FR2822949A1 - Spectrometre optique integre a haute resolution spectrale, notamment pour les telecommunications a haut debit et la metrologie, et procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
Spectromètre optique intégré à haute résolution spectrale, notamment pour les télécommunications à haut débit et la métrologie, et procédé de fabrication.Ce spectromètre comprend au moins un spectromètre élémentaire qui comprend un réseau de phase optique comprenant un ensemble de micro-guides (12) et formé sur un guide optique planaire (14) clivé, des moyens de réflexion (24, 30, 32, 34) aptes à réfléchir successivement des rayonnements issus de l'ensemble des microguides, en vue d'une propagation de ces rayonnements sous forme repliée et en espace libre, des moyens (26) de photodétection des rayonnements ainsi réfléchis et des moyens (28) de focalisation des rayonnements sur ces moyens de photodétection.
Description
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SPECTROMÈTRE OPTIQUE INTÉGRÉ À HAUTE RÉSOLUTION SPECTRALE, NOTAMMENT POUR LES TÉLÉCOMMUNICATIONS À HAUT
DÉBIT ET LA MÉTROLOGIE, ET PROCÉDÉ DE FABRICATION
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un analyseur de spectre optique également appelé dispositif d'analyse spectrale ou, plus simplement, spectromètre optique .
DÉBIT ET LA MÉTROLOGIE, ET PROCÉDÉ DE FABRICATION
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un analyseur de spectre optique également appelé dispositif d'analyse spectrale ou, plus simplement, spectromètre optique .
Ce spectromètre s'applique notamment aux rayonnements infrarouges, par exemple dans le domaine des télécommunications optiques à haut débit. D'autres applications de l'invention, en particulier la métrologie optique, seront mentionnées plus loin.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Les télécommunications optiques ont permis une augmentation considérable des débits d'informations grâce aux codages spectral et temporel. Actuellement, des débits de l'ordre de 40 Gigabits/s sont obtenus sur une seule fibre optique. Grâce au DWDM ou multiplexage dense en longueur d'onde ( Dense Wavelength Division Multiplexing ), le débit d'information dépasse 1 térabit/s.
Les télécommunications optiques ont permis une augmentation considérable des débits d'informations grâce aux codages spectral et temporel. Actuellement, des débits de l'ordre de 40 Gigabits/s sont obtenus sur une seule fibre optique. Grâce au DWDM ou multiplexage dense en longueur d'onde ( Dense Wavelength Division Multiplexing ), le débit d'information dépasse 1 térabit/s.
L'augmentation des débits, qui est nécessaire à l'établissement des protocoles de transfert d'informations (en particulier sur l'internet), nécessite d'accroître simultanément la largeur spectrale de la bande des télécommunications et de diminuer l'intervalle spectral entre canaux.
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Cette démarche se trouve limitée par les capacités de routage en longueur d'onde, par la puissance disponible pour les amplificateurs et par les effets non-linéaires tels que l'effet Raman stimulé, l'effet Brillouin stimulé et surtout le mélange à quatre ondes qui constitue une limite pour la séparation en longueur d'onde.
Il est d'usage de considérer trois fenêtres spectrales.
La première se situe aux alentours de 800 nID ; elle est utilisée pour les réseaux locaux avec des fibres multimodes.
La seconde fenêtre spectrale se situe aux alentours de 1280 nm à 1350 nm (correspondant à un minimum de dispersion dans la silice) ; elle est actuellement peu employée car les amplificateurs optiques à fibres dopées avec du praséodyme (PDFA), qui ont été développés pour cette fenêtre, n'ont jamais atteint les performances des amplificateurs à fibres dopées avec de l'erbium (EDFA) pour la bande à 1, 55 um.
La troisième fenêtre se situe aux alentours de 1550 nm (correspondant à un minimum d'atténuation pour la silice) ; elle est actuellement décomposée en plusieurs bandes suivant les amplificateurs optiques utilisés. La bande C ( C-band ) est la bande spectrale amplifiée par les amplificateurs optiques EDFA traditionnels ; elle s'étend de 1528 nm à 1565 nm et donc sur 37 nm. La bande L ( L-band ) s'étend de 1561 nm à 1620 nm, et donc sur 59 nm, et correspond aux amplificateurs optiques EDFA avec amplification Raman .
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Actuellement, les longueurs d'onde de transmission dans la bande C sont définies par l'UIT ( ITU ) c'est-à-dire l'Union Internationale des Télécommunications ( International Telecommunication Union ) suivant un intervalle de 100 GHz (0,8 nID). Ce que l'on appelle la grille ITU , c'est-à-dire l'ensemble des longueurs d'onde définies par l'UIT,
commence à 1528, 77 nm (196, 1 THz) pour atteindre 1563, 86 nm (191, 7 THz). Elle comporte 45 longueurs d'onde qui s'étendent sur 36 environ. L'accroissement des besoins en termes de capacité de transmission fait qu'un intervalle entre canaux de 0,4 nm (50 GHz) devient probable, bien que les effets nonlinéaires limitent actuellement la portée de transmission.
commence à 1528, 77 nm (196, 1 THz) pour atteindre 1563, 86 nm (191, 7 THz). Elle comporte 45 longueurs d'onde qui s'étendent sur 36 environ. L'accroissement des besoins en termes de capacité de transmission fait qu'un intervalle entre canaux de 0,4 nm (50 GHz) devient probable, bien que les effets nonlinéaires limitent actuellement la portée de transmission.
De nouveaux amplificateurs optiques à fibres dopées avec du thulium (TDFA) permettent de couvrir le domaine spectral qui s'étend de 1470 nm à 1500 nm. Ce domaine, qui est actuellement appelé bande S ( S-band ) complète ainsi la troisième fenêtre (la bande spectrale située à 1510 10 nm comportant des canaux de supervision).
En vue d'augmenter la capacité spectrale de transmission, on étudie des amplificateurs optiques utilisant des mécanismes d'amplification par effet Raman stimulé. Dans de tels amplificateurs, l'amplification est fournie de manière répartie et non pas ponctuelle (comme c'est le cas dans les amplificateurs EDFA).
Les facteurs de bruit obtenus en utilisant une amplification Raman sont meilleurs que ceux que
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l'on obtient avec des amplificateurs EDFA, ce qui permet de diminuer les puissances optiques transmises et donc de diminuer l'intervalle spectral entre canaux.
De surcroît, contrairement aux amplificateurs EDFA qui ne permettent d'amplifier que la bande C, les amplificateurs à effet Raman stimulé permettent d'amplifier une bande spectrale beaucoup plus large moyennant un assemblage adapté de lasers de pompage.
En théorie, un amplificateur Raman peut ainsi couvrir toutes les longueurs d'onde entre 1300 nm et 1660 nm, c'est-à-dire beaucoup plus que les bandes actuellement couvertes par les amplificateurs à fibres dopées.
Ainsi, le spectre actuel de transmission DWDM s'étend sur une centaine de nanomètres (bandes C et L) pour une séparation spectrale entre canaux de 0,8 nm. Or on pense pouvoir améliorer les amplificateurs TDFA pour la bande S, ce qui permettrait de couvrir une bande spectrale totale d'environ 150 nm (bandes S, C et L).
L'augmentation de capacité en DWDM rend donc prévisible l'apparition d'amplificateurs Raman qui sont compatibles avec le réseau optique existant et pour lesquels la gamme spectrale totale atteint plus de 350 nm, d'où un total de près de 900 canaux par fibre optique (pour une séparation entre canaux de 0,4 nm) au lieu d'à peine une centaine actuellement.
Afin de gérer efficacement la répartition des canaux de télécommunications, il est donc nécessaire d'utiliser des analyseurs de spectres optiques permettant de couvrir toute les gammes
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spectrales mentionnées précédemment et d'identifier précisément les canaux pour en déduire leur occupation.
En particulier, il est important de disposer d'un analyseur de spectre optique afin de vérifier les attributions en longueur d'onde et de maintenir un faible taux d'erreur sur tous les canaux.
Il est également important de mesurer l'intensité des signaux optiques avec un bon rapport signal-sur-bruit.
Pour les opérateurs de télécommunications, il est souhaitable de concevoir un spectromètre compact, portable, à coût optimisé, permettant d'analyser le contenu spectral de la grille ITU et de vérifier la position en longueur d'onde (pour analyser une éventuelle dérive) ainsi que la puissance de chacun des canaux.
De plus, il est souhaitable que le pouvoir séparateur de ce spectromètre soit environ égal ou supérieur à 30000 et que la gamme de longueur d'onde observée permette de satisfaire au futur standard de bande passante (entre 120 nm et 180 nm). Le nombre total de points de mesure est donc au moins de l'ordre de 2400 à 3600 et de préférence proche de 7200.
Un tel spectromètre devient vital pour les futurs réseaux DWDM et serait largement utilisé pour des contrôles optiques en chaque noeud d'un réseau ( network ) comportant un injecteur-extracteur de longueur d'onde ( wavelength add-drop device ), un terminal ou un amplificateur.
Les dispositifs d'analyse spectrale commercialisés, permettant d'observer le spectre défini selon les normes définies par l'UIT, sont des
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spectromètres à réseaux de diffraction ( diffraction gratings ) à simple ou double passage, des cavités interférométriques de Fabry-Perot à balayage en espace libre ou des spectromètres à Transformée de Fourier fondés sur des interféromètres de Michelson.
Tous ces dispositifs connus sont coûteux, encombrants et fragiles. De surcroît, leurs fréquences de travail sont environ égales ou inférieures à 100 Hz et ils ne permettent pas de garantir un pouvoir séparateur de plus de 30000 sur plus de 40 nm.
De plus, certains multiplexeurs/ démultiplexeurs connus pourraient être utilisés comme analyseurs de spectres optiques mais ces dispositifs ne permettent pas d'effectuer des mesures de spectres optiques et exécutent seulement les fonctions de multiplexage compatibles avec le standard ITU 50 GHz.
Il en est de même pour les dispositifs utilisant des réseaux de diffraction gravés sur des substrats planaires.
De plus, ces dispositifs connus ne permettent pas de déterminer directement des longueurs d'onde de Bragg avec une précision suffisamment élevée.
Il serait souhaitable de disposer d'un spectromètre optique ayant les qualités suivantes :
'séparation en longueur d'onde meilleure que l'intervalle entre canaux (0, 4 nm), c'est-à-dire au moins 0, 05 (pouvoir de résolution du spectromètre supérieur à 30000), 'grande bande spectrale d'analyse pour un spectre optique (au moins 120 nm voire 360 nm), le nombre
'séparation en longueur d'onde meilleure que l'intervalle entre canaux (0, 4 nm), c'est-à-dire au moins 0, 05 (pouvoir de résolution du spectromètre supérieur à 30000), 'grande bande spectrale d'analyse pour un spectre optique (au moins 120 nm voire 360 nm), le nombre
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de points significatifs étant d'au moins 2400 et extensible à 7200, 'possibilité d'intégration (par exemple dans un boîtier portable), # faible coût, 'grande dynamique de mesure, 'grande bande passante en fréquence (quelques kilohertz ou plus),
'indépendance vis-à-vis de la température et de la pression atmosphérique (qui sont susceptibles d'induire des variations d'indice de réfraction), et 'indépendance vis-à-vis de la polarisation de la lumière.
