RAPPORT DE STAGE Adaptateur de mode en optique intégrée

Transcription

UNIVERSITE DE BREST
ECOLE NATIONALE SUPERIEURE
DES TELECOMMUNICATIONS
DE BRETAGNE
ECOLE NATIONALE D’INGENIEURS
DE BREST
UNIVERSITE DE RENNES 1
ECOLE NATIONALE SUPERIEURE
DE SCIENCES APPLIQUEES
ET DE TECHNOLOGIE
DE LANNION
ECOLE DOCTORALE
SCIENCES DE LA MATIERE DE L’INFORMATION ET DU VIVANT ED SMIV 0373
_______________________
D. E. A.
SCIENCES ET TECHNOLOGIES DES TELECOMMUNICATIONS
OPTION COMMUNICATIONS OPTIQUES
RAPPORT DE STAGE
Adaptateur de mode en optique intégrée
Guide optique à gradient d'indice suivant l'axe de propagation
Spot size transformer
with graded index optical waveguide along propagation axis
Gaëtan ROTTIER
Responsable : Isabelle Hardy
2002-2003
Résumé
Ces dernières années, de nombreuses recherches ont été effectuées sur les guides optiques
fortement confinés en particulier en technologie polymère mais ceux-ci nécessitent de réduire les
pertes de couplage avec les fibres monomodes standard. Ce rapport présente une vue générale des
différents adaptateurs de mode possibles. Ensuite, un nouveau type d’adaptateur de mode, dans les
deux dimensions (2-D), est proposé sur des guides polymères de section constante. Dans ces guides,
le contraste d’indice entre le cœur et la gaine (∆n) est contrôlé le long de l’axe de propagation pour
créer un gradient d’indice. L’adaptateur est réalisé simplement par une insolation UV graduelle du
cœur, qui fait décroître le ∆n de 0.025 à 0.0075. La simulation par BPM montre que la taille du mode
du guide est multipliée par deux, réduisant ainsi de 2 dB les pertes de couplages (meilleur
recouvrement de modes) avec une fibre. Les premières mesures tendent à valider la théorie.
Mots clés : Optique guidée, adaptateur de mode, guide polymère, taper, BPM
Abstract
The past few years a lot of effort has been put in development of polymer optical waveguiding
devices but mode size converters are necessary to reduce coupling losses, especially between opticalfiber and stronger confined single mode waveguides. This paper gives an overview of different taper
designs developed and introduce a new type of polymer waveguide for two-dimensional (2-D) mode
size transformation in which refractive index difference between core and cladding (∆n) is properly
controlled along the propagation axis while the core section is kept uniform. The proposed taper is
release by simple core UV exposition to gradually decrease ∆n from 0.025 to 0.0075. BPM
simulation shows that guide mode size is multiplied by more than two and coupling losses with
single mode fiber are 2 dB reduced. The first measurements of polymer waveguides without
superstrat validate the theory.
Key words : optical waveguide, mode size converters, polymer, BPM
Gaëtan ROTTIER
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Remerciements
Le travail présenté dans ce rapport a été effectué au CCLO (Centre Commun Lannionais
d’Optique) en vue de l’obtention du DEA STT option Communications Optiques.
J'exprime mes remerciements à M. Jean-Claude Simon, professeur à l'Université de Rennes I,
directeur du Laboratoire d’Optronique de l’ENSSAT, pour m'avoir accueilli dans son laboratoire,
ainsi qu’à M. Dominique Bosc, Ingénieur HDR responsable de l’équipe du CCLO, pour m'avoir
accueilli dans son équipe et confié ce travail.
Je remercie également Mme Isabelle Hardy, docteur GET (Groupement des Écoles de
Télécommunication), pour avoir dirigé ce travail et pour son aide et son soutien constant.
Je remercie Philippe Grosso, ingénieur GET et co-responsable du CCLO, pour les mesures de
caractérisations des guides.
Mes remerciements vont aussi à Mme Monique Thual, Maître de Conférence / HDR IUT de
Lannion, pour ses explications sur les micro-optiques de couplage, ainsi qu’à Michel Gadonna,
ingénieur GET, pour ses explications théoriques sur les guides optiques.
J’exprime également ma gratitude envers M. Michel Guillou, ingénieur d’études, pour les
dépannages et sauvegardes des fichiers informatiques de modélisations numériques.
Je n’oublie pas dans ces remerciements Imane Assaïd, doctorante au CCLO, et Thomas Batté,
ingénieur d’études, pour leurs explications sur les technologies de fabrications des guides optiques en
polymères.
J’exprime ma sympathie envers Philippe Rochard et Robert Madec pour leurs aides techniques
et leur accueil.
Enfin, j’associe à ces remerciements l’ensemble des personnes rencontrées pendant ce stage,
notamment les autres stagiaires.
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1
SOMMAIRE
1
SOMMAIRE
4
2
INTRODUCTION
5
3
LES GUIDES EN OPTIQUE INTÉGRÉE ET L’ADAPTATION DE MODE
6
3.1 RÉALISATION DE GUIDES POLYMÈRES PAR PHOTO-INSCRIPTION
3.2 COUPLAGE FIBRE GUIDE
3.2.1 DÉFINITION DU FAISCEAU GAUSSIEN
3.2.2 COUPLAGE FIBRE-GUIDE
3.2.3 CALCUL DES MODES GUIDÉS D’UNE STRUCTURE RECTANGULAIRE
3.2.4 CONDITIONS DE PROPAGATION MONOMODE DANS UN GUIDE OPTIQUE
3.3 CONCLUSION
6
7
7
8
9
11
12
4
ÉTAT DE L’ART SUR LES ADAPTATEURS DE MODES
12
5
L’ADAPTATEUR DE MODE À INDICE DE CŒUR VARIABLE
15
5.1 GUIDE ENTERRÉ DE 3 µM X 3 µM EN PVCI
5.1.1 MODÉLISATION
5.1.2 DÉTERMINATION DU COUPLAGE INTRINSÈQUE AVEC UNE FIBRE MONOMODE STANDARD
5.1.3 CONCLUSIONS
5.2 GUIDE 5 µM X 5 µM EN PVCI SUR SUBSTRAT DE SILICE ET SUPERSTRAT D’AIR
5.2.1 MODÉLISATION DU GUIDE
5.2.2 ALLONGEMENT DE LA ZONE DE DÉCROISSANCE DE CŒUR
5.2.3 MESURES DE GUIDES RÉALISÉS AU CCLO
5.2.4 DÉTERMINATION DU COUPLAGE INTRINSÈQUE AVEC UNE FIBRE MONOMODE STANDARD
5.2.5 CONCLUSIONS
5.3 GUIDE 3 µM X 3 µM EN PVCI SUR SUBSTRAT PVCI INSOLÉ À SATURATION
5.3.1 MODÉLISATION
5.3.2 ADAPTATION DU MODE AVEC LA FIBRE
5.3.3 CONCLUSION
15
16
17
18
18
19
21
22
24
25
25
25
27
28
6
CONCLUSION GÉNÉRALE
29
7
BIBLIOGRAPHIE
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Introduction
Présentation du CCLO
Le Centre Commun Lannionnais d’Optique (CCLO) est né de la volonté commune de l’École
Nationale Supérieure de Sciences Appliquées et de Technologie (ENSSAT) et de l’École Nationale
Supérieure des Télécommunications de Bretagne (ENST-Bretagne) de créer un centre commun de
recherche sur les technologies optiques. Le CCLO, en tant que centre technologique de recherche, a
initié en 2001-2002 un certain nombre d’études orientées vers des fonctions et des combinaisons de
fonctions de plus en plus complexes. Ceci est fait en cohérence avec les deux laboratoires dont
dépend le CCLO à savoir le laboratoire d’Optronique de l’ENSSAT et le département d’optique de
l’ENST-Bretagne. Depuis sa création, ces études l’ont amené à développer des compétences en
modélisation de circuits optiques, en caractérisations des guides et de micro-lentilles, en conception
de fonctions passives et actives, en technologies de dépôt et de gravure, comme en mise au point de
réalisation de guides optiques, conception et réalisation de micro-lentilles fibrées et assemblage
optique.
Le CCLO est composé de onze permanents et collabore avec toutes les équipes du laboratoire
d’Optronique et du département d’Optique. Il assure une bonne partie de son service technique qui
est relativement lourd du fait de ses activités technologiques.
2
Introduction
Les dispositifs d'optique intégrée passive permettent de réaliser l'interconnexion de fonctions
optiques : couplage, aiguillage, commutation, multiplexage… Au niveau des télécommunications, ils
trouvent pleinement leur utilité dans la réalisation de réseaux d'accès tout optique. Les composants en
ligne doivent cependant répondre à certaines exigences : passifs, faibles pertes, taille réduite, destinés
à la production de masse pour en abaisser les coûts. Des structures intégrées à base de matériaux
polymères sont actuellement à l'étude dans plusieurs laboratoires et notamment au CCLO. Ces
matériaux présentent des propriétés intéressantes comme la photosensibilité, un faible coût et
permettent la réalisation de guide simplement (photoinscription ou photolithographie). Dans le cadre
des études du CCLO, l’adaptation des technologies de réalisation des guides monomodes intégrés au
traitement de modes étroits, typiquement de l’ordre de 2 à 3 µm de diamètre, nécessite la conception
de transitions adiabatiques entre ces circuits optiques et des fibres monomodes standard à modes plus
large (environ 10 µm). L'objectif de cette étude est de faire un inventaire des différents adaptateurs de
mode intégrés existants, également appelés « taper » en anglais, et de rechercher des solutions
intégrant les technologies du laboratoire pour limiter les pertes de couplage entre un guide optique en
polymère de petite section carrée (de l'ordre de 3 à 5 µm d'arête) et une fibre monomode standard (de
diamètre 10 µm).
Le travail présenté ici synthétise une large étude bibliographique sur les adaptateurs de mode
avant d’introduire une solution adaptée aux technologies du laboratoire : la variation d’indice de
cœur du guide suivant l’axe de propagation.
Un premier paragraphe rappelle ce qu’est l’adaptation de mode, introduit les guides optiques et
les technologies de réalisation du CCLO. La deuxième partie de ce document est consacrée à la
synthèse bibliographique des différents adaptateurs de mode existants. Enfin, le dernier chapitre
présente une solution réalisable au CCLO : le taper à indice de cœur variable.
