DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un dispositif de couplage optique comprenant une lentille de focalisation et un réseau de couplage optique destiné à coupler optiquement des dispositifs optiques, par exemple, des dispositifs photoniques. Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif de couplage optique comprenant un réseau de couplage par diffraction destiné à conférer à un rayonnement lumineux, émis par ledit réseau, une enveloppe Gaussienne.

ART ANTÉRIEUR La figure 1 présente un dispositif de couplage optique 1, comprenant un guide d'onde 2 et un réseau de couplage optique 3, connu de l'état de la technique et décrit à la figure 1 du document [1] cité à la fin de la description. Le dispositif de couplage optique 1 comprend :

- un guide d'onde 2 comprenant un cœur formé dans une couche cœur 4 d'une épaisseur Ec, la couche cœur 4 comprenant une face, dite face avant 5, le guide d'onde étant destiné à guider un rayonnement d'une longueur d'onde λ, et selon une direction XX' parallèle à la face avant ;

- un réseau de couplage 3 comprenant une pluralité de tranchées 6 formées sur la face avant 5, d'une profondeur Et inférieure à l'épaisseur Ec, et disposées périodiquement selon la direction XX'.

Ce type de dispositif est généralement utilisé pour coupler optiquement le guide d'onde avec un autre dispositif optique tel qu'une fibre optique.

La figure 2 illustre un exemple de couplage d'une fibre optique 7 avec le guide d'onde 2 du dispositif optique. La fibre optique 7 est disposée parallèlement à un plan H perpendiculaire à la face avant 5, et comprenant la direction XX'. La fibre optique 7 présente également un angle Θ par rapport à la direction normale ZZ' au réseau de couplage optique 3. L'angle Θ correspond également à un angle d'émission du réseau de couplage optique 3. Plus particulièrement, l'extrémité de la fibre optique est disposée au-dessus du réseau de couplage 3, de sorte qu'un rayonnement lumineux provenant du guide d'onde 2 soit, au moins en partie, injecté dans la fibre optique 7 via le réseau de couplage optique.

Nous observons, cependant, dans cette configuration que le couplage optique entre le dispositif de couplage optique 1 et la fibre optique 7 offre une efficacité limitée.

Afin d'injecter une quantité optimale du rayonnement lumineux dans la fibre optique, il est souhaitable que ledit rayonnement lumineux émis par le réseau de couplage présente un profil gaussien.

Or, tel qu'illustré à la figure 3, une décroissance exponentielle, selon la direction XX', de l'intensité lumineuse (représentée sur l'axe vertical en fonction d'une position sur le réseau selon la direction XX' sur l'axe horizontal) émise par le réseau de couplage optique est clairement observée.

Pour pallier ce problème, les documents [1], [2], [3] proposent d'adapter la structure du réseau de couplage optique, notamment par apodisation dudit réseau, de manière à améliorer le couplage. Les gains en termes d'efficacité restent cependant réduits, et la décroissance exponentielle, selon la direction XX', de l'intensité lumineuse émise par le réseau de couplage optique est toujours observée.

Les documents [6], [7], et [8] cités à la fin de la description décrivent chacun un dispositif de couplage optique.

Le document [9] divulgue une tête de lecture optique d'un disque optique.

Un but de la présente invention est alors de proposer un dispositif de couplage optique présentant une efficacité de couplage optique supérieure à celle des dispositifs de couplage optique connus de l'état de la technique.

Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif de couplage optique pour lequel l'enveloppe du rayonnement lumineux émis par le réseau de couplage optique est essentiellement Gaussienne. EXPOSÉ DE L'INVENTION

Les buts de l'invention sont au moins en partie atteints par un dispositif de couplage optique, destiné à coupler un guide d'onde avec une fibre optique, le dispositif de couplage optique comprenant en séquence, selon une direction XX', une lentille de focalisation et un réseau de couplage optique, le dispositif de couplage optique étant symétrique par rapport à un plan H, et dans lequel :

- la lentille de focalisation est formée dans une couche cœur présentant un indice de réfraction ne et une épaisseur Ec, et comprenant deux faces, dites, respectivement, face avant et face arrière, essentiellement parallèles, et en contact avec des milieux d'indice de réfraction inférieurs à l'indice de réfraction ne, le plan H est perpendiculaire à la couche cœur, et son intersection avec la couche cœur (20) comprend la direction XX', la lentille de focalisation est destinée à focaliser un rayonnement lumineux, se propageant selon la direction XX', en un point de focalisation F,

- le réseau de couplage optique comprend une pluralité de tranchées, formées sur la face avant, parallèles entre elles, et de forme convexe selon la direction XX', le réseau de couplage optique comprend, en séquence, selon la direction XX', un premier sous réseau et un second sous réseau, contiguës, délimités, respectivement, par un premier contour et un second contour, lesdits premier et second contour s'étendent, selon la direction XX', respectivement, de manière divergente et de manière convergente, le point de focalisation F est compris dans le réseau de couplage optique.

