RéSEAU DE GUIDES D'ONDES PERMETTANT DE DéVIER UN

FAISCEAU LUMINEUX

L'invention se rapporte au domaine des réseaux de guides d'ondes couplés et concerne plus particulièrement un réseau de guides d'ondes comprenant un ensemble de guides d'ondes couplés sensiblement parallèles et orientés suivant une direction de guidage, l'ensemble de guides d'onde comprenant une première zone formée de guides d'ondes couplés selon un premier coefficient de couplage.

De tels réseaux de guides d'onde sont par exemple décrits dans la publication « Spatial photonics in nonlinear waveguide arrays », Fleischer et al., Optics express Vol. 13, No. 6, 2005. Dans cette publication, les guides d'ondes du réseau sont couplés de façon uniforme dans le réseau. L'uniformité du couplage au sein du réseau est obtenue par le fait que deux guides d'onde adjacents sont couplés selon le même coefficient de couplage dans le réseau.

Il est connu qu'un faisceau lumineux peut se propager de façon guidée dans de tels réseaux de guides d'ondes. Le, faisceau lumineux se propageant dans un tel réseau de guides est appelé « onde de Floquet-Bloch », ou « supermode », ou « modes de Schrôdinger discrets » selon les auteurs. Le guidage des faisceaux lumineux dans le réseau de guides d'ondes couplés est particulièrement avantageux notamment dans le domaine des télécommunications.

Dans un tel réseau de guides d'ondes couplés, le faisceau lumineux se propage en principe de façon linéaire, ou avec une divergence naturelle.

Or ₇ notamment dans le domaine des composants de commutation pour télécommunications optiques, il est avantageux qu'un faisceau lumineux puisse être orienté, réfléchi ou focalisé.

Pour ce faire, plusieurs solutions ont été envisagées.

D'abord, il est possible de faire sortir le faisceau lumineux du réseau de guides d'ondes, et d'orienter le faisceau par des moyens mécaniques connus tels que des miroirs ou des dioptres, ou des lentilles.

Toutefois, cette solution a l'inconvénient de devoir être mise en œuvre hors du réseau de guides, de sorte que le guidage du faisceau lumineux est perdu. L'intégration du composant comprenant les réseaux de guides d'ondes est donc peu efficace.

Afin de dévier un faisceau de manière statique dans un réseau de guides d'ondes, il est connu de la publication « Approximate solution of Eigenmode Problems for coupled waveguide Arrays », Richard , R. A. Syms, IEEE Journal of quantum electronics, 1987, un réseau de guides d'ondes comprenant un ensemble de guides d'ondes couplés parallèles orientés suivant une direction de guidage, l'ensemble de guides d'onde comprenant une première zone formée de guides d'ondes couplés selon un premier coefficient de couplage et une deuxième zone comprenant une deuxième zone formée de guides d'ondes couplés selon un deuxième coefficient de couplage différent du premier coefficient de couplage.

Dans cette publication, une zone du réseau est formée de deux ou trois bandes de guides couplés selon un coefficient de couplage différent du reste du réseau de sorte qu'il est possible de confiner un faisceau lumineux dans cette zone du réseau.

Dans la publication, les guides d'ondes sont parallèles orientés selon une direction de guidage. Soit Y cette direction et X la direction perpendiculaire, le coefficient de couplage varie au niveau de la zone

de couplage différent dans la direction X, mais le coefficient de couplage est constant dans la direction Y correspondant à la direction de guidage.

Il en résulte qu'un faisceau lumineux dirigé entièrement selon la direction de guidage Y n'est pas dévié et n'est pas influencé par la différence de couplage dans la direction perpendiculaire X.

Les possibilités de déviation du faisceau lumineux sont donc limitées avec le réseau de guides d'onde de la publication susmentionnée.

à l'inverse, on connaît également de la publication de Locatelli et al. « Discrète négative refraction in photonic crystal waveguide arrays », Optics Letters 2006, un réseau de guides d'ondes dans lequel les guides d'onde sont parallèles orientés selon une direction de guidage. Soit, comme précédemment, Y cette direction et X la direction perpendiculaire, le coefficient de couplage varie cette fois, au niveau de la zone de couplage dans la direction Y, mais le coefficient de couplage est constant dans la direction X correspondant à la direction perpendiculaire à la direction de guidage.

Avec une telle variation du coefficient de couplage dans la direction Y uniquement, la déviation selon la direction Y est difficile et nécessite une construction lourde et peu modulable.

L'invention a notamment pour but d'améliorer les possibilités de déviation d'un faisceau lumineux dans un réseau de guides d'ondes.

Ce but est atteint par l'invention grâce au fait que le deuxième coefficient de couplage est différent du premier coefficient de couplage dans la direction de guidage et dans la direction perpendiculaire à la direction de guidage.