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Les guides en optique intégrée et l’adaptation de mode
3
Après la présentation d’une technologie de réalisation de guide au CCLO, ce chapitre introduit
les notions fondamentales qui régissent les pertes de couplage et de désalignements (latéral, vertical,
angulaire et de focalisation) entre un guide d’onde rectangulaire et une fibre monomode. Enfin une
introduction au calcul des modes dans les guides rectangulaires sera réalisée.
3.1
Réalisation de guides polymères par photo-inscription
Depuis plusieurs années, diverses techniques de réalisation de guides optiques polymères ont
été développées afin d’améliorer leurs propriétés de guidage. Parmi celles-ci, se trouvent :
la formation d’un film par évaporation d’un solvant d’une solution de polymère
le dépôt d’un film de polymère par décharge électrique
la formation d’un guide à partir d’une gravure mécanique du substrat
la polymérisation sélective d’un mélange de monomère et de polymère
La Figure 1 illustre la photolithographie classique ainsi que deux autres techniques qui dans le
futur devraient prendre de plus en plus d’importance dans la réalisation des guides optiques.
Photolithographie
classique
Photolithographie
directe
Dépot de
polymère
Si3N4
Cœur en
polymère
Substrat
UV
Buffer
Substrat
UV
Masque
Développement
résine
Photoinscription
Etuvage
UV
Masque
Gravure humide
Etuvage
Dépôt du superstrat
Etuvage
Gravure
Figure 1 - Schéma de principe de trois techniques de réalisation de guides optiques en polymères
Le CCLO utilise la méthode de photo-inscription qui permet la création des guides optiques en
limitant le nombre d’étapes, par rapport à la photolithographie directe, comme le montre la Figure 1.
Ce procédé utilise la variation photo induite de l’indice de réfraction de certains films polymères sous
irradiation UV. Pour la réalisation de la couche de guidage, le choix du CCLO s’est porté sur un tel
polymère photosensible : le PolyVinylCinnamate (PVCi), qui a la propriété de baisser son indice de
réfraction sous irradiation UV, notamment aux longueurs d’onde d’utilisation des
télécommunications optiques à 1.3 et 1.55 µm.
Les différentes étapes de la fabrication des guides sont les suivantes :
Purification et mise en solution du PVCi, livré sous forme de poudre.
Passage dans des filtres de quelques microns pour retirer les impuretés.
Dépôt du film polymère sur substrat de verre ou de silice (Wafer) à l’aide de la tournette1.
Élimination du solvant par évaporation thermique en étuve.
Alignement du masque (plaque en quartz ou verre sur laquelle est dessiné un motif maître).
1
Machine permettant le dépôt de film par la méthode connue sous le nom anglophone de « Spin coating »
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Insolation au UV reproduisant le motif du masque sur le film polymère. Les guides ainsi
obtenus par différence d’indice entre les zones insolées et non insolées ne sont pas en relief
comme en photolithographie (cf. Figure 1).
Dépôt d’une couche de gaine (superstrat) en polymère, ou autre matériau, pour adapter la
variation d’indice transversale du guide.
Découpe du Wafer, par sciage ou clivage, pour créer des interfaces d’entrée et de sortie
perpendiculaires à l’axe de propagation des guides.
Les substrats sont préalablement nettoyés, mis en étuve pour déshydratation, puis refroidis à
température ambiante. L’épaisseur des films est contrôlée par la concentration de la solution et la
vitesse de rotation de la tournette. Cette étude, réalisée au CCLO par Imane Assaïd dans le cadre
d’une thèse, a fait l’objet d’une publication [1] à laquelle se reportera le lecteur pour de plus amples
détails sur la réalisation de guide en PVCi par photo-inscription.
Le contraste d’indice peut atteindre 0.025 entre les zones irradiées aux UV et les zones non
irradiées du PVCi. Ceci pour des épaisseurs compatibles avec le guidage monomode aux longueurs
d’onde des télécommunications optiques comme détaillé dans le paragraphe 3.2.3 (typiquement de 3
à 5 µm).
L’indice optique du PVCi non insolé pour une longueur d’onde de 1.55 µm est de 1.5828,
cette valeur a été mesurée dans le cadre des travaux d’Imane Assaïd et de Thomas Batté sur la
fabrication de guides polymère [1].
3.2
Couplage fibre guide
Le problème de base à résoudre est le couplage d’une fibre monomode standard avec un guide
polymère « fortement » confiné (∆n = 25x10-3) et de faible dimension (section carrée de
3 µm x 3 µm). Après avoir explicité la théorie de couplage de faisceaux de type gaussien, une brève
présentation des méthodes de calculs utilisées pour déterminer le mode d’un guide rectangulaire est
effectuée.
3.2.1
Définition du faisceau gaussien
La propagation de la lumière peut se schématiser par des rayons, mais, dans certains cas, il est
nécessaire de s’intéresser plutôt à la distribution de l’intensité de l’onde électromagnétique dans
l’espace. En particulier dans le cas du couplage faisant intervenir des guides rectangulaires, des fibres
monomodes ou des lasers à semi-conducteurs, où le phénomène de diffraction est dû aux dimensions
des structures guidantes proches de la longueur d’onde utilisée dans les télécommunications optiques,
1.3 ou 1.55 µm.
x
Rgx(z)
wgx
θwgx
Ig/Igmax
2
1/e
y
z
Figure 2 – paramètres du faisceau gaussien, projection dans le plan (x, z)
Le profil du champ du mode fondamental d’un guide d’onde peut être approché par une
gaussienne caractérisée par sa demi-largeur à 1/e, aussi appelée rayon de mode [2], paramètre
fondamental dans les calculs de couplage de l’énergie entre deux guides. Ainsi, dans ce qui suit, les
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distributions spatiales et d’intensité peuvent être approchées par des gaussiennes dans les deux
directions perpendiculaires à l’axe de propagation.
L’amplitude normalisée [3] d’un faisceau gaussien, issu d’un guide rectangulaire, peut alors
s’écrire de la manière suivante :
æ x2
2
1
y2 ö
ψ g ( x, y ) =
exp− çç
+
2
π wgx.wgy
wgy 2
è wgx
L’intensité découle du carré de l’amplitude:
æ x2
2
1
y2 ö
ç
I g ( x, y ) =
exp− 2ç
+
2
π wgx.wgy
wgy 2
è wgx
où wgx et wgy représentent respectivement les rayons de mode du faisceau gaussien
asymétrique à 1/e2 de l’intensité transverse dans le plan horizontal et le plan vertical du guide (cf.
Figure 2).
3.2.2 Couplage fibre-guide
3.2.2.1 Taux de couplage entre deux faisceaux gaussiens
Dans le cas général, le coefficient de couplage entre les modes propres de deux structures
monomodes est le rapport entre la puissance transférée dans la structure réceptrice et la puissance
totale issue de la structure émettrice. Dans l’approche gaussienne, ce coefficient est déterminé
facilement par l’intégrale de recouvrement [4], [5] des deux champs, calculée dans un plan normal à
la direction de propagation et située de façon quelconque entre les deux structures :
η
=
η opt
ψ gψ *f dxdy
2
2
2
ψ g dxdy. ψ f dxdy
où dans le cas d’un couplage fibre-guide, ψ g est le faisceau issu du guide et ψ f le faisceau issu de
la fibre. Le rendement η opt dépend du milieu séparant les deux éléments. C’est le coefficient de
transmission d’une onde plane en incidence normale entre le milieu extérieur, d’indice n, et le cœur
de la fibre ou du guide, d’indice nf ou ng :
4n.n f
η opt =
où n est remplacé par ng pour le guide
(n + n f )2 f
Pour les fibres ou les guides utilisés, nf et ng sont de l’ordre de 1.5. Si la fibre est plongée dans
l’air (n=1), le calcul donne η opt = 0.96 (-0.18dB). Ainsi le taux de couplage maximum atteignable
pour une interface fibre-guide sera de –0.36 dB dans un gap composé d’air et insignifiant avec
l’emploi d’un liquide adaptateur d’indice.
Remarque : Dans toutes les expressions précédentes, le taux de couplage est normalisé à 1. En
règle générale, il s’exprime en dB, il suffit dans ce cas de procéder à la conversion :
η dB = 10. log(η )
3.2.2.2 Pertes de couplage intrinsèques
Le coefficient de couplage maximal est limité par la désadaptation des modes de la fibre et du
guide et se déduit du calcul de l’intégrale de recouvrement [6] dans l’approximation gaussienne :
4.wgx.wgy.wf 2
κ0 =
(wgx 2 + wf 2 )(wgy 2 + wf 2 )
où wgx et wgy sont les rayons de mode du guide dans les plans horizontal et vertical et wf le
rayon de mode de la fibre (Figure 3).
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wgy
wgx
Guide rectangulaire
wf
Fibre monomode
Figure 3 - Couplage intrinsèque entre une fibre monomode et un guide rectangulaire
A titre d’exemple, les pertes intrinsèques ont été calculées (Figure 4) en fonction du rayon de
mode d’un guide carré. Les tailles de mode de la fibre monomode ont les valeurs communément
admises (norme G652) : wf=4.6 µm à 1310 nm et wf=5 µm à 1550 nm.
Figure 4 - Pertes de couplage intrinsèques entre une fibre monomode et un guide carré à 1310 et 1550nm
Les pertes s’annulent lorsque les rayons des modes sont accordés. Il est intéressant de noter
qu’elles diminuent moins rapidement avec l’augmentation du rayon de mode du guide.
3.2.3 Calcul des modes guidés d’une structure rectangulaire
Le paragraphe précédent montre l’importance de connaître le plus précisément possible les
champs guidés d’une structure rectangulaire, ainsi que leurs propagations, pour étudier les
adaptateurs de modes. C’est pourquoi, dans cette étude, le champ du guide rectangulaire n’est pas
réduit à son approximation gaussienne, mais à d’autres approximations plus proches de la réalité.
Pour obtenir la distribution du champ, modale ou non-modale, dans un guide optique, il faut
chercher une solution des équations de Maxwell qui satisfasse les conditions aux limites imposées
physiquement par la forme du guide. En pratique, cette solution est d’autant plus difficile à obtenir
que la structure guidante est complexe. Une solution analytique n’est obtenue que pour des cas
particulièrement simples comme le cas d’un guide planaire (ou une fibre circulaire) à saut d’indice.
