Dimensionnement de la jonction

Nous avons vu précédemment que le fonctionnement de la jonction en tant que

mul-tiplexeur en longueur d’onde dépend du principe d’adiabaticité, c’est à dire la possibilité

de transformer graduellement la forme du mode fondamental de propagation dans une

structure bimode, sans coupler de la puissance sur le deuxième mode ou sur les modes

rayonnés. Tout le savoir-faire nécessaire pour la fabrication d’un multiplexeur se traduit

dans la recherche des conditions à respecter pour satisfaire au mieux cette exigence

d’adia-baticité, tout en restant compatible avec des exigences d’espace occupé sur la plaquette

et les procédures de réalisation. Différents aspects jouant sur la réalisation d’une jonction,

nous présentons ici un panorama des choix effectuées, le but étant également de mettre en

évidence grâce aux simulations les éventuelles difficultés de réalisation d’un tel composant.

a) Choix de l’angle de branchement

Un paramètre clé pour la fabrication d’une jonction Y est l’angle de branchement. Un

angle trop faible correspond à une longueur trop grande du composant, tandis qu’un angle

trop important reviendrait à perturber l’adiabaticité, avec des répercussions importantes

en particulier sur l’isolation.

En littérature, on trouve des études théoriques approfondies analysant cette

probléma-tique, pour permettre de fixer un critère à respecter. En particulier, W. K. Burns et A. F.

Milton[82] ont traité la question en 1975, en analysant l’usage de jonction Y asymétrique en

tant que séparateur modal ou de puissance. En particulier, la jonction a été discrétisée et

à chaque pas de discrétisation, le transfert d’énergie entre les modes est calculé, en tenant

en compte des relations d’amplitude et de phase entre les champs à chaque interface. Il est

montré que la jonction a un comportement approximativement adiabatique si la relation

suivante (connue sous le nom de critère de Burns et Milton) est satisfaite :

θ < ∆β

0,43

⁷

β

2 0

−n

2 3

k

2 0

(2.45)

Où ∆β est la différence des constantes de propagation des modes fondamentaux des

deux branches de sortie de la jonction, θ est l’angle de branchement, β

₀

est la moyenne

des constantes de propagation pour les deux branches bien séparées. Cette expression nous

indique que le choix d’un angle élevé ne sera possible que si les branches de sortie sont

très asymétriques et le confinement (représenté par le terme

⁷

β

2

0

−n

2 3

k

2

0

qui est lié à la

constante de propagation transverse dans la région séparant les deux guides) n’est pas très

grand.

L’angle choisi dans notre simulations est de4_×10

−3

rad. Il respecte le critère de Burns

and Milton exprimé par l’équation (2.45), qui donne dans ce cas un angle limite de 29_×

10

−3

rad. Ce choix permet d’obtenir une séparation des branches de24µmaprès6mm de

longueur.

b) Choix d’une typologie de jonction

Dans les discussions du paragraphe 2.4.4, nous avons vu que pour réaliser un

multi-plexeur en longueur d’onde, notre jonction doit être constituée par le branchement entre un

guide large avec un faible écart d’indice et un guide étroit avec un fort contraste d’indice.

Néanmoins, dans la pratique, il y a plusieurs façons pour réaliser un branchement entre

ces trois guides, dont des exemples sont présentés dans la Figure 2.24.

a)

b)

c)

λ

₁

λ

₁

λ

₁

λ

₁

λ

₁

_λ

1

λ

₂

λ

₂

λ

₂

λ

₂

λ

₂

λ

₂

n

_sub

+ ∆n

₁

n

_sub

+ ∆n

₁

n

_sub

+ ∆n

₁

n

_sub

+ ∆n

₂

n

_sub

+ ∆n

2

n

_sub

+ ∆n

2

n

_sub

Fig.2.24. Typologies de branchement d’une jonction Y asymétrique

confinement croît et qu’il est mieux faire courber le bras où le champ est le mieux confiné.

