Qu'est-ce qu'un guide d'ondes ?

Les guides d'ondes sont des structures spécialisées qui guident les ondes électromagnétiques d'un endroit à l'autre et sont souvent utilisés pour connecter deux composants ou plus pour le transfert d'informations. Les guides d'ondes sont généralement rectangulaires ou circulaires et guident les micro-ondes, les ondes radio et les ondes lumineuses (guides d'ondes optiques) avec de faibles pertes.

De nombreux facteurs influencent la façon dont les guides d'ondes propagent les différentes ondes électromagnétiques, notamment :

• La forme du guide d'ondes
• La taille du guide d'ondes
• Les caractéristiques des matériaux utilisés, telles que la rigidité ou la flexibilité

Les guides d'ondes sont souvent confondus avec les câbles coaxiaux, car tous deux sont des lignes de transmission destinées à guider les ondes électromagnétiques. Toutefois, la structure et les méthodes de propagation des guides d'ondes diffèrent de celles des câbles coaxiaux. Les câbles coaxiaux sont dotés de deux conducteurs séparés par un matériau isolant pour propager les ondes électromagnétiques. À l'intérieur d'un guide d'ondes, en revanche, les ondes électromagnétiques se déplacent et se propagent dans une structure creuse qui prend en charge différents « modes ». Les guides d'ondes optiques s'appuient sur la différence entre les indices de réfraction de deux matériaux pour s'assurer que les ondes lumineuses se propagent jusqu'à la destination prévue. Les guides d'ondes non optiques, utilisés dans des applications telles que les micro-ondes, confinent et guident le rayonnement électromagnétique en utilisant l'impédance ou la conductivité du matériau pour guider les ondes.

Dans cet article, nous examinons en détail ce que sont les guides d'ondes et comment les différents types de guides d'ondes sont actuellement utilisés, en mettant l'accent sur les guides d'ondes optiques.

Les guides d'ondes optiques transportent la lumière à différentes fréquences optiques (souvent dans le spectre infrarouge) et sont couramment utilisés pour acheminer ou contrôler les signaux optiques.

Le type de guide d'ondes optique le plus courant est la fibre optique utilisée dans les communications optiques. Les fibres optiques sont généralement fabriquées en verre de silice et sont dotées d'un cœur à indice de réfraction élevé et d'un revêtement à faible indice de réfraction pour guider la lumière le long de la fibre.

Les guides d'ondes optiques planaires sont moins courants. Ils sont appelés « guides d'ondes intégrés » car le guide d'ondes optiques est fabriqué sur des puces semi-conductrices telles que le silicium sur isolant, l'arséniure de gallium, le niobate de lithium ou le phosphure d'indium. Les guides d'ondes intégrés peuvent présenter un certain nombre de géométries, notamment des nervures, des bandes, des microbandes, des charges, des nervures inversées et des cristaux photoniques.

Les cristaux photoniques révolutionnent le domaine des guides d'ondes optiques car ils se comportent différemment des autres guides d'ondes. Au lieu d'être guidée par l'indice de réfraction du guide d'ondes, la lumière est guidée par le motif du cristal photonique, car elle ne peut pas traverser le cristal lui-même. Certaines longueurs d'onde de la lumière sont bloquées par la bande interdite photonique du cristal, semblable à la bande interdite électronique des semi-conducteurs. Les cristaux photoniques sont essentiellement des « semi-conducteurs optiques ».

Il existe de nombreux types de guides d'ondes, notamment les guides d'ondes optiques et les guides d'ondes utilisés pour guider les fréquences micro-ondes, les radiofréquences (RF) et d'autres ondes électromagnétiques.

Guides d'ondes circulaires

Les guides d'ondes circulaires sont des tubes creux principalement utilisés pour guider les micro-ondes et les ondes radio en mode électrique transversal (TE) et en mode magnétique transversal (TM). Les ondes sont guidées le long d'une trajectoire circulaire, souvent par l'intermédiaire de guides d'ondes métalliques.

Cette catégorie de guide d'ondes est couramment utilisée dans les communications sans fil, les liaisons micro-ondes et les applications radar.