En ajoutant une autre dimension, guide confiné en deux dimensions (2D) comme par exemple le
guide rectangulaire ou carré, le problème devient plus difficile et il n’a pas, à l’heure actuelle, de
solution analytique. Habituellement, pour le guide à deux dimensions sont utilisées, soit des
techniques approchées basées sur des approximations physiques, soit des techniques numériques
basées sur la discrétisation spatiale du guide et donc la résolution “ponctuelle” des équations de
Maxwell.
Afin de modéliser les guides, et pour optimiser les paramètres des adaptateurs de modes,
l’utilisation d’un logiciel de propagation de faisceau est alors indispensable. Les travaux qui suivent
sont réalisés avec le logiciel commercial de BPM (Beam Propagating Method) OlympIOs® édité par
C2V2. Ce logiciel de calcul permet, non seulement de modéliser les modes d’un guide optique avec
2
C2V : Concept to Volume est une filiale d’Alcatel Optronics au Pays-Bas
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les différentes méthodes d’approximations répertoriées dans le Tableau 1, mais aussi de les propager
dans des structures définies en trois dimensions.
Méthode de calcul sur les deux
dimensions
Méthode de l’Indice Effectif (EIM)
Marcatili
Différence Finie (FD)
Différence Finie Multi-Grille Réelle (MGFDR)
Différence Finie Multi-Grille Complexe (MGFDC)
Fim Mode Matching (FMM)
Différence Finie Générique (FDG)
Type de
calculs
Indice
complexe
Semi-vectoriel
Semi-vectoriel
Semi-vectoriel
vectoriel
vectoriel
vectoriel
vectoriel
limité
non
non
non
limité
non
oui
Gradient
Faible
sur
épaisseur
l’indice
couche
oui
oui
non
non
oui
non
oui
oui
oui
oui
oui/non
oui
oui
oui
Tableau 1 - méthodes de calcul des modes implémentées dans OlympIOs
Les trois premières méthodes sont des calculs ramenés sur une dimension :
La méthode de l’indice effectif (EIM) est fondée sur la séparation du problème, à deux
dimensions, en deux problèmes à une dimension. La structure est donc réduite à une seule variable x.
La dimension y est prise en compte par le calcul de l’indice effectif transversal.
La méthode de calcul Marcatili, présentée pour la première fois par Marcatili, a été
développée pour modéliser des guides enterrés. Le calcul est rapide mais limité par les
approximations faites : la structure est découpée en cinq zones dont la partie centrale, le cœur du
guide, doit avoir un indice beaucoup plus grand que les autres zones l’entourant.
La méthode des différences finies (FD) est basée sur une discrétisation des équations à deux
dimensions du champ se trouvant dans le plan de section. Elle utilise trois niveaux de calcul
possibles.
Les méthodes suivantes sont plus avancées et tiennent comptent des deux dimensions (x et y)
dans la modélisation de la structure :
La méthode des différences finies multi-grille Réelle ou Complexe (MGFD) est basée sur la
méthode des différences finies (FD), mais utilise une grille à pas non équidistant pour discrétiser les
équations à deux dimensions du champ déterminé dans la section de la structure. De plus, cette
méthode autorise les calculs vectoriels et les indices imaginaires pour les guides.
La méthode des différences finies générique permet la modélisation des guides très étroits et
les modes à fuites. Une extension de cette méthode permet en outre de calculer des structures
présentant des courbures.
La méthode Film Mode Matching (FMM), aussi connue sous le nom anglais de « transverse
résonance method », est une méthode numérique capable de calculer les modes pour des structures en
matériaux isotropes, non-magnétiques, non absorbants. Elle est performante pour des structures
contenant un nombre restreint de rectangles, ce qui est le cas des guides enterrés réalisés au CCLO
par photo-inscription. Cette méthode découpe le guide en N tranches. Les modes TE et TM3 sont
calculés pour chaque tranche, puis ceux qui ont la même composante z du vecteur d’onde modal sont
collectés. La distribution du champ est déterminée à l’interface des tranches en ajustant les
amplitudes des modes. Pour certaines constantes de propagation seulement, une amplitude non nulle
pour le mode déterminé est possible. Chaque possibilité constitue alors un mode guidé par la
structure.
Pour plus d’informations sur ces différentes méthodes de calcul, le lecteur se reportera au
manuel du logiciel [7].
Le calcul du mode fondamental d’une structure carrée de 3 µm par 3 µm, avec ces différentes
méthodes, montre que la FMM donne rapidement les différents modes guidés avec une précision
suffisante. D’une façon générale, pour déterminer les N modes d’un guide la méthode FMM sera
3
TE : transverse électrique TM : transverse magnétique
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employée. Lorsqu’il s’agira de regarder la propagation d’un mode particulier dans la structure, le
mode fondamental du guide par exemple, le calcul sera effectué avec la méthode FD-Générique
recommandée pour les guides droits à deux dimensions. Calcul vectoriel, plus ou moins dépendant
des aspects numériques de l’outil de calcul, la méthode FMM est moins appropriée dans le cas d’une
propagation où l’on étudie seulement un mode.
Pour terminer sur les méthodes de calcul, il convient de préciser que les pertes de couplage, en
un point donné, seront calculées directement à l’aide de l’intégrale de recouvrement suivante [8] :
η=
ψ gψ f *dxdy
ψ gψ g*dxdy ⋅
2
ψ fψ f *dxdy
où ψg représente l’amplitude complexe du champ propagé au point de calcul, ψf représente
l’amplitude complexe du mode fondamental de la fibre dans son approximation gaussienne et
l’astérisque (*) désigne leurs complexes conjugués. En fait, il s’agit ici d’une forme plus générale de
l’intégrale de recouvrement donnée précédemment dans l’approximation gaussienne au paragraphe
3.2.2.1.
3.2.4 Conditions de propagation monomode dans un guide optique
Les applications télécoms visées par le CCLO nécessitent d’avoir des guides monomodes. La
présentation des méthodes de calculs des modes d’un guide étant faite, il est intéressant de définir les
critères pour lesquels le guide restera monomode. La taille d’un mode d’un guide, à une longueur
d’onde donnée, dépend essentiellement de deux paramètres : la taille du cœur du guide et le contraste
d’indice cœur gaine. C’est sur ces paramètres qu’il est possible d’agir pour modifier la taille d’un
mode et ainsi de réaliser un adaptateur de modes.
zone monomode
mode inexistant
Epaisseur 5 µm
15
15
13
13
11
11
Largeur du guide en µm
Largeur du guide en µm
Epaisseur 3 µm
9
7
5
7
5
3
3
1
0,005
9
0,01
0,015
0,02
contraste d'indice coeur-gaine
0,025
1
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
contraste d'indice coeur-gaine
Figure 5 - zone monomode d'un guide enterré d'épaisseur 3 et 5 µm en fonction de sa largeur et du
contraste d'indice cœur-gaine à la longueur d’onde 1.55 µm.
La Figure 5, représente les conditions de guidage pour un guide enterré de 3 et 5 µm
d’épaisseur de cœur en PVCi. Elle permet de déterminer si un guide est monomode, ou multimode,
en fonction de sa largeur et du contraste d’indice, à la longueur d’ondes de 1.55µm. Sur cette figure
apparaît de plus les critères d’existence du mode guidé car, contrairement à la structure circulaire de
type fibre optique, un guide rectangulaire possède une fréquence de coupure basse [9].
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3.3
Conclusion
Lors du couplage fibre guide, l’adaptation est dite optimale si la taille et la forme des modes
sont identiques et que les fronts d’onde sont plans. Dans ce cas, seules subsistent les pertes dues au
changement de milieu. Les pertes de Fresnel sont de l’ordre de 0.18 dB pour une interface air-fibre et
air-guide. Elles sont négligeables dans le cas d’une interface guide-fibre car la silice et le polymère
utilisés ont des indices voisins, respectivement 1.447 et 1.5828. Pour adapter le mode d’un guide à
celui d’une fibre (ou inversement), deux paramètres sont modifiables : les dimensions physiques du
guide et le contraste d’indice cœur-gaine. Dans la littérature, ces deux paramètres sont utilisés
comme décrit dans le paragraphe suivant.
4
État de l’art sur les adaptateurs de modes
Les premiers adaptateurs de modes sont apparus avec les composants actifs de type laser à
semi-conducteur pour optimiser leur rendement de couplage avec les fibres optique. Plusieurs
technologies d’adaptateur existent aujourd’hui, soit sur la fibre, soit sur le guide, pour réaliser les
jonctions fibre-composant actif, fibre-diode laser, diode laser-guide optique… Les matériaux utilisés
sont tout aussi divers que les applications : silice, composée III-V, polymères…
Avant d’aller plus loin dans l’analyse des « tapers » en optique intégrée, il convient de rappeler
les taux de couplages qui peuvent être atteint avec des micro-optiques4 en extrémité de fibre. Il est en
effet possible de réduire la taille du mode en sortie de fibre grâce à l’insertion d’une micro-optique de
type gradissimo® et d’obtenir des pertes de couplage de l’ordre de 1 dB avec une diode laser de rayon
de mode 2.3 µm. Ces pertes prennent en compte les 0.4 dB de pertes de Fresnel. Avec cette
technologie, les tolérances de positionnement sont très petites, de l’ordre de +/-1.5 µm. Cette étude
permet de comparer la solution micro-optique en sortie de fibre avec la solution alternative de réaliser
un adaptateur intégré au guide afin de réduire les pertes de couplage et augmenter les tolérances de
positionnement. Le CCLO maîtrisant la première technique, la deuxième présentera un intérêt si le
couplage et les tolérances de positionnement sont améliorés par rapport à la gradissimo®.
Pour résumer les différents adaptateurs développés dans les dix dernières années, il est possible
de les classer en neuf catégories selon les travaux de l’équipe de Kurt De Mesel [10]. Les tapers sont
répartis selon deux critères distincts : opto-géométrique pour la réalisation et optique pour la
propagation. Pour chaque critère, un cas intermédiaire ou hybride existe également. Les neuf types
d’adaptateurs sont présentés dans le Tableau 2.