Selon un mode de mise en œuvre, la lentille de focalisation comprend en séquence, selon la direction XX', un premier dioptre Dl et un second dioptre D2, délimitant un évidement dans la couche cœur d'une profondeur Ee inférieure ou égale à l'épaisseur Ec.

Selon un mode de mise en œuvre, la lentille de focalisation est une lentille concave-concave.

Selon un mode de mise en œuvre, le premier dioptre Dl et le second dioptre D2 présentent chacun, selon un plan parallèle à la face avant, une section en arc de cercle. Selon un mode de mise en œuvre, le premier contour comprend en séquence, selon la direction XX', un premier contour central disposé entre deux premiers contours latéraux, les deux premiers contours latéraux étant disposés symétriquement par rapport au plan H, et dans le prolongement du contour central, les deux premiers contours latéraux étant plans.

Selon un mode de mise en œuvre, le premier contour central présente une section conique selon un plan parallèle à face avant, avantageusement, la section conique est un demi-cercle.

Selon un mode de mise en œuvre, la section conique est un demi-cercle. Selon un mode de mise en œuvre, la section conique comprend un foyer en coïncidence avec le point de focalisation F.

Selon un mode de mise en œuvre, le second contour comprend deux parties planes disposées dans le prolongement du premier contour, et symétriquement par rapport au plan H.

Selon un mode de mise en œuvre, le second contour comprend un second contour plan, perpendiculaire à la direction XX', et reliant les deux parties planes.

Selon un mode de mise en œuvre, les tranchées de la pluralité de tranchées sont disposées périodiquement selon une période P, la période P éta nt définie par relation :

λ = P(neff-nc*sin(0))

où neff est un indice de réfraction effectif d'un mode optique guidé de la lentille de focalisation vers le réseau de couplage optique, et Θ un angle, selon une direction du plan H, d'émission à partir du réseau de couplage.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre du dispositif de couplage optique selon l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une représentation schématique, selon un plan de coupe transverse, d'un dispositif de couplage optique connu de l'état de la technique, - la figure 2 est une représentation schématique, selon un plan de coupe transverse, d'un dispositif de couplage optique couplé à une fibre optique, et connu de l'état de la technique,

- la figure 3 est un graphique représentant l'intensité (selon l'axe verticale) du rayonnement lumineux émis par un réseau de couplage optique connu de l'état de la technique, en fonction d'une position sur ledit réseau selon l'axe XX' (selon l'axe horizontal),

- les figures 4a et 4b sont des représentations schématiques du dispositif de couplage optique selon un mode de réalisation de l'invention, respectivement, en vue de dessus (par la face avant), et en coupe transverse (selon le plan de coupe YY'),

- la figure 5 est représentation schématique en vue de dessus du dispositif de couplage optique selon l'invention, détaillant les éléments de la lentille de focalisation et du contour du réseau de couplage optique selon l'invention,

- la figure 6 est une représentation schématique illustrent la divergence et la convergence, respectivement, du premier contour et du second contour.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

L'invention décrite de manière détaillée ci-dessous met en œuvre un dispositif de couplage optique permettant un couplage à une fibre optique efficace. Plus précisément, la présente invention met en œuvre un dispositif de couplage optique pourvu d'un réseau de couplage optique comprenant un premier sous réseau et un second sous réseau, dont les contours (un premier contour et un second contour) respectifs s'étendent, respectivement, de manière divergente et de manière convergente selon la direction d'élongation XX' du réseau de couplage optique. Le dispositif selon l'invention comprend en outre une lentille de focalisation apte à focaliser un rayonnement lumineux, se propageant selon la direction XX', en un point de focalisation F compris dans le premier sous réseau. Le premier sous réseau, avec son premier contour divergent, permet d'obtenir un rayonnement lumineux présentant un profil Gaussien selon les directions longitudinale (selon la direction XX') et transversale (perpendiculairement à la direction XX'). Aux figures 4a et 4b, on peut voir une représentation schématique du dispositif de couplage optique 10 selon l'invention.

Le dispositif de couplage optique 10 comprend en séquence, selon une direction XX', une lentille de focalisation 30 et un réseau de couplage optique 40.

Le dispositif de couplage optique 10 est formée sur ou dans une couche cœur 20.

