6 Microelectronics and Photonics 6.1 Architectures of mixedsignal integrated circuits and microsystems • Identification of MEMS parameters using binary observations 96 6.2 Algorithm integration and electronic systems • Managing configuration on heterogeneous Reconfigurable SWR Platforms 98 6.3 Thin film semiconductors • Silicon heterojunction solar cells 100 6.4 Superconducting thin films and devices • High-Tc superconducting thin film deposition and optimization 102 6.5 Telecommunications optoelectronic systems and devices • Fiber Optic High Bit Rate Transmission System Evaluation Platform 104 6.6 Photoinduced waveguides and optical interconnects • Reconfigurable waveguides for all-optical routing 106 6.7 Optical materials for laser beam generation and processing • Epitaxial growth of III-Nitride materials for short-wavelength (200 to 400 nm) light emitting optoelectronic devices 108 6.8 Dynamics of complex laser structures and applications • Polarization dynamics in VCSEL – optical switching and cryptography 110 94 6 Microélectronique et Photonique 6.1 Architectures de circuits mixtes et de micro-systèmes • Identification de paramètres de MEMS à partir de données binaires 96 6.2 Intégration d’algorithmes et systèmes électroniques • Gestion de Configuration des Architectures Hétérogènes/ Reconfigurables en Radio Logicielle 98 6.3 Semi-conducteurs en couches minces • Cellules photovoltaïques à hétérojonctions de silicium 100 6.4 Supra-conducteurs : films minces et dispositifs • Élaboration et optimisation de couches minces haute Tc 102 6.5 Etudes de composants et systèmes optiques pour les télécommunications • Plate-forme d’évaluation pour systèmes 104 à transmissions optiques à très haut débit 6.6 Guides photo-inscrits et interconnexions optiques • Guides d’onde reconfigurables pour routage tout optique 106 6.7 Matériaux optiques pour la génération et le traitement de faisceau laser • Epitaxie par MOVPE de matériaux nitrures III-N pour les composants optiques à courte longueur d’onde (200nm-450nm) 108 6.8 Dynamique de structures lasers complexes et applications • Dynamique de polarisation d’un VCSEL – commutation optique et cryptographie 110 95 6.1 Architectures de circuits mixtes et de microsystèmes Architectures of mixed-signal integrated circuits and microsystems 6 Microélectronique et Photonique Microelectronics and Photonics Objectifs Aims La réduction des coûts, stratégie fondamentale de la compétitivité, se traduit dans le secteur de l’électronique par une pression considérable tant sur les technologies que sur les systèmes. Dans le même temps, la mise en œuvre de nouvelles technologies devient de plus en plus risquée en raison du niveau d’investissements requis, tandis que la complexification inexorable des systèmes conduit à une exigence de plus en plus forte sur les méthodes de conception. Dès lors, les questions suivantes se posent à l’industriel : comment tirer le meilleur parti des technologies ? comment s’ouvrir à de nouvelles applications ? comment concevoir des produits toujours plus performants et innovants notamment sur le plan de la rapidité, de l’encombrement, de la robustesse vis-à-vis de perturbations, de la consommation électrique…? In the field of electronics, reduction of the costs, fundamental strategy of competitiveness, leads to a considerable pressure on technologies as well as on systems. Moreover, the implementation of new technologies becomes increasingly risky because of the required amount of investments, while the inevitable complexification of systems leads to increasingly strong requirements on design methods. Consequently, the following questions arise: how to take the best advantage from existing technologies? how to get implicated in new applications? how to design new, more efficient products, that are innovative with respect to speed, bulk, robustness towards perturbations, power requirements…? Sujets Topics 1. Numérisation de signaux rapides Conception d’architectures de CAN ∑∆ passe bande, rapides, à filtres continus, pour des applications radio-fréquences en téléphonie, radar ou instrumentation. Recherche de solu- 1. Analog to Digital Conversion of HF signals Design of fast continuous bandpass ∑ ∆ ADCs for radiofrequency applications (telephony, radar, instrumentation). Research of solutions involving GmC filters or integrated passive LC or RC filters. Study of original ADC architectures for software radio applications (see 5.6 “Digitization systems”). tions utilisant des filtres GmC, LC intégrés et RC passifs intégrés. Études d’architectures originales de numérisation pour la radio logicielle (voir 5.6 « Systèmes de numérisation »). 2. Conception de microsystèmes Méthodes d’estimation de paramètres à partir d’observations binaires : applications aux MEMS et aux convertisseurs ∑ ∆ . Nouveau paradigme pour la modélisation et la simulation de problèmes couplés fortement. Méthode de simulation déterministe des effets des dispersions technologiques et d’autres facteurs aléatoires sur le fonctionnement des MEMS. Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: Sujets 1 à 4 / Topics 1 to 4: Richard KIELBASA Département de Traitement du Signal et Systèmes Électroniques Campus de Gif Tél. : +33 [0]1 69 85 14 03 E-mail : [email protected] 3. MEMS résonants Détermination des limites de résolution des capteurs MEMS résonants reposant sur des architectures mixtes à relais. Méthode d’actionnement à la résonance robuste, insensible aux non-linéarités typiques des MEMS. 4. Conception et réalisation de circuits intégrés spécifiques Conception de circuits mixtes en technologie AsGa ou CMOS. 96 2. Design of microsystems Parameter estimation methods based on binary observations: applications to MEMS and to ∑ ∆ converters. New paradigm for the modelling and simulation of tightly coupled problems. Deterministic method for simulating the impact of fabrication process dispersions and other random factors on the behaviour of MEMS. 3. Resonant MEMS Determination of the resolution limits of resonant MEMS sensors based on mixed-signal relay feedback architectures. Robust, non-linearity insensitive method for actuating resonant MEMS. 4. Design and implementation of specific integrated circuits Design of mixed signal integrated circuits in GaAs or CMOS technology. Architectures de circuits mixtes et de microsystèmes / Architectures of mixed-signal integrated circuits and microsystems Identification de paramètres de MEMS à partir de données binaires Identification of MEMS parameters using binary observations Abstract Par Jérôme Juillard In the context of MEMS and integrated electronics, the practical advantage of identification methods based on binary observations is that the only critical analog component that is required is a one-bit ADC. As a consequence, these methods are