Cela revient à choisir de faire dévier le bras haut indice, qui est fait pour la longueur d’onde

à980 nm. La configuration choisie est donc celle appelée c) sur la figure 2.24.

c) Géométrie du branchement

Pour faire en sorte que la jonction ait un comportement adiabatique et éviter le couplage

entre les mode fondamental et celui d’ordre 1, il faut choisir correctement la géométrie du

branchement. Un choix peut être de démarrer le guide étroit par une pointe, de telle sorte

que la propagation du champ soit perturbée le moins possible (voir Figure 2.25). Dans les

Figures 2.26 et 2.27, on trouve les résultats de simulation par BPM 2D d’une jonction Y

avec une pointe de150µmde longueur aux longueurs d’onde nominales de fonctionnement,

λ= 980 nm et λ= 1550 nm. Le comportement de démultiplexage de la jonction est très

évident. Le calcul de la puissance en sortie des branches de cette structure par rapport à la

longueur d’onde est visible en Figure 2.28. En particulier, on peut voir que la transmission

de chaque bras est pratiquement plate en bande passante sur une bande extrêmement large

autour des longueurs d’onde nominales de fonctionnement (980 nmet1550 nm). Les pertes

sont inférieures à1 dB aux longueurs d’onde nominales et restent très faibles sur toute la

bande passante, avec des isolations qui dépassent les 25 dBà980 nmet35 dB à1550 nm.

n

_sub

n

_sub

+ ∆n

₁

n

_sub

+ ∆n

₂

θ

Fig.2.25. Jonction Y asymétrique avec une pointe.

Fig.2.26. Simulation en BPM 2D à la longueur d’onde λ= 980 nmde la

jonc-tion montrée en Figure 2.25.

Fig. 2.27. Simulation en BPM 2D à la longueur d’onde λ = 1550 nm de la

jonction montrée en Figure 2.25.

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Transmission en dB Longueur d’onde en µm Bras haut "n Bras faible "n

Fig.2.28. Reponse spectrale d’une jonction avec pointe.

composant peut poser pendant les étapes de réalisation. En premier lieu, la taille minimale

des détails du masque doit être supérieure ou égale à0,7µm. Cela veut dire qu’il ne serait

pas envisageable de faire commencer ce guide avec une pointe, car ce détail ne peut pas

être transféré correctement pendant la photolithographie. Pour cette raison, la réponse de

la structure montrée en Figure 2.29, qui ne comporte pas de pointe, a été simulée et son

comportement en longueur d’onde est montré dans la Figure 2.30

n

_sub

n

_sub

+ ∆n

₁

n

_sub

+ ∆n

₂

θ

Fig. 2.29. Jonction Y asymétrique sans pointe.

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Transmission en dB Longueur d’onde en µm Bras haut "n Bras faible "n

Fig.2.30. Reponse spectrale d’une jonction sans pointe.

En comparant les performances obtenues en adoptant une jonction avec pointe ou

abrupte, on se rend compte qu’elles sont légèrement dégradées en l’absence de pointe.

En particulier, on perd de la bande passante autour de 980 nm, car l’isolation diminue

rapidement pour des longueurs d’ondes inférieures à 900 nm. Dans notre cas, l’objectif

est d’obtenir une bande spectrale élevée autour de λ = 1550 nm, et non pas autour de

de 1550 nm, l’isolation reste supérieure à30 dBà partir de λ= 1,3µmjusqu’à1,7µm, qui

représente la limite de notre simulation. Compte tenu de nos exigences, l’adoption d’une

jonction abrupte s’avère peu pénalisante et nous avons choisi d’adopter cette topologie de

jonction dans les simulations qui suivent, en vue d’une possible réalisation du dispositif.

Dans le document Mise au point d'un duplexeur pompe/signal à base de guides segmentés en optique intégrée sur verre (Page 83-88)