Dimensionnement et réalisation d'un rotateur de polarisation à évolution de mode en optique intégrée sur verre

par Elodie Jordan

Thèse de doctorat en Optique et radiofréquence

Sous la direction de Jean-Emmanuel Broquin et de Elise Ghibaudo.

Le président du jury était François Royer.

Le jury était composé de Taha Benyattou.

Les rapporteurs étaient Nadège Courjal, Sonia Garcia Blanco.


  • Résumé

    La création du premier laser en 1960 puis l’envol des télécommunications par fibres optique a généré le développement des circuits optiques intégrés. Ces derniers sont des solutions efficaces aux problèmes d’encombrement et d’instabilité. Un contrôle accru des signaux passe cependant par l’exploitation de la polarisation qui permet notamment d’augmenter les débits, de fiabiliser les signaux et de protéger les sources par une isolation optique. Cette dernière application fait partie d’un vaste projet mené par l’IMEP-LAHC en collaboration avec le laboratoire Hubert Curien de Saint-Etienne. L’isolateur sur verre comprend l’intégration d’un séparateur de polarisation, d’un rotateur Faraday et d’un rotateur réciproque de polarisation à 45°. L’objectif de ces travaux «était de démontrer la faisabilité de la dernière fonction. La réalisation s’est basée sur l’exploitation d’échanges d’ions assistés par un champ électrique (EAC). Une première étape a consisté à maîtriser les effets de bords inhérents aux EAC, afin de modeler le cœur d’un guide d’onde et incliner les axes neutres de polarisation. Ceci a été obtenu en cascadant deux EAC, le premier créant un guide d’indice de réfraction uniforme, le deuxième modelant son cœur. Le contrôle de la position des axes neutres a ainsi été démontrée pour la première fois dans cette technologie puisqu’une inclinaison à (46,6 ± 0,1)° en entrée et (42,3 ± 0,1)° en sortie a été mesurée. L’étude numérique du procédé de fabrication du rotateur réciproque a également été effectuée et l’adiabaticité du composant a été validé analytiquement. Une première réalisation a mis en évidence un problème de pertes élevées liées au dégazage des sels d’échange. Des pistes d’optimisation sont donc avancées. Une suggestion d’amélioration du rotateur Faraday est également présentée. Elle exploite les progrès obtenus sur les EAC et démontre la faisabilité de guides d’ondes à biréfringence négative. Finalement un procédé de fabrication de l’isolateur complet, compatible avec le budget thermique, est proposé.

  • Titre traduit

    Design and realization of a mode evolution polarization rotator made by glass integrated optics technology


  • Résumé

    The fabrication of the first laser in 1960 and the growth of fiber optics telecommunications have led to the development of integrated optics circuits. Theses lasts are efficient solutions to compacity and misalignment problems. Moreover, polarization management in integrated circuits enables to increase the data rate, to guaranty the signals reliability or to protect optical sources. The work presented here is dedicated to this last application, which is the motive of a long-term collaboration between IMEP-LAHC and the Hubert Curien institute in Saint-Etienne. Indeed, we proposed to fabricate a 45° reciprocal polarization rotator that is part of the optical isolator’s design, along with a polarization splitter and a Faraday rotator. We choose to use a field-assisted ion-exchange technique (FAIE). The implementation of the polarization rotator requires managing the side effects of the electrical field lines occurring during a FAIE. It allows controlling the waveguide core’s shape and thus the eigen axes tilt. It was obtained thanks to two cascaded FAIE. The first one, an Ag+/Na+ ion exchange, creates a high refractive index waveguide while the second one, a Na+/Na+ ion exchange, modifies the shape of the waveguide’s core. Measurements of the experimental polarization behavior are a first proof of a controlled tilt of eigen axes in this technology. Indeed, the waveguide exhibits a tilt of its eigen axes of (46.6 ± 0.1)° at the input and (42.3 ± 0.1)° at the output.The numerical study of the reciprocal rotator’s process has also been proposed and the adiabaticity of the design analytically validated. The first realization highlights high propagation losses that can linked to the degassing of the nitrate salts occurring during the FAIE. Possible improvements are thus suggested in the document.An enhancement of the Faraday rotator’s design is also proposed. It is obtained thanks to the fabrication of a waveguide exhibiting a negative birefringence whose design exploits the progress achieved in term of FAIE control. Eventually, a complete fabrication of the integrated isolator is proposed, taking into account the thermal budget of the various processes.


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