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Les multiplexeurs interférentiels

2.2 Multiplexeurs existants

2.2.1 Les multiplexeurs interférentiels

Les paramètres quantifiant les performances d’un démultiplexeur étant définis, nous

allons maintenant présenter une classe de dispositifs qui est très utilisée dans l’optique

λ

Bande passante

Pertes

Isolation

Isolation min.

Pertes max.

Pertes, isolation

Fig. 2.3. Gabarit de réponse spectrale d’un bras du multiplexeur et largeur de bande spectrale.

intégrée actuelle. Les multiplexeurs interférentiels exploitent les phénomènes d’interférence

modales pour obtenir la fonction de multi/démultiplexage car si plusieurs modes de

pro-pagation parcourent un chemin optique différent et interfèrent entre eux, le résultat de

l’interférence dépend du déphasage relatif accumulé. Or, comme le déphasage accumulé

par un mode guidé sur une distance donnée dépend linéairement de la longueur d’onde, ce

comportement du composant dépend de la longueur d’onde.

Les composants basés sur ce principe offrent en général de très bonnes performances en

terme de pertes et d’isolation, mais sur une bande étroite et au détriment de la tolérance

de réalisation, qui est en général très stricte.

a) Le coupleur directionnel

Un coupleur directionnel est formé par deux guides d’onde monomodes rapprochés. Si

les deux guides sont identiques, le coupleur est dit symétrique, dans le cas contraire il est

défini comme asymétrique. Les deux guides forment une superstructure qui supporte deux

modes de propagation, d’ordre 0 et 1. En se référant à la Figure 2.4, on identifie trois zones

différentes dans le composant :

i) ii) iii)

L

λ

1

λ

1

λ

2

λ

2 Mode 0 Mode 0 Mode 1 Mode 1

Fig. 2.4. Structure d’un coupleur directionnel

ii) la superstructure formée par les deux guides en interaction

iii) la transition entre la superstructure et les deux guides de sortie séparés.

Au début de la zoneii) du coupleur, un seul bras transporte de l’énergie, qui est couplée

de façon égale sur les modes d’ordre 0 et 1 de la structure. Les deux modes se propagent

de façon indépendante et, pendant la propagation, la relation de phase entre eux change,

car leur constantes de propagation β

0

etβ

1

sont différentes.

Après une longueurL

c

dite longueur de couplage et donnée par :

L

c

= π

β

0

−β

1

(2.5)

le déphasage entre les deux modes est de π. La superposition des deux modes après cette

distance donne lieu à une distribution du champ qui concentre toute la puissance dans le

deuxième guide de sortie du coupleur. Si la longueur de la zone ii) est un multiple impair

de L

c

, on réalise donc un transfert total de puissance entre les deux guides.

L’utilisation de ce composant comme multiplexeur dépend du fait que la longueur de

couplageL

c

varie avec la longueur d’onde. En éclairant le premier guide avec deux longueurs

d’onde λ

1

etλ

2

, il est donc possible de faire en sorte que la longueur L du dispositif soit

égale à

L= 2pL

c

(λ

1

) = (2q+ 1)L

c

(λ

2

) (2.6)

oùp etq sont entiers.

Pour la longueur d’ondeλ

1

, la longueur totale du composantLest un multiple pair de la

longueur de couplageL

c

(λ

1

). La puissance sera donc transférée sur le bras correspondant au

bras du départ. Pour la deuxième longueur d’ondeλ

2

, la situation s’inverse, car la longueur

Lest un multiple impair de L

c

(λ

2

). Les deux longueurs d’onde seront donc séparées dans

les deux guides de sortie.

Dans la littérature, il existe un exemple de réalisation d’un multiplexeur entre les

lon-gueurs d’onde de1,32µmet de1,55µm, avec un coupleur asymétrique réalisé par échange

d’ions argent/sodium dans un substrat en verre commercial BK7[56]. L’isolation est

su-périeure à 40 dB sur une bande spectrale de 3,1 nm autour de 1315 nm avec des pertes

d’insertion de 1,25 dB. Une réalisation d’un coupleur 980 nm/1550 nm en technologie

si-lice sur silicium du coupleur intégrée avec un amplificateur a été reportée[72], mais les

caractéristiques du coupleur (et en particulier sa largeur de bande passante) ne sont pas

spécifiées.

b) Les interféromètres à modes multiples

Un interféromètre à modes multiples (très souvent appélé par son acronyme Anglais

MMI, Multi Mode Interferometer), dont la structure est représentée dans la Figure 2.5, est

formé par une zone large fortement multimode couplée aux guides d’accès et de sortie.