Guides d'ondes coplanaires

Les guides d'ondes coplanaires sont des guides d'ondes rectangulaires dont les conducteurs sont constitués d'une bande conductrice centrale et de deux plans de masse, tous les conducteurs étant situés du même côté d'un substrat (tel qu'un circuit imprimé). Les guides d'ondes coplanaires sont utilisés pour guider les micro-ondes dans les appareils à micro-ondes, les circuits à ondes millimétriques (mmWave) et les circuits intégrés monolithiques à micro-ondes (MMIC).

Guides d'ondes flexibles

Les guides d'ondes flexibles diffèrent des autres guides d'ondes car ils peuvent se tordre et se plier pour s'adapter à des espaces restreints, ce qui n'est pas le cas des guides d'ondes plus rigides. Les guides d'ondes flexibles sont fabriqués en cuivre, en laiton ou en aluminium avec une couche extérieure flexible et peuvent inclure des structures ondulées et hélicoïdales pour assurer la flexibilité. Cependant, il peut également y avoir une résistance et une atténuation du signal dans le guide d'ondes.

Il existe trois principaux types de guides d'ondes flexibles : déformables par torsion, pliables et flexibles-déformables par torsion. Ils sont largement utilisés dans les applications de guidage des micro-ondes dans les secteurs des communications et de l'aérospatiale.

Guides d'ondes en mode zéro

Les guides d'ondes en mode zéro (ZMW) sont des guides d'ondes optiques qui guident la lumière dans de petits volumes en dessous de la longueur d'onde de la lumière. Pour parvenir à ce confinement, ils utilisent des structures à l'échelle nanométrique, telles que de minuscules ouvertures qui réduisent le volume d'observation optique.

Contrairement aux autres guides d'ondes optiques, les guides d'ondes en mode zéro ne prennent pas en charge les modes optiques de propagation et sont plutôt utilisés dans la plasmonique, l'optique quantique et l'imagerie à molécule unique ou par fluorescence.

Guides d'ondes diélectriques

Les guides d'ondes diélectriques sont des guides d'ondes cylindriques utilisés pour construire des fibres optiques et des guides d'ondes intégrés. Les guides d'ondes diélectriques sont dotés d'un cœur à indice de réfraction élevé et d'un revêtement à faible indice de réfraction. Les ondes lumineuses se propagent selon le principe de la réflexion interne totale : lorsque la lumière tente de passer d'un support plus dense à un support moins dense, elle est réfléchie dans le support plus dense au niveau de l'interface du matériau. Les ondes guidées sont ainsi piégées dans le cœur de la fibre, ce qui permet la transmission sur de longues distances avec de faibles pertes. Les guides d'ondes diélectriques sont largement utilisés dans les communications optiques et l'optique intégrée.

Tous les guides d'ondes propagent les ondes électromagnétiques par l'intermédiaire de modes. Dans les guides d'ondes optiques, le mode fait référence à la forme que prend la lumière lorsqu'elle se déplace dans le guide d'ondes. Les guides d'ondes de petite taille comportent moins de modes, tandis que les guides d'ondes de grande taille prennent en charge davantage de modes de propagation. Pour les modes optiques, il est essentiel que le guide d'ondes présente une section transversale homogène, car toute fluctuation peut entraîner une diffusion qui influence l'atténuation (perte de signal) dans le guide d'ondes.

Mode électrique transversal et mode magnétique transversal

Le mode électrique transversal (TE) et le mode magnétique transversal (TM) sont deux modes couramment utilisés pour propager les micro-ondes. Le mode TEM combine ces deux modes. Ces modes peuvent également être observés dans les guides d'ondes optiques.

Les modes TE et TM sont tous deux définis par la direction du champ électromagnétique pendant la propagation. Les champs électromagnétiques sont des vecteurs qui pointent dans une direction spécifique à un moment donné. En mode TE, le champ électrique est transversal (perpendiculaire) à la direction de propagation de l'onde (horizontalement ou verticalement). En mode TM, le champ magnétique est transversal à la direction de propagation. Les guides d'ondes optiques peuvent utiliser des modes quasi-TE et quasi-TM, qui sont des approximations des modes TE ou TM, contrairement à ceux utilisés pour la propagation des micro-ondes ou des ondes radio.