'indépendance vis-à-vis de la température et de la pression atmosphérique (qui sont susceptibles d'induire des variations d'indice de réfraction), et 'indépendance vis-à-vis de la polarisation de la lumière.
On connaît déjà des composants optiques appelés phasars ou réseaux de phase optiques ( optical phase arrays ). Au sujet de ces composants, que l'on appelle également AWGs (pour Arrayed
Waveguide Gratings ), on pourra se reporter au document suivant : [1] Demande de brevet européen pour Dispositif optique à réseau de phase et procédé de
fabrication de celui-ci , publiée sous le no EP 0911660 A, invention de G. Grand et al.-voir aussi la demande de brevet américain déposée le 26 octobre 1998 sous le no09/179, 133.
Waveguide Gratings ), on pourra se reporter au document suivant : [1] Demande de brevet européen pour Dispositif optique à réseau de phase et procédé de
fabrication de celui-ci , publiée sous le no EP 0911660 A, invention de G. Grand et al.-voir aussi la demande de brevet américain déposée le 26 octobre 1998 sous le no09/179, 133.
D'autres phasars sont également connus par : [2] M. Zirngibl, C. H. Joyner and J. C.
Centanni, Size reduction of waveguide grating router
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through folding back the input-output fanouts, Electron. Lett. Vol. 33, no4, 1997, pages 295-297.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients mentionnés plus haut et de proposer des spectromètres optiques présentant tout ou partie des qualités mentionnées précédemment et en particulier une aptitude à séparer des longueurs d'onde très proches les unes des autres, une large bande spectrale de fonctionnement et la possibilité d'être peu encombrants et obtenus sous forme intégrée pour être portables.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients mentionnés plus haut et de proposer des spectromètres optiques présentant tout ou partie des qualités mentionnées précédemment et en particulier une aptitude à séparer des longueurs d'onde très proches les unes des autres, une large bande spectrale de fonctionnement et la possibilité d'être peu encombrants et obtenus sous forme intégrée pour être portables.
De façon précise, la présente invention a pour objet un spectromètre optique comprenant au moins un spectromètre optique élémentaire, ce spectromètre optique élémentaire étant caractérisé en ce qu'il comprend : - un réseau de phase optique comprenant un ensemble de micro-guides, ce réseau de phase optique étant formé sur un guide optique planaire qui est clivé, - des moyens de réflexion aptes à réfléchir successivement des rayonnements issus de l'ensemble des microguides, en vue d'une propagation de ces rayonnements sous forme repliée et en espace libre, des moyens de photodétection des rayonnements ainsi réfléchis, et des moyens de focalisation des rayonnements sur ces moyens de photodétection.
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Selon un premier mode de réalisation particulier du spectromètre optique objet de l'invention, le réseau de phase optique est prévu pour fonctionner par réflexion et le guide optique planaire comporte une pluralité de côtés clivés, rendus réfléchissants vis-à-vis des rayonnements issus de l'ensemble de microguides et vis-à-vis de rayonnements destinés à pénétrer dans cet ensemble.
Dans ce cas, selon un mode de réalisation préféré, l'ensemble des microguides aboutit à l'un des côtés clivés et le réseau de phase optique comprend une zone de focalisation qui aboutit à l'un au moins de ces côtés clivés.
Selon une variante du premier mode de réalisation particulier, le réseau de phase optique est prévu pour fonctionner par réflexion et le guide optique planaire comporte un côté clivé, qui est rendu réfléchissant vis-à-vis des rayonnements issus de l'ensemble de microguides et vis-à-vis des rayonnements destinés à pénétrer dans cet ensemble et auquel l'ensemble des microguides aboutit, ainsi que d'autres côtés clivés aptes à réfléchir ces rayonnements, ces rayonnements étant prévus pour arriver sur ces autres côtés clivés avec des angles d'incidence suffisamment grands pour conduire à une réflexion totale de ces rayonnements.
L'un des avantages de cette variante réside dans le fait que ces autres côtés, dépourvus de traitement réflecteur, n'induisent aucune polarisation de la lumière qu'ils réfléchissent.
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Dans le réseau de phase optique, les microguides forment par exemple des arcs de cercles concentriques.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, le réseau de phase optique est prévu pour fonctionner par transmission.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les moyens de réflexion comprennent : - un prisme, qui est prévu pour réfléchir les rayonnements issus de l'ensemble de microguides dans un plan parallèle au guide optique planaire sur lequel est formé le réseau de phase optique, et - au moins un miroir prévu pour réfléchir les rayonnements se propageant dans ce plan vers les moyens de photodétection.
Le spectromètre optique objet de l'invention peut comprendre en outre un support sur lequel le réseau de phase optique, les moyens de réflexion et les moyens de photodétection sont positionnés les uns par rapport aux autres.
De préférence, ce support est obtenu par moulage ou emboutissage à chaud d'une matière plastique, à partir d'un moule obtenu par une technique de moulage par lithographie et électro-formage.
De préférence, le spectromètre optique objet de l'invention comprend en outre des moyens de compensation de modifications subies par le réseau de phase optique à cause de variations de température.
Dans le cas du mode de réalisation préféré utilisant au moins un miroir, ces moyens de compensation comprennent, de préférence, un barreau
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ayant un coefficient de dilatation thermique de préférence élevé, ce barreau étant rendu solidaire du miroir pour engendrer, par dilatation thermique, des modifications de l'orientation du miroir, aptes à compenser les modifications subies par le réseau de phase optique.
De préférence, le guide optique planaire est obtenu par une technique d'optique intégrée sur verre ou sur un semiconducteur, en particulier le silicium ou le phosphure d'indium.
La présente invention a également pour objet un spectromètre optique comprenant une pluralité de spectromètres optiques élémentaires conformes à l'invention, prévus pour couvrir de façon modulaire une gamme spectrale déterminée et optiquement couplés à une fibre optique d'entrée par l'intermédiaire de moyens de séparation de longueur d'onde.
Selon un premier mode de réalisation particulier, ce spectromètre comprend en outre des moyens de séparation de polarisation qui relient ces moyens de séparation de longueur d'onde aux spectromètres optiques élémentaires.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, ce spectromètre comprend en outre des moyens de séparation de puissance et des moyens de polarisation qui relient ces moyens de séparation de longueur d'onde aux spectromètres optiques élémentaires.
La présente invention concerne aussi un procédé de fabrication avantageux du spectromètre objet de l'invention, dans lequel le réseau de phase optique
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est du genre replié, pour fonctionner par réflexion, et fabriqué en plusieurs exemplaires, par paires tête- bêche, selon les techniques de l'optique intégrée, à partir d'un même substrat qui est ensuite clivé pour obtenir les divers réseaux de phase optique ainsi fabriqués et former un spectromètre optique élémentaire avec chacune de ceux-ci.
Pour fabriquer le spectromètre objet de l'invention, on peut former chaque réseau de phase optique à partir d'un substrat et former des repères de clivage en même temps que les microguides de réseau de phase optique sur ce substrat.
La présente invention concerne en outre un dispositif d'analyse spectrale pour les télécommunications optiques à haut débit utilisant un multiplexage dense en longueur d'onde, ce dispositif comprenant le spectromètre objet de l'invention, qui comprend la pluralité de spectromètres optiques élémentaires, pour fournir une indication en temps réel du placement de canaux dans l'intervalle allant de 1528,77 nm à 1563,86 nm, de façon modulaire et adaptable selon les besoins des utilisateurs.
La présente invention concerne également un dispositif de métrologie optique à réseaux de Bragg, ce dispositif comprenant le spectromètre objet de l'invention, qui comprend la pluralité de spectromètres optiques élémentaires, pour mesurer des longueurs d'onde de Bragg.
Ce spectromètre est par exemple destiné à détecter des signaux optiques issus d'au moins un capteur à réseau de Bragg.
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Selon divers aspects de l'invention : le spectromètre optique peut être un composant de micro-optique qui inclut un ensemble de dispositifs dispersifs d'optique planaire du genre
phasar, engendrant un ensemble bi-dimensionnel de signaux électriques (formant plusieurs vecteurs ), cet ensemble étant représentatif du spectre optique de la lumière injectée dans la fibre d'entrée du spectromètre ; ce spectromètre peut comporter un ou plusieurs phasars montés en parallèle, agencés en étages multiples, ainsi qu'une ou plusieurs barrettes de photo-détecteurs qui peuvent être des photodiodes ou des dispositifs à transfert de charges ; le spectre optique recherché est alors obtenu en concaténant tous les spectres élémentaires issus de chacun des phasars ; ce montage en parallèle permet de résoudre la contradiction physique entre l'obtention d'une bonne résolution spectrale (c'est-à-dire d'une forte dispersion), d'une grande étendue spectrale et d'un encombrement minimal pour le spectromètre ; - en outre, pour minimiser l'encombrement, chaque phasar élémentaire peut être un phasar fonctionnant en transmission ou un demi-phasar replié (pour fonctionner en réflexion) grâce à une interface formant un miroir, située dans la zone des microguides déphaseurs ; - de plus, l'adaptation des propriétés de dispersion du phasar aux dimensions des barrettes de photo-détecteurs conduit à replier une pluralité de fois la zone de focalisation de façon que la taille du
phasar, engendrant un ensemble bi-dimensionnel de signaux électriques (formant plusieurs vecteurs ), cet ensemble étant représentatif du spectre optique de la lumière injectée dans la fibre d'entrée du spectromètre ; ce spectromètre peut comporter un ou plusieurs phasars montés en parallèle, agencés en étages multiples, ainsi qu'une ou plusieurs barrettes de photo-détecteurs qui peuvent être des photodiodes ou des dispositifs à transfert de charges ; le spectre optique recherché est alors obtenu en concaténant tous les spectres élémentaires issus de chacun des phasars ; ce montage en parallèle permet de résoudre la contradiction physique entre l'obtention d'une bonne résolution spectrale (c'est-à-dire d'une forte dispersion), d'une grande étendue spectrale et d'un encombrement minimal pour le spectromètre ; - en outre, pour minimiser l'encombrement, chaque phasar élémentaire peut être un phasar fonctionnant en transmission ou un demi-phasar replié (pour fonctionner en réflexion) grâce à une interface formant un miroir, située dans la zone des microguides déphaseurs ; - de plus, l'adaptation des propriétés de dispersion du phasar aux dimensions des barrettes de photo-détecteurs conduit à replier une pluralité de fois la zone de focalisation de façon que la taille du
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circuit optique formé reste compatible avec les techniques connues de fabrication et optimisée pour diminuer son coût dans le cadre d'une fabrication collective ; des moyens d'auto-compensation des variations de température, utilisant le repliement du faisceau lumineux traité, peuvent être prévus.
Remarquons les originalités de divers aspects de l'invention par rapport à des spectromètres optiques connus : * selon l'une de ses conceptions, le spectromètre optique de l'invention comprend des demi-phasars repliés au niveau des micro-guides par une interface formant un miroir et la zone de focalisation est donc identique pour l'entrée et la sortie (contrairement aux phasars classiques) ; * la zone de focalisation peut être également repliée en partie sur le substrat où elle est formée et aussi en espace libre, par des moyens optiques assemblés sur un support de préférence obtenu par pré-formage selon la technique appelée
LIGA, ce support étant susceptible de comporter des moyens d'auto-compensation en température ; * on peut utiliser plusieurs phasars ou demi-phasars formés sur des substrats planaires montés en parallèle, agencés en multi-étages, permettant d'augmenter le domaine spectral couvert par concaténation des vecteurs-spectres obtenus.