De la sorte, selon l'invention, le réseau de guides d'onde peut être agencé de sorte à dévier tout type de faisceau lumineux quelle que soit sa direction d'incidence dans le réseau de guides d'ondes.

En outre, grâce à la variation du coefficient de couplage à la fois selon X et Y, il est possible de fournir un grand nombre de formes à la deuxième zone ayant le deuxième coefficient de couplage de sorte à contrôler précisément la déviation d'un faisceau lumineux.

L'invention n'est pas une simple juxtaposition de zones assemblées de façon indépendantes. Au contraire, selon l'invention, la première zone est au contact de la deuxième zone et le coefficient de couplage des guides d'ondes couplés varie à l'interface entre la première zone et la deuxième zone dans la direction de guidage et dans la direction perpendiculaire à la direction de guidage. De nombreuses possibilités de déviation du faisceau sont alors possibles au passage par cette interface.

Des modes de réalisation avantageux de l'invention sont décrits dans les revendications dépendantes.

En particulier, la deuxième zone peut être agencée pour faire converger ou diverger un faisceau lumineux dans le réseau de guides d'ondes.

En outre, au moins un coefficient de couplage choisi parmi le deuxième coefficient de couplage ou le premier coefficient de couplage peut être variable en fonction d'un paramètre externe.

De la sorte, les propriétés de déviation du réseau de guides d'ondes de l'invention peuvent varier dynamiquement.

Par exemple, au moins un coefficient de couplage choisi parmi le deuxième coefficient de couplage ou le premier coefficient de couplage peut être variable en fonction de la longueur d'onde d'un faisceau entrant dans le réseau de guides d'onde.

Par ailleurs, la deuxième zone peut être agencée pour dévier un faisceau lumineux dans le réseau de guides d'ondes.

En outre, le réseau de guides d'ondes précédemment décrit peut comprendre une zone de gain agencée pour amplifier un faisceau lumineux dans le réseau de guides d'onde.

La deuxième zone peut avoir une interface courbe avec la première zone, c'est-à-dire une interface non rectiligne. En faisant varier cette courbure, il est alors possible, selon l'invention, de donner différentes formes à la deuxième zone pour qu'elle se comporte comme différents dioptres de sorte à dévier le faisceau lumineux selon les caractéristiques souhaitées.

Par exemple, l'interface entre la deuxième zone et la première zone peut avoir une forme elliptique ou parabolique. D'autres formes incurvées toutefois envisageables

L'invention se rapporte également à une utilisation d'un réseau de guides d'ondes tel que décrit précédemment pour dévier un faisceau lumineux dans le réseau de guides d'ondes.

On décrit maintenant des modes de réalisation de l'invention en référence aux figures annexées dans lesquelles :

- FIG. 1 représente un réseau de guides d'ondes de type connu;

- FIG. 2 représente un réseau de guides d'ondes selon un premier mode de réalisation de l'invention ;

- FIG. 3 représente un réseau de guides d'ondes selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;

- FIG. 4 représente un réseau de guides d'ondes selon un mode troisième de réalisation de l'invention ;

- FIG. 5 illustre de façon schématique une interface entre une première zone et une deuxième zone dans les modes de réalisation des figures 1 à 4.

De façon connue en soi, comme illustré FIG. 1 , un réseau de guides d'ondes 1 comprend des guides d'ondes couplés parallèles orientés suivant une direction de guidage Y. La direction perpendiculaire à la direction de guidage Y est référencée X.

Pris individuellement, les guides d'onde du réseau de guides d'onde 1 sont par exemple des guides d'onde monomodes. La taille du mode est déterminée de sorte à être compatible avec les composants optiques permettant d'amener ou de faire sortir la lumière dans le guide d'onde 1 . De façon connue en soi pour un réseau de guides d'onde, on détermine ainsi la largeur du mésa et l'empilement de couches pour les guides d'onde individuels du réseau de guides d'onde.

Le réseau de guides d'ondes 1 comprend une première zone de guides d'ondes couplés 2, et une deuxième zone de guides d'ondes couplés 3. On note que dans le réseau 1 , ce sont bien les mêmes guides d'ondes qui s'étendent sur toute la longueur du réseau dans la direction de guidage Y, mais les coefficients de couplage le long de cette direction Y varient. On peut définir une interface commune 9 entre les zones 2 et 3 du réseau 1.

La première zone 2 comprend des guides faiblement couplés par rapport aux guides de la deuxième zone 3 qui sont fortement couplés. Soit Ci le coefficient de couplage des guides de la première zone 2

et C ₂ le coefficient de couplage des guides de la deuxième zone 3, on choisit par exemple C2=2.Ci . Ces coefficients peuvent par exemple être des coefficients réduits par rapport à un coefficient de référence pour les deux zones.

