Les guides d’ondes optiques sont des structures spatialement inhomogènes qui permettent de guider la lumière, c’est-à-dire de restreindre la région spatiale dans laquelle la lumière peut se propager. Habituellement, un guide d’ondes contient une région de l’indice de réfraction plus élevé par rapport au milieu environnant (appelé gaine). Cependant, il est également possible de guider la lumière avec d’autres mécanismes physiques, tels que l’utilisation de réflexions sur des interfaces métalliques ou avec des structures de cristaux photoniques. Certains guides d’ondes impliquent également des effets plasmoniques sur les métaux.
Figure 1 : Deux types différents de guides d’ondes. Les guides d’ondes plans guident la lumière uniquement dans la direction verticale, tandis que les guides d’ondes en canal la guident dans deux dimensions.
La plupart des guides d’ondes présentent une guidance bidimensionnelle, limitant ainsi l’extension de la lumière guidée dans deux dimensions et permettant une propagation essentiellement en une dimension. Un exemple est le guide d’ondes en canal illustré à la Figure 1. Le type le plus important de guide d’ondes bidimensionnel est la fibre optique. Il existe également des guides d’ondes unidimensionnels, appelés guides d’ondes plans.
Fabrication des guides d’ondes
Il existe de nombreuses techniques différentes pour la fabrication de guides d’ondes diélectriques. Voici quelques exemples :
Les guides d’ondes planes peuvent être fabriqués sur différents matériaux cristallins et verriers avec des méthodes d’épitaxie ou de polissage. Le guide d’ondes peut être fabriqué sur le dessus du dispositif (comme indiqué du côté gauche de la Figure 1), mais il peut également être placé entre d’autres couches solides.
Les guides d’ondes en canal sur des matériaux semi-conducteurs, cristallins et verriers peuvent être fabriqués avec des méthodes lithographiques combinées, par exemple, à l’épitaxie, à l’échange d’ions ou à l’indiffusion thermique. Il est possible de réaliser un guide d’ondes enterré en faisant pousser une couche supplémentaire au-dessus du guide d’ondes. Cela peut entraîner une réduction des pertes de propagation et un profil de mode plus symétrique.
Les fibres optiques peuvent être fabriquées par étirage à partir d’une préforme, qui est une grande tige en verre avec un profil d’indice de réfraction intégré. Les fibres peuvent également être étirées pour obtenir des guides d’ondes de dimensions encore plus réduites, dans le cas extrême, cela aboutit à des nanofibres.
Les guides d’ondes peuvent être inscrits dans des milieux transparents (par exemple, des verres ou des cristaux, voire des polymères) avec des faisceaux laser focalisés et pulsés, exploitant la rupture induite par laser et les phénomènes associés. Dans les verres, le volume affecté présente souvent un indice de réfraction légèrement plus élevé, qui peut être directement utilisé pour guider la lumière. Dans les cristaux, l’indice de réfraction peut être diminué ; il faut alors traiter une certaine région autour de la région de guide d’ondes souhaitée.
Les compromis entre différentes techniques de fabrication peuvent être complexes. Ils peuvent impliquer des aspects tels que le coût, la flexibilité et la reproductibilité de la fabrication, les pertes de propagation, les effets secondaires possibles sur le matériau (par exemple, par chauffage ou diffusion de matériaux), la taille et la symétrie optimales de mode pour le couplage avec d’autres guides d’ondes, etc.
Modes des guides d’ondes
Pour les guides d’ondes présentant de grandes extensions, l’optique géométrique est souvent utilisée pour décrire la propagation de la lumière injectée. Une telle description devient cependant invalide lorsque des effets d’interférence se produisent, ce qui est notamment le cas pour les dimensions très réduites des guides d’ondes. Dans ce cas, une description ondulatoire de la lumière est nécessaire – généralement basée sur les équations de Maxwell, souvent simplifiées avec des hypothèses d’approximation.
Il est courant de considérer la distribution du champ pour une fréquence optique et une polarisation données dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation. Les distributions de champ qui ne changent pas au cours de la propagation, à l’exception d’un changement de phase commun, sont particulièrement intéressantes. Ces distributions de champ sont associées à des modes de guide d’ondes. Par exemple, la Figure 2 montre les modes guidés d’une fibre multimode. Chaque mode a une constante de propagation, dont la partie imaginaire quantifie le retard de phase par unité de distance de propagation. Une fibre possède également un grand nombre de modes non guidés (modes de gaine), qui ne sont pas limités à la proximité du cœur de la fibre.
Figure 2 : Profils d’amplitude du champ électrique pour tous les modes guidés d’une fibre optique. Les deux couleurs indiquent des valeurs de champ électrique de signes différents.
Le mode d’ordre le plus bas (l = 1, m = 0, appelé mode LP01) présente un profil d’intensité similaire à celui d’un faisceau gaussien. En général, la lumière injectée dans une fibre multimode excite une superposition de différents modes, qui peuvent avoir une forme compliquée.