L a té r a le
(L )
H y b rid e
(L + T )
T ran sv ersa l
(T )
M ono m ode
« a d ia b a tiq u e »
(A )
A /L
H y b rid e
(A + I)
A + I/L
M u lti m o d e
in te r f é r e n tie l
(I)
I/L
A /L + T
A + I /L + T
I /L + T
A /T
A + I/T
I/T
Tableau 2 – classification des adaptateurs
Le premier critère, utilisé pour départager les différents adaptateurs, est un critère optique
distinguant deux classes :
Monomode « adiabatique » (A) qui regroupe la plus grande majorité des tapers. Le terme
adiabatique indique ici que toute l’énergie guidée est conservée sur le mode fondamental au cours de
transformation du mode. La modification peut engendrer des pertes même si le guidage reste
4
Optique de couplage en bout de fibre, technologie largement maîtrisée par une équipe du CCLO dont le produit
phare est la gradissimo®.
Gaëtan ROTTIER
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Page 12 sur 30
monomode. Ceci diffère légèrement de la définition du terme adiabatique habituellement employé
pour indiquer une conservation de l’énergie totale entre l’entrée et la sortie d’un guide.
Multimode interférentiel (I): ici sont classés les tapers utilisant une transformation multimode
ou interférentielle du mode. Ces adaptateurs ne sont pas fait pour conserver toute l’énergie guidée
dans le mode fondamental. Ils ont l’avantage d’être en général plus court que les autres mais
présentent plus de pertes. Les tapers segmentés font partis de cette classe.
Enfin, il existe des adaptateurs pouvant présenter ces deux caractéristiques. Ils sont alors dits de
classe Hybride (A+I).
Le second critère est uniquement technologique. Deux types sont distingués, les tapers à
structure latérale (L) et à structure transversale (T). Les adaptateurs présentant des variations optogéométriques dans les deux sens seront classés dans le type hybride (L+T). Les composants à
structure latérale comprennent aussi les tapers indiciels si ceux-ci sont réalisés sur une seule couche.
Notons que le terme latéral et transversal se reporte uniquement à la géométrie du taper et non
au changement de dimension du champ optique. Ainsi, un mode peut-être élargi transversalement et
latéralement avec un adaptateur latéral uniquement.
Les figures, Figure 6 à Figure 8, montrent les différents types d’adaptateurs les plus trouvés
dans les publications. Les composants sont tous représentés avec le mode large sur la face avant et le
mode étroit sur la face arrière. Les échelles entre chaque composants d’une même figure ne sont pas
obligatoirement les mêmes.
a
e
b
f
c
g
d
h
Figure 6 – taper latéral
Il existe 8 façons de réaliser un adaptateur de mode en jouant sur les dimensions latérales d’un
guide (Figure 6) :
a. L’agrandissement du mode est réalisé par déconfinement de la lumière dû au rétrécissement de la
largeur du guide [11]. Ce type de taper permet un élargissement dans les deux dimensions. Une
limitation sur ce type de taper est la taille du guide final qui doit toujours correctement guider le
mode.
b. Inverse du cas précédent : élargissement latéral du guide pour agrandir le mode [12]. Celui-ci
devient un peu elliptique si le contraste d’indice est important. Il faut faire attention à la largeur
finale du guide qui doit maintenir un guidage monomode.
c. Le grossissement du mode se fait par transfert de couche [13]. Le guide d’entrée est rétréci de
telle sorte que le mode ne soit plus guidé dans le cœur mais dans le substrat. Cette structure a
l’avantage de pouvoir élargir le mode dans les deux dimensions. C’est le taper le plus utilisé pour
la réalisation d’adaptateur avec les composants III-V.
d. L’adaptation est dite « multi section » c’est un adaptateur latéral, mais sur plusieurs couches [14].
e. La transformation est effectuée grâce à deux couches : une déconfine et une élargit le mode [15].
La structure est difficile à réaliser à cause de la terminaison du guide étroit.
f. Le mode s’élargit par déconfinement avec récupération dans le cœur d’un deuxième guide plus
large [16]
g. Ce composant représente un taper indiciel sur le cœur du guide [17]. Dans ce type de taper le
contraste d’indice cœur-gaine change le long de l’axe de propagation.
h. Taper segmenté : l’élargissement du mode est réalisé avec le changement de rapport cyclique [18]
qui conduit à une variation effective de l’indice de cœur du guide.
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a
b
c
d
Figure 7 – structure transversale
En modifiant transversalement les dimensions du guide, quatre structures sont imaginables
(Figure 7) :
a. Le rétrécissement vertical déconfine le mode qui s’élargit alors progressivement [19].
b. Accroissement vertical de l’épaisseur du guide entraînant un élargissement vertical du mode [20].
c. Idem que b mais l’agrandissement de la hauteur du ridge se fait par décroissance du substrat [21].
d. Le taper est réalisé par un transfert progressif dans un guide plus large grâce à un rétrécissement
vertical du cœur du guide fortement confiné.
Figure 8 – taper L+T
Enfin des structures hybrides (L+T) ont aussi été réalisées (Figure 8) :
a. Élargissement latéral et transversal du guide [22].
b. Déconfinement latéral et transversal du guide dans guide plus large [23].
L’avantage des adaptateurs latéraux est d’être simple de réalisation, avec la variation de la
largeur du guide, mais ceux-ci présentent l’inconvénient d’ovaliser le mode en l’élargissant surtout
latéralement, sauf pour le cas de l’adaptateur séquentiel ou indiciel. Les adaptateurs transversaux eux
sont très difficiles à réaliser en particulier en technologies polymères. Ils agrandissent, eux aussi,
uniquement sur une dimension rendant elliptique le mode large. Les structures hybrides (L+T) sont
difficilement réalisables actuellement en particulier avec des matériaux polymères.
La structure la plus intéressante pour les applications de guide en polymère est l’adaptateur
séquentiel, qui par la variation de son rapport cyclique fait varier l’indice effectif moyen vu par le
mode se propageant et donc modifie sa taille. L’élargissement sur ce type de guide est effectué dans
les directions x et y. L’inconvénient des tapers segmentés, en plus de leurs pertes intrinsèques
importantes, est la taille des segments étroits qui est inférieure à la résolution des procédés de
fabrication actuelle (inférieur au micron) [24]. L’idée développée au CCLO est d’utiliser la propriété
du polymère photosensible (décroissance de l’indice du PVCi sous insolation UV) pour créer une
variation de contraste d’indice cœur-gaine selon l’axe de propagation z. Ce principe permet de
conserver l’avantage du taper segmenté, à savoir élargissement dans les deux directions, sans avoir
les contraintes de réalisations de ce type de taper. L’article [17] a présenté cette idée mais avec un
polymère dont l’indice augmentait sous bombardement électronique. L’inconvénient de leur
technique était l’augmentation très importante des pertes d’absorption du matériau due au faisceau
d’électron. Le gain sur le recouvrement de mode dans leur cas était annulé par l’augmentation de
l’absorption. Au CCLO, le polymère employé a un indice qui décroît en fonction de l’irradiation UV.
Cette propriété va permettre de minimiser les pertes du taper, en effet les pertes linéiques du PVCi
insolé ont été mesurées à 0.34 dB.cm-1 à λ = 1.55 µm [25]. Le principe et les premiers résultats de ce
type de taper sont présentés dans le paragraphe suivant.
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L’adaptateur de mode à indice de cœur variable
5
Ce paragraphe a pour but de montrer la faisabilité d’un adaptateur de mode en variant l’indice du
coeur à l’extrémité du guide en polymère. Dans un premier temps, les résultats de modélisation d’un
guide carré en PVCi de 3 µm x 3 µm enterré sont présentés pour valider le principe. Dans un second
temps, une étude sur les guides actuellement réalisés, avec un substrat de silice et un superstrat d’air,
montre la possibilité d’élargir le mode sans élargir les dimensions physiques du guide par ce procédé.
Enfin une amélioration du couplage par rapport au cas précédent est proposée avec l’ajout d’un
substrat de PVCi insolé à saturation qui agrandira verticalement le mode.
Remarque : cette étude s’appuie sur des simulations numériques des guides avec le logiciel de
BPM OlympIOs®, ainsi que sur des résultats de mesures de champ proche de guide PVCi réalisées
par Philippe Grosso. La simulation est effectuée en mode FD-TE à la longueur d’onde de 1.55 µm
après le calcul du mode fondamental du guide de départ avec la méthode FD-Générique. Les résultats
en mode FD-TM sont identiques et ne sont pas présentés ici.
5.1
Guide enterré de 3 µm x 3 µm en PVCi
3 µm
Cœur : n=1.5828 (PVCi )
3 µm
Gaine : n=1.5578 (indice PVCi
insolé)
Substrat : n=3.5 (Silicium )
Figure 9 - coupe du guide
Dans ce paragraphe, le guide modélisé est en PVCi enterré dans un matériau dont l’indice est
identique au PVCi insolé à saturation, avec une section constante de 3 µm x 3 µm (Figure 9). Le
guide est séparé en trois guides droits :
A – guide 3 µm x 3 µm de fort ∆n
B – guide 3 µm x 3 µm avec un ∆n décroissant suivant l’axe de propagation : section de guide
adaptateur de mode
C – guide 3 µm x 3 µm de faible ∆n dont le mode se rapproche de celui de la fibre pour avoir le
meilleur recouvrement de mode possible. Ce guide permet en outre de vérifier le guidage après
la transformation du mode.
L’indice de cœur décroît linéairement sur une zone de longueur fixée à 1 mm (cf. Figure 10).
En pratique, la décroissance de l’indice du cœur pourra être réalisée par une insolation graduelle du
cœur du guide avant le dépôt de superstrat.
A
A
B
B
C
C
Figure 10- profil d'indice du guide. Guide A : indice de cœur constant, Guide B : indice de cœur variable
(taper), Guide C : indice de cœur constant
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5.1.1 Modélisation
Figure 11 - Variation de la taille du mode fondamental sur un guide enterré de 3 µm x 3 µm dont le contraste
d'indice entre le cœur et la gaine décroît linéairement sur 1mm de 0.025, c’est-à-dire que l’indice de cœur varie de
1.5828 à 1.5578.