very cheap and relatively simple to implement. The efficiency of these methods is illustrated in the case of the estimation of the parameters of a ∑ ∆ ADC. Contexte de l’utilisation des méthodes d’identification à données binaires Illustration : identification des paramètres d’un CAN ∑ ∆ Le développement de microsystèmes robustes et performants à l’échelle industrielle est un problème délicat. Ceci est dû à l’existence de nombreuses sources d’incertitudes qui rendent la conception des capteurs difficiles. Par exemple, les systèmes de fabrication ne sont pas toujours bien maîtrisés et il n’est pas rare d’avoir des dispersions de l’ordre de 20% d’un microsystème à l’autre ; le comportement des microsystèmes est également très sensible aux conditions de fonctionnement telles que la température, la pression ; enfin les propriétés physiques (par ex., le coefficient de Poisson du silicium) et les erreurs de modèle du capteur mécanique ne sont pas toujours connues avec précision. Ce manque de connaissance a priori sur le système complet contribue généralement à la réalisation de capteurs peu ou pas stables, ayant une plus faible résolution que celle attendue. Il apparaît donc à ce titre indispensable de tenir compte de tous ces phénomènes dispersifs lors de la phase de conception du capteur. Un autre domaine d’application des méthodes d’identifications à partir de données binaires est la conception « robuste » de convertisseurs analogiquenumérique ∑ ∆ , dont la sortie est un signal échantillonné 1-bit. Ce signal peut se modéliser comme une superposition du signal d’entrée (analogique) et d’un bruit blanc « mis en forme ». Dans ce cas, la méthode BIMBO permet d’estimer les valeurs des coefficients des filtres de mise en forme du bruit à partir de la sortie du modulateur ∑ ∆ , l’entrée étant supposée connue. Une fois ces coefficients connus, il est possible d’adapter le traitement numérique en aval du modulateur ∑ ∆ pour améliorer la qualité de la conversion. Des résultats typiques, obtenus lors d’une collaboration avec Texas Instruments, sont présentés à la figure 2. Figure 1 : Principe de la méthode BIMBO. À partir des observations binaires et de la sortie estimée du modèle, on construit un critère de ressemblance continu et non-linéaire. On tient compte de la conversion analogique numérique de manière « exacte », au contraire des méthodes classiques qui l’approximent par un bruit blanc additif. Figure 2 : Densité spectrale de puissance en sortie d’un modulateur ∑ ∆ passe-bas. La courbe en pointillés épais correspond à la DSP théorique et la courbe en pointillés fins à la DSP mesurée. En appliquant un signal constant à l’entrée du modulateur et en utilisant la méthode BIMBO sur le train de bits résultant, on arrive à estimer des paramètres de filtres dont la mise en forme de bruit est donnée par la courbe continue. Dans le cadre de la thèse d’Eric Colinet [1], plusieurs méthodes d’estimation de paramètres ont été développées. Ces méthodes de calibration reposent toutes sur la mesure du signe de la sortie du système à identifier : aussi, elles se prêtent particulièrement bien à une intégration dans un contexte de MEMS/NEMS, du fait de leur faible coût et de la simplicité de leur implémentation. En effet, la mesure du signe de la sortie d’un système ne requiert que l’implémentation d’un convertisseur analogiquenumérique 1-bit. La contrepartie de cette mesure de faible résolution est un traitement numérique plus important que pour les méthodes « classiques » [2]. La méthode BIMBO est une des trois principales méthodes d’identification binaire développées dans ce contexte [3], à l’occasion d’une collaboration avec le CEA-LETI. Il s’agit d’une méthode « boucle ouverte », adaptée à l’identification hors-ligne des paramètres de systèmes linéaires. Son principe est représenté à la figure 1. ..................................................................................................................................... Références / References [1] E. Colinet, “Nouvelles architectures et méthodes de conception de microsystèmes sigma-delta et de microsystèmes résonants”, thèse de l’Université Paris XI Orsay, soutenue le 3 novembre 2005. [2] E. Walter, L. Pronzato, “Identification de modèles paramétriques à partir de données expérimentales”, Masson, Paris 1994. [3] E. Colinet, J. Juillard, “Identification methods based on binary observations”, soumis à IEEE-TCAS 1, 2006. 97 6.2 Intégration d’algorithmes et systèmes électroniques Algorithm integration and electronic systems 6 Microélectronique et Photonique Microelectronics and Photonics Objectifs Aims L’évolution tout à fait considérable des technologies de l’électronique moderne (circuits intégrés silicium notamment) permet la réalisation de systèmes électroniques d’une très grande complexité satisfaisant de multiples critères : grande vitesse d’exécution, encombrement réduit, faible consommation, coûts acceptables, fiabilité accrue ... Les problèmes rencontrés au niveau de la conception d’un équipement sont liés : • à la nécessaire adaptation des différents algorithmes devant être intégrés sur des architectures novatrices qu’il faut imaginer en respectant des contraintes hiérarchisées (coût, rapidité, encombrement, consommation, robustesse à l’environnement, ...) ; • au choix optimum des composants les plus adaptés en fonction des contraintes imposées (Processeurs, DSP, SOC, ASIC, FPGA). Considerable advances in modern electronic technology (in particular, integrated circuits on silicon) have made it possible to develop complex electronic systems capable of meeting multiple requirements: high speed of execution, small overall dimensions, low power consumption, acceptable costs, increased reliability, etc. Problems encountered with equipment design are mostly related to: • Need for adapting various algorithms requiring integration on innovative architectures, which may be envisaged while maintaining hierarchical constraints (i.e. cost, speed, obstruction, consumption, robustness with the environment, etc.); • Optimum choice of the most suitable components according to the imposed constraints (Processors, DSP, SOC, ASIC, FPGA). Sujets Topics 1. Opérateurs numériques rapides Conception et intégration d’opérateurs arithmétiques dans les réels et dans les corps de Galois. Conception et intégration d’opérateurs pour le traitement du signal : transformateurs de Fourier et corrélateurs. 