale, ou un
as système de membranes minces suspendues où la lumière est confinée
verticalement, ou un système du type décrit dans les documents antérieurs
cités ci-dessus, c'est-à-dire dans lequel un cristal photonique est gravé au
travers d'un guide diélectrique planaire monomode dans l'une des deux
polarisations optiques TE ou TM ou dans les deux.
3o Dans le dispositif selon l'invention, le mode guidé est
essentiellement propagatif en direction longitudinale, avec _une vitesse de
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groupe et une constante de propagation qui sont sensiblement du même
ordre que leurs contreparties dans le substrat diélectrique du cristal
photonique.
Le transfert d'énergie entre les deux guides d'ondes a lieu via le
s mode d'ordre supérieur de chaque guide d'onde, ce qui permet de réduire
considérablement la longueur nécessaire de la zone de couplage pour que
le transfert soit complet. On pourrait avoir par exemple une longueur de
zone de couplage d'environ 500 périodes spatiales de la structure du cristal
photonique si le couplage était réalisé sur le mode fondamental, tandis que
io cette longueur peut être réduite à 10 périodes spatiales grâce à
l'invention.
En outre, du fait du confinement assuré par le cristal photonique, on peut
utiliser des modes d'ordre supérieur qui ne fuient pas à l'extérieur des deux
guides d'ondes, par exemple des modes de très faible vitesse de groupe ou
de constante de propagation très petite devant leurs valeurs dans fe
ls substrat diélectrique du cristal photonique. Ces modes seraient en effet
couplés au continuum de modes radiatifs du substrat ou de l'air en
l'absence de confinement par le cristal photonique. On s'assure ainsi de
former un canal de couplage dont les dimensions longitudinales sont les
plus petites possible.
2o De préférence, le mode guidé de chaque guide d'onde est le mode
fondamental et le couplage a lieu dans chaque guide d'onde entre le mode
fondamental et un mode d'ordre supérieur.
Dans une première forme de réalisation de l'invention, la zone de
couplage qui s'étend entre tes deux guides d'ondes a des caractéristiques
2s de structure identiques à celles du cristal photonique de part et d'autre
des
deux guides d'ondes.
Dans une variante de réalisation de l'invention, la zone de couplage
entre les guides d'ondes a des caractéristiques de structure différentes de
celles du cristal photonique de part et d'autre des guides d'ondes. Par
3o exemple, la dimension, la position, l'indice de réfraction des éléments à
répartition périodique du cristal photonique peuvent ëtre difiFérents dans la
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zone de couplage et dans le reste du cristal photonique.
Par ailleurs, chaque guide d'onde du dispositif de couplage est
raccordé à un guide d'onde d'entrée et à un guide d'onde de sortie, qui sont
d'un type classique ou qui sont formés dans un cristal photonique. Ces
s guides d'ondes d'entrée et de sortie, dans lesquels il n'y a pas de couplage
entre mode fondamental et mode d'ordre supérieur aux fréquences
considérées, sont reliés aux guides d'ondes de couplage par des passages
bien définis, adiabatiques ou abrupts.
II est en général avantageux de prévoir un systéme intermédiaire
io entre les guides d'ondes de couplage, pour contrôler plus finement le
couplage, ce système intermédiaire pouvant comprendre une modification
locale des dimensions, des positions ou de l'indice des éléments
périodiques du cristal, comme déjà indiqué, ou une modification locale de la
période du cristal photonique, ou encore un élargissement ou un
is rétrécissement des guides d'ondes dans la zone de couplage, ou une
cavité ou un défaut de structure ou un ensemble de cavités ou de défauts
de structure dans la zone de couplage, ou un guide d'onde intermédiaire,
etc.
Les caractéristiques exactes de fonctionnement du dispositif de
2o couplage selon l'invention sont déterminées en longueur d'onde de
couplage et en sélectivité par les paramètres du cristal photonique
(période, dimension des éléments, facteur de remplissage, ...), par les
paramètres des guides d'ondes de couplage (largeur), par des paramètres
de la zone de couplage (longueur de couplage, force de couplage, ...) et
2s par la nature du substrat ou guide diélectrique vertical sous jacent. On
sait
en effet que l'indice effectif du mode fondamental du guide diélectrique joue
en bonne approximation le rôle de l'indice d'un substrat homogène dans
lequel seraient formés des trous ou des colonnes de cristal photonique
ayant une extension verticale infinie (article de D. Labilloy et al. dans
3o Physical Review Letters, vol. 79, numéro 21, 24 novembre 1997).