La Figure 11 montre qu’il est possible d’élargir la taille du mode fondamental, quand il existe
réellement (cf. Figure 5), en diminuant l’indice du cœur linéairement selon l’axe de propagation. Sur
cette figure, seul le rayon de mode selon x est représenté mais le comportement du champ selon y est
identique. Le rayon de mode change peu au départ puis progresse ensuite de façon rapide.
Les figures, Figure 12 et Figure 13, représentent les coupes latérales des champs propagés par
le logiciel OlympIOs® pour deux contrastes d’indice différents du guide C : 0.015 pour la Figure 12,
0.010 pour la Figure 13. Les lignes de niveaux des champs ont également été représentées afin de
mieux visualiser l’accroissement de la taille du mode se propageant. Comme attendu, plus le
contraste d’indice final est faible, plus le champ s’étale. Pour un contraste d’indice faible (0.010) le
champ a tendance à se rétrécir légèrement au début de la propagation dans le guide C (celui-ci est
entre z = 4 mm et z = 5 mm). De plus, les fuites dans la gaine semblent plus importantes. Il convient
donc de considérer le phénomène plus précisément en calculant, pour différents contrastes d’indice
du guide C, l’évolution de la taille à 1/e du champ se propageant. Une série de calculs est donc
réalisée en ce sens pour des conditions où la propagation guidée existe et reste monomode. En effet,
lorsque le contraste d’indice cœur-gaine devient très faible, le mode fondamental disparaît à cause de
la fréquence de coupure basse des guides rectangulaires (cf. paragraphe 3.2.4 et Figure 5) dans ces
conditions il n’y a plus guidage.
Figure 12 - coupe latérale du champ pour un
contraste d'indice cœur/gaine du guide C de 0.015
Gaëtan ROTTIER
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Figure 13 - coupe latérale du champ pour un
contraste d'indice cœur/gaine du guide C de 0.010
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Dans l’hypothèse d’une propagation monomodale, la Figure 14 montre l’évolution de la demilargeur du champ, donc du mode, selon x d’un guide en PVCi de 3 µm x 3 µm entouré d’une gaine
d’indice identique au PVCi insolé (le contraste d’indice maximum est de 25x10-3 dans le guide A).
Les courbes présentent les résultats pour des diminutions différentes d’indice de cœur entre le guide
d’entrée A et le guide de sortie C.
6,00
demi-largeur du champ en µm
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
2500
Guide A : indice de
cœur constant
∆n=0,025
Guide B (Taper) : décroissance linéaire
de indice de cœur
3000
fibre monomode standard
0,0075
0,01
0,015
3500
z en µm
0,007
0,008
0,0125
0,025
Guide C : indice de cœur constant
4000
4500
5000
Simulation 21
OlympIOs®
l'erreur est de l'ordre du pas de la grille de
calcul xy à savoir 0,1µm
Figure 14 - Évolution de la demi-largeur du champ, donc du mode fondamental du guide monomode en
PVCI 3 µm x 3 µm enterré, en fonction de z pour différents contrastes cœur/gaine du guide C. L'indice de cœur
décroît linéairement sur 1mm dans le guide B.
Sur la Figure 11, le trait pointillé gras représente le rayon de mode d’une fibre monomode
standard à λ = 1.55 µm. Le croisement entre les deux courbes indique le point où l’adaptation entre la
fibre et le guide sera la meilleure. Afin de contrôler cette hypothèse, ainsi que la stabilité du mode
élargi, un calcul de propagation est réalisé sur un guide de sortie de section 3 µm x 3 µm ayant un
contraste d’indice cœur gaine de l’ordre de 0.0075. Cette valeur est déterminée à partir de la Figure
11, en restant relativement éloigné de la disparition du guidage due à la fréquence de coupure basse
(Figure 5). Pour un guide enterré de 3 µm x 3 µm le contraste d’indice minimum doit-être de 0.006.
5.1.2 Détermination du couplage intrinsèque avec une fibre monomode standard
L’objectif de l’élargissement de mode, créé par la diminution de l’indice du cœur, est la
réalisation d’un adaptateur de mode afin de réduire les pertes de couplage entre une fibre monomode
standard et le guide A. Pour estimer les pertes de couplage, le logiciel fait un calcul de recouvrement
de champ entre celui du guide droit et une gaussienne de 10 µm de large (approximation classique
du mode fondamental d’une fibre monomode standard). Un autre paramètre important dans le
couplage avec une fibre est la tolérance de positionnement. Les tolérances de positionnement sont
données ici pour une perte maximale de 1 dB par rapport à la position optimale de la fibre. Ces
pertes seront donc également estimées en faisant varier le centre de la gaussienne selon x et selon y.
La Figure 15 représente les pertes de couplage (recouvrement entre le mode fondamental du
guide et d’une gaussienne de largeur à 1/e de 10 µm exprimé en dB) en fonction du déplacement du
centre de la gaussienne, pour le guide A de contraste d’indice cœur/gaine de 25x10-3 et le guide C de
contraste d’indice 7.5x10-3 entre le cœur et la gaine. La position optimale (perte de couplage la plus
faible) est au centre de symétrie du guide (déplacement nul). Pour cette position, les pertes de
couplage sont de 2.75 dB pour le guide A et de 0.75 dB pour le guide C. La diminution du contraste
d’indice cœur gaine de 25x10-3 à 7.5x10-3 réduit de 2 dB les pertes dues au recouvrement de mode.
De plus, les tolérances de positionnement à 1 dB sont également relâchées. Elles sont de +/- 2 µm
pour le guide A, et de +/- 2.8 µm pour le guide C. Le mode étant symétrique, les pertes de couplage
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vertical et horizontal sont rigoureusement identiques, les tolérances sont donc relâchées dans les deux
directions de la même valeur.
12
Pertes de couplages en dB
10
8
Guide A : pertes couplage latéral
6
Guide A : pertes couplage vertical
Guide C : pertes couplage latéral
Guide C : pertes couplage vertical
Guide A -1dB
4
Guide C -1dB
2
Simulation 21 mode TE à 1,55µm
OlympIOs®
0
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Déplacement en µm
Figure 15 - Tolérances de positionnement latéral et vertical en sortie des guides A et C de section 3 µm x
3 µm de PVCi enterré dans une gaine de même indice que le PVCi insolé, le contraste d’indice cœur gaine est de
25x10-3 pour le guide A et 7.5x10-3 pour le guide C.
5.1.3 Conclusions
Il est possible d’élargir le mode du guide PVCi par simple décroissance de l’indice du cœur du
guide. Cette diminution peut-être réalisée par une insolation UV graduelle de l’extrémité du cœur du
guide. Une diminution de l’indice du cœur du guide de 17.5x10-3, soit le passage d’un contraste
d’indice cœur/gaine de 25x10-3 à 7.5x10-3 entre le guide A et le guide C, va améliorer de 2 dB le
recouvrement de mode avec une gaussienne de 10 µm. Autrement dit, le couplage avec une fibre
monomode standard sera amélioré de 2 dB. Les pertes estimées sont alors de 0.75 dB. De plus, les
tolérances à 1 dB de positionnent vertical et latéral passe de +/-2 µm à +/- 2.8 µm.
Le cas modélisé dans cette partie, à savoir un guide de PVCI « noyé » dans du PVCi insolé à
saturation, n’est pas réalisable pratiquement. En effet les techniques de réalisation ne permettent
pas de déposer du PVCi insolé à saturation sur un guide de PVCi, l’insolation du PVCi est réalisée
après dépôt de la couche, une recherche de matériau d’indice proche du PVCi insolé a saturation est
en cours. Le CCLO réalise actuellement des guides optiques sur une couche de PVCi déposée sur un
substrat de silice et sans superstrat. Le guide est donc réalisé avec une gaine latérale de PVCi insolé,
un superstrat d’air et substrat de silice. Le paragraphe suivant est consacré à la modélisation des
guides déjà réalisés afin d’évaluer la faisabilité d’un adaptateur indiciel.
5.2
Guide 5 µm x 5 µm en PVCi sur substrat de silice et superstrat d’air
Ce paragraphe est consacré à la modélisation d’un guide en PVCi entre un substrat de silice
d’épaisseur 13 µm et un superstrat d’air5. Sa section est constante de 5 µm x 5 µm (Figure 16). Le
profil d’indice du coeur du guide est donné par la Figure 10. L’indice de cœur décroît linéairement
sur une zone de longueur fixée à 1 mm appelée aussi « taper » (Guide B). Le contraste d’indice
latéral, entre le cœur en PVCi et la gaine en PVCi insolé, diminue donc le long de l’axe de
5
les premiers essais de superstrat n’ont pas été concluant à cause de l’incompatibilité des polymères utilisés. Une
recherche de superstrat d’indice adéquat est en cours.
Gaëtan ROTTIER
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Page 18 sur 30
propagation dans le guide B. Le contraste d’indice vertical, lui, est constant. En effet, les variations
d’indice possibles du cœur sont au maximum de 0.025 donc négligeable devant le contraste d’indice
entre la silice, l’air et le cœur du guide en PVCi, respectivement de l’ordre de 0.135 et 0.582.
L’indice de la silice est 1.4477.
5 µm
Cœur : PVCi (n=1.5828)
5 µm
Gaine : PVCi insolé (n=1.5578)
Couche tampon : Silice
(n=1.447)
13 µm
Substrat de Silicium (n=3.5)
5.2.1 Modélisation du guide
La Figure 17 et la Figure 18 montrent l’évolution de la taille du champ se propageant dans un
guide droit dont l’indice de cœur décroît linéairement pour le guide B, celui-ci modélise donc un
taper indiciel. Les courbes sont issues d’une modélisation réalisée avec OlympIOs®. Le champ de
départ (en z = 2500) correspond au mode fondamental calculé par le logiciel avec la méthode FD
Générique.
Confinement vertical (selon y Figure 17) :
Contrairement au paragraphe 5.1, le champ n’est plus symétrique, les contrastes d’indices avec
le cœur du guide ne sont pas les mêmes latéralement et verticalement. La variation de la taille du
champ en vertical y est négligeable car du même ordre de grandeur que la précision du calcul (0.1 µm
correspondant au pas de la grille xy utilisée). La superposition des différentes courbes pour y valide
bien l’hypothèse de départ : la quasi-invariance en vertical de la taille du champ en fonction de
l’indice de cœur. Cela vient du fait que la variation de l’indice du cœur est négligeable devant la
différence d’indice entre le cœur et le substrat et/ou le superstrat.