1. Fast numerical operators Design and integration of arithmetic operators in real and Galois fields. Design and integration of operators for digital signal processing: fast Fourier transformers and fast correla- 2. Plateforme matérielle reconfigurable Etude de nouvelles architectures matérielles pour le traitement du signal basées notamment sur l’utilisation des technologies FPGA reconfigurables partiellement et dynamiquement. Applications à la « radio logicielle » et à la conception des nouveaux terminaux multi-standards 2. Hardware reconfigurable platform Design of new Digital Signal Processing architectures based on the use of FPGA enabling partial and dynamical hardware reconfiguration. Applications to “Software Radio” and to designing a new multimode handset with dynamic reconfigurability. dynamiquement reconfigurables. Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: Sujets 1 à 3 / Topics 1 to 3: Pierre LERAY Campus de Rennes Tél. : +33 [0]2 99 84 45 00 E-mail : [email protected] 3. Electronique pour les communications numériques Développement de plateformes hétérogènes adaptées aux communications haut débit. Étude et conception d’architectures reconfigurables pour les systèmes MIMO. Étude et conception d’IP paramétrables pour les communications numériques : codec de de Reed Solomon, décodeur de Viterbi à décisions pondérées, turbo codec de codes produits. 4. Conception et réalisation de systèmes de diffusion multimédia Algorithmes et architectures pour la compression du son, des images et des données. Conception et réalisation d’un système de multiplexage audio-vidéo sur FPGA. Sujet 4 / Topic 4: Jacques WEISS Campus de Rennes Tél. : +33 [0]2 99 84 45 00 E-mail : [email protected] 98 tion function. 3. Electronic for Digital Communications Design of heterogeneous systems dedicated to high data rate communication. Design of reconfigurables architectures of MIMO systems. Design of parameterizable IP cores for digital communication: Reed-Solomon decoder, Viterbi decoder with soft decision, turbo encoder-decoder of product codes. 4. Design and development of multimedia streaming systems Algorithms and architectures for the compression of sound, images and data. Design of an audio-video multiplexing system on FPGA component. Intégration d’algorithmes et systèmes électroniques / Algorithm integration and electronic systems Gestion de Configuration des Architectures Hétérogènes/Reconfigurables en Radio Logicielle Managing Configuration on Heterogeneous Reconfigurable SWR Platforms Abstract Par Jean-Philippe Delahaye, Pierre Leray, Jacques Palicot The Software Radio (SWR) systems, which need processing flexibility, are based on reconfigurable computing. A Software Radio system architecture is heterogeneous (GPP/DSP/FPGA) to deal with the wide variety of signal processing of SWR applications (ie multistandards). In this context, a configuration management framework, that handles the application parameters, becomes necessary to takes advantages of the reconfigurable architecture capabilities. A hierarchical configuration management architecture is proposed and its implementation on a reconfigurable platform is studied. The configuration management model aims at helping the design and management of a heterogeneous dynamically reconfigurable hardware architecture for SDR terminals. This study has been based on a thorough multi-standards functional analysis of a transmitter (i.e. UMTS/FDD Uplink, GSM Uplink, and 802.11g OFDM). Then, the multi-standard application is implemented on the heterogeneous platform dynamically reconfigurable datapath. Introduction Les techniques radio logicielle introduites par Mitola [1] visent à offrir un accès à un large choix de standards de radiocommunications sur une architecture matérielle unique. Une étude algorithmique des traitements bande de base effectués dans les chaînes d’émissions des 3 standards de radiocommunications dynamiquement reconfigurable. La partie statique comporte un processeur embarqué de type MicroBlaze ou PowerPC en charge de la gestion de configuration de l’ensemble des accélérateurs matériels implantés sous forme de module partiellement reconfigurable (PRM) dans le FPGA. La partie statique inclut les interfaces de communications ainsi que l’interface de configuration (UMTS, GSM,WLAN 802.11g) a montré une grande diversité des traitements impliquant l’utilisation d’architectures matérielles hétérogènes afin que l’exécution soit optimisée. Une grande flexibilité de l’architecture du système (ICAP). La partie dynamiquement reconfigurable accueille les PRMs. De plus, chaque PRM est localement contrôlé par un gestionnaire de configuration associé. La figure 1 illustre l’architecture de la plateforme. radio logicielle est donc nécessaire afin de répondre à la diversité des traitements à exécuter. Cette flexibilité est assurée par l’utilisation d’architectures reconfigurables. Approche hiérarchique de gestion de configuration La diversité des traitements et l’hétérogénéité de l’architecture induisent une grande variété de configurations. La gestion de configuration doit être en même temps adaptée aux capacités de reconfigurabilité des composants électroniques. Nous proposons une approche hiérarchique de la gestion de cette configuration [2]. Le but est de minimiser les ressources matérielles à reconfigurer à chaque nouvelle demande de changement de contexte de l’application. L’approche hiérarchique de cette gestion de configuration permet de gérer efficacement la multi-granularité de configuration et améliore par une gestion distribuée le contrôle de la reconfiguration partielle de la chaîne de traitement. Figure 1 : architecture de la plateforme reconfigurable Conclusion Plateforme reconfigurable hétérogène A travers le modèle de gestion de configuration proposé et son implémentation sur une plateforme reconfigurable, les compromis entre flexibilité de reconfiguration et complexité sont étudiés. Le modèle fonctionnel hiérarchique offrant le maximun de flexibilité de reconfiguration permet de bénéficier de toutes les capacités de reconfigurabilité de l’architecture en fonction des besoins applicatifs. Le modèle hiérarchique de gestion de configuration est un modèle fonctionnel indépendant du type de plateforme sur lequel il est implémenté. Ainsi, sur la plateforme visée, la gestion de configuration est distribuée sur l’ensemble des ressources du système. L'architecture de la plateforme se compose d'un GPP qui est en charge des traitements orientés manipulation de données. Le GPP, sous forme d'une station Host PC, joue le rôle de gestionnaire de configuration globale et assure la configuration initiale de l'ensemble des ressources matérielles du système, DSP et FPGA. Le DSP exécute des fonctions de traitements de type codage canal et est en charge de la gestion de configuration associée à ces fonctions. Les travaux menés portent plus particulièrement sur la gestion de configuration sur FPGA dynamiquement et partiellement reconfigurable. Ainsi l’architecture du FPGA (Xilinx Virtex -II) se compose d’une partie statique et d’une partie ..................................................................................................................................... Références / References [1] J. Mitola, “The software Radio architecture”, IEEE Comms Mag, vol. 33, no. 5, pp. 26--38, May 1995. [2] J.P. Delahaye, J. Palicot, P. Leray, “A Hierarchical Modeling Approach in Software Defined Radio System Design”, SIPS 2005, Athènes, Grèce. [3] J.P. Delahaye, C. Moy, P. Leray, J. Palicot, “Managing dynamic partial reconfiguration on heterogeneous SDR platforms”, SDR Forum 2005, November, Los Angeles, US. 99 6.3 Semiconducteurs en couches minces Thin film semiconductors Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: Sujets 1 et 3 / Topics 1 and 3: Jean-Paul KLEIDER ou Christophe LONGEAUD LGEP Campus de Gif Tél. : +33 [0]1 69 85 16 45 E-mail : [email protected] [email protected] Sujet 2 / Topic 2: Zakaria DJEBBOUR ou Denis MENCARAGLIA LGEP Campus de Gif Tél. : +33 [0]1 69 85 16 44/42 E-mail : [email protected] [email protected] 6 Microélectronique et Photonique Microelectronics and Photonics Objectifs Aims La recherche dans le domaine des semiconducteurs en couches minces s'est fortement développée au cours des dernières années. Ces matériaux possèdent en effet un fort potentiel pour entrer dans différentes applications industrielles, du fait de deux critères principaux. Le premier est la possibilité de déposer certains matériaux par des procédés dits "basse température" (T < 250°C) sur de grandes surfaces et sur des substrats bon marché tels que du verre; ils ont alors une structure désordonnée, amorphe, polymorphe ou polycristalline. Ces matériaux sont particulièrement intéressants pour les applications électroniques nécessitant de grandes surfaces à des coûts abordables telles que la conversion photovoltaïque de l'énergie solaire ou la visualisation par écran plat à matrice active. Le deuxième critère est la parfaite maîtrise de leur croissance sur des épaisseurs extrêmement faibles, de l'ordre de quelques couches atomiques, et avec une excellente qualité électronique, ce qui permet Over the past few years, increasing attention has been given to thin film semiconductors. Indeed, these materials can be utilized in a wide range of industrial applications thanks to two main characteristics. Firstly, some of them can be produced at low temperatures (T < 250°C) on low-cost and large-area substrates, such as glass. Having a disordered, amorphous, polymorphous or polycrystalline structure, these materials are well suited for low-cost, largearea electronic applications, such as solar energy photovoltaics or flat- screen display, active matrix addressing. Secondly, it is possible to control their growth quite effectively with electronic grade quality over a few interatomic distances, which ensures development of advanced electronic equipment based on quantum or multi-layer heterostructural effects. Our studies were mainly focused on the use of electrical characterization techniques and theoretical modelling specific to thin films, primarily for: • diagnostics and optimization of materials and devices; alors la réalisation de dispositifs nouveaux basés sur des phénomènes quantiques ou sur des propriétés résultant de la juxtaposition de matériaux différents tels que des effets d'hétérojonctions. Nos travaux portent sur le développement de techniques de caractérisation électrique et d'analyses spécifiques à ce type de semiconducteurs pour : • contribuer à l'optimisation des matériaux et des dispositifs ; • comprendre les phénomènes de transport électroniques liés à leur structure désordonnée, à des effets d'alliage, ainsi qu'aux très faibles épaisseurs et aux interfaces. • understanding of electronic transport properties in relation to their disordered structure as well as alloying or hetero-interface effects. Sujets Topics 1. Couches minces et hétérojonctions à bases de silicium ou de germanium Silicium et alliages silicium-germanium amorphes, polymorphes, microcristallins, appliqués aux cellules tandem. Cellules solaires basse température et haut rendement à partir d’hétérojonctions Si amorphe/Si cristallin. 1. Thin films and heterojunctions based on silicon and germanium Amorphous, polymorphous, microcrystalline layers of silicon and silicon-germanium alloys and their application to tandem solar cells. Low-temperature, high efficiency crystalline silicon/amorphous silicon heterojunction solar cells. 2. Cellules photovoltaïques non silicium Cellules polycristallines à base de Cu (In, Ga) Se2. Cellules solaires organiques. 2. Non-silicon solar cells Cu (In, Ga) Se2 (CIGS) polycrystalline solar cells. Plastic solar cells. 3. Semiconducteurs à large bande interdite Alliages cristallins semi-isolants (BTO, CdTe:V ZnTe:V) photo-réfractifs pour commutation de télécommunication optique. Diamant CVD : propriétés électroniques, application à la détection dans l'ultra-violet. 3. Wide bandgap semiconductors Photorefractive materials (i.e. BTO, CdTe:V ZnTe:V) for optical telecom switching. Synthetic CVD diamond: electronic properties and application to UV and XUV radiation detectors. 100 Semiconducteurs en couches minces / Thin film semiconductors Cellules photovoltaïques à hétérojonctions de silicium Silicon heterojunction solar cells Abstract Par Jean-Paul Kleider et Alexander Gudovskikh Heterojunctions between crystalline silicon and deposited hydrogenated silicon thin films are being studied here for the purpose of photovoltaic applications. Indeed, such heterojunctions formed at low temperature can replace the usual front junction and back surface field that are currently processed at high temperature, thus permitting significant cost reductions in silicon solar cell production. At the same time, heterojunction effects can help increase open-circuit voltage and solar cell efficiencies. With these devices, interface quality is essential for reaching high solar cell efficiency. This is why we developed new capacitance measurements for sensitive and reliable interface characterization. Conversion photovoltaïque et silicium qui nécessite une caractérisation très sensible aux défauts d'interface électroniquement actifs. L'industrie du photovoltaïque est en pleine effervescence : croissance du secteur de 66% entre 2003 et 2004, production d'énergie photovoltaïque multipliée par 25 au cours des dix dernières années. Si des recherches à long terme sont développées vers des matériaux nouveaux à faible coût (alliages Cu(In,Ga)Se2 électrodéposés, semiconducteurs organiques), les recherches à moyen terme se concentrent sur les cellules photovoltaïques en silicium, qui sont majoritaires à près de 100% au niveau industriel et qui sont produites actuellement dans deux filières distinctes : - une filière "silicium cristallin massif" représentant environ 90% du marché, où, grâce à l'utilisation de températures élevées, le silicium est obtenu sous forme cristalline. Dans