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comprendre I CAHIER TECHNIQUE www.photoniques.com ❚ 39 https://doi.org/10.1051/

comprendre I CAHIER TECHNIQUE www.photoniques.com ❚ 39 https://doi.org/10.1051/photon/20199839 Photoniques 98 L’optique ou ce qu’il convient d’appeler la photonique vit une période de transition majeure. De nouveaux concepts et de nouvelles structures ont permis récemment des approches originales pour manipuler la lumière à des échelles plus petites que sa longueur d’onde caractéristique, suscitant des espoirs réels de voir ces technologies photoniques sur le devant de la scène dans les décennies à venir. Azzedine BOUDRIOUA Laboratoire de Physique des Lasers, CNRS (UMR7538), Institut Galilée Université Paris 13, 93430 Villetaneuse, France boudrioua@univ-paris13.fr COMPRENDRE les structures guidantes À l’instar de la microélectronique, le développement de la photo- nique a nécessité des étapes que l’on peut classer en trois phases : la micro-optique, l’optique intégrée et la nano-photonique. Ce développement fulgurant est la suite d’un grand effort de recherche et de développement dans le domaine de l’optique guidée, ayant conduit à l’amélioration des perfor- mances des fibres optiques et à l’essor des réseaux de télécommunications op- tiques – qui font figure de locomotive des technologies photoniques. Les re- cherches et développements en optique guidée ont rendu disponibles des com- posants optiques intégrés de tout genre à des coûts faibles. De ce fait, d’autres applications dans des domaines divers et variés ont vu le jour. Le concept d’optique intégrée a été in- troduit pour la première fois en 1960 par S.E. Miller du laboratoire Bell (USA) [1-3]. L’approche proposée par Miller consistait à réaliser sur le même subs- trat des composants passifs et actifs pour la génération et le traitement du signal optique. L’élément de base de ce type de circuit étant le guide d’onde. Comme son nom l’indique, l’optique intégrée se propose de fabriquer et inté- grer plusieurs composants optiques in- dividuels sur un substrat plan commun [2,3]. L’objectif étant de fabriquer des circuits optiques intégrés (ou circuits photoniques intégrés) pouvant exécuter des fonctions optiques complexes. Les progrès technologiques ont permis l’apparition de dispositifs optiques à faible perte dotés d’une grande stabilité thermique et environnementale, à un coût relativement bas. Tout cela grâce à une recherche multidisciplinaire im- pliquant des physiciens, des chimistes, des ingénieurs voire même des biolo- gistes avec l’ambition de fournir des dispositifs photoniques performants construits en considérant la question à l’échelle atomique et moléculaire. De plus, comme ce fut le cas pour le dé- veloppement de la microélectronique, l’ingénierie des matériaux a mis plu- sieurs décennies à développer les ma- tériaux appropriés pour produire des composants optoélectroniques fiables. Le progrès de la photonique est sans aucun doute déterminé par la fabrica- tion et la caractérisation de matériaux optiques pouvant être utilisés pour générer et transmettre de la lumière. Hormis le cas de la fibre optique, on peut distinguer 5 familles de maté- riaux pour la photonique [4] : les orga- niques (polymères) , les diélectriques, les semi-conducteurs, les verres et ce qui s’est imposé comme photonique sur silicium ou Si/SiO2. Par exemple, le niobate de lithium (LiNbO3) est le matériau diélectrique par excellence. Il est utilisé depuis de nombreuses années Figure 1. Un des articles fondateurs de l’optique intégrée proposant une approche planaire pour intégrer plusieurs composants optiques sur le même substrat. Article publié sous les conditions définies par la licence Creative Commons Attribution License CC-BY (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0), qui autorise sans restrictions l’utilisation, la diffusion, et la reproduction sur quelque support que ce soit, sous réserve de citation correcte de la publication originale. CAHIER TECHNIQUE I comprendre ❚ www.photoniques.com 40 https://doi.org/10.1051/photon/20199839 Photoniques 98 pour la fabrication de composants op- toélectroniques pour le traitement du signal [5]. L’utilisation de ce matériau sous forme de guide d’onde optique a permis dans de nombreux cas de s’af- franchir des limitations liées à l’emploi du cristal massif. On obtient de la sorte des performances élevées en optique li- néaire et non linéaire, voisines de celles du matériau massif, avec une meilleure efficacité et un haut rendement. Cette diversité de matériaux est à la fois un inconvénient et un énorme avantage de l’optique par rapport à la microélectronique qui utilise un seul matériau, en l’occurrence le silicium. Un inconvénient car il est nécessaire de développer des approches hybrides afin d’assembler des composants à base de matériaux présentant des propriétés différentes, et un avantage car il est pos- sible de tirer profit