Avec un tel rapport de coefficients de couplage, lorsqu'un faisceau lumineux 4 arrive à l'interface 9 entre la première zone 2 et la deuxième zone 3, il est réfléchi en un faisceau réfléchi 5 et réfracté en un faisceau réfracté 6, et ce même si le faisceau lumineux 4 est orienté selon la direction Y.

Pour obtenir la différence de couplage entre la zone de fort couplage 3 et la zone de faible couplage 2, l'homme du métier peut utiliser plusieurs méthodes connues en soi lorsqu'il s'agit de définir un coefficient de couplage constant dans un réseau de guides dans l'état de la technique.

En particulier, il est possible de creuser des sillons entre les guides d'ondes selon des motifs définis par un masque de gravure reproduisant une hétérostructure désirée pour le réseau de guides. Dans ce cas, la gravure doit être d'autant plus profonde que l'on souhaite abaisser localement le coefficient de couplage.

Le calcul de la gravure nécessaire pour obtenir les coefficients souhaités peut être réalisée par une simulation numérique connue en tant que telle appelée « Beam Propagation Method » en langue anglaise, soit « méthode de propagation de faisceau ». De façon également connue, suite à la gravure, on réalise des tests pour vérifier que le réseau correspond bien à la structure désirée.

Pour concevoir les guides individuels, l'homme de métier peut utiliser plusieurs méthodes connues en soi. En particulier, il peut utiliser la structure dite "shallow ridge" en semiconducteurs Hl-V. Un exemple

en est décrit en détail dans la publication "Diffraction management" H. S. Eisenberg, Y. Silverberg, R. Morandotti, and J. S. Aitchison, Physical Review Letters vol. 85/9, p 1863-1866 (2000). Pour cette structure particulière conçue pour fonctionner à 1 ,55μm. le coefficient de couplage est de 0, 15mm ^"1 .

On décrit maintenant un premier mode de réalisation de l'invention en référence à la FIG. 2 dans lequel le deuxième coefficient de couplage C2 de la deuxième zone 3 est en outre différent du premier coefficient de couplage C1 de la première zone 2 dans la direction perpendiculaire X à la direction de guidage Y.

Le réseau de guides d'onde 1 comprend une interface oblique 9 définie par la limite entre la première zone 2 et la deuxième zone 3.

En fonctionnement, lorsqu'un faisceau lumineux 4 se propage dans la première zone 2 et arrive à l'interface oblique 9 avec la deuxième zone 3, il est réfléchi en un faisceau réfléchi 5 et réfracté en un faisceau réfracté 6. Le faisceau incident est par exemple d'extension limitée mais assez large pour que sa direction soit bien définie. La largeur caractéristique du faisceau est par exemple de dix distances inter-guides. Les directions de réfraction et de réflexion dépendent de la direction de l'interface oblique 9 et de la direction du faisceau incident 4.

En référence à la FIG. 3, selon un deuxième mode de réalisation, le réseau de guides d'onde 1 comprend une première zone 2 comprenant des guides couplés selon un coefficient de couplage C1 , et une deuxième zone 3 comprenant des guides couplés selon un coefficient de couplage C2, avec par exemple C2=2.C1.

La deuxième zone 3 est limitée par une interface 9 de forme elliptique, de sorte que le coefficient de couplage C2 est différent du

premier coefficient de couplage C1 de la première zone 2 dans la direction de guidage Y et dans la direction perpendiculaire X à la direction de guidage Y.

Il a été démontré que cette deuxième zone 3 délimitée par une ellipse se comporte comme un dioptre elliptique, de sorte que, lorsqu'un faisceau lumineux est transmis vers la zone 3, le faisceau est focalisé. La distance focale d'un tel dioptre peut être calculée selon des formules équivalentes des formules de Snell-Descartes pour les réseaux de guides d'onde. Ces formules traduisent la conservation de l'énergie au passage dans la zone de coefficient de couplage différent.

En fonctionnement, sur la FIG. 3, un faisceau lumineux 4 se propage dans la première zone 2 par exemple dans la direction de guidage Y. Ce faisceau traverse la deuxième zone 3 et se focalise dans la zone 3 en un faisceau lumineux 5. La variation des paramètres de l'ellipse délimitant la deuxième zone 3 permet de faire varier la focalisation du faisceau lumineux 5.

La FIG. 4 illustre une autre forme pour la deuxième zone 3.

Sur la FIG. 4, le réseau de guides d'onde 1 comprend une première zone 2 comprenant des guides d'ondes couplés selon un coefficient de couplage C1 , et une deuxième zone 3 comprenant des guides d'ondes couplés selon un coefficient de couplage C2.

