Techniques de mesure de pertes

Différentes techniques de mesure de pertes optiques existent en optique intégrée, elles permettent de mesurer les pertes de propagation, les pertes de courbures et d’observer les défauts locaux dans les guides intégrés. Les techniques de mesures de pertes par cut-back, par diffusion de surface, par OLCR ("Optical Low Coherence Reflectometry") et par Fabry- Pérot permettant de mesurer les pertes de propagation optique sont présentées ci-dessous :

— Mesure de pertes par cut-back

La technique de mesure de pertes par "cut-back" (Figure 3.13.a)) consiste à mesurer la puissance en sortie du guide d’onde pour une puissance d’entrée connue.

Pour obtenir les pertes de propagation optique, les guides sont clivés plusieurs fois afin d’obtenir la pente de la fonction reliant la longueur du guide d’onde L à la différence ∆P de puissance entre l’entrée et la sortie du système de caractérisation (sortie du laser accordable et photodétecteur CT400) (Figure 3.13.b)).

La répétition de la mesure sur un nombre élevé de portions de guide permet de

2 μm 2 μm

2 μm 2 μm

a) b)

c) d)

Figure 3.12 – a) Champ proche de la fibre microlentillée d’entrée. Champ proche d’un guide intégré en polymères SU8/PMATRIFE avec superstrat PMATRIFE de hauteur 1, 5 µm : b) Largeur de 1, 5 µm c) Largeur de 2, 0 µm d) Largeur de 2, 5 µm

3.13.b)) permet d’accéder à l’ensemble des pertes optiques du banc de mesure en dehors des pertes de propagation (ces pertes incluent les pertes d’injection, mais aussi les pertes dans les jonctions fibrées du montage entre la source et le détecteur).

Enfin, les pertes par cut-back permettent d’obtenir la dépendance en longueur d’onde des pertes de propagation optique dans le cas où la mesure, présentée en Figure 3.13, est répétée pour différentes longueurs d’onde à l’aide d’une source accordable.

3.3. CARACTÉRISTIQUES DES GUIDES EN POLYMÈRES FABRIQUÉS L=L0-ΔL1 L=L0-ΔL2 L=L0 Pin P_out(L₀) Pout(L0-ΔL1) Pout(L0-ΔL2) Pin Pin Longueur du guide (cm) a) b) Δ P (dB) ΔP₀ ΔP(L(cm))=ΔP0+Pin-Pout(L)=ΔP0-L.α(dB/cm)

Figure 3.13 – Principe de détection de la méthode par cut-back a) Schéma du principe de la mesure, b) Évolution de la différence de puissance en entrée et sortie du banc de caractérisation en fonction de la longueur du guide intégré

— Mesure de pertes par cut-back avec des guides en S

Afin d’éviter de cliver successivement l’échantillon, un masque avec des guides en S de différentes longueurs a été réalisé (Figure 3.14), les guides présentent le même nombre de courbures de rayons identiques, ainsi, les pertes par courbures ne sont pas prises en compte.

— Mesure de pertes par diffusion de surface

Les mesures de pertes par diffusion de surface (Figure 3.15) consistent à observer le champ EM diffusé perpendiculairement à la surface du guide. Ce champ est proportionnel à l’intensité du champ EM dans le guide. Le champ diffusé est observé avec une caméra placée au-dessus du guide. Cette technique est principalement utilisée pour des guides qui présentent de fortes pertes de diffusion comme les guides en silicium poreux (c.f. chapitre 4).