LIGA, ce support étant susceptible de comporter des moyens d'auto-compensation en température ; * on peut utiliser plusieurs phasars ou demi-phasars formés sur des substrats planaires montés en parallèle, agencés en multi-étages, permettant d'augmenter le domaine spectral couvert par concaténation des vecteurs-spectres obtenus.
Un tel spectromètre optique multi-étages avec repliement permet de résoudre les problèmes posés dans le domaine des télécommunications DWDM.
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Les avantages suivants sont susceptibles d'être obtenus grâce à l'invention : pouvoir de résolution supérieur à 30000 (résolution de 50 pm que l'on peut améliorer par un traitement centroïde), * étendue spectrale modulable par multiples de 40 nID, de 40 nm à 360 nm, * dynamique de mesure (diaphonie) de l'ordre de-30 dB (grâce au réseau de phase), * rapport signal-sur-bruit important (grâce à l'analyse spectrale en parallèle),
* bande passante importante (supérieure à 1 kHz), * indépendance vis-à-vis de la polarisation, 'indépendance vis-à-vis de la température (grâce à une auto-compensation mécanique ou à une stabilisation thermique), * miniaturisation (rendue possible par les substrats planaires et aussi par l'agencement sous forme de multi-étages), * spectromètre adapté à une utilisation sur le terrain, * coût de fabrication optimisé (rendu possible par une fabrication collective en optique intégrée) et production de grande série du boîtier-support (grâce à l'utilisation de la technique LIGA).
* bande passante importante (supérieure à 1 kHz), * indépendance vis-à-vis de la polarisation, 'indépendance vis-à-vis de la température (grâce à une auto-compensation mécanique ou à une stabilisation thermique), * miniaturisation (rendue possible par les substrats planaires et aussi par l'agencement sous forme de multi-étages), * spectromètre adapté à une utilisation sur le terrain, * coût de fabrication optimisé (rendu possible par une fabrication collective en optique intégrée) et production de grande série du boîtier-support (grâce à l'utilisation de la technique LIGA).
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et
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nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma-bloc d'un spectromètre
DWDM conforme à l'invention, - la figure 2 est un schéma-bloc d'un autre spectromètre DWDM conforme à l'invention, utilisant des séparateurs de polarisation, - la figure 3 est un schéma-bloc d'un autre spectromètre DWDM conforme à l'invention, utilisant des polariseurs à fibres optiques, - la figure 4 illustre schématiquement un exemple de schéma de masquage d'un demi-phasar en optique intégrée sur verre, utilisable dans l'invention, - la figure 5 est un schéma optique correspondant au demi-phasar représenté sur la figure 4, - la figure 6A est une vue schématique d'un assemblage d'un micro-spectromètre élémentaire conforme à l'invention, utilisant la technique appelé LIGA pour Lithographie Galvanoformung
Abformung , - la figure 6B est la coupe AA de la figure 6A, - la figure 7A est une vue schématique d'un assemblage d'un autre micro-spectromètre élémentaire conforme à l'invention, utilisant aussi la technique LIGA, - la figure 7B est la coupe AA de la figure 7A, - la figure 8 illustre schématiquement un mécanisme d'auto-compensation passive de la dépendance thermique d'un réseau de phase utilisable dans l'invention,
DWDM conforme à l'invention, - la figure 2 est un schéma-bloc d'un autre spectromètre DWDM conforme à l'invention, utilisant des séparateurs de polarisation, - la figure 3 est un schéma-bloc d'un autre spectromètre DWDM conforme à l'invention, utilisant des polariseurs à fibres optiques, - la figure 4 illustre schématiquement un exemple de schéma de masquage d'un demi-phasar en optique intégrée sur verre, utilisable dans l'invention, - la figure 5 est un schéma optique correspondant au demi-phasar représenté sur la figure 4, - la figure 6A est une vue schématique d'un assemblage d'un micro-spectromètre élémentaire conforme à l'invention, utilisant la technique appelé LIGA pour Lithographie Galvanoformung
Abformung , - la figure 6B est la coupe AA de la figure 6A, - la figure 7A est une vue schématique d'un assemblage d'un autre micro-spectromètre élémentaire conforme à l'invention, utilisant aussi la technique LIGA, - la figure 7B est la coupe AA de la figure 7A, - la figure 8 illustre schématiquement un mécanisme d'auto-compensation passive de la dépendance thermique d'un réseau de phase utilisable dans l'invention,
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- la figure 9 illustre schématiquement un autre mécanisme d'auto-composensation passive de la dépendance thermique d'un réseau de phase utilisable dans l'invention, - la figure 10 illustre schématiquement un exemple de schéma de masquage de deux demi-phasars en optique intégrée sur verre, utilisable dans l'invention, - la figure 11A est une vue schématique d'un assemblage d'un autre micro-spectromètre élémentaire conforme à l'invention, utilisant la technique LIGA, - la figure 11B est la coupe AA de la figure 11A, - la figure 12 illustre schématiquement une application d'un dispositif conforme à l'invention à la mesure de déformations, de pressions et de températures à l'aide de réseaux de Bragg formant des transducteurs, et - la figure 13 illustre schématiquement une tranche ( wafer ) de 8 pouces (environ 20 cm) en optique intégrée silice sur silicium ainsi qu'un exemple de schéma de masquage de composants phasars selon le masque élémentaire décrit en faisant référence à la figure 10.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Un objectif de la présente invention est la réalisation d'un spectromètre compact, à coût optimisé, qui permette de couvrir le spectre utile pour la troisième fenêtre de télécommunication (bande conventionnelle, ou bande C, et bande longue ou bande L). La bande spectrale à couvrir pour satisfaire au
Un objectif de la présente invention est la réalisation d'un spectromètre compact, à coût optimisé, qui permette de couvrir le spectre utile pour la troisième fenêtre de télécommunication (bande conventionnelle, ou bande C, et bande longue ou bande L). La bande spectrale à couvrir pour satisfaire au
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marché actuel des télécommunications est de l'ordre de 120 nm. De plus, la grille ITU actuelle est de 50 GHz, ce qui correspond à une séparation d'environ 0, 4 nID entre canaux (le nombre de canaux étant égal à 300).
Un domaine d'application essentiel de ce spectromètre à haute résolution et à grande étendue est celui des télécommunications à très haute densité spectrale (utilisant la technique DWDM).
Dans la présente invention, on utilise des phasars pour des raisons de dispersion (les phasars ayant un ordre de diffraction élevé), de compacité et de performances de diaphonie. Toutefois, des calculs de dimensionnement montrent qu'il n'est pas facile de fabriquer un phasar unique pour toute la gamme de longueur d'onde car le nombre de micro-guides requis pour satisfaire au critère de résolution spectrale est très élevé : il est supérieur à 2500.
De plus, le dimensionnement d'un tel composant conduit à une valeur de distance focale de sortie très supérieure à la taille d'une plaquette ( wafer ) semiconductrice. C'est pourquoi, dans l'invention, on préfère replier le faisceau diffracté par les micro-guides une ou plusieurs fois dans la zone de focalisation et monter une pluralité de phasars en parallèle selon une approche multi- étages (empilement) pour couvrir l'intégralité du spectre des bandes C et L en mettant bout à bout, grâce à un ordinateur, les informations respectivement issues des phasars.
On décrit maintenant un mode de réalisation particulier d'un phasar qui est utilisable dans
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l'invention et fonctionne à un ordre 39 pour une étendue spectrale de 40 nm. D'autres modes de réalisation particuliers sont possibles, l'un de ces derniers consistant par exemple à travailler à un ordre 78 sur une étendue spectrale de 20 nm.
Un phasar se comporte comme un réseau de diffraction concave en transmission dont l'équation s'écrit :
Dans cette équation, dg est l'intervalle entre deux micro-guides à l'entrée de la zone de focalisation de sortie, ns l'indice du guide planaire, ne l'indice du guide (qui est souvent le même), les angles el et eo sont les angles diffractés respectivement dans la zone de focalisation d'entrée et dans celle de sortie, AL est le décalage de longueur d'un guide à l'autre, et n est l'ordre de diffraction. La longueur d'onde , o est la longueur d'onde centrale du phasar qui s'écrit :
Pour un demi-phasar (replié en réflexion), l'équation est modifiée en remplaçant AL par 2. AL :
Le phasar permet de démultiplexer les longueurs d'onde issues de l'un des guides d'entrée vers les guides de sortie. Le phasar permet d'exécuter cette fonction à partir de n'importe quel guide
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d'entrée ; le spectre reçu en sortie se trouve alors décalé de façon proportionnelle à l'emplacement du guide d'entrée considéré.
Cette propriété peut être utilisée afin de réaliser une auto-compensation en température en fixant la fibre optique d'entrée sur un support mécanique dont le déplacement induit par dilatation thermique compense le décalage spectral dû à la dépendance thermique du composant.
Dans l'invention, cette propriété est également applicable au cas de l'utilisation d'un demiphasar (replié) afin de décaler une fibre d'entrée d'une barrette de photo-détecteurs située dans un même plan, comme on le verra plus loin.
Le dimensionnement d'un réseau de phase pour des applications de spectrométrie nécessite tout d'abord d'ajuster l'ordre de diffraction maximum possible (et le décalage en longueur entre chaque microguide) en considérant l'étendue spectrale observée (sans recouvrement d'un ordre à un ordre suivant ou précédent), puis le nombre de micro-guides minimal est choisi pour garantir le pouvoir de résolution recherché. Pour finir, la distance focale de sortie est calculée en fonction des caractéristiques de la barrette de photo-détecteurs.
Pour supprimer toute ambiguité, les recouvrements spectraux d'un ordre i à un ordre suivant i+1 ou précédent i-1 sont évités. Pour cela, l'intervalle spectral libre, noté ISL, est choisi au mieux égal (ou supérieur) à l'étendue spectrale
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observée, notée ES. Ceci définit une condition sur l'ordre de diffraction du phasar :
Le pouvoir de résolution du phasar s'écrit : ; = n. M où n est l'ordre de diffraction et M le AA nombre de micro-guides. AS correspond à la largeur spectrale de la tache d'Airy ; on cherche à avoir 0, 05 nm afin de pouvoir distinguer les canaux au sein de la grille ITU.
Le décalage de longueur entre chaque micro-
guide est égale à AL = n. , o pour le demi-phasar et 2. nc à AL =--. o pour le phasar entier. ne
A titre d'exemple, les micro-guides sont constitués d'arcs de cercles.
guide est égale à AL = n. , o pour le demi-phasar et 2. nc à AL =--. o pour le phasar entier. ne
A titre d'exemple, les micro-guides sont constitués d'arcs de cercles.