2,5
2,4
2,3
2,2
2,1
2
1,9
1,8
1,7
1,6
Guide A : indice de cœur
constant
1,5
2500
0,001
Guide B : décroissance linéaire de indice de cœur
3000
0,014
0,01
3500
0,005
4000
z en µm
0,004
0,003
4500
0,0025
5000
OlympIOs®
l'erreur est de l'ordre 0,1µm
Figure 17 - Évolution verticale des dimensions du champ se propageant dans un guide droit en PVCi de
section 5 µm x 5 µm pour différents contrastes d’indice cœur-gaine du guide C. L’indice du cœur du guide décroît
linéairement dans le guide B : taper indiciel
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Confinement latéral (selon x, Figure 18) :
Le champ s’élargit bien de la même façon que sur la Figure 14. Il est donc possible de réaliser
un taper latéral avec une diminution linéaire de l’indice du cœur de PVCi par insolation le long de
l’axe de propagation du guide. La taille de départ du mode est plus importante que celle du
paragraphe 5.1 pour deux raisons :
• le contraste d’indice entre le cœur et la gaine latérale du guide A n’est pas le même. L’indice
de la gaine n’est pas aussi bas que pour la première série de calculs, le contraste d’indice
maximum entre le PVCi (cœur) et le PVCi insolé (gaine latérale) est de 15x10-3au lieu de
25x10-3 dans la partie précédente6.
• la taille du guide est différente (3 µm de large dans le paragraphe 5.1, contre 5 µm ici).
7,00
z=4500
16
demi-largeur en µm
6,00
5,00
4,00
14
12
10
8
6
4
2
0
3,00
0
0,005
0,01
0,015
Contraste d'indice coeur/gaine
2,00
Guide A :
indice de cœur
constant
1,00
2500
gauss
Guide B : décroissance linéaire
de indice de cœur
3000
mesure CP
3500
z en µm
OlympIOs®
l'erreur est de l'ordre 0,1µm
4000
0,0025
4500
0,003
5000
0,004
0,005
0,01
0,014
Figure 18 - Évolution latérale des dimensions du champ se propageant dans un guide droit en PVCi de
section 5 µm x 5 µm pour différents contrastes d’indice cœur-gaine du guide C. L’indice du cœur du guide décroît
linéairement dans le guide B : taper indiciel.
Sur la Figure 18, le trait en gras (gauss) représente la taille du mode d’une fibre monomode
standard. Pour avoir le meilleur couplage, il faut que le mode du guide soit de la même dimension.
Plusieurs calculs avec différents degrés de variation de l’indice de cœur du guide sont effectués afin
de déterminer le cas le plus favorable à l’injection pour cette dimension de guide. Les différentes
courbes montrent qu’il faut un contraste d’indice final entre le coeur et la gaine du même ordre de
grandeur que celui d’une fibre soit 5x10-3. Le contraste d’indice du guide A étant de 15x10-3, il faut
donc réduire l’indice du coeur de 10x10-3 dans le taper (guide B).
La Figure 18 montre également que, lorsque le contraste d’indice devient très faible, la taille du
champ dans le guide C passe par un maximum avant de se stabiliser.
L’amplitude de l’oscillation avant stabilisation dépend de la brutalité de la variation de l’indice
de réfraction du coeur du guide. Ce temps d’établissement est dû à une dissipation d’une partie de
l’énergie, non guidée par le mode fondamental du guide. En effet, la Figure 19 montre que l’énergie
du mode fondamental du guide droit C est constante. Les oscillations du champs, représentées en
clair, sont donc bien issues de pertes par dispersion. Il n’y a pas de propagation dans un second mode
éventuel car le guide reste monomode à cette largeur là (5 µm) comme l’indique la Figure 5, le mode
6
L’indice de gaine pris ici est celui correspondant aux conditions d’insolation actuelles avec la lampe UV dite
« 365 » pour la réalisation de guide au CCLO. Le contraste 25x10-3 utilisé dans les premiers calculs correspond au
contraste maximum obtenu au laboratoire avec d’autres conditions d’insolation.
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fondamental en revanche est bien existant. L’énergie du mode fondamental représente pratiquement
96 % de l’énergie présente dans la fenêtre de calcul utilisée.
overlap en %
0,95
5,8
0,9
5,6
0,85
5,4
0,8
5,2
5
0,75
0,7
4,8
0,65
4,6
0,6
4000
4100
4200
4300
4400
4500
4600
4700
4800
4900
6
1
4,4
5000
z en µm
overlap mode fondamental - 0.003 Simulation 22 mode TE à 1,55µm - OlympIOs®
l'erreur est de l'ordre 1% de la valeur calculée
Oscillations du champ 0.003
overlap mode fondamental - 0.004
oscillations du champ - 0.004
Figure 19 – Recouvrement (overlap) entre le mode fondamental du guide C et du champ propagé pour deux
contrastes d’indice présentant des oscillations sur la taille du champ sur l’axe latéral x.
5.2.2 Allongement de la zone de décroissance de cœur
6,0
guide de sortie : superposition zones
d'oscillations (guide C)
5,6
largeur champ en µm
5,5
5,0
4,5
4,0
5,4
5,2
5
4,8
4,6
4,4
4,2
3,5
-1
3,0
2,5
1500
499
999
abscisse z du guide de sortie en µm
OlympIOs®
l'erreur est de l'ordre du pas de la grille de calcul xy
à savoir 0,1µm
2500
3500
4500
5500
z en µm
gauss
0,003 l=1mm
mesure CP
0,004 l=1mm
0,003 l=2mm
0,004 l=2mm
Figure 20 – Évolution théorique des oscillations en fonction de la longueur de la zone de décroissance
linéaire de l'indice de cœur
Pour vérifier si les oscillations, observées sur les cas où il y a une forte diminution de l’indice
du cœur mais où les modes existent (cf. Figure 5), sont dues à un changement trop brutal des
Gaëtan ROTTIER
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Page 21 sur 30
propriétés du guide, une série de calculs avec différentes longueurs du taper est effectuée. Les
résultats sont présentés sur la Figure 20.
Cette figure montre que les oscillations ont une amplitude légèrement plus faible lorsque la
longueur de la zone de décroissance linaire de l’indice du cœur du guide est doublée (passe de 1 mm
à 2 mm). Une diminution des oscillations peu donc être obtenue en recherchant une fonction
optimale, pas forcément linéaire, pour la décroissance de l’indice. Plusieurs publications [12][26] sur
ce sujet montrent que la variation peut-être rapide au départ mais doit devenir très lente vers la fin du
taper. De plus, une longueur de taper comprise entre 0.5 et 1 mm est considérée nécessaire à la
transition adiabatique. Bien évidemment, le choix de cette fonction devra tenir compte des
contraintes technologiques de mise en œuvre au laboratoire. Cette étude sera menée plus tard,
l’objectif de ce stage étant de donner le principe de faisabilité. En effet, les oscillations correspondent
à de la lumière perdue pour le guide, donc à des pertes supplémentaires pour le taper, et optimiser la
fonction de variation d’indice peut permettre de récupérer une partie de ces pertes.
5.2.3 Mesures de guides réalisés au CCLO
Le Tableau 3 regroupe les résultats de mesures en champ proche de la sortie d’un guide droit de
3 et de 5 µm de large. Les valeurs indiquées ici sont les demi-largeurs à 1/e² de l’intensité lumineuse
mesurée en sortie de guide correspondant à la demi-largeur à 1/e du champ calculé avec le logiciel de
BPM OlympIOs®.
Micro-optique réf : 33i
Guide PVCI 5x3 µm
Guide PVCI courbe C8 5x5 µm
Calcul guide PVCI droit 5x5 µm
Demi-largeur à 1/e² à 1.3
en µm
2.4
1.7 x 3.65
1.6 x 3.9
1.7* x 3.4*
2.1 x 2.68
Demi-largeur à 1/e² à 1.5
en µm
2.8
2.15 x 4.45
1.8 x 3.8
2.0* x 4.1*
2.1 x 2.85
Tableau 3 - Mesure en champ proche de la sortie d'un guide droit de largeur 3 et 5 µm. Mesures réalisées par
Philippe Grosso. L’échantillon mesuré est : PVCI filtré à 1 µm scié n°3. Pour les valeurs signalées par une étoile (*),
la référence est prise avec une fibre monomode donnée avec un mode de 9.2 µm à 1.3 et 10.9 µm à 1.55 les autres
sont données avec pour référence la taille de la micro-optique 33i.
Plusieurs remarques importantes ressortent de ce tableau :
Confinement vertical (selon y) :
La hauteur du champ mesurée verticalement est de 1.8 µm +/- 0.25, la simulation indique une
taille théorique du mode de 2.1 µm +/- 0.15 µm de rayon selon y. L’écart de 0.3 µm entre la valeur
théorique et la valeur pratique provient de l’erreur commise sur l’épaisseur du guide, et/ou de
l’incertitude sur la mesure de l’indice du PVCi insolé, et/ou de l’erreur de mesure du mode. Une
simulation avec une épaisseur de 4.8 µm donne une largeur verticale du mode de 1.95 µm. L’erreur
est très faible entre la pratique et la théorie, voir nulle en tenant compte des incertitudes de mesures
ou des approximations du calcul. Ce qui confirme l’estimation de l’épaisseur à 5 µm de la couche.
Cette hypothèse sur l’épaisseur étant vérifiée, la valeur de l’indice du PVCi insolé de 1.567 est donc
celle à retenir parmi les couples de solutions donnés par la mesure M-lines7.
Confinement latéral (selon x) :
Contrairement au confinement vertical, une différence non négligeable apparaît entre la
dimension latérale théorique 2.85 µm +/- 0.15 µm et la pratique 3.8 µm +/-0.3 pour le guide C8 d’un
guide carré de 5x5 µm en PVCI. Cette différence, largement plus grande que l’erreur de calcul et de
mesure réunies, peut avoir deux explications :
Le guide effectif est plus large que prévu
Une erreur d’estimation du contraste d’indice cœur/gaine latéral. Soit l’indice de gaine
ou de cœur est erroné.
7
La mesure M-lines utilise le couplage par le prisme dans une couche optique pour mesurer l’indice.