Le dispositif de couplage optique 10 est symétrique par rapport à un plan H perpendiculaire à la couche cœur 20, et dont l'intersection avec ladite couche cœur 20 comprend la direction XX'.

II est entendu que tous les éléments, ou sous éléments, du dispositif de couplage optique 10, cités dans la description, sont symétriques par rapport au plan H.

Le dispositif de couplage optique 10 est par exemple destiné à coupler un guide d'onde avec une fibre optique. Plus particulièrement, le dispositif de couplage optique 10 est adapté pour transmettre un rayonnement lumineux d'une longueur d'onde λ, du guide d'onde vers la fibre optique. Dans la pratique, la fibre optique est disposée au-dessus du réseau de couplage optique, soit perpendiculairement (autrement en incidence normale), soit de manière oblique dans le plan H. Nous notons l'angle d'incidence Θ (en degrés « ° ») de la fibre optique par rapport à la normale du réseau de couplage optique 10.

Plus particulièrement, le réseau de couplage optique 40 émet le rayonnement lumineux selon une direction préférentielle. Dans la description, nous considérons que la fibre optique est couplée au dispositif de couplage optique 10 selon cet angle d'émission et assimilons ledit angle d'émission à l'angle Θ. Nous notons à cet égard que l'angle d'émission correspond à une direction comprise dans le plan H.

La couche cœur 20 a une épaisseur Ec, et est faite d'un matériau d'indice de réfraction ne.

Il est entendu, sans qu'il soit nécessaire de le préciser, que la couche cœur 20 est une couche de confinement d'un rayonnement lumineux quasi-monochromatique de longueur d'onde λ susceptible d'être guidé par le dispositif de couplage optique 10. Plus particulièrement, la couche cœur 20 comprend deux faces, dites respectivement face 21 et face arrière 22, essentiellement parallèles, et en contact avec des milieux d'indice de réfraction inférieur à l'indice de réfraction ne.

Par rayonnement lumineux quasi monochromatique, nous entendons un rayonnement lumineux comprenant une bande spectrale d'étendue Δλ<λ/10 centrée sur une longueur d'onde centrale λ.

De manière avantageuse, le rayonnement lumineux peut être monochromatique de longueur d'onde λ (dans ce cas de figure, nous assimilons la longueur d'onde centrale λ à la longueur d'onde λ du rayonnement monochromatique).

De manière avantageuse, la longueur d'onde centrale λ peut être comprise entre 1260 nm et 1360 nm, par exemple 1310 nm, ou entre 1530 nm et 1580 nm, par exemple 1550nm.

La couche cœur 20 peut comprendre au moins un des matériaux choisi parmi : silicium, nitrure de silicium (SiNx), dioxide de titane, germanium,... .

La couche cœur 20 peut par exemple être une couche de semiconducteur d'un substrat de semi-conducteur sur isolant, par exemple du silicium sur isolant.

La lentille de focalisation 30 est formée dans la couche cœur 20.

La lentille de focalisation 30 est destinée à focaliser un rayonnement lumineux de longueur d'onde λ, se propageant selon la direction XX', en un point de focalisation F au niveau du réseau de couplage optique 40. Ainsi, le rayonnement lumineux se propage de la lentille de focalisation 30 vers le point de focalisation F selon un front d'onde incurvé. Plus précisément, ledit front d'onde présente une première courbure convexe selon la direction XX'.

La première courbure du front d'onde dépend des paramètres géométriques de la lentille et peut ainsi être ajustée par des techniques connues de l'homme du métier.

Par convexe selon la direction XX', nous entendons une convexité orientée selon l'axe XX'. Plus particulièrement, un élément convexe selon la direction XX', présente une courbure dans le plan de la face avant 21, ladite courbure présentant une convexité orientée selon l'axe XX'.

Par concave selon la direction XX', nous entendons une concavité orientée selon l'axe XX'. Plus particulièrement, un élément concave selon la direction XX', présente une courbure dans le plan de la face avant 21, ladite courbure présentant une concavité orientée selon l'axe XX'.

A la lecture de ce qui précède, il est évident que la lentille de focalisation 30 est une lentille convergente.

A cet égard, la lentille de focalisation 30 peut comprendre en séquence, selon la direction XX', un premier dioptre Dl et un second dioptre D2, délimitant un évidement 31 dans la couche cœur 20 d'une profondeur Ee inférieure à l'épaisseur Ec. La profondeur Ee est par exemple inférieure ou égale à la moitié de l'épaisseur Ec.

Par évidement, nous entendons un retrait de matière dans la couche cœur 20, par exemple à partir de la face avant 21.