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails
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et avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lecture de la
description qui suit, faite en référence à titre d'exemple aux dessins
annexés dans lesquels
La Figure 1 est une vue schématique en plan d'un dispositif de
s couplage selon l'invention ;
La Figure 2 est une vue schématique en plan d'une variante de
réalisation de ce dispositif ;
Les Figures 3 et 4 représentent schématiquement d'autres
variantes de réalisation de ce dispositif ;
lo La Figure 5 représente le spectre du signal transmis par un guide
d'onde formé dans un cristal photonique ;
La Figure 6 représente le spectre du signal transmis par un guide
d'onde d'un dispositif de couplage selon l'invention ;
La Figure 7 représente le spectre de l'énergie couplée dans le
is guide adjacent.
On se réfère d'abord à la Figure 1 dans laquelle on a représenté
schématiquement une première forme de réalisation d'un dispositif de
couplage optique selon l'invention, qui comprend essentiellement un
composant plan 10 à structure de cristal photonique 12 bidimensionnel
2o comprenant deux guides d'ondes 14 et 16 parallèles, séparés par une zone
de couplage 18 en cristal photonique, qui s'étend entre ces deux guides
d'ondes.
De façon connue de l'homme du métier, le cristal photonique 12 est
un ensemble bidimensionnel de colonnes parallèles 14 de matériau
2s diélectrique ou de trous parallèles d'un composant diélectrique, les
colonnes et les trous étant perpendiculaires au plan du dessin, qui est le
plan du cristal photonique. La périodicité de la structure du cristal
photonique est comparable à la longueur d'onde des ondes
électromagnétiques dont on veut empécher la propagation.
3o Dans une forme de réalisation préférée, le composant 10 comprend
un guide d'onde vertical dans lequel est formé le cristal photonique. Les
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guides d'ondes 14 et 16 sont formés chacun par quelques rangées
manquantes d'éléments 20 du cristal photonique ou par quelques rangées
de ces éléments dont les dimensions, les positïons et/ou l'indice de
réfraction ont été fortement modifiés et la zone de couplage 18 entre les
s deux guides d'onde est formée par quelques rangées de ces éléments 20.
De ce fait, les bords de chaque guide d'onde 14, 16 ont une
structure périodique de même période, les largeurs des deux guides
d'ondes pouvant être identiques ou différentes.
Chaque guide d'onde 14, 16 du composant 10 est raccordé à un
lo guide d'onde d'entrée 22, 24 respectivement et à un guide d'onde de sortie
26, 28 respectivement, ces guides d'ondes d'entrée et de sortie étant soit
d'un type classique à contraste d'indice, soit du méme type que les guides
d'ondes 14, 16 du dispositif de couplage, c'est-à-dire des guides d'ondes
réalisés dans un cristal photonique.
is Dans ce dernier cas, les caractéristiques du cristal photonique
formant les guides d'ondes d'entrée et de sortie 22, 24, 26, 28 diffèrent
légèrement de celles du cristal photonique 12 comprenant les guides
d'ondes 14, 16 de couplage, de sorte que le couplage mis à profit dans ces
derniers aux fréquences considérées ne se manifeste pas dans les guides
2o d'entrée et de sortie.
Dans ce dispositif, lorsqu'un faisceau optique incident représenté
par la flèche 30 est guidé dans le premier guide d'onde 14 dans le mode
fondamental, il se propage sans perturbation d'une extrémité à l'autre de ce
guide d'onde pour passer dans le guide d'onde de sortie 26, sauf à
2s certaines fréquences où le mode fondamental est couplé à un mode d'ordre
supérieur du guide d'onde 14. Ce mode d'ordre supérieur traverse la zone
de couplage 18 comme représenté schématiquement par les flèches 32 et
parvient dans le guide d'onde 16 où il se couple de façon naturelle et
optimale au mode d'ordre élevé de cet autre guide où il est recouplé en
3o mode fondamental se propageant dans le sens indiqué par la flèche 34
pour passer dans le guide d'onde de sortie 28.
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Le second guide d'onde 16 de dispositif de couplage est le siège
d'un phénomène réciproque du couplage de mode qui a lieu dans le
premier guide d'onde 14 aux longueurs d'onde non transmises de la MSB.
Le dispositif selon l'invention représenté en Figure 1 permet donc
s de transférer de l'énergie du mode fondamental d'un guide d'onde à l'autre
via le mode d'ordre élevé de chaque guide, aux longueurs d'ondes de la
MSB, ce qui permet de réduire considérablement la longueur de couplage
nëcessaire entre les deux guides pour que le transfert d'énergie soit
complet. Par exemple, cette longueur de couplage est de l'ordre de 10
lo périodes spatiales du cristal photonique grâce au couplage, par les modes
d'ordre élevé, alors qu'elle serait environ cinquante fois supérieure si le
couplage avait lieu entre les modes fondamentaux des deux guides
d'ondes.