Le fonctionnement d’un MMI repose sur les mêmes principes que ceux du coupleur

directionnel, sauf que les interférences ont lieu entre plus de deux modes de propagation.

L’avantage par rapport aux coupleurs est que le MMI est moins sensible aux variations

technologiques et plus adapté au multiplexage d’une bande spectrale plus large[73]. Ainsi,

dans la littérature, on trouve des exemples de multiplexeur pompe/signal basés sur le

MMI. Une réalisation avec des guides en SiON sur silice[74] donne une isolation de 18 dB

et des pertes de l’ordre de 0,5 dBà 1550 nm et 980 nm. La bande passante du dispositif,

par contre, n’est pas donnée et les pertes ont été mesurées en injectant avec un objectif de

Guide d’entrée

Guides de sortie

λ

1

λ

1

λ

2

λ

2

Fig. 2.5. Structure d’un MMI

microscope et non pas avec une fibre optique.

Une structure MMI a été simulée[75] avec la méthode du faisceau propagé (Beam

Propagation method, BPM) dans le cas de guides gravées en SiON sur silice et optimisée

pour réduire la longueur totale du composant. Les résultats des calculs donnent des pertes

d’insertion inférieures à1 dBsur une largeur de bande de57 nmet une isolation supérieure

à 40 dBaux longueurs d’onde de fonctionnement.

c) Le Mach-Zehnder

Les multiplexeurs de type Mach-Zehnder sont basés sur l’interféromètre qui porte le

même nom et sur un principe de conversion modale réalisée grâce au déséquilibre des deux

bras de l’interféromètre.

La puissance à l’entrée du composant est divisée en deux par une jonction Y symétrique

dans les deux bras de l’interféromètre, dont la différence de longueur est ∆L. Quand les

deux bras sont recombinés avec une autre jonction Y suivie par un guide d’onde bimode, on

peut exciter le mode pair ou impair du guide, selon le déphasage imposé par le déséquilibre

∆L. En ajustant la longueur∆L, on peut faire en sorte que pour la longueur d’onde λ

1

le

déphasage soit2π et pourλ

2

le déphasage soitπ. La section bimode sera donc éclairée par

le mode pair àλ

1

et par le mode impair àλ

2

. Un diviseur modal permet de coupler le mode

pair et impair de la section bimode sur deux guides monomodes différents et terminer ainsi

λ

1

λ

1

λ

2

λ

2 Diviseur de puissance longueurL

longueur L+ ∆L

Section bimode Sonction Y symétrique Diviseur modal

Fig.2.6. Structure d’un multiplexeur de type Mach-Zehnder, d’après [3]

la fonction de démultiplexage.

Dans la littérature, on trouve un exemple d’interféromètre dimensionné pour travailler

autour des longueurs d’onde de1550 nm/1300 nmet réalisé en échange d’ions sur verre[3].

Aux longueurs d’onde nominales, l’isolation dépasse les30 dB avec des pertes d’insertion

de l’ordre de5 dB. La bande passante est limitée par la chute rapide de l’isolation dès qu’on

s’éloigne des longueurs d’onde nominales. Elle est de l’ordre de 20 nm pour une isolation

supérieure à 20 dB.

Pour augmenter la largeur de bande passante du dispositif, une réalisation comportant

la mise en cascade de deux interféromètres a été proposée[76]. Ce type d’approche permet

d’augmenter la bande passante jusqu’à des valeurs de l’ordre de 60 nm (toujours pour

maintenir une isolation supérieure à 20 dB), mais avec une complication considérable du

processus de réalisation du dispositif, un encombrement bien plus grand et des tolérances

technologiques plus faibles.

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