La deuxième zone 3 est délimitée par une zone plan-convexe comme pour une lentille classique. Le coefficient de couplage C2 est donc différent du premier coefficient de couplage C1 de la première zone 2 dans la direction de guidage Y et dans la direction perpendiculaire X à la direction de guidage Y.

En fonctionnement, un faisceau lumineux 4 se propage dans la première zone 2 dans la direction de guidage Y. Ce faisceau traverse la deuxième zone 3 et se focalise grâce à la zone 3 en un faisceau lumineux 5. La variation des paramètres de la zone plan-concave, et notamment les variations de la concavité délimitant la deuxième zone 3 permet de faire varier la focalisation du faisceau lumineux 5.

D'autres formes pour la deuxième zone 3 peuvent bien sûr être envisagées. Afin de permettre un bon contrôle de la trajectoire des faisceaux lumineux, ces formes sont telles que le coefficient de couplage C2 de la deuxième zone 3 est différent du premier coefficient de couplage C1 de la première zone 2 dans la direction de guidage Y, et éventuellement dans la direction perpendiculaire X à la direction de guidage Y. En particulier, l'interface entre la deuxième zone 3 et la première zone 2 peut être sinueuse, de sorte à faire suivre un chemin déterminé au faisceau lumineux.

Dans les réseaux de guides d'onde 1 selon l'invention, les coefficients C1 et C2 sont déterminés en fonction des caractéristiques de déviation attendues pour le faisceau lumineux 4 incident au niveau de la deuxième zone 3.

La variation de coefficient de couplage est par exemple obtenue en faisant varier la distance d entre les guides d'onde dans la direction de guidage et dans la direction perpendiculaire à cette direction de guidage. On définit donc une fonction C(d) correspondant au coefficient de couplage entre deux guides d'onde en fonction de la distance entre les guides d'onde.

Ce coefficient de couplage dépend du recouvrement des modes des guides individuels. Ce recouvrement des modes ayant une forme quasi-exponentielle, la fonction C(d) est donc également quasi- exponentielle décroissante. Il est donc possible d'obtenir des fortes

variations du coefficient de couplage avec une faible variation de la distance entre les guides d'onde.

Comme rappelé ci-dessus, il est possible, dans tous les modes de réalisation, de creuser des sillons entre les guides d'ondes selon des motifs définis par un masque de gravure reproduisant une hétérostructure désirée pour le réseau de guides. Dans ce cas, la gravure doit être d'autant plus profonde que l'on souhaite abaisser localement le coefficient de couplage.

La FIG. 5 illustre de façon schématique une interface 9 entre la première zone 2 et la deuxième zone 3 dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, en considérant des guides d'onde individuels 1 OA, 10B, 10C.

Dans la zone de faible couplage 2, les guides d'ondes 10A, 10Bet 10C sont espacés d'une distance d1 . Au niveau de l'interface 9, on a modifié la distance entre les guides d'ondes 10A, 10B et 10C, par exemple par gravure. Dans la zone de fort couplage 3, les guides d'ondes 10A, 10Bet 10C sont espacés d'une distance d2 inférieure à d1 , ce qui permet d'obtenir un couplage C2 entre les guides d'onde dans la deuxième zone 3 supérieur au couplage C1 entre les guides d'onde dans la première zone 2.

L'utilisation d'un logiciel de modélisation de propagation permet de déterminer la répartition des guides en fonction de la fonction voulue pour le réseau de guides d'onde.

On décrit maintenant des variantes de l'invention.

Dans les modes de réalisation ci-dessus, la différence de coefficient de couplage dans la direction de guidage est fixée et n'est pas influencée par des paramètres extérieurs.

Selon une variante, les coefficients de couplage de la première zone 2 ou de la deuxième zone 3 sont modulés en fonction d'un paramètre extérieur tel qu'une tension électrique, une température, une contrainte mécanique, un pompage optique, ou la longueur d'onde du faisceau.

Ainsi, si les coefficients de couplage dépendent de la longueur d'onde du faisceau, le réseau de guides d'onde 1 peut être utilisé en tant que sélecteur de longueur d'onde, multiplexeur ou démultiplexeur.

En outre, le réseau de guides d'onde 1 peut comprendre une troisième zone de gain de sorte à amplifier un faisceau se propageant dans le réseau. Selon cette variante, il est donc possible de dévier le faisceau tout en l'amplifiant. Il est alors possible de former un résonateur pour obtenir un effet du type laser.

En outre, le réseau de guides d'onde 1 peut comprendre des guides d'onde aptes à guider d'autres types d'onde que des ondes optiques. Il peut donc être apte à dévier des hyperfréquences, des ultrasons, ou des sons.

Le réseau de guides d'onde 1 peut également être un réseau bidimensionnel de guides d'ondes.