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Page 22 sur 30
Les deux phénomènes peuvent également être présent simultanément. Des calculs sont alors
effectués pour contrôler ces hypothèses.
a) Largeur physique du guide
Afin d’approcher la taille réelle du guide, une série de simulation est réalisée avec pour seul
paramètre variable entre chaque calcul : la largeur du guide.
La Figure 21 montre l’élargissement latéral du champ en fonction de la largeur du guide. Pour
un contraste d’indice de 15x10-3 et une épaisseur de 5 µm, il faut une largeur de guide de l’ordre de
8 µm pour obtenir un rayon de mode de 3.8 µm, résultat pratique (ici représenté par le trait en gras).
Pour vérifier cette hypothèse, il faudrait réaliser une mesure du profil d’indice qui permettrait
de connaître la largeur exacte du guide. Cette mesure n’est actuellement pas réalisable au CCLO.
L’élargissement physique du guide peut provenir de :
La diffraction, ombrage lors de la photo-inscription
Erreur de la taille des motifs sur le masque
Gradients sur les sauts d’indice
demi-largeur latérale du champ en µm
5
4,5
y = 0,1527x + 3,3474
4
3,5
y = 0,3124x + 1,3409
3
2,5
2
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
largeur du guide en µm
6,5
contraste cœur gaine 0,015
contraste cœur gaine 0,005
mesure
Linéaire (contraste cœur gaine 0,015)
Linéaire (contraste cœur gaine 0,005)
7
7,5
8
Simulation 23 - OlympIOs®
l'erreur est de l'ordre du pas
de la grille de calcul xy à
savoir 0,1µm
Figure 21 - Évolution de la dimension du mode fondamental d'un guide de 5 µm d’épaisseur en fonction de sa
largeur.
b) Le contraste d’indice
L’erreur sur le contraste d’indice peut venir de l’indice soit de la gaine en PVCi insolé, soit du
cœur du guide en PVCi.
Erreur sur l’indice de la gaine :
La mesure donnée par les M-lines est dépendante de l’épaisseur de la couche. Le champ calculé
et mesuré ayant la même taille dans le sens vertical, il est possible de confirmer l’épaisseur de la
couche voisine de 5 µm. Dans ces conditions, la mesure de l’indice de réfraction du PVCi insolé est
sans erreur possible de 1.567 à 2x10-4 près (précision des M-lines).
Erreur sur l’indice du cœur :
Une diminution de l’indice de cœur, et donc du contraste d’indice est à envisager. Elle est
possible par insolation parasite du cœur du guide pendant l’étape de photo-inscription. Cette
insolation partielle peut-être due à de la diffraction, de la réflexion sur les couches inférieures, à un
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Page 23 sur 30
gradient sur les sauts d’indice (bords des guides)… Cette explication de la différence entre les valeurs
théoriques et les valeurs pratiques des largeurs de modes semble la plus plausible. En effet, la photoinscription est effectuée avec une lampe UV à filament directement fixée sur l’échantillon, les rayons
UV n’ont donc pas une direction imposée. Il en découle une forte probabilité que de la lumière arrive
sous les zones opaques du masques par diffraction et réflexion. De plus, la mesure du mode à la
longueur d’onde 1.55 µm d’un guide de 3 µm de large et d’un guide de 5 µm de large donne
sensiblement le même résultat (cf. Tableau 3), voir un mode plus large pour un guide ayant la largeur
la plus étroite. Ces mesures renforcent l’hypothèse de l’insolation partielle : le guide étant plus étroit,
le gradient sur les bords du guide a plus d’influence sur l’indice effectif. Le contraste d’indice devient
donc plus faible, le mode devient plus grand. Pour des guides plus larges (de l’ordre de 10µm)
l’influence du gradient sur le bords devient moins grande mais toujours présent. Cela justifierait le
fait que les guides de 10 µm de large présents sur le même substrat semblent monomodes alors que
théoriquement, avec un contraste d’indice de 15x10-3, ils sont multimodes.
Il existe donc une résolution minimale du process de photo-inscription actuel. Celle-ci est de
l’ordre de 3µm. Il est possible de modéliser des zones de gradient d’indice sur les frontières latérales
des guides. Une étude simple avec un gradient linéaire sera réalisée ultérieurement afin de conforter
l’hypothèse d’une insolation partielle du cœur du guide. Dans le but d’éviter au maximum ce
problème, il sera fait un vide d’air entre le masque et le film de polymère pour la réalisation des
prochains guides. Il n’y aura plus de risque d’ombrage lors de la photo-inscription.
5.2.4 Détermination du couplage intrinsèque avec une fibre monomode standard
Il s’agit ici de vérifier l’apport du taper à indice de cœur variable sur le couplage avec une fibre
monomode standard. D’après les différents résultats de la Figure 18, la décroissance d’indice
nécessaire pour élargir le mode à la taille d’une fibre (environ 4.5 µm de rayon de mode) est de 0.011
soit un contraste d’indice cœur gaine final de l’ordre de 4x10-3. Le recouvrement de modes optimal
de ce guide est donné sur la Figure 22 pour un déplacement nul. Les pertes de couplage sont
diminuées de 0.6 dB avec l’ajout du taper à cœur d’indice variable. Les tolérances de positionnement
à 1 dB sont relâchées de 0.5 µm latéralement. Comme le contraste d’indice est très important dans le
sens vertical, les tolérances de positionnement en latéral ne bougent pas entre les deux types de
guide.
Tolérances de positionnement latéral et vertical en sortie
-3
Guide C : guide droit de 5µm x 5µm de section, contraste d'indice de 5x10
Guide A : guide droit de 5µm x 5µm de section, contraste d'indice de 15x10-3
10
9
8
guide C : pertes de couplage
latéral
Guide C : pertes de couplage
vertical
guide A : pertes de couplage
latéral
Guide A : pertes de couplage
vertical
guide C - 1dB
7
6
5
4
3
guide A -1dB
2
OlympIOs®
1
0
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
déplacement en µm
Figure 22 - Tolérances de positionnement latéral et vertical pour les guides A et C
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Page 24 sur 30
5.2.5 Conclusions
Il est possible d’élargir le mode, en extrémité de guide, par une insolation complémentaire
graduelle du cœur pendant ou après fabrication. L’amélioration apportée par cet élargissement reste
en revanche très faible : de l’ordre de 0.6 dB soit un gain de 15% d’énergie dans le couplage, les
tolérances de positionnement à 1 dB sont de +/- 2.5 µm latéralement et de +/- 2 µm verticalement.
Contrairement au guide enterré, l’élargissement du mode ne se fait que latéralement, le mode n’est
plus symétrique, d’où un résultat moins bon sur le recouvrement. Pour obtenir à la fois un
élargissement latéral et transversal, une solution avec une couche tampon de PVCi insolé à saturation
est présentée dans la partie suivante.
5.3
Guide 3 µm x 3 µm en PVCi sur substrat PVCi insolé à saturation
Le paragraphe suivant regroupe les résultats de la modélisation d’un guide en PVCi, entre une
couche substrat de PVCi insolé à saturation d’épaisseur variable de 3 à 8 µm et un superstrat d’air. La
section du guide est constante de 3 µm x 3 µm (Figure 23). Le profil d’indice du cœur du guide est
donné par la Figure 10. L’indice de cœur décroît linéairement sur une zone de longueur fixée à 1 mm
appelée aussi « taper » (Guide B). Le contraste d’indice latéral, entre le cœur en PVCi et la gaine en
PVCi insolé à saturation, diminue donc le long de l’axe de propagation dans le guide B. De même
pour le contraste d’indice entre la couche substrat de PVCi insolé à saturation et le cœur du guide.
3 µm
3 µm
3 à 8 µm
13 µm
Cœur : PVCi (n=1.5828)
Gaine : PVCi insolé (n=1.5578)
Couche tampon : Silice
(n=1.447)
Substrat de Silicium (n=3.5)
5.3.1 Modélisation
La Figure 24 représente la demi-largeur à 1/e, selon x et y, du champ propagé dans un guide à
indice de cœur variable, en fonction de l’épaisseur de la couche substrat de PVCi insolé à saturation,
pour différents contrastes d’indice entre le cœur et la gaine du guide C.
Avec l’augmentation de l’épaisseur de la couche tampon, le champ s’élargit dans les deux
dimensions. Il s’élargit plus latéralement (selon x) que verticalement (selon y) et ce d’autant plus que
le contraste d’indice est faible, rendant le mode elliptique. Cela vient du fait que l’élargissement
vertical du mode se fait uniquement dans le substrat contrairement à l’élargissement latéral qui
s’effectue de chaque coté du guide. D’après la Figure 5 pour une section de guide de 3 µm x 3 µm, le
premier mode guidé apparaît si le contraste d’indice est voisin de 6x10-3, les simulations ont été
effectuées pour des contrastes d’indice supérieur afin de garantir la présence d’un mode guidé. La
Figure 25, représentant la position transversale du maximum du champ propagé dans le guide C en
fonction de l’épaisseur du substrat de PVCi insolé, montre que le mode se décale progressivement du
guide vers le substrat avec la décroissance du contraste d’indice cœur gaine. Les coupes, transversale
et latérale, pour le cas où le contraste d’indice est de 8x10-3 et un substrat de 5 µm d’épaisseur,
illustrent également la propagation et le décalage du champ vers le substrat. Les traits gras blancs
représentent les frontières du cœur du guide. Le champ s’agrandit latéralement de chaque coté du
cœur en même temps qu’il descend dans le substrat.
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axe y
8
8
7
7
axe x
6
5
4
3
2
6
5
4
3
2
1
1
3
4
5
6
7
8
3
épaisseur de substrat en µm
0,008
0,01
0,015
4
5
6
7
8
Simulation 26
0,025
Figure 24 - Évolution de la demi-largeur à 1/e du champ d'un guide 3x3 µm ayant un substrat de PVCi
insolé à saturation en fonction de son épaisseur
déplacement vertical
déplacement du maximum champ en µm
0
-0,2
-0,4
coupe transversale
-0,6
-0,8
-1
-1,2
-1,4
3
0,008
4
5
6
7
0,01
0,015
8
coupe latérale
0,025
Figure 25 – déplacement vertical du maximum du champ pour différentes valeur de contraste d'indice
cœur/gaine du guide C
Avec la diminution du contraste d’indice, la structure passe d’un guide enterré à un guide de
type ridge, typique de nombreux composants III-V. Le mode est alors confiné dans l’ensemble
couche guide et substrat de PVCi insolé, le guidage est assuré par le cœur de 3 x 3 µm de PVCi
d’indice sensiblement plus élevé. Ce type de guidage ne peut-être réalisé que si le buffer de silice est
conservé et que la couche de substrat n’est pas trop épaisse. En effet, en absence de buffer de silice
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Page 26 sur 30
d’indice plus faible que le PVCI insolé, le mode ne sera plus confiné dans la couche substrat + guide
et fuira dans le wafer, ici composé de silicium donc d’indice nettement supérieur. De même si la
couche de PVCi insolé est trop importante, les conditions de guidage monomode n’existent plus et le
champ s’étale largement dans la structure.