Dans le cas du demi-phasar, on choisit, à titre d'exemple, un angle de 600 pour ces arcs de cercles et la relation entre le décalage en longueur et
le décalage en rayon AR s'écrit : AR =-'-. AL ; à titre 7r d'exemple, pour le phasar entier (angle de 1200), le décalage en rayon AR s'écrit : AR =-"-. AL 2. n
La relation de dispersion qui lie le déplacement Ay de la tache focale, à la sortie des micro-guides, à la longueur d'onde A s'écrit :
le décalage en rayon AR s'écrit : AR =-'-. AL ; à titre 7r d'exemple, pour le phasar entier (angle de 1200), le décalage en rayon AR s'écrit : AR =-"-. AL 2. n
La relation de dispersion qui lie le déplacement Ay de la tache focale, à la sortie des micro-guides, à la longueur d'onde A s'écrit :
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où ris est l'indice effectif de la zone de focalisation et f la longueur de cette zone qui correspond à la distance focale de sortie.
Si l'on considère toute la largeur spectrale observée, la largeur L focalisée correspondant à la largeur utile de la barrette, on
obtient que cette largeur L est peu différente de la
quantité-p--. ISL elle-même peu différente de f. k dg. ns dg. ns et la distance focale f est donc peu différente de ns. dg L À..
obtient que cette largeur L est peu différente de la
quantité-p--. ISL elle-même peu différente de f. k dg. ns dg. ns et la distance focale f est donc peu différente de ns. dg L À..
L'intervalle dg ne peut pas être réduit autant qu'on le souhaite ; il est limité par la diaphonie entre les guides. Cette valeur étant fixée, la distance focale ne dépend que de la longueur de la barrette. D'autre part, la distance focale dans le verre (d'indice 1,46) est plus grande que la distance focale dans l'air (d'indice 1) du fait de l'autofocalisation à la sortie du guide planaire.
Toute diminution de la largeur spectrale observée ne se répercute donc pas sur la distance focale car elle est compensée par un ordre de diffraction d'autant plus faible (l'ISL étant ajusté en conséquence). L'obtention d'une meilleure résolution spectrale nécessite une nouvelle conception optique, détaillée dans la présente description, conception qui permet un parcours géométrique plus grand.
A titre purement indicatif et nullement limitatif, les caractéristiques de chaque demi-phasar sont données ci-après : 'intervalle spectral libre : 40 nID,
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* ordre de diffraction : 39, * nombre de micro-guides : 800, # intervalle entre micro-guides : 19, 8 um, * écart de longueur entre micro-guides : 20, 7 um # largeur de la tache de diffraction : 0, 05 nID, * intervalle de pixel : 13 um,
nombre de pixels par barrette : 1024 pixels, . longueur (utile) de la barrette : 13, 3 mm, * résolution spectrale (barrette) : 40 nm/1024 pixels, c'est-à-dire environ 0,04 =/pixels, * distance focale de sortie : 250 mm dans le verre (indice 1,46), d'où un parcours de 50 mm dans le verre ajouté à 140 mm dans l'air (équivalent à 200 mm dans le verre) exemple qui s'applique à l'assemblage représenté sur les figures 6A et 6B] ou bien 175 mm dans l'air exemple qui s'applique à l'assemblage représenté sur les figures 7A et 7B].
Ces caractéristiques prennent en compte l'adaptation nécessaire entre la largeur de la tache de diffraction et la largeur du spectre reportée sur la barrette de photo-détecteurs (ici, environ 50 pm par pixel). La réalisation d'un masque par la méthode de propagation de faisceau ( Beam Propagation Method ) prend en compte la dispersion des matériaux mis en oeuvre dans la définition précise du dimensionnement optique du composant à réaliser.
Considérons maintenant le principe de fonctionnement d'un micro-spectromètre conforme à l'invention.
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Quatre modes de conception peuvent être distingués selon que le micro-spectromètre comprend un phasar unique ou une pluralité de phasars (respectivement assignés à des domaines de longueurs d'onde distincts) : (l) spectromètre à phasar unique (indépendant de la polarisation ou corrigé de la dépendance en polarisation), (2) spectromètre à couple de phasars (à séparation de polarisation), (3) spectromètre à pluralité de phasars élémentaires (indépendants de la polarisation ou corrigés de la dépendance en polarisation), et (4) spectromètre à pluralité de couples de phasars élémentaires (à séparation de polarisation).
Le mode de conception (1) (respectivement (2) ) est un cas particulier du mode de conception (3) (respectivement (4) ). C'est pourquoi ne seront détaillés que les modes de conception (3) et (4).
La dépendance en polarisation d'un phasar se traduit par la superposition de deux spectres à la sortie de ce phasar, correspondant aux deux états de polarisation (transverse électrique, notée TE et transverse magnétique, noté TM). Si l'état de polarisation n'est pas maintenu à la sortie de la liaison par fibre optique que l'on veut analyser (ce qui est le cas des liaisons de télécommunications optiques classiques), le spectre observé est donc brouillé par la superposition de ces deux états.
Ce problème peut être résolu de trois façon différentes :
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* en concevant un dispositif dispersif indépendant de la polarisation (par exemple au moyen d'une technique d'échange d'ions sur du verre), * en concevant un dispositif dispersif où l'on compense les'effets de la polarisation, par exemple en insérant une lame demi-onde au milieu de la zone des guides déphaseurs et, à ce sujet, on se reportera par exemple au document suivant : [3] US 5937113A, * en séparant les deux états de polarisation avant dispersion par deux composants dispersifs, chacun étant étalonné pour un état de polarisation donné (TE ou TM).
Cette dernière approche (modes de conception (2) et (4) ) présente l'avantage d'utiliser des phasars de conception plus simple (sans compensation de polarisation), qui sont par exemple formés au moyen d'une technique d'optique intégrée sur silicium, et permet de réaliser un spectromètre à contrôle de polarisation. En revanche, elle nécessite de fabriquer deux fois plus de substrats et de contrôler l'état de polarisation à l'entrée de ces substrats, ce qui complique beaucoup la mise en oeuvre de cette approche et augmente le coût du dispositif final.
Les modes de conception (1) et (2) sont respectivement identiques aux modes de conception (3) et (4) mais sans séparateur en longueur d'onde.
Ce séparateur en longueur d'onde a pour but d'effectuer une première séparation des bandes
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observées par chacun des micro-spectromètres élémentaires. Ce peut être un démultiplexeur à réseau du genre de celui qui est commercialisé sous la marque STIMAX par la Société Jobin-Yvon ou bien un dispositif d'optique intégrée tel qu'un phasar du commerce.
Considérons, à titre d'exemple, un microspectromètre conforme à l'invention, assurant la mesure sur trois étendues spectrales.
La figure 1 représente le schéma-bloc optique d'un tel micro-spectromètre, appliqué à la technique DWDM et comprenant un séparateur en longueur d'onde 2 ainsi que trois blocs, à savoir trois microspectromètres élémentaires dont les références sont respectivement Ml, M2 et M3, selon le mode de conception (3).
On voit sur la partie droite de la figure 1 le spectre reconstitué S avec, en abscisses, les longueurs d'onde ^ et, en ordonnées, les intensités lumineuses I.
Les figures 2 et 3 représentent des schémas-blocs optiques d'un micro-spectromètre constitué de six blocs, à savoir six microspectromètres élémentaires dont les références sont respectivements Mix et Mly, M2x et M2y et M3x et M3y, selon le mode de conception (4).
Ce mode de conception peut faire intervenir un séparateur en longueur d'onde 4 (par exemple, un phasar ayant une bande passante de 40 nm) et trois coupleurs à séparation de polarisation Cl, C2, C3 (voir la figure 2) qui utilisent de préférence des cristaux
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biréfringents pour effectuer la séparation des polarisations car la diaphonie est alors faible.
Une autre solution (voir la figure 3) consiste à utiliser le séparateur en longueur d'onde 2 de la figure 1, trois coupleurs à séparation de puissance PI, P2, P3 et six polariseurs intégrés sur fibres, à savoir trois couples de polariseurs Px et Py, Px permettant une polarisation selon une direction x et Py selon une direction y perpendiculaire à x.
Dans les deux cas (figures 2 et 3), les fibres optiques de liaison entre les coupleurs à séparation de polarisation ou les polariseurs et les microspectromètres élémentaires sont des fibres à maintien de polarisation 6.
Le premier axe neutre de chaque fibre à maintien de polarisation 6 est placé parallèlement à la surface du substrat sur lequel est formé le microspectromètre associé (cette surface étant par exemple parallèle à la direction x).
Le deuxième axe neutre de cette fibre 6 est placé perpendiculairement à cette surface (et donc parallèlement à l'axe y dans l'exemple considéré).
A propos des figures 1 à 3, on précise que le signal lumineux devant être analysé par le microspectromètre lui parvient par une fibre optique d'entrée FE ; le séparateur en longueur d'onde 2 (respectivement 4) est relié aux microspectromètres élémentaires Ml, M2, M3 (respectivement aux coupleurs Cl, C2, C3 ou PI, P2, P3) par des fibres optiques fl, f2, f3 ; chacun des coupleurs Pi, P2, P3 est relié aux
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deux polariseurs associés Px et Py par deux fibres optiques fx et fy.
Trois techniques possibles pour fabriquer un phasar utilisable dans l'invention sont : - la technique d'optique intégrée sur semiconducteur - ou la technique d'optique intégrée sur silicium ou la technique d'échange d'ions sur verre.
Nous ne considérerons que les techniques utilisant un substrat de silicium ou un substrat de verre.
Considérons d'abord un phasar fabriqué par une technique d'optique intrégrée sur silicium.
Les techniques du genre SiO2/Si (couches guidantes en Si02, SiON ou Si3N4) sont parfaitement adaptées à la fabrication d'un tel composant. Les procédés utilisés dans ce cas sont fondés sur un dépôt en phase vapeur (essentiellement un dépôt chimique en phase vapeur) ou une hydrolyse à la flamme et sur une gravure ionique réactive pour la réalisation des motifs.
Prenons l'exemple de la technique utilisant des guides de silice sur silicium. A ce sujet, on se reportera aux documents suivants : [4] S. Valette et al., Si-based integrated optics technologies, Solid State Tech., 1989, pages 69- 74 [5] S. Valette et al., Silicon-based integrated optics technology for optical sensor
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applications, Sensors and Act. A, 1990, pages 1087- 1091.
Dans ce cas, le substrat optique est une couche de silice d'épaisseur suffisante pour isoler la lumière du silicium (6 um pour une longueur d'onde de 0,8 um et 12 um pour une longueur d'onde de l'ordre de 1,3 um à 1, 55 um), la couche guidante est une couche de silice dopée au phosphore (avec une épaisseur de 2 um à 5 um suivant la longueur d'onde) et la couche de recouvrement, ou superstrat, est équivalente, du point de vue de l'indice optique, au substrat, avec une épaisseur de 6 um à 10 um.
Typiquement, pour le composant décrit, les dimensions des canaux sont de l'ordre de 4 um x 4 um avec un dopage à l'oxyde de germanium permettant d'atteindre un saut d'indice de l'ordre de 2 x 10-2 afin d'assurer un fort confinement du mode et de limiter la diaphonie entre guides.
On sait fabriquer un phasar de haute densité d'intégration avec cette technique. A ce sujet, on se reportera au document suivant : [6] Y. Hibino et al., Fabrication of silica-on-Si waveguide with higher index différence and its application to 256 channel arrayed waveguide multi/demultiplexer, Optical Fiber Communications (OFC) 2000, Baltimore, WH-2-1, page 127.