Toute distribution initiale du champ, qui peut décrire la lumière injectée au début du guide d’ondes, peut être décomposée en une combinaison linéaire des distributions de champ des modes guidés du guide d’ondes, plus une fonction qui ne peut pas être exprimée comme une telle combinaison. Cette dernière partie correspond à la lumière qui ne peut pas être guidée. Selon le type de guide d’ondes, la lumière non guidée peut se propager dans la gaine ou être réfléchie. La propagation de la partie guidée est facilement calculée en utilisant une combinaison linéaire des modes de guide d’ondes avec des coefficients d’expansion locaux calculés à partir des constantes de propagation des modes.
Un guide d’ondes avec une faible extension spatiale transversale et/ou une faible différence d’indice de réfraction (faible ouverture numérique) peut être capable de guider un seul mode transversal (pour une fréquence optique et une polarisation données) et aucun mode d’ordre supérieur ; on l’appelle alors guide d’ondes monomode (fibres monomodes). La distribution du champ après une certaine distance de propagation ressemble alors toujours à la distribution de mode constant, indépendamment de la distribution initiale du champ, pour autant que les modes non guidés aient été perdus (par exemple, dans la gaine). Les guides d’ondes multimodes sont ceux qui supportent plusieurs voire de nombreux modes guidés (parfois plusieurs milliers).
Certains types de guides d’ondes (comme le guide d’ondes en canal du côté droit de la Figure 1) présentent des modes avec des profils d’intensité fortement asymétriques. Il arrive également que les modes guidés ne se produisent que pour une direction de polarisation, ou que les modes pour différentes directions de polarisation aient des propriétés très différentes.
Diverses propriétés telles que les pertes de propagation, la sensibilité aux courbures (pour les fibres), la constante de propagation et la dispersion chromatique (voir ci-dessous) peuvent dépendre considérablement du type de mode guidé.
Dispersion des guides d’ondes
La confinement de la lumière dans un guide d’ondes conduit à des vecteurs d’onde inclinés par rapport à la direction de propagation. Cela affecte le retard de phase par unité de longueur et donc les propriétés de dispersion chromatique (dispersion des guides d’ondes). Par exemple, la dispersion d’une fibre à cristal photonique avec une petite aire de mode peut être anormale dans la région spectrale visible, bien que le matériau de silice présente une dispersion normale.
Guides d’ondes plasmoniques pour la Nano Optique
Pour diverses applications, par exemple dans le contexte des circuits photoniques intégrés, il est très intéressant de localiser fortement la lumière dans des guides d’ondes à des dimensions bien inférieures à la longueur d’onde optique. Les guides d’ondes diélectriques présentent ici des limitations sérieuses. Par exemple, bien que les nanofibres puissent avoir des diamètres bien inférieurs à la longueur d’onde, les distributions de champ électrique de la lumière guidée dans des fibres à l’échelle nanométrique s’étendent bien au-delà de la structure diélectrique. Par conséquent, de nouvelles technologies de guides d’ondes basées sur d’autres mécanismes de guidage physique sont étudiées. Un domaine prometteur est celui de la nanoplasmonique, où des structures métalliques à l’échelle nanométrique incorporées dans des matériaux diélectriques sont utilisées. De cette manière, il est possible d’obtenir des distributions de champ bien plus localisées que ce qui est possible avec des structures diélectriques seules. Cependant, les pertes de propagation sont généralement assez élevées. D’autres défis consistent à coupler efficacement la lumière dans de telles structures et à réaliser divers composants photoniques passifs et actifs tels que des coudes, des coupleurs, des filtres, des amplificateurs et des détecteurs.
Applications
Les applications des guides d’ondes sont multiples. Voici quelques exemples :
Les fibres optiques permettent la transmission de la lumière sur de longues distances, par exemple pour les communications par fibre optique.
Sur les circuits photoniques intégrés, tels que ceux utilisés dans la photonique au silicium, les guides d’ondes transportent la lumière entre différents composants optiques.
À l’avenir, les guides d’ondes en silicium (photonique au silicium) sur des puces de processeur numérique et les guides d’ondes en polymère dans les circuits imprimés peuvent être utilisés pour une transmission rapide de données optiques entre les composants des ordinateurs.
Certains guides d’ondes sont utilisés pour maintenir des intensités optiques élevées sur des longueurs appréciables, par exemple dans des dispositifs non linéaires tels que les doubleurs de fréquence, les lasers Raman et les sources de supercontinuum. Les guides d’ondes actifs (amplificateurs) sont utilisés dans les lasers et les amplificateurs à guide d’ondes. Des exemples importants sont les lasers et amplificateurs à fibres.
Un guide d’ondes peut être utilisé pour supprimer les modes transversaux d’ordre supérieur, agissant ainsi comme un nettoyeur de mode pour améliorer la qualité du faisceau.
Dans certains cas, une interaction de la lumière guidée avec le matériau dans le champ évanescent est utilisée, par exemple dans certains capteurs à guide d’ondes.
Les guides d’ondes peuvent également être utilisés pour diviser et combiner des faisceaux lumineux, par exemple dans des interféromètres optiques intégrés.
Voir aussi : guides d’ondes en canal, fibres, nanofibres, ouverture numérique, modes, couplage de modes, modes d’ordre supérieur, surface modale effective, convertisseurs de champ de mode, optique intégrée, lasers à guide d’ondes, doublement de fréquence, dispersion des guides d’ondes, photonique au silicium.