De plus, les guides d'ondes en cristal photonique permettent de
is confiner les modes d'ordre supérieur dans les deux guides d'ondes et
d'assurer une excellente efficacité de couplage d'un guide d'onde à l'autre,
par rapport au mode fondamental. On peut en particulier utiliser des modes
de très faible vitesse de groupe ou de constante de propagation très petite
devant leurs valeurs dans le substrat diélectrique, qui sont très bien
2o confinés dans les guides d'ondes en cristal photonique alors qu'on
constaterait une fuite de ces modes dans des guides d'ondes d'un type
classique à contraste d'indice.
Les liaisons entre le composant de couplage 10 à structure de
cristal photonique et les guides d'ondes d'entrée et de sortie doivent être
2s bien définies pour qu'il n'existe pas de couplage entre mode fondamental et
mode d'ordre élevé dans les guides d'ondes d'entrée et de sortie.
On peut notamment utiliser pour le couplage un cristal photonique
12 ayant une période spatiale et un facteur de remplissage différents de
ceux des cristaux photoniques dans lesquels sont formés les guides
3o d'ondes d'entrée 22, 24 et les guides d'ondes de sortie 26, 28.
On peut également, comme cela sera décrit plus en détail ci-
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dessous, modifier certaines caractéristiques de la zone de couplage 18 par
rapport à celles du cristal photonique 12 qui se trouve de part et d'autre des
guides d'ondes par rapport à cette zone de couplage, pour contrôler plus
finement le couplage par l'adjonction d'un système intermédiaire. On peut
s par exemple prévoir un guide d'onde intermédiaire, délimité par des
rangées manquantes d'éléments périodiques 20 du cristal photonique,
entre les guides d'ondes 14 et 16 précités.
La structure de la zone de couplage 18 permet également de
déterminer la directionnalité des dispositifs de couplage selon l'invention.
io Dans le cas où la zone de couplage 18 a une période spatiale
sensiblement égale à celle du cristal photonique 12 envïronnant, le
couplage est co-directionnel, c'est-à-dire que le signal optique sortant du
second guide d'onde 16 est orienté dans le méme sens que le signal
optique entrant dans le premier guide d'onde 14.
is Lorsque la zone de couplage 18 comporte un unique défaut de
structure assez bien localisé tel par exemple qu'une cavité, le couplage
peut être bidirectionnel, c'est-à-dire que les flux optiques sortant du second
guide d'onde 16 sont orientés dans le sens de la flèche 34 et dans le sens
opposé. Lorsque la zone de couplage 18 comprend plusieurs cavités à
2o espacement multiple de la période fondamentale du cristal, on augmente fa
sélectivité et l'efficacité du couplage.
Lorsque la zone de couplage 18 a une structure uniforme ou
périodique, la longueur de couplage du dispositif est égale à la somme de
la longueur de conversion caractéristique entre mode fondamental et mode
2s d'ordre supérieur de chaque guide d'onde Lmsb et de la longueur de
transfert caractéristique d'un mode d'ordre supérieur d'un des guides
d'ondes au mode d'ordre supérieur de l'autre guide d'onde Lc, soit
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L = Lmsb + Lc
4 2
=a +a
(nQ + nb ).Dumsb hb.~u~
où
- a est la période spatiale des éléments périodiques du cristal,
- na est l'indice de groupe du mode fondamental,
- nb est l'indice de groupe du mode d'ordre supérieur,
- ~umsb est l'écart en fréquence normalisé entre bords de la MSB,
io - ~u~ est l'écart en fréquence normalisé lié au couplage du mode
d'ordre supérieur d'un guide à celui de l'autre guide.
Dans cette formule, Lc est le plus souvent très faible et c'est en
pratique la longueur de couplage Lmsb qui détermine la longueur de
couplage du dispositif selon l'invention.