Fibres monomodes vs multimodes

Dans les guides d'ondes à fibres optiques, la lumière peut se propager selon un principe monomode ou multimode. Les fibres monomodes ont un cœur très petit, tandis que les fibres multimodes ont un cœur beaucoup plus grand. Les fibres monomodes sont utilisées dans la photonique sur silicium et les communications optiques à longue portée, car leur cœur plus petit prend en charge un plus petit nombre de modes, ce qui permet à la lumière (et aux informations qu'elle contient) de se déplacer efficacement sur de longues distances. Cependant, en raison du cœur plus petit, il est plus difficile de faire pénétrer la lumière dans le guide d'ondes. Des lasers et des composants optiques spécialisés sont nécessaires pour envoyer la lumière dans la fibre.

Les fibres multimodes ne sont pas adaptées aux télécommunications à longue portée, car la présence de plusieurs modes entraîne le déplacement des impulsions lumineuses et leur propagation à différentes vitesses. Les fibres multimodes conviennent mieux aux réseaux de communication à courte portée, tels que les réseaux locaux (LAN) et les centres de données.

Les guides d'ondes (optiques et non optiques) sont utilisés à de nombreuses fins, notamment dans les domaines suivants :

• Communications optiques (télécommunications)
• Circuits intégrés photoniques (PIC)
• Capteurs optiques
• Lasers
• Interféromètres
• Radar
• Communications micro-ondes et RF
• Circuits imprimés (PCB)
• Circuits optiques
• Émetteurs optiques
• Communications térahertz (THz)
• Les systèmes de réalité mixte tels que la réalité augmentée (AR) et la réalité virtuelle (VR), qui utilisent des guides d'ondes plus grands (appelés guides de lumière) distincts des guides d'ondes classiques

Communications optiques

Les communications optiques constituent l'un des plus vastes domaines d'application commerciale qui utilise des guides d'ondes diélectriques pour guider la lumière d'un endroit à l'autre, transmettant ainsi des informations entre les systèmes. Les fibres monomodes sont utilisées pour les communications à longue portée, tandis que les fibres multimodes sont utilisées pour les communications à courte portée.

Les lasers à semi-conducteurs génèrent des impulsions lumineuses qui transmettent des informations codées vers la fibre. Les informations sont codées sur le signal optique soit en modulant le courant d'attaque du laser, soit à l'aide de modulateurs externes distincts du laser. L'onde traverse ensuite la fibre jusqu'à un récepteur de guide d'ondes, qui comprend une photodiode et un amplificateur à transimpédance. Ces récepteurs transforment les signaux optiques haute fréquence de la fibre en un signal électrique permettant la transmission de données.

Les propriétés matérielles du guide d'ondes optique sont importantes. En dehors des indices de réfraction appropriés, les caractéristiques d'absorption d'un matériau sont également importantes, car une absorption optique trop importante peut entraîner une perte de signal. De ce fait, les guides d'ondes sont transparents et fabriqués en verre ou en plastique transparent. Des matériaux de revêtement opaques absorberaient trop de lumière et provoqueraient une atténuation excessive dans la fibre.

Si la plupart des communications optiques (par exemple, les télécommunications) utilisent des guides d'ondes, ce n'est pas le cas de toutes les technologies de communication optique. Nous pouvons citer comme exemple la communication optique en espace libre (FSO), qui propage la lumière dans l'air (c'est-à-dire dans l'espace libre) pour envoyer des données entre un émetteur et un récepteur.

Circuits intégrés photoniques

Les guides d'ondes optiques sont également utilisés dans les circuits intégrés photoniques (PIC) en tant que « fils » du circuit. Ils correspondent aux fils classiques dans les circuits intégrés (IC) électroniques, mais ils transmettent les signaux grâce à la lumière plutôt qu'aux électrons. Les guides d'ondes sont utilisés pour connecter les différents composants du PIC.

Les PIC sont souvent couplés à des fibres optiques à l'aide de composants tels que des lentilles pour modifier la focalisation de la lumière, car les fibres optiques offrent un plus grand nombre de modes que les PIC. La lumière est donc focalisée à une échelle plus petite pour réduire les pertes.