L'évidement peut, par exemple, être obtenu par gravure d'une couche de silicium faisant suite à une étape de photolithographie. Ces techniques, connues de l'homme du métier, ne sont pas décrites en détails dans la présente invention.

Le premier dioptre Dl et le second dioptre D2 peuvent avoir chacun leur surface perpendiculaire à la couche cœur 20.

Le premier dioptre Dl et le second dioptre D2 peuvent être, selon la direction XX', respectivement, de forme concave et de forme convexe.

La lentille de focalisation 30 est alors une lentille concave-concave.

De manière avantageuse, le premier dioptre Dl et le second dioptre D2 peuvent présenter chacun, selon un plan parallèle à la face avant 21, une section en arc de cercle (par exemple un demi-cercle), de rayons respectifs RI et R2.

L'homme du métier trouvera dans le document [5] cité à la fin de la description les informations nécessaires au dimensionnement de la lentille de focalisation comprenant un premier Dl et un second D2 dioptre.

De manière particulièrement avantageuse, le dioptre Dl termine un guide d'onde 50 formé dans la couche cœur 20, s' étendant selon la direction XX'. Le guide d'onde 50 est adapté pour guider un mode optique associé au rayonnement lumineux d'indice de réfraction effectif neff.

Ainsi tout rayonnement lumineux guidé par le guide d'onde 50, est focalisé par la lentille de focalisation 30 au niveau du point focal F disposé au niveau du réseau de couplage optique 40.

Le réseau de couplage optique 40 comprend une pluralité de tranchées 41, formées dans la couche cœur 20 à partir de la face avant 21, par exemple de profondeur Ee.

Par réseau de couplage optique 40, nous entendons un réseau de diffraction comprenant des tranchées disposées périodiquement selon une période P.

Les tranchées 41a de la pluralité de tranchées 41 sont parallèles entre elles. Par ailleurs, les tranchées 41a sont de forme convexe selon la direction XX'. Les tranchées 41a sont donc incurvées, et présentent une seconde courbure.

La période P peut vérifier la relation suivante :

ιηλ = P(neff-nc*sin(9)) (m étant un nombre entier positif, par exemple m=l)

De manière avantageuse, la seconde courbure des tranchées 41a est voisine de la première courbure. Par voisine, nous entendons qu'un écart ne dépassant pas les 15% peut être admis. Les première et seconde courbures sont, encore plus avantageusement identiques. Ainsi, le front d'onde du rayonnement lumineux, focalisé par la lentille de focalisation 30, épouse la seconde courbure des tranchées 41a du réseau de couplage optique 40.

Le réseau de couplage optique 40 est également délimité par un contour 43. Par contour, nous entendons une surface latérale, exposée, et essentiellement perpendiculaire à la face avant 21. Il est entendu, sans qu'il soit nécessaire de le préciser, que le contour 43 est une surface fermée.

Le réseau de couplage optique 40 comprend un premier sous réseau 40a, et un second sous réseau 40b. Le premier sous réseau 40a et le second sous réseau 40b sont contigues, et disposés en séquence selon la direction XX'. Le contour 43 comprend, en séquence, selon la direction XX', un premier contour 44 et un second contour 45 s'étendant, toujours selon la direction XX', de manière divergente et de manière convergente.

Le premier contour 44 délimite le premier sous réseau 40a.

Le second contour 45 délimite le second sous réseau 40b.

Il est entendu que les premier 44 et second 45 contours ne sont pas fermés, et que le contour commun aux premier 40a et second 40b sous réseau n'est délimité par aucun des premier 44 et second 45 contours. Autrement dit, le premier contour 44 délimite le premier sous réseau 40a sur son pourtour non commun avec celui du second sous réseau 45, et le second contour 45 délimite le second sous réseau 40b sur son pourtour non commun avec celui du premier sous réseau 44.

Par s'étendre de manière divergente, nous entendons une augmentation progressive, selon la direction XX', de la distance Ml entre les parois du premier contour, la distance Ml étant mesurée selon une direction BB' perpendiculaire au plan H (figure 6).

L'augmentation progressive peut être, par exemple, au moins en partie linéaire.

Par s'étendre de manière convergente, nous entendons une diminution progressive, selon la direction XX', de la distance M2 entre les parois du second contour, la distance M2 étant mesurée selon une direction BB' perpendiculaire au plan H (figure 6).

De manière particulièrement avantageuse, le point de focalisation F est compris au niveau du premier sous réseau 40a, par exemple proche de son centre.

Le point de focalisation F peut également être compris au niveau du second sous réseau 40b.

Ainsi, le profil divergent du premier contour 44 permet d'obtenir une enveloppe Gaussienne du rayonnement lumineux émis par le réseau de couplage optique 40, rendant le couplage avec une fibre optique plus efficace.