Un saut d'indice plus important, de l'ordre de 3x10-2, peut être atteint en faisant un dépôt de SiON.
Un avantage important de l'optique intégrée sur silicium est de pouvoir graver simultanément des
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rainures en V ( V-grooves ) ou des rainures en U pour le positionnement de fibres optiques monomodes.
Au sujet des rainures en U on pourra se reporter au document suivant : [7] G. Grand et al., New method for lowcost and efficient optical connection between singlemode fibers and silica guides, Electron. Lett., Vol. 27, n l, 1991, pages 16-17.
Un autre avantage de cette technique réside dans le contrôle de la pente des flancs de gravure (pour limiter les réflexions parasites aux extrémités des guides, réflexion qui sont génératrices de diaphonie).
Considérons maintenant un phasar fabriqué par une technique d'optique intégrée sur verre.
Cette technique est bien adaptée pour réaliser le composant représenté sur la figure 4. La technique utilisée est celle de l'échange thermique d'ions tels que Na+, K ou Cs, éventuellement assisté par un champ électrique. Cette technique bien connue consiste à échanger des ions alcalins (par exemple des ions Na+), déjà présents dans le verre, avec d'autres ions tels que Ag ou TI/qui ont pour effet d'augmenter localement l'indice de réfraction du verre.
Les pertes optiques dues à la connexion fibre/guide et à l'atténuation dans le guide ont été considérablement diminuées grâce à la technique des guides enterrés. Cette dernière consiste à faire diffuser le premier dopage dans le substrat (sous champ électrique) ou bien à réaliser une seconde diffusion thermique d'ions sodium. On obtient ainsi des guides
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caractérisés par des sections de dopage quasicirculaires, ayant un mode conforme à celui d'une fibre optique monomode-on optimise le recouvrement modal-et présentant des atténuations linéiques beaucoup plus faibles du fait de la quasi-disparition de la diffusion de surface : elle est typiquement inférieure à 0,1 dB/cm.
Un autre avantage de cette technique est de pouvoir réaliser des guides présentant une très faible dépendance vis-à-vis de la polarisation, et ayant ainsi une conception moins coûteuse : il n'y a plus besoin de compenser les effets de biréfringence au moyen d'une lame demi-onde insérée au milieu de la zone des microguides par exemple.
Considérons maintenant des schémas de masquage de phasars qui sont utilisables dans l'invention.
Nous distinguons au moins deux schémas de masquage pour les phasars.
Le premier schéma de masquage correspond à un demi-phasar replié (fonctionnant donc en réflexion), avec une zone de focalisation du faisceau d'entrée dans une couche guidante, ce faisceau d'entrée provenant d'une fibre optique (voir les figures 4 et 5).
Le deuxième schéma de masquage correspond à un phasar fonctionnant en transmission (et donc non replié), sans zone de focalisation en optique intégrée : cette focalisation a lieu en espace libre.
Au premier (respectivement deuxième) schéma de masquage correspond un boîtier adapté qui est
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représenté sur les figures 6A et 6B (respectivement 7A et 7B).
A titre d'exemple, la figure 4 montre un masque d'un demi-phasar replié selon le premier schéma de masquage. Le substrat employé est un disque de verre 8 de 60 mm de diamètre et de 1, 5 mm d'épaisseur. La zone utile, délimitée par un cercle 10 en pointillés, est restreinte à un disque de 50 mm de diamètre. Les microguides 12 et le guide planaire 14 sont obtenus par enterrement de la couche guidante.
En utilisant la technologie silice sur silicium avec une plaquette ( wafer ) de 6 pouces (c'est-à-dire environ 15 cm) de diamètre, au moins quatre demi-phasars du genre de celui qui est représenté sur la figure 4 peuvent être réalisés par plaquette. Pour des plaquettes de 8 pouces (c'est-àdire environ 20 cm) de diamètre, il devient possible de former, sur un seul substrat, huit demi-phasars du genre de celui qui est représenté sur la figure 4, et donc de diminuer encore les coûts de fabrication.
Toujours à titre d'exemple, ce demi-phasar comporte cinq côtés clivés et polis cl, c2, c3, c4 et c5. Les côtés c2 et c3 font un angle de 900 l'un par rapport à l'autre ; les côtés cl et c2 font un angle de 45 +60 =105 l'un par rapport à l'autre ; les côtés c4 et c3 font un angle de 450+900=1350 l'un par rapport à l'autre ; et le côté c5 est perpendiculaire au côté c4.
A titre d'exemple, selon les spécifications décrites plus haut et relatives à un phasar travaillant à un ordre 39 pour une étendue spectrale de 40 nm, 800 microguides 12 séparés de 19,8 micromètres les uns des
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autres forment des arcs de cercles de 600. Le rayon de courbure minimal est de 4 mm et le rayon de courbure maximal est de 19,8 mm.
La zone de focalisation F, intégrée sur le guide planaire 14 et délimitée par les côtés C4, C3 et C2 (figure 5), permet d'étendre toute la lumière issue d'une fibre optique 16 (figure 5) sur tous les microguides sans optique de focalisation supplémentaire.
L'ouverture numérique des fibres optiques monomodes traditionnellement utilisées dans les télécommunications optiques est de l'ordre de 0,15 à 0,17 dans l'air, d'où un demi-angle de divergence d'environ 90 à 100 dans l'air et d'environ 60 à 70 dans le verre. L'extrémité de la fibre 16 se trouve ainsi à environ 55 mm de l'interface des micro-guides.
On précise que cette extrémité de la fibre 16 est optiquement couplée au guide planaire par micropositionnement et collage (technique de pigtail ).
Après clivage et polissage, les côtés cl, c2 et c3 doivent se comporter en réflecteurs. Pour ce faire, le côté cl auquel aboutissent orthogonalement les extrémités respectives des microguides 12 formant des arcs de cercle concentriques, et éventuellement les côtés c2 et c3 reçoivent un dépôt réfléchissant R qui peut être une métallisation ou, de préférence, une multicouche diélectrique dont le spectre de réflexion est centré sur le domaine de longueurs d'onde analysé.
Même si les côtés c2 et c3 ne reçoivent pas de dépôt réfléchissant, les rayons incidents et leurs homologues, qui émergent du phasar, arrivent sur ces
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côtés avec un angle suffisant pour qu'il y ait réflexion sur les dioptres qu'ils constituent.
Le côté c5 peut recevoir un dépôt multicouche anti-reflet A (dans la bande spectrale utile selon le parcours allant du verre vers l'air).
Les sorties des microguides sont réparties le long d'un cercle de rayon 250 mm correspondant au diamètre du cercle de Rowland sur lequel sont dispersés les points images. Une petite distorsion de l'image (portée sur un cercle de 125 mm de rayon) est donc observée sur la barrette plane de photodétecteurs, utilisée avec le demi-phasar (voir figures 6A et 6B), et n'excède pas un demi-pixel en bord de champ, ce qui autorise donc une correction de planéité dans la mesure spectrale.
Les côtés c2, c3 et c4 permettent de replier le faisceau lumineux incident 18 provenant de la fibre optique d'injection 16 (figure 5). Ce faisceau 18 est ensuite étendu naturellement sur toutes les entrées des microguides. La fibre 16 est décalée par rapport au champ de sortie.
A titre d'exemple, la fibre 16 est une fibre optique monomode de 125 um et d'ouverture numérique 0,16 et cette fibre peut être disposée à proximité de l'axe de la plaquette et orientée à environ 130 par rapport à cet axe. Le front d'onde incident est donc décalé par rapport au front des microguides et la longueur d'onde ko définie plus haut correspond alors à la longueur d'onde la plus basse du spectre et non plus à la longueur d'onde centrale
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(correspondant au cas où la fibre est placée au centre).
Sur les figures 4 et 5, la référence 20 désigne une zone séparatrice qui résulte, par exemple, d'une diffusion de chrome ou de cobalt (absorbant à 1, 55 um).
Selon un deuxième schéma de masquage (non représenté), le phasar est similaire à celui qui a été décrit en faisant référence aux figures 4 et 5, excepté qu'il n'est pas replié et opère donc en transmission. A titre d'exemple, il comporte quatre côtés clivés de façon précise et parallèles deux à deux ainsi qu'un côté clivé supplémentaire. Un premier côté clivé correspondant à l'entrée des micro-guides fait un angle de 1200 avec un deuxième côté clivé correspondant à la sortie des micro-guides et les troisième et quatrième côtés clivés sont respectivement parallèles aux premier et deuxième côtés clivés.
Le côté clivé supplémentaire relie le premier côté clivé au quatrième et le clivage de ce côté supplémentaire permet de loger une lentille cylindrique dans le support d'un microspectromètre utilisant ce phasar comme on le voit sur la figure 7A.
A titre d'exemple de réalisation, un spectromètre conforme à l'invention est un assemblage de plusieurs blocs de micro-spectromètres élémentaires comme on l'a vu plus haut, chaque micro-spectromètre élémentaire permettant de couvrir une étendue spectrale de 40 nm. La superposition de plusieurs de ces blocs permet de couvrir une étendue spectrale plus importante qui est modulable selon les applications.
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La focalisation du faisceau à la sortie du spectromètre peut s'effectuer de différentes manières.
Il est possible d'aligner plusieurs couches guidantes en superposant des substrats planaires connectés entre eux par un polissage à 450 formant un prisme réflecteur ou par un ruban de fibres optiques monomodes.
Avantageusement, la technique d'assemblage préconisée consiste à disposer le substrat planaire (comportant le phasar) et le prisme réflecteur ainsi que la lentille et la barrette de photodétecteurs dans un substrat ou support moulé, élaboré par une technique de moulage par lithographie et électro-formage, appelée technique LIGA (pour Lithographie Galvanoformung Abformung).
Au sujet de cette technique, on pourra se reporter aux documents suivants : [8] J. Mohr, LIGA-A technology for fabricating microstructures and microsystems, Sensors and Materials, vol. 10, n 6, 1998, pages 363-373 [9] J. Mohr et al., Micro-optical devices based on free space optics with LIGA micro-optical benches-examples and perspectives, SPIE 2783,1996, pages 48-54 [10] H. Nakajima et al., Micro-optical sensors fabricated by the LIGA process, SPIE 3513,1998 pages 106-112.
Le procédé LIGA permet la fabrication en série, et donc à un coût optimisé, des blocs de détection élémentaires c'est-à-dire des microspectromètres élémentaires.
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Selon ce procédé, on forme un moule métallique par électro-formage (d'où une croissance électrolytique du moule) après une lithographie de haute résolution (de l'ordre de lam).
Le procédé LIGA X, un cas particulier du procédé LIGA, consiste à insoler une résine photosensible ( photoresist ), par exemple le PMMA, à travers un masque-membrane portant une couche d'or qui absorbe les rayons X. Après dissolution des parties insolées, une couche de métal est déposée par électroformage jusqu'à recouvrir le motif de PMMA et former un moule qui sert à former les pièces finales par moulage ou emboutissage à chaud d'un plastique, techniques adaptées à une production de masse.
