RAPPORT DE STAGE Adaptateur de mode en optique intégrée

UNIVERSITE DE BREST
ECOLE NATIONALE SUPERIEURE
DES TELECOMMUNICATIONS
DE BRETAGNE
ECOLE NATIONALE D’INGENIEURS
DE BREST
UNIVERSITE DE RENNES 1
ECOLE NATIONALE SUPERIEURE
DE SCIENCES APPLIQUEES
ET DE TECHNOLOGIE
DE LANNION
ECOLE DOCTORALE
SCIENCES DE LA MATIERE DE L’INFORMATION ET DU VIVANT ED SMIV 0373
_______________________
D. E. A.
SCIENCES ET TECHNOLOGIES DES TELECOMMUNICATIONS
OPTION COMMUNICATIONS OPTIQUES
RAPPORT DE STAGE
Adaptateur de mode en optique intégrée
Guide optique à gradient d'indice suivant l'axe de propagation
Spot size transformer
with graded index optical waveguide along propagation axis
Gaëtan ROTTIER
Responsable : Isabelle Hardy
2002-2003

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version du 26/06/03
Résumé
Ces dernières années, de nombreuses recherches ont été effectuées sur les guides optiques
fortement confinés en particulier en technologie polymère mais ceux-ci nécessitent de réduire les
pertes de couplage avec les fibres monomodes standard. Ce rapport présente une vue générale des
différents adaptateurs de mode possibles. Ensuite, un nouveau type d’adaptateur de mode, dans les
deux dimensions (2-D), est proposé sur des guides polymères de section constante. Dans ces guides,
le contraste d’indice entre le cœur et la gaine (∆n) est contrôlé le long de l’axe de propagation pour
créer un gradient d’indice. L’adaptateur est réalisé simplement par une insolation UV graduelle du
cœur, qui fait décroître le ∆n de 0.025 à 0.0075. La simulation par BPM montre que la taille du mode
du guide est multipliée par deux, réduisant ainsi de 2 dB les pertes de couplages (meilleur
recouvrement de modes) avec une fibre. Les premières mesures tendent à valider la théorie.
Mots clés : Optique guidée, adaptateur de mode, guide polymère, taper, BPM
Abstract
The past few years a lot of effort has been put in development of polymer optical waveguiding
devices but mode size converters are necessary to reduce coupling losses, especially between optical-
fiber and stronger confined single mode waveguides. This paper gives an overview of different taper
designs developed and introduce a new type of polymer waveguide for two-dimensional (2-D) mode
size transformation in which refractive index difference between core and cladding (∆n) is properly
controlled along the propagation axis while the core section is kept uniform. The proposed taper is
release by simple core UV exposition to gradually decrease ∆n from 0.025 to 0.0075. BPM
simulation shows that guide mode size is multiplied by more than two and coupling losses with
single mode fiber are 2 dB reduced. The first measurements of polymer waveguides without
superstrat validate the theory.
Key words : optical waveguide, mode size converters, polymer, BPM

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Remerciements
Le travail présenté dans ce rapport a été effectué au CCLO (Centre Commun Lannionais
d’Optique) en vue de l’obtention du DEA STT option Communications Optiques.
J'exprime mes remerciements à M. Jean-Claude Simon, professeur à l'Université de Rennes I,
directeur du Laboratoire d’Optronique de l’ENSSAT, pour m'avoir accueilli dans son laboratoire,
ainsi qu’à M. Dominique Bosc, Ingénieur HDR responsable de l’équipe du CCLO, pour m'avoir
accueilli dans son équipe et confié ce travail.
Je remercie également Mme Isabelle Hardy, docteur GET (Groupement des Écoles de
Télécommunication), pour avoir dirigé ce travail et pour son aide et son soutien constant.
Je remercie Philippe Grosso, ingénieur GET et co-responsable du CCLO, pour les mesures de
caractérisations des guides.
Mes remerciements vont aussi à Mme Monique Thual, Maître de Conférence / HDR IUT de
Lannion, pour ses explications sur les micro-optiques de couplage, ainsi qu’à Michel Gadonna,
ingénieur GET, pour ses explications théoriques sur les guides optiques.
J’exprime également ma gratitude envers M. Michel Guillou, ingénieur d’études, pour les
dépannages et sauvegardes des fichiers informatiques de modélisations numériques.
Je n’oublie pas dans ces remerciements Imane Assaïd, doctorante au CCLO, et Thomas Batté,
ingénieur d’études, pour leurs explications sur les technologies de fabrications des guides optiques en
polymères.
J’exprime ma sympathie envers Philippe Rochard et Robert Madec pour leurs aides techniques
et leur accueil.
Enfin, j’associe à ces remerciements l’ensemble des personnes rencontrées pendant ce stage,
notamment les autres stagiaires.