Comme cela a été représenté très schématiquement aux Figures 3
et 4, la zone de couplage peut être définie par un rétrécissement des
guides d'ondes 14 et 16 du dispositif (Figure 3), localisé entre les guides
d'ondes d'entrée 22, 24 et les guides d'ondes de sortie 26, 28, ou par un
Zo élargissement 42 de ces guides d'ondes 14, 16 (Figure 4). La zone de
couplage 18 entre les guides d'ondes 14, 16 du composant 10 peut différer
du reste du cristal photonique de ce composant par la période spatiale des
éléments périodiques du cristal, par le facteur de remplissage, par la
dimension ou l'indice de réfraction des éléments périodiques, par la
2s présence d'un ensemble de défauts de structure ou de cavités à répartition
périodique comme représenté en Figure 2 ou encore par la présence d'un
guide d'onde intermédiaire formé par des rangées manquantes ou
substantiellement modifiées des éléments périodiques. Ces moyens
permettent en particulier d'améliorer la sélectivité du couplage en longueur
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d'onde.
Dans un exemple de réalisation, le composant 10 est un cristal
photonique à motif triangulaire défini sur un substrat de GaAs ou InP ou
encore de type SOI (Silicon on Insulator), ce substrat comportant une
s structuration verticale (par empilement de couches) formant un guide
d'onde sensiblement monomode pour la fréquence et la polarisation
considérées du signal lumineux incident. Le mode de ce guide d'onde a un
indice effectif typiquement compris entre 2,5 et 4. Le cristal photonique a un
facteur de remplissage f d'environ 30 à 45%. Ces valeurs de l'indice effectif
io et du facteur de remplissage et le nombre de rangées manquantes du
guide d'onde fixent la valeur u de la fréquence centrale de la MSB. Pour un
guide à trois rangées manquantes dans un substrat de InP ou GaAs
typique, la valeur de u est de 0,26 et elle est de 0,24 pour un guide à cinq
rangées manquantes.
ls Des mesures ont été effectuées sur un composant de ce type
comprenant deux guides d'ondes en cristal photonique, formés chacun par
cinq rangées manquantes de trous et séparés l'un de l'autre par une zone
de couplage comprenant cinq rangées de trous.
On a d'abord effectué une mesure de transmission d'un guide
2o d'onde isolé, en injectant de la lumière à l'entrée du guide d'onde dans le
mode fondamental comme indiqué dans l'article précité de S. Olivier et al.,
Physical Review B 2001, et en captant le signal transmis dans le mode
fondamental. Le spectre de ce signal est représenté en Figure 5 en unitës
arbitraires, en fonction de la longueur d'onde. Dans cet essai, la lumière
2s injectée couvre la bande spectrale 900-1050 nm et la lumière captée à la
sortie du guide d'onde a un spectre représenté par la courbe C1, qui
présente un creux de transmission pour une longueur d'onde de 920nm.
Cette longueur d'onde correspond à la conversion du mode fondamental en
mode d'ordre élevé qui est réfléchi par diffraction sur les bords du guide
3o d'onde. Typiquement, la largeur spectrale de la MSB est de 5 à 40 nm,
selon la largeur du guide. Les autres longueurs d'ondes sont transmises
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normalement.
Ensuite, on a injecté de la lumière dans le mode fondamental à
l'entrée du guide d'onde 14 du composant 10 et on a capté la lumière
transmise en sortie de chaque guide d'onde 14, 16 , les spectres transmis
s étant représentés en Figures 6 et 7 respectivement.
On voit que le spectre du signal transmis par le guide d'onde 14
présente un creux pour une longueur d'onde de 930nm environ et que le
spectre de la lumière captée en sortie de l'autre guide d'onde 16 présente
un pic pour cette longueur d'onde. On notera que le décalage entre la
lo longueur d'onde de 920nm non transmise par le guide d'onde isolé de
l'essai de la Figure 5 et la longueur d'onde de 930nm de couplage sélectif
entre les deux guides d'ondes 14, 16 de dispositif 10 est dû uniquement à
de petites différences de paramètres de fabrication entre le composant 10
utilisé pour la mesure des Figures 6 et 7 et celui utilisé pour fa mesure de
la
is Figure 5.
Dans le cas d'un dispositif selon l'invention où les deux guides
d'ondes sont identiques et ne sont pas séparés par une cavité
intermédiaire, on a montré que la longueur de couplage L du dispositif et
les paramètres de couplage Kab entre mode guidé et mode d'ordre
2o supérieur de chaque guide d'onde, et Kbb entre modes d'ordre supérieur
vérifient sensiblement les relations Kab = 0,373. Kbb et L = 9,42/Kbb.
De façon générale, le dispositif de couplage sélectif selon
l'invention est applicable au routage de signaux optiques avec une
sélection en fréquence, notamment dans le domaine des
2s télécommunications, et au mélange de signaux de fréquences différentes,
notamment dans le domaine de l'opto-électronique où l'on utilise des ondes
optiques comme porteuses de signaux en hyperfréquence, l'usinage laser
multi-fréquence, etc.