Si toutefois le moulage du plastique a lieu sur un substrat métallique, une deuxième croissance électrolytique peut permettre d'obtenir un produit fini métallique. De plus, l'emboutissage à chaud du plastique peut avoir lieu sur un substrat en céramique afin de diminuer la dilatation thermique du composant final.
Le spectromètre élémentaire correspondant à un premier assemblage conforme à l'invention (figures 6A et 6B) utilise le premier schéma de masquage (voir les figures 4 et 5). Le substrat planaire 22, portant le demi-phasar, est placé couche guidante dessous et comporte la partie de focalisation d'entrée (fibre optique d'injection 16-guide planaire 14) intégrée sur le substrat planaire 22.
Après réflexion à l'interface-miroir (côté cl pourvu d'un revêtement réflecteur-voir figure 4) à
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la sortie des micro-guides 12, le faisceau lumineux diffracté par ces micro-guides est récupéré à la sortie du guide planaire 14 par un prisme réflecteur 24 puis focalisé sur une barrette de photodétecteurs 26 par une lentille cylindrique 28 dont la distance focale vaut environ 6 mm. Trois miroirs 30,32 et 34 permettent de réfléchir le faisceau vers la barrette 26, sur une distance de 140 mm en espace libre.
Plus précisément, le faisceau diffracté issu du prisme se réfléchit sur le miroir 30 puis sur le miroir 32 qui est perpendiculaire à ce miroir 30 puis sur le miroir 34 qui est perpendiculaire à ce miroir 32 et le miroir 34 réfléchit le faisceau vers la barrette 26.
En tenant compte de la relation de conjugaison entre le mode à la sortie du guide planaire et l'image sur la barrette, le bord du substrat se trouve à une distance de 6,27 mm du centre de la lentille pour une distance focale de 6 mm. La hauteur du faisceau image sur les photo-détecteurs vaut environ 120 um.
Dans l'exemple des figures 6A et 6B, des entretoises calibrées 36,38 et 40, qui sont respectivement disposées sur les côtés clivés cl, c4 et c5 du substrat planaire 22, entre ces côtés et le support 42 moulé par la technique LIGA, permettent de positionner ce substrat planaire en hauteur et de garantir qu'il est parallèle à la barrette de détection 26. les trois miroirs 30,32 et 34 ainsi que la barrette 26 reposent dans des encoches, telles que les encoches 44 prévues dans le support 42. Dans le cas de
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la technique d'échange d'ions sur verre, le guide planaire 14 est enterré à une distance connue de la surface supérieure du substrat planaire 22, cette surface servant de référence.
Le spectromètre élémentaire correspondant à un deuxième assemblage conforme à l'invention (figures 7A et 7B) utilise le deuxième schéma de masquage mentionné plus haut. Le substrat planaire de ce deuxième assemblage est également placé couche guidante dessous.
Contrairement au premier assemblage, la focalisation de la lumière issue de la fibre optique monomode 16 ne se fait pas en optique intégrée mais en espace libre. Pour ce faire, la fibre est alignée de façon passive dans une rainure 46. Le support 48, destiné à recevoir le substrat planaire 50 est formé avec la technique LIGA, pourvu de cette rainure 46 ainsi que de toutes les encoches dont on a besoin.
A titre d'exemple, à la sortie de la fibre monomode 16, le faisceau lumineux divergent 52 (dont le demi-angle de divergence vaut 80) est filtré par une ouverture circulaire 54 puis focalisé par une lentille cylindrique 56 de distance focale égale à 22 mm placée à égale distance (22 mm) du guide planaire et de la fibre. Le faisceau lumineux est réfléchi vers les microguides 60 par un miroir 58 placé à 350 et la fibre est inclinée de 100. Les paramètres de focalisation sont définis par les relations de conjugaison d'optique gaussienne pour un mode guidé ayant une demi-largeur ( waist ) de 2,2 um.
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Le faisceau transmis, diffracté par les micro-guides 60, est récupéré à la sortie du guide planaire par un prisme réflecteur 62 puis focalisé sur la barrette de photodétecteurs 64 par une lentille cylindrique 66 de distance focale environ égale à 8 mm.
Cette lentille 66 peut être une lentille piano-convexe ou une lentille de Fresnel.
En tenant compte de la relation de conjugaison entre le mode en sortie du guide planaire et l'image sur la barrette, le bord du substrat planaire 50 se trouve à une distance de 8,5 mm du centre de la lentille 66 pour une distance focale de 8 mm. La hauteur du faisceau image fait environ 100 um sur les photo-détecteurs.
Trois miroirs 68,70 et 72 permettent de réfléchir le faisceau vers la barrette sur une distance de 175 mm en espace libre. Plus précisément, le faisceau diffracté issu du prisme 62 se réfléchit sur le miroir 68 puis sur le miroir 70 puis sur le miroir 72 et ce dernier réfléchit le faisceau vers la barrette 64.
A titre d'exemple, en prenant comme référence la verticale (interface du substrat planaire), le premier miroir 68 fait un angle de 15 , le second miroir 70 fait un angle de 750 et le troisième miroir 72 fait un angle de 48, 750 (sa normale étant orientée de 41, 250 suivant la verticale).
Dans le cas des figures 7A et 7B, au même titre que pour le premier assemblage, des entretoises calibrées 74,76 et 78 qui sont disposées sur des côtés clivés du substrat planaire 50, entre ces côtés et le
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support moulé 48, comme on le voit sur la figure 7A, permettent de positionner ce substrat planaire 50 en hauteur et de garantir qu'il est parallèle non seulement à la barrette de détection 64 mais aussi à la partie de la fibre qui se trouve dans la rainure 46 et à l'axe de la lentille cylindrique 56.
Un micro-spectromètre élémentaire selon le premier assemblage (figures 6A et 6B) est susceptible
3 d'occuper un volume de 60x60x9 mm3.
3 d'occuper un volume de 60x60x9 mm3.
Selon le deuxième assemblage (figures 7A et 7B), il est susceptible d'occuper un volume de
3 60x60xl2mm3.
3 60x60xl2mm3.
Un micro-spectromètre comprenant un empilement de quatre blocs élémentaires permet de couvrir une étendue spectrale de plus de 150 nm (à une longueur d'onde de 1, 55 pm) par superposition selon la répartition suivante :
<tb>
<tb> Bande <SEP> Domaine <SEP> spectral <SEP> (nm) <SEP> Nombre <SEP> de <SEP> blocs
<tb> de <SEP> 1470 <SEP> à <SEP> 15001
<tb> de <SEP> 1528 <SEP> à <SEP> 15651
<tb> L <SEP> de <SEP> 1566 <SEP> à <SEP> 16452
<tb>
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<tb> L <SEP> de <SEP> 1566 <SEP> à <SEP> 16452
<tb>
Considérons maintenant la stabilité en température d'un spectromètre conforme à l'invention.
Un phasar est sensible à la température quelle que soit la technologie avec laquelle il est fabriqué. Cela se traduit par des variations de la longueur d'onde centrale ko du phasar en fonction de la température, ces variations résultant de la dilatation thermique du matériau du phasar et des variations de
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l'indice de réfraction de ce matériau en fonction de la température (effet thermo-optique). La longueur d'onde centrale augmente avec la température.
Pour un demi-phasar mentionné plus haut, travaillant à l'ordre 39 pour une étendue spectrale de 40 nm, réalisé en optique intégrée sur silicium ou en optique intégrée sur verre, la dépendance thermique de la longueur d'onde centrale est de l'ordre de 10 pm/ C.
On aboutit donc à un décalage du spectre sur la barrette de photodétecteurs de l'ordre de 3 um/ C, c'est-à-dire un quart de pixel/ C.
Chacun des deux assemblages proposés (figures 6A-6B et 7A-7B) peut être régulé en température par une résistance chauffante, afin de garantir la stabilité des mesures spectrales dans le temps, et l'étanchéité de l'assemblage peut être prévue pour garantir la résistance de cet assemblage à l'humidité et garantir aussi une pression d'air constante.
Une autre solution consiste à prévoir un élément mécanique de compensation de ce décalage angulaire.
Dans le cas des spectromètres des figures 6A-6B et 7A-7B, une solution de compensation consiste à actionner l'un des miroirs de repliement du faisceau de sortie, avantageusement le premier miroir 30 (figure 6A) ou 68 (figure 7A) bien que ce principe soit adaptable à chacun des miroirs. Ce miroir 30 ou 68 est engagé, par l'une de ses extrémités, dans une rainure de positionnement 80 (figure 8) ou 82 (figure 9) qui sert de pivot et ce miroir 30 ou 68 est actionné
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par un bras de levier 84 (figure 8) ou 86 (figure 9) fixé à l'autre extrémité du miroir.
A titre d'exemple, ce bras de levier est un barreau d'aluminium, engagé dans une rainure 88 ou 90 dont le coefficient de dilatation thermique est d'environ 23xlO'/ C. L'extension par dilatation thermique de ce barreau incline le miroir et compense le décalage angulaire induit par la variation de température dans le substrat planaire. Une inclinaison d'environ 2, 5x10-5 rad/ C est nécessaire et réalisée, par exemple, par un barreau de 20 mm de longueur placée à 20 mm du pivot selon les figures 8 et 9 qui correspondent respectivement aux premier et deuxième assemblages).
En ce qui concerne la sensibilité des mesures, la distance totale parcourue par la lumière au sein du spectromètre est de l'ordre de 10 cm, d'où une perte de propagation de 1 dB (en considérant une atténuation de 0,1 dB/cm). Les pertes de connectique et les pertes aux interfaces doivent être rajoutées. Considérons donc une perte optique totale du spectromètre de 6 dB.
Dans le cas de l'utilisation de ce spectromètre pour la mesure de longueurs d'onde de réseaux de Bragg en métrologie optique, la plupart des sources superluminescentes continues utilisées émettent typiquement quelques centaines de microwatts sur quelques dizaines de nm de largeur spectrale. Ceci correspond à une densité spectrale d'excitation de l'ordre de 100 uW/10 nm, c'est-à-dire 1 pW/Â.
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Sachant que la largeur spectrale typique d'un réseau de Bragg transducteur est de l'ordre de 1 (100 pm), la puissance renvoyée par la fibre optique externe est donc environ égale à-30 dBm (1 pW). Ainsi, la puissance analysée au niveau de la barrette de photodétecteurs est estimée à-42 dBm (en tenant compte des pertes optiques et du recouvrement spot/pixel).
Une fibre optique externe est connectée au guide planaire 14 (figure 5) afin d'être ultérieurement soudée ou connectée au circuit optique incorporant une ou plusieurs fibres optiques sensibles. Cette fibre externe constitue ainsi l'interface optique avec le milieu extérieur (accessible par l'utilisateur final).
Avantageusement, cette fibre optique externe est monomode à la longueur d'onde d'utilisation (typiquement 1300 nm, 1550 nm ou encore 820 nm).
La liaison fibre-guide peut être assurée par la technique des rainures en V ( V-grooves ).
La connexion des fibres aux guides peut se faire par collage (par exemple avec une colle polymérisable par un rayonnement ultraviolet) ou par soudage laser.