De nombreux composants des PIC utilisent des guides d'ondes. Il s'agit notamment des éléments suivants :

• Séparateurs : ils divisent l'onde lumineuse d'un seul guide d'ondes en deux guides d'ondes
• Coupleurs : ils couplent les ondes lumineuses de deux guides d'ondes différents en un seul guide d'ondes
• Résonateurs en anneau : ils sont composés de cercles ou d'ovales qui peuvent être utilisés en tant que filtres ou en tant que modulateurs sur le PIC
• Guides d'ondes en spirale : ils retardent le signal sur le PIC
• Coupleurs à réseau : ils couplent verticalement la lumière depuis la puce vers et hors des fibres optiques
• Commutateur optique : il modifie l'indice de réfraction dans un guide d'ondes pour contrôler et acheminer les signaux optiques sur le PIC

Capteurs optiques

Les guides d'ondes optiques sont largement utilisés dans les capteurs optiques. Dans le cadre de la détection chimique, la présence d'une molécule de gaz ou de liquide produit une réponse détectable. Les molécules se lient au guide d'ondes ou provoquent des interférences avec celui-ci, ce qui modifie l'indice de réfraction à travers le guide d'ondes. Ce changement peut ensuite être mesuré et quantifié afin de déterminer la substance chimique en question. Parmi les autres applications courantes utilisant des guides d'ondes optiques figurent la détection et la télémétrie par la lumière (lidar), les capteurs de vision et les capteurs à fibre optique.

Les guides d'ondes optiques sont fabriqués à l'aide des techniques suivantes :

• Lithographie
• Écriture laser
• Dépôt de couches minces
• Fibrage
• Techniques d'écriture directe

Pour les guides d'ondes optiques intégrés, les puces semi-conductrices sont créées à l'aide des mêmes techniques de fabrication de semi-conducteurs que celles utilisées pour fabriquer les puces des circuits intégrés classiques. Ces techniques sont les suivantes :

• Photolithographie
• Gravure au plasma
• Gravure ionique réactive (RIE)
• Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)
• Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) organométallique (MOCVD)
• Dépôt physique en phase vapeur (PVD)
• Dépôt de couches atomiques (ALD)
• Épitaxie par jets moléculaires (MBE)

La précision du processus de fabrication est essentielle car la rugosité de surface d'un guide d'ondes peut provoquer une diffusion et une perte optique. Comme pour tout semi-conducteur, le processus de fabrication et l'environnement sont essentiels pour maintenir une sensibilité élevée et prévenir la contamination.

Les guides d'ondes peuvent être simulés et leurs modes prédits à l'aide de solveurs de mode. La gamme de produits Ansys Lumerical aide les ingénieurs à simuler les guides d'ondes optiques et le logiciel de simulation électromagnétique haute fréquence Ansys HFSS peut être utilisé pour les simulations RF et micro-ondes. La simulation peut aider les ingénieurs à concevoir des guides d'ondes sans avoir recours à un prototypage approfondi par essais et erreurs.

Voici quelques exemples de ce que permet de faire un logiciel de simulation :

• Conception de différents types de guides d'ondes fabriqués à partir d'une gamme de matériaux et dans différentes tailles
• Optimisation des sections transversales X et Y des guides d'ondes (par exemple, la propagation a lieu dans la direction Z)
• Calcul permettant de déterminer les modes qui seront utilisés dans un guide d'ondes (mode TE, mode TM, monomode ou multimode)
• Calcul de la constante de propagation et de l'indice effectif d'un mode de guide d'ondes à mesure que la lumière se déplace le long de celui-ci
• Calcul du profil du champ électrique d'un guide d'ondes, y compris des composants X, Y et Z du champ
• Vérification de l'absence d'interférence entre les ondes qui se propagent
• Calcul des pertes potentielles, y compris des pertes pouvant résulter de la courbure des guides d'ondes

Outre l'étude des propriétés des guides d'ondes, les systèmes dans lesquels ils sont intégrés peuvent également être simulés afin de développer de meilleures conceptions sur puce.

Par exemple, les ingénieurs peuvent s'appuyer sur la simulation pour étudier la propagation des modes le long des guides d'ondes. Ils peuvent voir comment la lumière se comporte au niveau des séparateurs ou des coupleurs afin de s'assurer qu'elle est couplée ou divisée efficacement et de limiter les pertes au sein du système optique ou photonique au sens large.

Dans le cadre de la conception de circuits optiques, les ingénieurs peuvent également utiliser la simulation pour analyser d'autres composants et s'assurer qu'ils possèdent les propriétés, les fonctionnalités et les caractéristiques optimales pour l'application prévue.

Contactez dès aujourd'hui l'équipe technique d'Ansys pour découvrir comment la simulation peut vous aider à concevoir et à optimiser des guides d'ondes avancés.

Ressources connexes