Enfin, la Figure 24 et la Figure 25 montrent que pour un contraste d’indice de 25x10-3, le mode
n’est pas perturbé par la couche substrat de PVCI insolé qu’elle que soit son épaisseur. En effet, le
maximum du champ et ses dimensions restent constantes. Le guide « utile », permettant la
miniaturisation et les créations des composants souhaités au CCLO, n’est donc pas perturbé par la
présence d’une couche substrat de PVCi insolé.
5.3.2 Adaptation du mode avec la fibre
Il s’agit ici de vérifier l’intérêt de rajouter une couche de PVCi insolé de quelques micromètres
d’épaisseur, sous le taper à indice de cœur variable, afin d’obtenir le meilleur recouvrement possible.
Le mode doit rester le plus symétrique possible et se rapprocher de la taille du mode fondamental
d’une fibre monomode standard. Le recouvrement de mode du guide C est donné sur le Tableau 4,
pour la position optimale de la fibre, dans les différents cas d’épaisseur de couche substrat de PVCi
insolé et de contraste d’indice cœur/gaine évoqués précédemment. Les pertes de recouvrement les
plus faibles apparaissent pour le cas où le contraste d’indice est de 10x10-3 et l’épaisseur de 8 µm.
Dans ce cas, le maximum du champ se trouve 3 µm plus bas que le centre du guide physiquement
créé. Un indice plus faible ne garantit pas l’existence d’un mode propagé à la longueur d’onde
1.55µm (cf. Figure 5) et/ou déforme trop le mode. Un contraste d’indice plus fort n’élargit plus assez
le mode. Notons que, pour un contraste d’indice de 10x10-3, le fait de réduire l’épaisseur de 8 µm à
5 µm n’apporte pas beaucoup de désadaptation supplémentaire du mode, à peine 0.1dB. Cette
propriété est intéressante à connaître car les fortes épaisseurs de PVCi ne sont pas toujours faciles à
obtenir.
Contraste d'indice cœur gaine
Epaisseur substrat de
PVCi insolé
3
5
8
Pertes de couplage minimum en dB
0,008
0,01
0,015
1,486
1,544
1,972
0,928
0,885
1,346
1,641
0,743
0,969
0,025
2,751
2,751
2,751
Tableau 4 - pertes de recouvrements de mode, pour un positionnement optimal, en fonction de l'épaisseur du
substrat de PVCi insolé et du contraste d'indice pour un guide 3x3 µm après propagation
Les tolérances de positionnement à 1dB sont tracées sur la Figure 26 dans le cas où le contraste
d’indice du guide C est de 0.010 et l’épaisseur du substrat de PVCi insolé est de 8 µm. Le
déplacement vertical du mode a été indiqué au dessus du graphique de façon à superposer les deux
positionnements optimums des guides A et C rendant ainsi la comparaison plus facile. Les tolérances
ne sont quasiment pas changées verticalement (+/-2 µm) mais sont augmentées de 1 µm latéralement
(+/-3 µm). La différence entre les tolérances, latérale et verticale, vient de la non symétrie du mode.
En effet dans le guide C, avec un contraste d’indice de 0.010, le mode fondamental a une dimension
latérale de 4.3 µm et verticale de 4 µm (rayon de mode à 1/e du champ à la longueur d’onde de
1.55 µm).
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Dépalcement vertical pour guide C en µm
-11
-9
-7
-5
-3
-1
1
3
5
12
10
Guide A : pertes couplage latéral
Guide A : pertes couplage vertical
8
Guide C : pertes couplage lateral
guide A -1dB
6
guide C -1dB
Guide C : pertes couplage vertical
4
2
0
-8
-6
-4
-2
0
2
4
Déplacement latéral pour guide A et C en
µm
Déplacement vertical pour guide A en µm
6
8
Simulation 26 mode TE à 1,55 µm
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Figure 26 - Tolérances de positionnement latéral et vertical pour les guides A et C avec une épaisseur de
substrat de 8 µm
5.3.3 Conclusion
La présence d’une couche de PVCi insolé à saturation d’épaisseur d’environ 8 µm, entre le
guide et le buffer de silice, permet de réduire les pertes d’adaptation par élargissement du mode
latéralement et surtout verticalement. Les pertes de couplage par recouvrement de mode sont alors
diminuées de 2 dB avec l’ajout du taper à cœur d’indice variable (pour atteindre un contraste final de
10x10-3). Le calcul de recouvrement de mode avec une fibre monomode standard est alors de l’ordre
de 0.75 dB. C’est le même résultat que celui obtenu avec un guide enterré dans une gaine d’indice
identique au PVCi insolé. Les tolérances à de positionnement seraient de +/-2 µm verticalement et
+/-3 µm latéralement. Le mode devient légèrement elliptique à cause de la non symétrie verticale du
profil d’indice due à la forte différence d’indice entre le guide et le superstrat d’air. Ceci explique
qu’il n’y a pas d’amélioration sur les tolérances de positionnement vertical comme pour le guide
enterré dans un matériau d’indice identique au PVCi insolé. L’idéal serait de trouver un polymère
compatible avec le PVCi ayant un indice proche de 1.56 pour le superstrat (indice du PVCi insolé à
saturation). Le mode s’élargirait alors de chaque coté du guide et resterait circulaire, les tolérances de
positionnement verticales seraient alors elles aussi augmentées.
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Conclusion générale
6
Conclusion générale
Après une brève présentation des différents types d’adaptateurs de mode existants, ce rapport
propose une nouvelle approche : l’adaptateur à indice de cœur variable suivant l’axe de propagation.
La simulation d’un cas théorique a montré la possibilité d’utiliser la propriété de photosensibilité du
PVCi pour créer un adaptateur de mode en deux dimensions à l’extrémité du guide. Celui-ci peut-être
obtenu avec une insolation graduelle du cœur du guide, soit directement lors de l’étape de réalisation
du guide en utilisant un masque d’ombre, soit après la réalisation du guide et avant le dépôt d’un
superstrat éventuel. D’après la simulation par BPM, les pertes de couplage diminuent de 2.75dB à
0.75dB entre une fibre monomode standard et un guide fortement confiné (3µm x 3µm de section et
un contraste d’indice de 25x10-3). L’accroissement des tolérances de positionnement latéral et
transversal est de 0.8 µm. Celles-ci, à +/-2.8 µm, sont deux fois plus grandes par rapport au +/1.5 µm obtenu avec l’utilisation d’une micro-optique de couplage en bout de fibre.
Un cas plus proche des guides actuellement réalisés au CCLO a été présenté. La variation de
l’indice de cœur le long de l’axe de propagation du guide permet seulement un élargissement latéral
du mode propagé dans ce guide. En effet, compte tenu du confinement important de la couche de
PVCi entre le substrat de silice et le superstrat d’air, la variation du contraste d’indice cœur/gaine en
transversal est négligeable ; la transformation du champ est effective que dans une seule direction.
Dans ce cas l’ajout de l’adaptateur ne réduit les pertes de recouvrement de modes que de 0.6 dB.
L’idée a alors été d’élargir le mode transversalement en déposant un substrat de PVCi insolé entre la
couche du guide et la couche de silice. Cette couche de substrat de PVCi insolé, avec un indice voisin
de celui du cœur, évite un trop fort confinement du mode. Une épaisseur de 8 µm environ permet
d’élargir le mode verticalement par un transfert de celui-ci vers une structure de type ridge, réduisant
ainsi les pertes de couplage par recouvrement de modes à 0.75 dB.
En perspective, je propose deux pistes différentes pour l’élargissement du mode sur les guides
polymères de section carrée 3 x 3 µm actuellement réalisés au CCLO :
Le transfert dans une couche inférieure grâce à un gradient d’indice sur le cœur du
guide et à l’ajout d’une couche substrat de PVCi insolé d’une épaisseur de 8 µm et
d’indice voisin de celui du cœur. Dans ce cas, les pertes dues au recouvrement de
modes sont estimées à 0.75 dB, soit une amélioration de 2 dB avec l’ajout de
l’adaptateur, la tolérance de positionnement latéral serait de +/- 3 µm et transversal de
+/- 2 µm (le mode n’est pas symétrique).
En plus du gradient d’indice sur le cœur et de la couche de substrat d’indice proche de
celui du cœur, l’ajout d’un superstrat d’indice identique au substrat permettrait d’obtenir
l’adaptateur idéal, modélisé avec le guide enterré, avec un élargissement du mode
symétrique lors de la décroissance de l’indice du cœur. Une recherche de matériau
d’indice adapté est en cours. Les pertes dues au recouvrement de modes sont estimées à
0.75 dB, soit une amélioration également de 2 dB avec l’ajout de l’adaptateur, la
tolérance de positionnement latéral et transversal serait augmentée de 50% par rapport
au guide sans adaptateur.
La deuxième solution présente un intérêt plus grand avec le relâchement des tolérances de
positionnement dans les deux directions en plus de l’élargissement du mode mais est conditionnée à
la découverte du superstrat adéquat.
Dès que des échantillons avec une couche substrat de PVCi insolé seront réalisés, une
caractérisation en champ proche de la taille du mode, en fonction du temps d’insolation du cœur du
guide, permettra de valider pratiquement l’élargissement du mode avec la première solution
proposée.
Cette étude a été soumise au comité de lecture des JNOG2003 pour publication d’un article
portant sur la dernière partie de ce rapport.
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Bibliographie
7 Bibliographie
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Gaëtan ROTTIER
version du 26/06/03
Page 30 sur 30

RAPPORT DE STAGE Adaptateur de mode en optique intégrée

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