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1 SOMMAIRE
1 SOMMAIRE 4
2 INTRODUCTION 5
3 LES GUIDES EN OPTIQUE INTÉGRÉE ET L’ADAPTATION DE MODE 6
3.1 RÉALISATION DE GUIDES POLYMÈRES PAR PHOTO-INSCRIPTION 6
3.2 COUPLAGE FIBRE GUIDE 7
3.2.1 DÉFINITION DU FAISCEAU GAUSSIEN 7
3.2.2 COUPLAGE FIBRE-GUIDE 8
3.2.3 CALCUL DES MODES GUIDÉS D’UNE STRUCTURE RECTANGULAIRE 9
3.2.4 CONDITIONS DE PROPAGATION MONOMODE DANS UN GUIDE OPTIQUE 11
3.3 CONCLUSION 12
4 ÉTAT DE L’ART SUR LES ADAPTATEURS DE MODES 12
5 L’ADAPTATEUR DE MODE À INDICE DE CŒUR VARIABLE 15
5.1 GUIDE ENTERRÉ DE 3 µM X 3 µM EN PVCI15
5.1.1 MODÉLISATION 16
5.1.2 DÉTERMINATION DU COUPLAGE INTRINSÈQUE AVEC UNE FIBRE MONOMODE STANDARD 17
5.1.3 CONCLUSIONS 18
5.2 GUIDE 5 µM X 5 µM EN PVCI SUR SUBSTRAT DE SILICE ET SUPERSTRAT D’AIR 18
5.2.1 MODÉLISATION DU GUIDE 19
5.2.2 ALLONGEMENT DE LA ZONE DE DÉCROISSANCE DE CŒUR 21
5.2.3 MESURES DE GUIDES RÉALISÉS AU CCLO 22
5.2.4 DÉTERMINATION DU COUPLAGE INTRINSÈQUE AVEC UNE FIBRE MONOMODE STANDARD 24
5.2.5 CONCLUSIONS 25
5.3 GUIDE 3 µM X 3 µM EN PVCI SUR SUBSTRAT PVCI INSOLÉ À SATURATION 25
5.3.1 MODÉLISATION 25
5.3.2 ADAPTATION DU MODE AVEC LA FIBRE 27
5.3.3 CONCLUSION 28
6 CONCLUSION GÉNÉRALE 29
7 BIBLIOGRAPHIE 30

Introduction
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Présentation du CCLO
Le Centre Commun Lannionnais d’Optique (CCLO) est né de la volonté commune de l’École
Nationale Supérieure de Sciences Appliquées et de Technologie (ENSSAT) et de l’École Nationale
Supérieure des Télécommunications de Bretagne (ENST-Bretagne) de créer un centre commun de
recherche sur les technologies optiques. Le CCLO, en tant que centre technologique de recherche, a
initié en 2001-2002 un certain nombre d’études orientées vers des fonctions et des combinaisons de
fonctions de plus en plus complexes. Ceci est fait en cohérence avec les deux laboratoires dont
dépend le CCLO à savoir le laboratoire d’Optronique de l’ENSSAT et le département d’optique de
l’ENST-Bretagne. Depuis sa création, ces études l’ont amené à développer des compétences en
modélisation de circuits optiques, en caractérisations des guides et de micro-lentilles, en conception
de fonctions passives et actives, en technologies de dépôt et de gravure, comme en mise au point de
réalisation de guides optiques, conception et réalisation de micro-lentilles fibrées et assemblage
optique.
Le CCLO est composé de onze permanents et collabore avec toutes les équipes du laboratoire
d’Optronique et du département d’Optique. Il assure une bonne partie de son service technique qui
est relativement lourd du fait de ses activités technologiques.
2 Introduction
Les dispositifs d'optique intégrée passive permettent de réaliser l'interconnexion de fonctions
optiques : couplage, aiguillage, commutation, multiplexage… Au niveau des télécommunications, ils
trouvent pleinement leur utilité dans la réalisation de réseaux d'accès tout optique. Les composants en
ligne doivent cependant répondre à certaines exigences : passifs, faibles pertes, taille réduite, destinés
à la production de masse pour en abaisser les coûts. Des structures intégrées à base de matériaux
polymères sont actuellement à l'étude dans plusieurs laboratoires et notamment au CCLO. Ces
matériaux présentent des propriétés intéressantes comme la photosensibilité, un faible coût et
permettent la réalisation de guide simplement (photoinscription ou photolithographie). Dans le cadre
des études du CCLO, l’adaptation des technologies de réalisation des guides monomodes intégrés au
traitement de modes étroits, typiquement de l’ordre de 2 à 3 µm de diamètre, nécessite la conception
de transitions adiabatiques entre ces circuits optiques et des fibres monomodes standard à modes plus
large (environ 10 µm). L'objectif de cette étude est de faire un inventaire des différents adaptateurs de
mode intégrés existants, également appelés « taper » en anglais, et de rechercher des solutions
intégrant les technologies du laboratoire pour limiter les pertes de couplage entre un guide optique en
polymère de petite section carrée (de l'ordre de 3 à 5 µm d'arête) et une fibre monomode standard (de
diamètre 10 µm).
Le travail présenté ici synthétise une large étude bibliographique sur les adaptateurs de mode
avant d’introduire une solution adaptée aux technologies du laboratoire : la variation d’indice de
cœur du guide suivant l’axe de propagation.
Un premier paragraphe rappelle ce qu’est l’adaptation de mode, introduit les guides optiques et
les technologies de réalisation du CCLO. La deuxième partie de ce document est consacrée à la
synthèse bibliographique des différents adaptateurs de mode existants. Enfin, le dernier chapitre
présente une solution réalisable au CCLO : le taper à indice de cœur variable.