´Etude et réalisation d`un PHASAR en optique intégrée sur verre

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE
´
Ecole Doctorale EEATS
Rapport de MASTER II Recherche Optique et Radiofr´equence
option O P T O E L E C T R O N I Q U E
r´ealis´e `a l’Institut de Micro´electronique,
´
Electromagn´etisme et Photonique (IMEP).
´
Etude et r´ealisation d’un PHASAR en
optique int´egr´ee sur verre
Rafael SALAS MONTIEL
<[email protected]>
Responsables de stage : Jean-Emmanuel BROQUIN et Lionel
BASTARD
Grenoble, FRANCE, Septembre 2004

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cional de Ciencia y Tecnologia (CONACYT). El CONACYT es un organismo del Gobierno
Mexicano dedicado a impulsar y fortalecer el desarrollo cient´ıfico y la modernizaci´on tec-
nol´ogica de M´exico.
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A
T
E
X.

Table des mati`eres
Remerciements 8
R´esum´e 9
Abstract 9
Introduction 10
1 Optique int´egr´ee 11
1.1 Optique guid´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.1 Guides plans di´electriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.2 Guides confin´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2 Caract´eristiques des composants de l’optique int´egr´ee . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Fonctionnement th´eorique d’un PHASAR 22
2.1 Principe g´en´eral de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.1 Coupleur d’entr´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.2 R´eseau de guides AWG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Coupleur de sortie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Focalisation et dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 R´eseau de guides AWG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Caract´eristiques des PHASARs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1 Longueur d’onde centrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.2 Intervalle spectrale libre, ISL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.3 Pertes .................................... 31
2.3.4 Pertes par polarisation (PDL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.5 Diaphonie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4 Strat´egie de conception d’un PHASAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 Simulations num´eriques d’un PHASAR par BPM 35
3.1 Conception du PHASAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Analyse du PHASAR vis `a vis les simulations num´eriques . . . . . . . . . . . 36
3.2.1 R´egion de propagation libre en entr´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.2 Simulation du r´eseau AWG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.3 R´egion de propagation libre en sortie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 R´esultats num´eriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3

TABLE DES MATI ` ERES 4
4 R´ealisation et caract´erisation du PHASAR 47
4.1 Technologie de r´ealisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.1 Principe g´en´eral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.2 D´epˆot du masque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.3 Photo-microlithographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.4 Gravure du masque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.5 ´ Echange d’ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.6 Retrait du masque, d´ecoupe et polissage . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 Caract´erisation pr´eliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.1 Caract´erisation d’un guide droit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3 Caract´erisation du PHASAR r´ealis´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.1 Spectre de transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Conclusion 58
Bibliographie 59

Table des figures
1.1 Guides d’ondes en optique guid´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2 Directions de propagation de la lumi`ere `a l’interface de deux milieux di´electriques 12
1.3 Angle critique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Rep`ere et g´eom´etrie d’un guide d’onde plan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Deux types de polarisation dans un guide. a) TE b)TM . . . . . . . . . . . . 16
1.6 Distribution de modes guid´es et rayonn´es dans un guides plan. D’apr`es [1] . . 18
1.7 G´eom´etrie d’un guide confin´e. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.8 G´eom´etries des guides confin´es. a) Guide de surface b) Guide enterr´e. . . . . 20
1.9 Diff´erentes fonctions optiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.10 PHASAR en optique int´egr´ee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1 Principe d’op´eration de d´emultiplexage d’un PHASAR. . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Sch´ema du coupleur d’entr´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Optimisation du couplage dans le coupleur d’entr´ee . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Interf´erence de deux faisceau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 Interf´erence de Ngfaisceaux............................ 26
2.6 G´eom´etrie du r´eseau concave bas´ee sur le cercle de Rowland . . . . . . . . . . 28
2.7 Coupleur de sortie lin´eaire. Diff´erence de phase due aux AWG et `a la FPR. . 29
2.8 D´efinition de longueur d’onde centrale en sortie du d´emultiplexeur `a 1 dB. . . 31
2.9 D´efinition de pertes `a la longueur d’onde centrale. . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10 D´efinition de diaphonie. D’apr`es [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.11 Param`etres du PHASAR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1 R´egion de propagation libre en entr´ee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 R´egion de de propagation libre en sortie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3 Coupleur d’entr´ee. Propagation du faisceau incident. . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4 Distribution d’intensit´e du champ en sortie du coupleur d’entr´ee. . . . . . . . 39
3.5 Distribution des champs en entr´ee et sortie du coupleur de’entr´ee. . . . . . . 40
3.6 Coupleur de sortie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.7 Distribution du champ en sortie du coupleur de sortie. . . . . . . . . . . . . . 41
3.8 Sch´ema de simulation du coupleur d’entr´ee et de sortie . . . . . . . . . . . . . 41
3.9 Mise au point pour 1548.88 nm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.10 Mise au point pour 1550.50 nm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.11 Mise au point pour 1551.90 nm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.12 Mise au point pour 1553.50 nm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.13 Spectre de transmission du PHASAR simul´e `a 4 canaux. Polarisation TE . . 43
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