les cellules, les jonctions en face avant (de type N/P ou P/N) ou en face arrière (de type N/N+ ou P/P+) sont aussi réalisées par des procédés haute température (diffusion de dopants). Les rendements de conversion dans cette filière sont de l'ordre de 14% en production et de 20% en laboratoire. - une filière "couches minces" représentant environ 10% du marché, mettant en oeuvre des procédés technologiques "basse température" (typiquement T<250°C), et permettant le dépôt de silicium à bas coût sur des grandes surfaces et sur des substrats bon marché tels que le verre. Toutefois, le matériau ainsi obtenu n'est pas cristallisé, mais se présente sous forme hydrogénée amorphe (a-Si:H), microcristalline (µc-Si:H) ou polymorphe (pm-Si:H, Figure 1: vue schématique en coupe d'une cellule photovoltaïque à hétérojonctions de silicium fabriquée à partir de silicium cristallin de type p (à gauche); cellule carrée de 25 cm2 en cours de caractérisation électrique (à droite). A cet effet, nous avons développé la technique de spectroscopie d'admittance directement sur les cellules. Nous avons montré que la sensibilité des mesures traditionnellement menées à l'obscurité sous polarisation nulle ou inverse est limitée à des concentrations de défauts d'interface supérieures à 1012 cm-2 [1,2]. Nous avons ensuite démontré que ce seuil de sensibilité peut être notablement abaissé si les mesures sont réalisées sous polarisation directe proche de la tension de circuit ouvert et sous rayonnement solaire AM 1.5 [3]. Les travaux d'optimisation menés depuis 2 ans ont permis une augmentation constante du rendement de conversion photovoltaïque. Des valeurs supérieures à 16% ont été récemment obtenues: pour des cellules prototypes de 25 cm2 de ce type, entièrement fabriquées par un procédé industriel (contacts par sérigraphie), ceci constitue actuellement la meilleure performance au niveau européen. matrice amorphe avec des inclusions de nanocristaux), ce qui limite ses propriétés électroniques. Les rendements de conversion photovoltaïque de cette filière plafonnent ainsi à des valeurs typiques de l'ordre de 10% dans les modules à simple jonction, valeurs nettement moins élevées que dans la filière cristalline, mais à un coût lui aussi nettement moins élevé. Nos recherches s'inscrivent dans le développement d'une filière nouvelle de cellules photovoltaïques à hétérojonctions, associant le silicium cristallin comme matériau actif et cœur de la cellule à des couches minces de silicium déposées à basse température pour réaliser les jonctions aux deux faces. Ces recherches, menées en partenariat avec d'autres laboratoires et industriels français (projet PHARE de l'ANR) et par le biais d'une collaboration francoallemande (projet PROCOPE) doivent permettre à la fois d'abaisser les coûts de fabrication des cellules et d'augmenter les rendements. ..................................................................................................................................... Références / References [1] A. S. Gudovskikh, J. P. Kleider, E. I. Terukov: "Characterization of a-Si:H/c-Si Caractérisation par mesure de capacité interface by admittance spectroscopy", Semiconductors 39 (2005) pages 904 – 909. La structure en coupe d'une cellule photovoltaïque à hétérojonctions de silicium est montrée sur la figure 1. La couche de a-Si:H est très mince afin que les photons pénétrant par le dessus de la cellule soient absorbés presque exclusivement dans le silicium cristallin. La couche encore plus mince de silicium polymorphe non dopé (i pm-Si:H) est une couche tampon de passivation de l'interface. En effet, la qualité des interfaces est déterminante dans les performances de ce type de cellule, et celles-ci doivent être optimisées afin de limiter la recombinaison des porteurs, ce [2] A. S. Gudovskikh, J. P. Kleider, J. Damon-Lacoste, P. Roca i Cabarrocas, Y. Veschetti, J. C. Muller, P. J. Ribeyron, E. Rolland: "Interface properties of a-Si:H/cSi heterojunction solar cells from admittance spectroscopy", Thin Solid Films 511512 (2006) pages 385-389. [3] A. S. Gudovskikh, J. P. Kleider, R. Stangl: "New approach to capacitance spectroscopy for interface characterization of a-Si:H/c-Si heterojunctions", J. Non-Cryst. Solids 352 (2006) pages 1213-1216. 101 6.4 Supraconducteurs : films minces et dispositifs Superconducting thin films and devices Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: Sujets 1 à 4 / Topics 1 to 4: Annick DÉGARDIN LGEP Campus de Gif Tél. : +33 [0]1 69 85 16 53 E-mail : [email protected] Sujet 3 / Topic 3: Aurélie GENSBITTEL LGEP Campus de Gif Tél. : +33 [0]1 69 85 16 54 E-mail : [email protected] Sujet 4 / Topic 4: Alain KREISLER LGEP Campus de Gif Tél. : +33 [0]1 69 85 16 51 E-mail : [email protected] 6 Microélectronique et Photonique Microelectronics and Photonics Objectifs Aims Dès sa découverte, le phénomène de supraconductivité a donné de nombreux espoirs quant à ses applications potentielles. Mais le chemin allant des études de base jusqu'à la mise en œuvre de dispositifs supraconducteurs a été long et semé d'embûches, comme l'utilisation d'une cryogénie à l'hélium liquide. La découverte, voici une vingtaine d’années, des supraconducteurs à haute température critique (SHTC) - qui peuvent être utilisés à la température de l'azote liquide (77 kelvin), a ouvert la voie à des travaux prometteurs sur les composants et circuits les utilisant. Dans ce contexte, il convient d'évaluer ce qu'apporte en termes de performances l'utilisation des supraconducteurs, tout en gardant présente à l'esprit la compatibilité de ces matériaux avec les technologies déjà matures de la microélectronique. Since its discovery superconductivity has given rise to a great many hopes as far as applications are concerned. The road leading from basic research to superconducting device implementation was, however, quite lengthy and scattered with obstacles, such as the high cost of liquid helium cryogenics. Some twenty years ago, the discovery of high critical temperature superconductors (HTSC) that could be used at liquid nitrogen temperature paved the way for promising studies on innovative devices and circuits. Within this framework, the benefits arising from the use of superconductors should obviously be evaluated in terms of overall device performance. Nevertheless, the compatibility of SHTC materials with those of already mature microelectronic technologies should be kept in mind. Sujets Topics 1. Élaboration et mise en forme de films YBaCuO (temp. critique : ≈ 90 kelvin) Dépôts des films SHTC par pulvérisation cathodique magnétron (radiofréquence ou DC cathode creuse) vers 750 °C. Optimisation de l'élaboration et de la gravure des films (usinage ionique par plasma micro-onde), sur des substrats adaptés à chaque application (en électronique radiofréquence ou photonique). 