Etude des filtres à cristaux photoniques

Les photons sont apparus comme des vecteurs d’information performants. C’est dans ce contexte qu’Eli Yablonovitch suggéra, dans un article fondateur daté de 1987, d’étendre les concepts de structure de bandes et de bande interdite. En structurant artificiellement la matière, il est possible de contrôler la lumière. Yablonovitch souhaitait initialement appliquer cette idée au problème de contrôle de l’émission spontanée, mais rapidement le caractère le plus général de ce concept est apparu : les cristaux photoniques (CPs) étaient nés.

Le développement de ce nouveau type de matériau dit à bandes interdites photoniques (BIP), encore appelé cristal photonique (CP), ouvre des perspectives nouvelles pour le confinement de la lumière ou son émission et la réalisation de briques de base nécessaires aux communications optiques intra-puces, ou dans les systèmes intégrés sur puce (SoC : System on Chip), ou dans les télécommunications optiques.

Le cristal photonique peut être à une dimension (empilement de couches minces, réseau de Bragg), à deux dimensions (réseau de trous sur une surface) ou à trois dimensions (empilement de couches formées de billes de silices auto assemblées).

Le filtrage d’un signal lumineux est une fonction très importante dans une liaison optique, car en télécommunications nous nous intéressons aux sources lasers monochromatiques d’où la nécessité de concevoir et optimiser des filtres optiques avec des spectres étroits. Les filtres à cristaux photoniques à une seule dimension est un exemple de filtres optiques qui produisent plusieurs canaux simultanément, et qui permettent de sélectionner plusieurs longueurs d’onde, et en même temps de diminuer le bruit du signal multiplexé, avant de passer à l’étage de démodulation. Une telle fonction consiste à améliorer le facteur de qualité et le taux d’erreur binaire d’une chaine de transmission haut débit.

Présentation des différents filtres optiques et ses applications

Les filtres en longueur d’onde ont connu une évolution assez importante durant ces dernières années. La première génération utilise des éléments discrets, tels que prisme, réseau et couches diélectriques, dont la juxtaposition permet d’obtenir la fonction de filtrage désirée. Puis, les composants à ondes guidées sont apparus, tout d’abord à base de guides plans , puis à partir de guides canaux. Les recherches restent nettement orientées vers ces composants à guides canaux, intéressants soit par leurs possibilités d’intégration, soit par leur faible coût. Les performances s’orientent vers de très faible bande passante de filtrage grâce aux progrès sur les lasers mono-fréquence à spectre d’émission stabilisé [I-2]. Une liaison multi longueurs d’onde, appelée classiquement liaison WDM, est caractérisée par le nombre de canaux disponibles, l’espacement entre les canaux et le taux d’isolation des canaux. La sélectivité en longueur d’onde du filtre et la largeur spectrale du signal modulant déterminent la largeur des canaux. L’espacement en longueur d’onde ou en fréquences entre signaux est défini par la largeur des canaux et le taux de réjection du filtre, pour un taux d’isolation donné. Les performances des lasers et des filtres doivent concorder et être ajustées aux caractéristiques des liaisons mises en œuvre .

Les filtres en longueur d’onde peuvent sélectionner plusieurs canaux. On distingue entre les filtres séparant spatialement les différentes longueurs d’onde  , qui peuvent être détectées simultanément, et les filtres passe-bande en longueur d’onde qui permettent d’avoir accès à un seul canal à la fois, et qui sont, soit accordables en longueur d’onde sur une plage suffisante  , soit mis en cascade avec d’autres filtres .

De nombreuses études sont menées pour mettre au point des composants optiques permettant de faire du démultiplexage à très haut débit. Ces composants doivent être capables de séparer les différentes longueurs d’onde, c’est à dire de filtrer de façon extrêmement sélective avec une grande précision la porteuse dédiée qui se propage dans la fibre. Il existe pour cela différents types de filtres  .

Le filtre est constitué d’un empilement de couches diélectriques dont les indices de réfraction optique, alternativement haut et bas, et les épaisseurs sont en accord de phase avec la longueur d’onde filtrée . Celle-ci peut être couplée dans une fibre distincte .

Les caractéristiques des filtres optiques

Un filtre idéal est un quadripôle qui permet la transmission sans pertes dans des plages de fréquences données et une réjection infinie dans toutes les autres plages de fréquences. De telles caractéristiques idéales ne peuvent pas être obtenues; le but de la conception de filtres est donc d’approcher les spécifications avec une tolérance acceptable. Quatre catégories de filtres peuvent être répertoriées :

– les filtres passe-bas qui ne laissent passer que les fréquences inférieures à la fréquence de coupure ݂fc et qui rejettent les fréquences supérieures à ݂fc;
– les filtres passe-haut qui rejettent les fréquences inférieures et transmettent les fréquences supérieures à ݂fc ;
– les filtres passe-bande qui permettent la transmission uniquement dans une bande de fréquences fΔ centrée sur la fréquence centrale ݂଴ et qui interdisent la transmission hors de cette bande passante;
– les filtres coupe-bande ou réjecteurs qui sont le complément des filtres passe bande  .

La plupart des caractéristiques retenues s’expliquent d’elles-mêmes, dans le cadre, par exemple, de l’utilisation du filtre dans une liaison par WDM. Cependant nous allons détailler quelques points qui nous semblent le mériter. Le taux de réjection du filtre (reject.) est défini comme le rapport entre l’amplitude maximale de la transmittance du filtre en dehors d’une bande de largeur 2δλ centrée sur la longueur d’onde centrale du filtre (tout en restant dans la plage d’accord (Δλ), et l’amplitude du maximum de la transmittance. Il représente fréquemment le rapport entre l’amplitude maximale des lobes latéraux que présentent la transmittance et le maximum de cette transmittance .

La longueur d’onde centrale du filtre (λ₀) est prise par référence autour de 1.5 μm. C’est en effet cette longueur d’onde que tendent à utiliser les opérateurs de télécommunications, afin de profiter du minimum d’atténuation dans les fibres en silice. De plus, si la spécification vraiment importante du filtre est le nombre de canaux que l’on peut adresser (N), il ne faut cependant pas négliger l’importance individuelle des deux paramètres qui permettent son évaluation (i. e. N = Δλ/δλ). En effet, la plage d’accord du filtre (Δλ) doit être assez étroite pour permettre l’utilisation d’amplificateur optique dans la liaison .