De manière avantageuse, le premier contour 44 comprend en séquence, selon la direction XX', un premier contour central 44a et deux premiers contours latéraux 44b et 44c (figure 5). Les deux premiers contours latéraux 44b et 44c sont disposés symétriquement par rapport au plan H, et dans le prolongement du premier contour central 44a. En outre les deux premiers contours latéraux 44b et 44c sont plans.

Le premier contour central 44a peut présenter une section conique selon un plan parallèle à la face avant.

De manière avantageuse, la section conique peut être un demi-cercle.

Le second contour 45 peut comprendre deux parties planes 45a et 45b (figure 5) disposées dans le prolongement du premier contour 44, et symétriquement par rapport au plan H (par partie plane, nous entendons une surface plane perpendiculaire à la face avant 21).

Le second contour 45 peut comprendre un second contour plan 45c, perpendiculaire à la direction XX', et reliant les deux parties planes 45a et 45b.

Le réseau de couplage optique 40 peut également être apodisé.

Par exemple, les quatre premières tranchées 41a (selon la direction XX') du réseau de couplage 40 peuvent présenter une largeur, respectivement, de lOOnm, 120nm, 160nm et 180 nm. Les tranchées suivantes peuvent présenter une largeur de 247,5 nm.

Afin d'en estimer les performances, le comportement du dispositif de couplage optique 10 selon l'invention a été simulé selon un modèle numérique dit FDTD (« Finite Différence Time Domain Method »).

Dans cet exemple, la lentille de focalisation 30 comprend les premier Dl et second D2 dioptres, présentant chacun une section, selon un plan parallèle à la couche cœur 20, en demi-cercle de rayon R = 15 μιη. Le dispositif comprend en outre un guide d'onde 50 s'étendant selon la direction XX' et se terminant par le premier dioptre Dl.

Toujours dans cet exemple, le premier contour comprend le premier contour central 44a et les deux premiers contours latéraux 44b et 44c. Le premier contour central 44a présente selon le plan parallèle à la face avant 21, une section en demi-cercle, de rayon Rc = 8,2 μιη.

Les deux premiers contours latéraux 44b et 44c s'étendent sur une longueur de 2.2μιη dans le plan de la couche cœur 20, par rapport à la direction XX'. Les deux contours latéraux 44b et 44c présentent une déflection, respectivement, de 6.2μιη par rapport à la direction BB'.

La longueur d'onde du rayonnement lumineux considéré est de 1310 nm, la périodicité du réseau de couplage optique est P = 495 nm.

L'angle d'émission Θ, dans cette configuration, est de 6° (nous notons que pour un réseau de couplage optique connu de l'état de la technique, l'angle d'émission est généralement de 8°).

En l'absence de miroir sous le réseau de couplage optique 10, un découplage supérieur à 50% est observé.

La Demanderesse a ainsi observé selon la direction longitudinale (selon l'axe XX') du dispositif de couplage optique 10 une émission d'un rayonnement lumineux présentant un profil essentiellement Gaussien.

Le rayonnement émis par le réseau de couplage optique 10 est ainsi adapté pour être efficacement injecté dans une fibre optique de section circulaire.

L'efficacité de couplage optique avec le dispositif de couplage optique 10 selon invention est ainsi optimisée dès lors que ledit dispositif est couplé à une fibre optique (de section circulaire).

RÉFÉRENCES

[1] D. Taillaert et al., "Compact efficient broadband grating coupler for silicon-on-insulator waveguides", Opt. Lett. 29(23), 2749 (2004),

[2] D. Vermeulen et al., "High-efficiency fiber-to-chip grating coupler realized using an advanced CMOS-compatible Silicon-On-Insulator platform", Opt. Lett., 18(17), 18278 (2010),

[3] Chao Li et al., "CMOS-compatible high efficiency double-etched apodized waveguide grating coupler", Opt. Express, 21(7), 7868 (2013),

[4] Katsunari Okamoto, "Fundamentals of optical waveguides", ISBN: 978-0-12-525096-2,

[5] K. Van Acoleyen et al., « Compact lens-assisted focusing tapers fabricated on silicon-on- insulator », IV Photonics (GFP), 2001, 8th IEEE, pp. 7-9 (2011),

[6] US2009/0087141,

[7] U7S 7184627,

[8] Hirata et al., "Démonstration of a Wave Guide Lens Monolithically Integrated with a Laser Diode by Composition Disordering of a Ouantum Well", IEEE Photonics Technology Letters, 5(6), 1041-1135, (1993),

[9] EP2977801.