1. Development and processing of YBaCuO thin films (critical temperature: ≈ 90 K) HTSC thin film deposition by rf (or dc hollow cathode) magnetron sputtering at high temperature (about 2. Caractérisation des films SHTC Étude de la structure et de la composition des films (microscopies diverses, rayons X, spectroscopie Auger, sonde ionique, etc.). Étude du transport électrique en régime d'impulsions (entre 4 K et 300 K) et sous champ magnétique (jusqu'à 6 tesla). 3. Composants SHTC passifs microondes Étude de l'ancrage des vortex, conséquences sur l'anisotropie des propriétés de transport électrique et des propriétés micro-ondes. Étude de composants passifs en structure coplanaire (de 0,1 à 45 GHz) ; filtres à commande agile pour télécommunications. 4. Détecteurs de rayonnement infrarouge Modélisation, réalisation et caractérisation de détecteurs bolométriques en infrarouge moyen (10 µm) ; réseaux de pixels pour l'imagerie, avec ASICs cryogéniques intégrés CMOS ou SiGe. Étude de détecteurs en infrarouge lointain (30 à 500 µm) avec couplage par micro-antennes planaires large bande intégrées. Nano-bolomètres à électrons chauds en ondes submillimétriques. Applications à la radioastronomie, la spectrométrie, les télécommunications et l'imagerie térahertz. 102 750 °C). Film etching via microwave plasma technique. Optimization of film processing on various substrate materials, application specific for radiofrequencies or photonics domains. 2. HTSC thin film characterizations Microstructure and composition were studied via several techniques: X-ray diffraction, near-field microscopy, Auger or secondary ion mass spectrometries, etc. and superconducting properties via pulsed electrical transport probing from 4 K to 300 K, under magnetic fields up to 6 tesla. 3. Passive microwave HTSC devices Vortex pinning studies in relation to the anisotropy of electrical transport and microwave properties. Planar waveguides and agile passive devices (from 0.1 to 45 GHz) with magnetic, electric or optical control; applications to terrestrial or space telecommunications. 4 Infrared radiation detectors Modeling, fabrication and characterization of bolometric detectors; application to medium infrared pixel arrays (10 µm wavelength), with integrated CMOS or SiGe cryogenic ASIC readout circuitry. Development of far infrared/submillimeter wave (30 to 500 µm wavelength) hot electron nanobolometers, using integrated planar wideband micro-antenna coupling. Applications to radioastronomy, spectrometry, terahertz imaging and telecommunications. Supraconducteurs : films minces et dispositifs / Superconducting thin films and devices Élaboration et optimisation de couches minces haute Tc High-Tc superconducting thin film deposition and optimization Abstract Par Annick Dégardin High-Tc superconductors (HTSC) are attractive materials for microwave applications, due to their low loss and non dispersive characteristics up to 100 GHz. They also offer performing solutions to detect terahertz radiation (in the 20 µm to 1 mm wavelength range) for a large number of applications (radiometry, spectrometry, imaging). The elaboration of HTSC (YBaCuO) films is a key step to fabricate such devices as electrically controlled agile filters [2] or hot electron nano-bolometers (Fig. 2, [3]). We show how the deposition temperature during radiofrequency reactive sputtering process is a key parameter to achieve state-of-the art performance in terms of critical current density and surface resistance (Fig. 1, [1]). Problématiques scientifiques Du micrométrique… Les matériaux supraconducteurs, en particulier à haute température critique (SHTC), offrent le double avantage, par rapport aux métaux normaux, de présenter une dispersion en fréquence très faible et de diminuer les pertes (jusqu’à 100 GHz) en raison de leur faible résistance de surface Rs. Il s’agit là d’atouts majeurs pour des applications en télécommunications (filtres microondes, par exemple). Des composants micro-ondes coplanaires ont été modélisés, réalisés (dimension des lignes : 5 µm) et caractérisés à basse température entre 45 MHz et 35 GHz. Nous avons mis en évidence la faible dispersion de la vitesse de phase pour les lignes de propagation ainsi que les meilleures performances des résonateurs supraconducteurs par rapport à leurs équivalents métalliques. Dans ce contexte, nous développons des composants à commande électrique Les supraconducteurs sont aussi attrayants pour la détection des ondes terahertz (longueurs d'onde comprises entre 20 µm et 1 mm). Ce domaine spectral, on dit aussi «infrarouge lointain», est en effet relativement limité en détecteurs performants bien qu'il fasse l'objet de nombreux champs d'application potentiels ou déjà abordés : radiométrie et spectrométrie (embarquées ou de labora- dite "agile" (filtre accordable en fréquence, oscillateur local, etc.), réalisés à partir d’hétérostructures ferro-électrique/supraconducteur déposées sur substrat diélectrique [2] : l'application d'un champ électrique DC conduit à une variation de la constante diélectrique du film ferroélectrique, donc à un déplacement de la fréquence de résonance. toire), communications optiques, capteurs thermiques (pour la métrologie ou le contrôle non destructif), imagerie (pour les domaines militaire ou biomédical), diagnostic des plasmas de fusion, etc. Dans ce qui suit, nous exposons les problématiques associées à l’élaboration de SHTC pour les applications ci-dessus mentionnées. Au nanométrique La réalisation de nanodétecteurs THz et des structures d’antennes associées a été abordée, le point délicat étant la définition du nanopont par lithographie électronique (figure 2). Les premiers tests électriques ont montré la nondégradation du supraconducteur, suite au processus technologique [3]. Ces recherches se poursuivent dans un objectif d’imagerie THz (programme européen NanOtime). Paramètres et critères d’optimisation L’élaboration de films supraconducteurs performants passe par l’optimisation de nombreux paramètres de dépôt. En l’espèce, la pulvérisation cathodique réactive (argon et oxygène) nécessite une maîtrise particulière des flux de gaz et des pressions partielles correspondantes, ainsi que des conditions électriques d’établissement du plasma [1]. Elle requiert aussi une attention critique quant à la température de dépôt, comme en témoigne la figure 1 : on voit clairement comment l’état de l’art, en matière de densité de courant critique et de résistance de surface à 10 GHz, dépend de manière pointue de Tdépôt. Figure 2 : Nanostructuration de bolomètres à électrons chauds à base d’YBaCuO. À gauche : microantenne THz associée au bolomètre. A droite : nanobolomètre situé au centre de l’antenne (Collab. avec le CEA Grenoble). ..................................................................................................................................... Références / References [1] F. Abbott, A.F. Dégardin and A.J. Kreisler: “YBCO thin film sputtering: an efficient way to promote microwave properties”, IEEE Trans. Appl. Supercond. 