Avantageusement, l'unité de détection est un ensemble de photodiodes ou une barrette de photodiodes en InGaAs réalisée par épitaxie. Des barrettes telles que celles qui sont commercialisées par la société Thomson peuvent être utilisées. La zone utile de détection fait environ 5 pm ; elle est séparée par deux zones passivées de 8 pm, d'où une période de 13 pm.
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Une forte bande passante en fréquence (100 kHz) peut être atteinte en faisant fonctionner les photodiodes en régime photoconducteur et en insérant ces photodiodes dans un montage électronique de type transimpédance par exemple.
En variante, dans le cas d'une technologie d'optique intégrée sur silicium, les photodétecteurs peuvent être directement incorporés au circuit.
Une matrice de photo-détecteurs permettant de former des images en deux dimensions peut également être utilisée au lieu de plusieurs barrettes linéaires.
En ce qui concerne le calibrage, une correction polynomiale entre pixel et longueur d'onde est généralement mise en oeuvre du fait de la distorsion du champ observé sur la barrette.
Nous proposons aussi un troisième assemblage conforme à l'invention, incorporant un composant d'optique intégrée, schématiquement représenté sur la figure 10, de surface plus réduite afin d'optimiser son coût de fabrication. Il s'agit d'un demi-phasar fonctionnant en réflexion.
Deux demi-phasars identiques 91, fonctionnant en réflexion, peuvent être réalisés sur un même disque 92 de 60 mm de diamètre (le cercle en pointillés 94 délimitant la zone utile du disque 92).
De façon similaire à la figure 4, un ensemble 96 (respectivement 98) de 800 microguides formant des arc de cercles de 600 est délimité, d'un côté, par un clivage 100 (respectivement 102), le côté résultant de ce clivage étant pourvu d'un dépôt réfléchissant 104 (respectivement 106), et de l'autre
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côté, par une interface 108 (respectivement 110) vers une couche guidante planaire 112 (respectivement 114) permettant une réflexion de faisceau lumineux grâce à un autre clivage 116 (respectivement 118).
Contrairement au premier assemblage, un dépôt réfléchissant n'est pas nécessaire sur le clivage 116 (respectivement 118) car, dans l'exemple de la figure 10, l'angle d'incidence est suffisant pour qu'il y ait réflexion totale pour les faisceaux incidents et réfractés.
Les deux demi-phasars sont tout d'abord séparés par un clivage 124 avant toute autre opération.
Afin de faciliter cette opération de clivage, des repères marquant l'axe de ce clivage, par exemple des marques m aux deux extrémités de cet axe, peuvent avantageusement être photogravés en même temps que le masquage pour la diffusion du guide.
Un clivage supérieur 126 et un clivage inférieur 128 sont également formés pour des raisons mécaniques, comme on le voit sur la figure 10.
De la même façon que pour le premier assemblage (figures 6A et 6B), le troisième assemblage schématiquement représenté sur les figures 11A et 11B incorpore le composant optique 91 décrit en faisant référence à la figure 10, une fibre optique 130 connectée à ce composant par les techniques traditionnelles et un support mécanique 132, moulé par la technique LIGA et supportant tous les éléments optiques (prisme réflecteur 134, lentille cylindrique 136, miroirs plans de repliement 138,140 et 142 et barrette de photo-détecteurs 144).
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On précise que, dans cet assemblage, la lumière issue du composant optique 91 est réfléchie par le prisme réflecteur 134 puis focalisée par la lentille cylindrique 136 sur la barrette de photo-détecteurs 144 après réflexion sur les miroirs plans de repliement 138,140 et 142.
Le principe optique de cet assemblage est identique à celui du premier assemblage (figures 6A et 6B). La lentille cylindrique 136 est toutefois placée entre le prisme réflecteur 134 et le composant optique planaire 91 mais la distance entre la lentille et ce composant est la même que pour le premier assemblage.
Ce composant repose également sur trois entretoises 146,148 et 150.
Il convient de noter que, dans chacun des spectromètres des figures 6A-6B, 7A-7B et 11A-11B, la lumière que l'on veut analyser est guidée, sur une partie de son trajet, dans un guide plan, comprenant les microguides 12 ou 60 ou 96 puis une autre partie de ce trajet a lieu en espace libre, après repliement de ce trajet grâce au prisme 24 ou 62 ou 134, ce repliement permettant à la lumière de se trouver sensiblement dans un plan parallèle au guide plan, puis ce trajet en espace libre est à nouveau replié plusieurs fois dans ce plan grâce aux miroirs 30-32-34 ou 68-70-72 ou 138-140-142 avant d'atteindre les photodétecteurs, ce qui permet de confiner le trajet total dans un très faible volume et d'obtenir des spectromètres très peu encombrants.
Toutefois, on ne sortirait pas du cadre de l'invention en réduisant le nombre des repliements et
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en diminuant, pour ce faire, le nombre des miroirs et/ou en supprimant le prisme ; on obtiendrait encore des spectromètres moins encombrants que dans l'art antérieur ; dans le cas des figures 6A-6B et 7A-7B, la suppression du prisme nécessiterait bien entendu de placer la lentille en regard du guide plan pour qu'elle puisse focaliser la lumière qui en sort.
En revenant aux figures 11A et 11B, la fibre optique 130 est avantageusement en germanosilicate, son coeur ( core ) a un très petit diamètre (environ 2 micromètres) et elle a un très fort saut d'indice (supérieur ou environ égal à 0,05). Cette fibre est assemblée au substrat planaire 152 du composant 191 par collage. Les fibres de ce genre sont utilisées pour l'optique non-linéaire ou l'amplification optique, applications pour lesquelles une très forte intensité lumineuse est recherchée.
Cette fibre optique 130 est soudée à une autre fibre optique 154, du genre de celles qui sont utilisées en télécommunications dans la bande de longueurs d'onde de 1,55 micromètres. Ces fibres ont un
coeur de l'ordre de 9 micromètres de diamètre et un saut d'indice d'environ 5x10-3.
coeur de l'ordre de 9 micromètres de diamètre et un saut d'indice d'environ 5x10-3.
Une adaptation du mode de la fibre 130 au mode de la fibre 154 est réalisée afin de souder ces fibres 130 et 154 avec un minimum de pertes. Pour ce faire on chauffe localement la fibre 130 pour faire diffuser le dopant (le germanium dans l'exemple considéré) vers l'extérieur et ainsi créer une variation progressive du diamètre de coeur jusqu'à ce qu'il s'adapte à celui de la fibre 154. Cette technique
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est connue sous le nom de TEC pour Thermally-diffused Expanded Core.
La fibre optique 130 comporte donc, en une extrémité, une portion de fibre à coeur diffusé 156 sur laquelle la fibre 154 est soudée de façon traditionnelle.
On considère maintenant quatre exemples d'application de l'invention.
1) Analyse de spectres optiques, compatible avec la grille ITU, à haute capacité en DWDM.
Dans ce domaine, un spectromètre conforme à l'invention permet de fournir, à un utilisateur, une indication visuelle sur le placement optique des canaux DWDM. Il est envisageable de fournir des signaux de contre-réaction à des modules de controle de diodes lasers afin de corriger une éventuelle dérive des longueurs d'onde des émetteurs. Ce mode de contrôle correspond à un adressage pixel par pixel. Il permet de réaliser un récepteur multi-canal reconfigurable dynamiquement.
Un tel spectromètre est compatible avec les futures spécifications DWDM. Il est caractérisé par un faible encombrement, un coût optimisé (résultant d'une fabrication collective) et une grande bande passante, qui va typiquement de quelques kilohertz à quelques centaines de kilohertz et ne dépend que des photodétecteurs, avec ou sans analyse de l'état de polarisation.
Son aspect modulaire (résultant du concept d'étages multiples) permet d'adresser tout ou partie du
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spectre optique utilisé en télécommunications à longue distance, ce spectre s'étendant de 1300 nm à 1700 nm.
2) Mesure du rapport signal-sur-bruit des canaux optiques dans les réseaux de télécommunications DWDM.
Il s'agit de mesurer la puissance de chaque canal ainsi que le bruit ambiant, induit notamment par l'émission spontanée amplifiée (ASE) des amplificateurs. Grâce au pouvoir séparateur d'un microspectromètre conforme à l'invention, il est possible de déterminer la courbe-enveloppe du bruit de fond optique des canaux, d'interpoler les valeurs de bruit pour chaque longueur d'onde de canal et d'en déduire le rapport signal-sur-bruit pour chacun des canaux comme cela est décrit dans le document suivant : [11] WO 98/54862 (CIENA Corp.).
3) Mesure spectrale de la dispersion de modes de polarisation.
Les fibres monomodes utilisées supportent deux modes de polarisation du fait de la biréfringence de la silice. Ces deux modes sont caractérisés par deux indices effectifs légèrement différents. L'impulsion lumineuse reçue est donc formée de deux impulsions selon deux états de polarisation dont le retard évolue au cours du temps notamment à cause des contraintes dans les câbles optiques, ces contraintes résultant par exemple de variations de température.
La dispersion chromatique a longtemps limité le multiplexage temporel. Actuellement, la dispersion de mode de polarisation (PMD) constitue une
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nouvelle limitation en termes de capacité de modulation.
On distingue deux régimes de comportement statistique de la PMD. Dans l'un de ces régimes, la PMD est proportionnelle à la longueur L de fibre tandis que dans l'autre régime, elle est proportionnelle à L1/2. En pratique, une ligne de 100 km, ayant une capacité de transmission supérieure à 10 Gbits, nécessite un coefficient de PMD inférieur à 1 ps. kml/2 et il devient important de caractériser ce paramètre sur le terrain.
Les valeurs usuelles de PMD sont donc de quelques dizaines de ps sur plusieurs centaines de kilomètres de fibre.
Parmi toutes les méthodes connues pour mesurer la PMD, il en existe une qui emploie une source à large bande spectrale, alternativement polarisée suivant deux directions orthogonales, et selon laquelle on recueille les spectres correspondants du faisceau lumineux transmis à travers un analyseur et l'on compte le nombre de passages par OdB de la courbe-ratio des deux spectres. A ce sujet on se reportera au document suivant : [12] C. D. Poole et al., Polarization-mode dispersion measurement based on transmission spectra though a polarizer, J. of Lightwave technol. Vol. 12, NO6, 1994, pages 917-929.
Avec cette méthode, les grandes valeurs de PMD (correspondant à la gamme de mesure) sont définies par la résolution spectrale du spectromètre que l'on utilise, alors que les faibles valeurs de PMD sont définies par l'étendue spectrale du spectre observé.
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4) Analyse de spectres de réseaux de Bragg pour la métrologie à réseaux de Bragg.
Pour une telle analyse, on utilise une source optique à large bande et l'on analyse les longueurs d'onde réfléchies par les différents réseaux de Bragg multiplexés en longueurs d'onde le long de la ligne de mesure. La mesure et le démultiplexage s'effectuent simultanément par adressage sur une barrette de photodétecteurs selon un coût optimisé et avec une forte bande passante en fréquence, tous ces paramètres étant importants afin de pouvoir utiliser ce type de métrologie dans le milieu industriel.
L'équation de comportement spectral d'un réseau de Bragg inscrit dans une fibre standard en germanosilicate s'écrit :
Ak = 0, 78 E + 7, 4 x 10-6 AT (0)-5, 2 x 10 AP (MPa). k
Dans cette équation E, AT et AP correspondent respectivement à la déformation, à l'écart de température et à l'écart de pression.