d’une multitude de propriétés en même temps. Une autre motivation sous-jacente de l’optique in- tégrée est la bande passante élevée qui ne pourrait pas être atteinte par la microé- lectronique [6]. Cela a permis des débits de transmission atteignant les térabits par seconde, correspondant à la fenêtre de transmission actuelle du réseau de communications optiques. En raison de cette caractéristique exceptionnelle, le réseau optique passif (PON) utilise des circuits à ondes lumineuses planaires. Dans cet article, nous reviendrons sur quelques aspects techniques qui ont permis ce développement formidable. Notamment, la caractérisation optique de structures guidantes constitue le pre- mier pas nécessaire pour tout développe- ment technologique, et il fallait inventer et mettre en place les outils adéquats. Une équation qui résume toute la problématique du guidage planaire Les guides d’onde optiques sont des structures planaires à trois couches permettant le confinement et la pro- pagation de la lumière dans une di- rection bien déterminée à l’intérieur de la couche centrale. Le confinement de l’onde optique s’effectue par des ré- flexions totales successives sur les deux interfaces guide-substrat et guide-su- perstrat, et la propagation est assurée par un phénomène de résonance dû aux interférences qui se produisent à l’intérieur du guide entre deux ondes dont l’une subit deux réflexions totales successives. Pour comprendre ce phé- nomène, il est possible de se référer à la propagation de la lumière dans une lame à faces parallèles telle que décrite à la figure 2. Pour que la lumière ne s’autodétruise pas à l’intérieur du guide, il faut qu’elle subisse des interférences constructives. Pour cela, il faut que le déphasage total après deux réflexions successives soit un multiple de 2π. En réalité toute cette in- formation est contenue dans ce que l’on appelle l’équation de dispersion de mo- des guidés qui résume à elle seule toute la problématique de l’optique intégrée. Elle représente la condition à satisfaire pour qu’il y ait confinement et pro- pagation de la lumière dans la couche guidante. Elle exprime la condition de résonance selon laquelle la phase de l’onde en A et H est la même à m fois 2π près [7,8]. Cette équation se présente sous la forme suivante pour des guides d’onde simples : 2kd √(n2 — N 2 m) = Φ(n,na) + Φ(n,ns) + 2mπ Nm = n sin θm Φ (n,nj) = arctg [( n — nj ) 2ρ ( (N 2 m — − n2 j) (n2 − N 2 m)) 1/2 ] ρ = { 0 1 en polarisation TE en polarisation TM D’une part, d’après cette relation tout se passe comme si l’onde se propageait dans un milieu d’indice n sin θ appelé indice effectif, Nm. D’autre part, l’ex- pression impose des valeurs discrètes de θ qui correspondent aux diverses valeurs de m. Ces valeurs déterminent la suite des modes guidés de la struc- ture. Les solutions du problème sont illustrées sur le diagramme en figure 3. Une question de couplage et découplage de la lumière incidente La caractérisation optique des guides d’onde est principalement basée sur l’excitation des modes guidés de la structure à étudier. Pour cela, il est nécessaire de coupler et découpler la lumière de la structure guidante. Cela présente un intérêt majeur, non seule- ment pour déterminer les propriétés 1969 S.E Miller (Bell Laboratories) propose le concept de circuit optique intégré. 1970 Les premières études de matériaux et techniques de fabrication de guides d’onde. P.K. Tien développe la technique m-lines. Activités de recherche sur les émetteurs LEDs et LDs. Développement des recherches sur les fibres optiques. 1972 La première conférence Integrated and Guided Wave Optics (IGWO) à Salt Lake City (USA). Le premier circuit optique intégré : analyseur de spectre radiofréquence (RF), proposé par la NASA. 1977 Lancement d’un grand programme de recherche sur l’optique intégrée au Japon. 1984 La première conférence European Conference on Optical Communication. Tableau 1. Quelques dates clés dans l’histoire de l’optique intégrée. Figure 2. Interférence entre les deux premiers rayons sortants d’une lame à faces parallèles d’épaisseur d et d’indice n. COMPRENDRE I CAHIER TECHNIQUE 41 www.photoniques.com ❚ Photoniques 98 https://doi.org/10.1051/photon/20199839 La technique du biseau, rapportée pour la première fois par Tien et al. [10] en 1970 est basée sur la notion d’épaisseur de coupure. Elle consiste à amincir l’extrémité du guide d’onde (figure 5) par un biseau sur une distance de 10 à 100 fois la longueur d’onde λ utilisée. Aussi, la lumière peut être pro- gressivement couplée ou découplée à travers le biseau dès que l’épaisseur du guide d’onde atteint l’épaisseur de coupure du mode considéré. En d’autres termes, le biseau provoque une variation de l’angle de réflexion de la lumière autour de l’angle critique. Cette technique peut être très utile notamment dans le cas des films à haut indice tels que le GaAs, où il est uploads/Ingenierie_Lourd/ photon-201998-p-39.pdf