15(2), 29072910 (2005). [2] A. Gensbittel, A.F. Dégardin & A.J. Kreisler; M. Guilloux-Viry; P. Crozat: “Rf Figure 1 : Optimisation d’un film d’YBaCuO élaboré par pulvérisation cathodique RF sur substrat LaAlO3 : influence de la température de dépôt sur les propriétés en transport électrique (à gauche) et en radiofréquences (à droite). Les zones hachurées correspondent à l’état de l’art. characterization of gold/ferroelectric SrBi2Nb2O9 heterostructures for tunable devices”, Ferroelectrics 288, 103-110, (2003). [3] A.J. Kreisler, B. Guillet, A.F. Dégardin, J.C. Villégier and M. Chaubet: “HighTc superconducting hot electron bolometers for terahertz mixer applications”, J. of Systemics and Cybernetics, under Press (2006). 103 6.5 Etudes de composants et systèmes optiques pour les télécommunications Telecommunications optoelectronic systems and devices Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: Département Télécommunications Campus de Gif Sujets 1 à 2 / Topics 1 to 2: Alain DESTREZ Tél. : +33 [0]1 69 85 14 41 E-mail : [email protected] 6 Microélectronique et Photonique Microelectronics and Photonics Objectifs Aims Les lasers à semiconducteur à émission par la surface (VCSEL), composants bas-coût, sont très utilisés dans les interconnexions optiques et les réseaux optiques courte distance. L’étude de ces sources optiques à haut débit (10 Gb/s) dans des environnements sévères nécessite le développement de modèles dédiés. Dans les réseaux optiques multiplexés en longueur d’onde (WDM), les lasers à semiconducteurs accordables DBR permettent d’atteindre tous les canaux WDM. Une méthode de détermination rapide de la longueur d’onde permet un contrôle optimal, même en cours de fonctionnement. La qualité des transmissions optiques à très haut débit (>40 Gb/s) est dégradée par la dispersion des fibres optiques ce qui en limite la portée. Le chirp des composants d’émission (laser et modulateur externe) est une des causes de la dispersion. Sa caractérisation permet d’optimiser les paramètres de modulation du Vertical Surface Emitting Lasers (VCSEL) are low-cost components extensively used in optical interconnects and in short range optical transmissions. The study of these high bit rate (10 Gb/s) optical sources in severe environnements needs the development of specific models. In Wavelength Division Multiplexing (WDM) networks, tunable DBR lasers can emit at all WDM wavelengths. A fast wavelength characterization method of these components enables an optimal control during operation. Ultra-High bit-rate (>40 Gb/s) optical transmission quality strongly depends on fiber dispersion. Chirp of optical sources (laser and modulator) is one of the causes of dispersion. Its analysis will permit to optimize modulation parameters of the transmitted signal. A new laboratory for the measurement of high-bit rate optical telecommunication systems is being developed, with the support of Conseil Général de l’Essonne and Conseil Régional Ile de France, in the signal à transmettre. Une plate-forme de caractérisation de systèmes de télécommunications optiques à haut débit est mise en place avec le soutien du Conseil Général de l’Essonne et du Conseil Régional Ile de France dans le cadre de PRISME Optics Valley. Nous disposons de moyens de mesure du Taux d’Erreurs Binaires (TEB) et du diagramme de l’œil jusqu’à 50 GHz. Nous disposons aussi de moyens d’analyse de spectre optique en régime statique et en dynamique (chirp). framework of PRISME platform of Optics Valley. Bit Error Rate and Eye diagram can be measured up to 50 GHz. The laboratory is also equipped for Optical Spectral Analysis under CW conditions and modulation (chirp). Sujets Topics 1. Analyse et modélisation de composants optoélectroniques Modélisation des lasers VCSEL pour transmissions optiques haut débit et courte distance. Phénomènes non-linéaires et thermiques. Optimisation du choix de la longueur d’onde d’un laser DBR pour un canal DWDM par caractérisation rapide. Caractérisation du paramètre de chirp dans les lasers à semiconducteurs et dans les modulateurs optiques externes. 1. Analysis and simulation of Optoelectronic components VCSEL laser models for high bit-rate and short range optical transmissions. Nonlinear and thermal behaviors. Wavelength optimization in a DBR laser for a DWDM channel by fast characterization. Chirp parameter characterization in semiconductor lasers and optical modulators. 2. Systèmes de transmissions optiques Transmissions optiques courte distance à haut débit (10 Gb/s) avec VCSEL. Mesures et modélisation d’un réseau à 40 Gbit/s dans le cadre du pôle de compétitivité System@tic Paris-Région. Zeno TOFFANO Tél. : +33 [0]1 69 85 14 40 E-mail : [email protected] 104 2. Optical Transmission Systems Short-range and high bit-rate (10 Gb/s) optical transmissions using VCSELs. Analysis and modeling of a 40 Gb/s optical network in the frame of the project “Pôle de compétitivité System@tic Paris-Région” Etude de composants et systèmes optiques pour les télécommunications / Telecommunications optoelectronics systems and devices Plate-forme d’évaluation pour systèmes à transmissions optiques à très haut débit Fiber Optic High Bit Rate Transmission System Evaluation Platform Abstract Par Alain Destrez et Zeno Toffano Fiber optic high bit rate transmission systems imply electrical, optical and thermal interaction and necessitate new approaches for modeling and characterization. We have developed, in the framework of PRISME supported by Optics Valley, Conseil Régional Ile-de-France and Conseil Général de l’Essonne, a Fiber Optic High Bit Rate Transmission System Evaluation Platform. We can perform Bit Error Rate Evaluation, as well as chirp and optical spectrum measurements. Applications are: very high bit rate (40 Gb/s) long distance links, very short range high bit rate systems with fiber ribbons, VCSELs and photodiode arrays, and DWDM optical networks using tunable devices such as DBR lasers. Introduction plage d’accordabilité. Il peut être aussi utilisé pour déterminer le paramètre de chirp et le paramètre des lasers à semiconducteurs. Des variations de fréquence en moins de 500 ps ont été mesurées [2]. Nous modélisons et caractérisons des modules optoélectroniques pour communications à très haut débit sur fibre optique (jusqu’à 43 Gb/s). Notre laboratoire, récemment engagé dans le pôle de compétitivité System@tic Paris-Région, a développé, dans le cadre de PRISME, avec l’aide du Conseil Régional Ile-de-France, du Conseil Général de l’Essonne, d’Optics Valley et avec le