Ak = 0, 78 E + 7, 4 x 10-6 AT (0)-5, 2 x 10 AP (MPa). k
Dans cette équation E, AT et AP correspondent respectivement à la déformation, à l'écart de température et à l'écart de pression.
Pour une source d'excitation dont la largeur à mi-hauteur vaut environ 48 nm, cela correspond à un multiplexage de 8 transducteurs de Bragg sur la ligne de mesure.
On peut alors concevoir un micro-système optique de mesure de déformations ou de températures, comprenant des transducteurs à réseaux de Bragg photoinscrits comme le montre schématiquement la figure 12.
Un tel micro-système peut comprendre en outre un coupleur équilibré à quatre voies (avec 50 % de transmission sur les deux voies de sortie) qui a la référence 158 sur la figure 12.
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Une source optique 160 à large bande spectrale, qui peut être une source superfluorescente à fibre dopée à l'erbium ou bien une diode superluminescente, est alors connectée à un bras d'entrée du coupleur 158 tandis que le microspectromètre 162 conforme à l'invention est connecté à l'autre bras d'entrée du coupleur. L'un des deux bras de sortie du coupleur est, quant à lui, relié à l'extrémité d'une fibre optique sensible 164 sur laquelle ont été photo-inscrits plusieurs réseaux de Bragg transducteurs 166 et dont l'autre extrémité comporte un clivage en biais 168.
On rappelle que le spectre optique des diodes superluminescentes a une allure gaussienne et une largeur spectrale typique de l'ordre de 30 nm à 50 nm.
On voit aussi sur la figure 12 les moyens 170 d'alimentation de la source 160, la barrette de photodiodes 172 qui est associée au micro-spectromètre et les moyens électroniques 174 de détection des signaux fournis par la barrette de photodiodes.
Un dispositif conforme à l'invention s'applique donc à la surveillance en temps réel, à forte bande passante (1 kHz), de plusieurs contraintes ou pressions appliquées à une fibre optique sensible incorporée dans une structure par exemple en matériau composite.
Il peut aussi être employé pour faire des mesures en temps réel de températures distribuées.
En outre, il peut être utilisé dans le domaine des télécommunications pour démultiplexer
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plusieurs canaux et mesurer des informations codées en longueur d'onde.
Ce dispositif s'applique aussi au démultiplexage et à la mesure de plusieurs longueurs d'onde, par exemple dans le domaine des télécommunications multiplexées en longueur d'onde.
Enfin, selon le premier mode de conception de démultiplexage, la grande flexibilité de fabrication de ce dispositif le rend particulièrement attractif pour une instrumentation multisectorielle, par un ajustement aisé des longueurs d'onde de Bragg des réseaux photo-inscrits, un adressage étant alors effectué sur la barrette de photo-détecteurs.
Considérons maintenant un mode de fabrication collective de phasars utilisables dans l'invention, en faisant référence à la figure 13.
De tels phasars peuvent être fabriqués en utilisant une technologie d'optique intégrée silice sur silicium et une tranche ( wafer ) de 4 pouces (environ 10 cm) de diamètre. Avec cette technologie on peut aussi traiter des tranches de 8 pouces (environ 20 cm) de diamètre. Sur un tel support 175 (figure 13) il est possible de former 16 doubles-phasars 176 du genre de celui qui est représenté sur la figure 10 et donc 32 composants phasars simultanément (approche collective de fabrication).
Après réalisation des motifs (selon les méthodes décrites dans les documents [4] et [5], les ensembles 176 sont séparés par sciage (au moyen d'une lame métallique ou d'une lame en diamant) selon une procédure automatisée à commande numérique. Le trait de
<Desc/Clms Page number 55>
scie fait environ 200 um à 300 um de large ; il n'est pas représenté sur la figure 13.
L'opération de sciage peut par exemple débuter par une séparation de bandes 178 de doublesphasars 176 selon les traits pointillés 180 puis se poursuivre par un assemblage des bandes ainsi séparées et un redécoupage de celles-ci pour isoler les motifs de double phasars 176. Les phasars peuvent être ensuite à nouveau assemblés et sciés suivant leur ligne médiane (non représentée).
L'avantage économique de ce schéma de phasar replié tient à ce que la surface du composant est divisée par deux par rapport à un schéma traditionnel en transmission. Le nombre de composants phasars fabriqués par tranche est donc multiplié au moins par deux et le coût d'un phasar individuel est divisé au moins par deux.
De plus, les opérations de polissage qui suivent l'opération de sciage peuvent être réalisées simultanément sur un très grand nombre de substrats, ce qui permet encore de réduire le coût. Il en est de même pour l'opération de formation d'un dépôt réfléchissant mentionnée plus haut dans la description des figures 4 et 5.
On peut encore former des repères de clivage m comme on l'a vu plus haut, pour définir les divers traits de clivage dont on a besoin, en particulier les traits de clivage 180.
Claims (20)
- REVENDICATIONS 1. Spectromètre optique comprenant au moins un spectromètre optique élémentaire, ce spectromètre optique élémentaire étant caractérisé en ce qu'il comprend : - un réseau de phase optique comprenant un ensemble de micro-guides (12,60, 96,98), ce réseau de phase optique étant formé sur un guide optique planaire qui est clivé, - des moyens de réflexion (24,30, 32, 34 ; 62,68, 70,72 ; 134,138, 140,142) aptes à réfléchir successivement des rayonnements issus de l'ensemble des microguides, en vue d'une propagation de ces rayonnements sous forme repliée et en espace libre, des moyens (26,64, 144) de photodétection des rayonnements ainsi réfléchis, et - des moyens (28,66, 136) de focalisation des rayonnements sur ces moyens de photodétection.
- 2. Spectromètre selon la revendication 1, dans lequel le réseau de phase optique est prévu pour fonctionner par réflexion et le guide optique planaire comporte une pluralité de côtés clivés (cl, c2, c3), rendus réfléchissants vis-à-vis des rayonnements issus de l'ensemble de microguides et vis-à-vis de rayonnements destinés à pénétrer dans cet ensemble.
- 3. Spectromètre selon la revendication 2, dans lequel l'ensemble des microguides aboutit à l'un (cl) des côtés clivés et le réseau de phase optique comprend une zone de focalisation (F) qui aboutit à l'un au moins de ces côtés clivés.<Desc/Clms Page number 57>
- 4. Spectromètre selon la revendication 1, dans lequel le réseau de phase optique est prévu pour fonctionner par réflexion et le guide optique planaire comporte un côté clivé (cl), qui est rendu réfléchissant vis-à-vis des rayonnements issus de l'ensemble de microguides et vis-à-vis de rayonnements destinés à pénétrer dans cet ensemble et auquel l'ensemble des microguides aboutit, ainsi que d'autres côtés clivés (c2, c3) aptes à réfléchir ces rayonnements, ces rayonnements étant prévus pour arriver sur ces autres côtés clivés avec des angles d'incidence suffisamment grands pour conduire à une réflexion totale de ces rayonnements.
- 5. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les microguides forment des arcs de cercles concentriques (12,96, 98).
- 6. Spectromètre selon la revendication 1, dans lequel le réseau de phase est prévu pour fonctionner par transmission.
- 7. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens de réflexion comprennent : - un prisme (24,62, 134), qui est prévu pour réfléchir les rayonnements issus de l'ensemble de microguides dans un plan parallèle au guide optique planaire sur lequel est formé le réseau de phase optique, et - au moins un miroir (30,32, 34 ; 68,70, 72 ; 138, 140,142) prévu pour réfléchir les rayonnements se propageant dans ce plan vers les moyens de photodétection.<Desc/Clms Page number 58>
- 8. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre un support (42,48, 132) sur lequel le réseau de phase optique, les moyens de réflexion et les moyens de photodétection sont positionnés les uns par rapport aux autres.
- 9. Spectromètre selon la revendication 8, dans lequel le support (42,48, 132) est obtenu par moulage ou emboutissage à chaud d'une matière plastique, à partir d'un moule obtenu par une technique de moulage par lithographie et électro-formage.
- 10. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant en outre des moyens (84,86) de compensation de modifications subies par le réseau de phase optique à cause de variations de température.
- 11. Spectromètre selon la revendication 7, comprenant en outre des moyens de compensation de modifications subies par le réseau de phase optique à cause de variations de température, ces moyens de compensation comprenant un barreau (84,86) ayant un coefficient de dilatation thermique de préférence élevé, ce barreau étant rendu solidaire du miroir (30, 68) pour engendrer, par dilatation thermique, des modifications de l'orientation du miroir, aptes à compenser les modifications subies par le réseau de phase optique.
- 12. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le guide optique planaire est obtenu par une technique d'optique intégrée sur verre ou sur un semiconducteur, en particulier le silicium ou le phosphure d'indium.<Desc/Clms Page number 59>
- 13. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, comprenant une pluralité de spectromètres optiques élémentaires (mol, M2, M3 ; Mix, Mly, M2x, M2y, M3x, M3y) prévus pour couvrir de façon modulaire une gamme spectrale déterminée et optiquement couplés à une fibre optique d'entrée (FE) par l'intermédiaire de moyens de séparation de longueur d'onde (2,4).
- 14. Spectromètre selon la revendication 13, comprenant en outre des moyens de séparation de polarisation (Cl, C2, C3) qui relient ces moyens de séparation de longueur d'onde aux spectromètres optiques élémentaires.
- 15. Spectromètre selon la revendication 13, comprenant en outre des moyens de séparation de puissance (pal, P2, P3) et des moyens de polarisation (Px, Py) qui relient ces moyens de séparation de longueur d'onde aux spectromètres optiques élémentaires.
- 16. Procédé de fabrication du spectromètre selon la revendication 1, dans lequel le réseau de phase optique est du genre replié, pour fonctionner par réflexion, et fabriqué en plusieurs exemplaires, par paires tête-bêche, selon les techniques de l'optique intégrée, à partir d'un même substrat qui est ensuite clivé pour obtenir les divers réseaux de phase optique ainsi fabriqués et former un spectromètre optique élémentaire avec chacun de ceux-ci.
- 17. Procédé de fabrication du spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, dans lequel on forme chaque réseau de phase optique à partir<Desc/Clms Page number 60>d'un substrat et l'on forme des repères de clivage (m) en même temps que les microguides de ce réseau de phase optique sur ce substrat.
- 18. Dispositif d'analyse spectrale pour les télécommunications optiques à haut débit utilisant un multiplexage dense en longueur d'onde, ce dispositif comprenant le spectromètre selon l'une quelconque des revendications 13 à 15 pour fournir une indication en temps réel du placement de canaux dans l'intervalle allant de 1528,77 nm à 1563,86 nm, de façon modulaire et adaptable selon les besoins des utilisateurs.
- 19. Dispositif de métrologie optique à réseaux de Bragg, ce dispositif comprenant le spectromètre selon l'une quelconque des revendications 13 à 15 pour mesurer des longueurs d'onde de Bragg.
- 20. Dispositif selon la revendication 19, dans lequel le spectromètre est destiné à détecter des signaux optiques issus d'au moins un capteur à réseau de Bragg (166).
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