Figure 3.15 – Principe de détection par diffusion de surface : a) Schéma du montage expérimental. b) Observation en vue de dessus de la lumière diffusée du guide d’onde et mesure de la décroissance de l’intensité transmise dans le guide

— Mesure de pertes par Optical Low Coherence Reflectometry (OLCR) Les mesures de pertes par réflectométrie de faible cohérence dont le principe est présenté en Figure 3.16.a) consistent à mesurer la puissance du signal rétrodiffusé qui est proportionnelle à l’intensité lumineuse dans le guide et à la comparer à celle d’un signal de référence en positionnant le guide à étudier dans un interféromètre de type Michelson. Cette mesure permet de remonter aux pertes de propagation en estimant la pente de la décroissance du signal rétrodiffusé présenté en Figure 3.16.b). La mesure par OLCR est particulièrement intéressante pour observer les pertes locales liées à des défauts de la structure guidante ou à des parties de la structure qui présentent des pertes plus importantes (par exemple les guides cour- bés).

3.3. CARACTÉRISTIQUES DES GUIDES EN POLYMÈRES FABRIQUÉS

Source large bande Δλ=50 nm λ=1550 nm Détecteur miroir mobile 50/50 Guides intégrés a) b)−110−0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 −100 −90 −80 −70 −60 −50 −40 −30 Longueur physique (cm) Signal Retrodiffusé (dBm) Signal rétrodiffusé de la microlentille Entrée du guide

intégré Sortie du guide intégré

Pertes d'un guide S

en matériaux SU8/PMATRIFE superstrat d'air

Plancher du détecteur Puissa nce du signal rét rodiffusé (dBm) Pertes estimées : 13,7 dB/cm

Figure 3.16 – a) Principe de la réflectométrie optique faiblement cohérente (OLCR). b) Mesure de rétrodiffusion dans un guide S en polymères et estimation des pertes qui correspondent à la pente de la régression linéaire.

— Mesure de pertes par Fabry-Pérot

Un guide d’onde optique avec des pertes de propagation optique α se comporte comme une cavité Fabry-Perot possédant une réfléctivité R au niveau des faces

clivées. On peut donc appliquer la formule caractéristique d’un Fabry-Pérot [20] :

Pout Pin = (1 − R) 2_e−αL (1 − Re−αL₎2_{+ 4Re}−αL_sin2₍φ 2) (3.9)

Avec Pin et Pout les puissances respectivement en entrée et en sortie du guide de

longueur L, et φ = 2nef fk0L le terme de phase dans le guide intégré.

La cavité Fabry-Pérot présente des pics dont le contraste s’écrit :

Γ = Pmax

Pmin

= (1 + Re

−αL₎2

(1 − Re−αL₎2 (3.10)

On peut alors déduire les pertes αcm−1 [20] :

αcm−1 = − 1 Lln( 1 R √ Γ − 1 √ Γ + 1) (3.11)

— Avantages et limites des différentes méthodes de mesures de pertes Les différents avantages et limites des différentes méthodes qui ont été présentées sont résumées dans le tableau 3.2 :

Tableau 3.2 – Avantages et limites des différentes méthodes de mesures de pertes

Méthode Avantages Inconvénients

Fabry-Pérot Pour de faibles pertes Mesure digitalisée en λ ; Bonne réfléctivité aux niveau des clives nécessaire (fort contraste d’indice et bonne qualité de clive)

Cut-back Large plage de mesure de

pertes ; mesure en λ avec source accordable

Besoin de clives et de conditions d’injection répétables

Diffusion de surface Efficace pour les fortes pertes

Moins efficace pour les faibles pertes (moins de diffusion) ; diffusion dans le superstrat

OLCR Efficace pour des pertes

importantes ; observation des défauts le long du guide

Mesure autour d’une longueur d’onde fixe (λ) ; nécessité de connaître l’indice effectif

— Méthode choisie

Par la suite, la méthode par cut-back avec des guides en S est utilisée afin de ca- ractériser les pertes de propagation des guides intégrés. En effet, l’utilisation de plusieurs guides en S (de 5 à 7) de tailles différentes permet de limiter les effets de défauts de clives ou d’alignement en supprimant si besoin les mesures des guides trop éloignées du modèle (linéaire) de pertes.

3.3.1.2 Mesure des pertes de propagation des guides SU8/PMATRIFE par