concours d’Agilent Technologies Massy, une plate-forme technologique d’évaluation des performances des systèmes de transmissions sur fibres optiques à très haut débit jusque 40 Gb/s. Il s’agit d’un équipement spécifique permettant la mesure du taux d’erreurs binaires TEB (ou BER, Bit Error Rate), comprenant un générateur de séquences pseudo-aléatoires et un détecteur d’erreurs, un équipement de visualisation du diagramme de l’œil (oscilloscope avec accès optique et électrique jusque 50 GHz), un équipement de mesure du « chirp » des sources optiques, et un équipement de mesure des spectres optiques. Applications à courte distance (VSR) Dans les applications à courte distance, on utilise des modules équipés de barrettes de VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) et de photodiodes reliées par des nappes de fibres optiques. Ces modules atteignent des débits de 10 Gb/s. L’optimisation des modules dès la conception permettra d’en réduire le coût. La modélisation des VCSEL est basée sur les équations d’évolution, qui permettent d’estimer l’évolution de la puissance optique. Dans l’étude des VCSEL, les échanges thermiques entre la diode et son environnement sont pris en compte à travers des résistances thermiques, les constantes de temps thermiques sont modélisées par les capacités thermiques. La validation de la simulation du module complet est effectuée par des procédures de test [1]. On obtient le « diagramme de l’œil » dimensionné suivant un gabarit standard. Ce diagramme de l’œil permet d’évaluer les performances d’un module notamment le TEB (TEB < 10-12 selon la norme Gigabit Ethernet). Figure 2 : Diagramme de l’œil d’un module de transmission à très haut débit mesuré et simulé. Applications au multiplexage en longueur d’onde ..................................................................................................................................... Figure 1 : Plate-forme d’évaluation des performances des systèmes de transmissions à très haut débit (TEB, et diagramme de l’œil). Dans les applications à longue distance exploitant le multiplexage en longueur d’onde dense DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), des lasers de type DBR sont utilisés comme sources accordables. Ceci requiert un contrôle précis de la longueur d’onde d’émission (grille ITU). L’analyse de spectre optique ultra rapide permet le contrôle de la fréquence du laser en temps réel. Cette fonction peut être intégrée dans le module d’émission DWDM. Nous avons conçu et réalisé un analyseur de spectre optique ultra rapide, adapté aux lasers DBR et aux structures plus complexes présentant une très large Références / References [1] A. Gholami, Z. Toffano, A. Destrez, S. Pellevrault, M. Pez, F. Quentel, “Optimization of VCSEL Spatiotemporal Operation in MMF Links for 10-Gigabit Ethernet”, IEEE J. Selected Topics Quantum Electronics, 2006, (à paraître). [2] J. M. Campos, A. Destrez, J. Jacquet and Z. Toffano, “Ultra-Fast Optical Spectrum Analyzer for DWDM Applications”, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 53, n°1, Jan-Feb. 2004. 105 6.6 Guides photo-inscrits et interconnexions optiques Photoinduced waveguides and optical interconnects 6 Microélectronique et Photonique Microelectronics and Photonics Objectifs Aims La complexité des fonctions à réaliser et la rapidité du traitement nécessaires amènent les industriels (notamment ceux du domaine des télécommunications) à se tourner vers la photonique et en particulier vers l’optique non linéaire, pour obtenir des réponses que l’électronique n’apporte plus. Là où la photonique a été retenue pour transporter l’information, on lui demande maintenant d’assurer la gestion de la route (interconnexions reconfigurables), de ne pas intercepter le signal (transparence), d’assurer la modulation (modulation, limitation, conversion de fréquence). Mais les propriétés des matériaux et celles des systèmes qui les intègrent sont alors intimement liées. Nos objectifs sont alors : 1. de proposer des architectures de systèmes innovants; 2. de lier les études sur l’intégration des fonctions dans les systèmes à celles des caractérisations des matériaux et de leurs fonctionnalités. The complexity of functions to be realized and the speed of data processing which is not necessary lead to the telecommunication industry towards photonics and particularly nonlinear optics, to achieve the results which electronic can not. In the places where photonics is transporting information, it is now asked to route it (reconfigurable interconnects), to let the signal through (transparency) and to achieve its modulation. But the properties of the materials and of the systems that use them are intricated. Our objectives are: 1. to propose innovative system architectures; 2. to link studies on functions and systems to materials and functionalities. Sujets Topics 1. Autofocalisation photoréfractive et solitons spatiaux optiques Modélisation théorique, simulation numérique et validation expérimentale des régimes temporels, dans le domaine visible et infrarouge (longueurs d’onde télécom). Etude de matériaux isolants et semi-conducteurs. 1. Photorefractive self-focusing and spatial solitons Theoretical modelling, numerical simulations and experimental validations of temporal evolution, under visible and infrared wavelength (telecom windows). Insulator and semi-conductor materials. 2. Effet photoréfractif ultraviolet et interbande Photoinscription de guides dynamiques. Interaction d’ondes et diffraction de la lumière dans des matériaux anisotropes. Guides 3D. 3. Routage et interconnexions à base de solitons photoréfractifs Modélisation des systèmes. Etudes des propriétés temporelles d’inscription et de guidage. Autoalignement laser – fibre. Routage optique par interaction de solitons. Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: Delphine WOLFERSBERGER LMOPS Campus de Metz Tél. : +33 [0]3 87 76 47 04 E-mail : [email protected] Nicolas FRESSENGEAS LMOPS Campus de Metz Tél. : +33 [0]3 87 37 85 61 E-mail: [email protected] 106 2. Ultraviolet and Interband photorefractive effect Dynamic light induced waveguiding. Wave interaction and light diffraction in anisotropic materials. 3D waveguides. 3. Routing and optical interconnects with photorefractive solitons System modelling. Studies on temporal properties of writing and guiding. Self-alignement laser diode – fiber. Optical routing via solitons interaction. Guides photoinscrits et interconnexions optiques / Photoinduced waveguides and optical interconnects Guides d’onde reconfigurables pour routage tout optique Reconfigurable waveguides for all-optical routing Abstract Par Germano Montemezzani Transparent optical networks would highly profit from switching and routing elements based on waveguides that can be modified and reconfigured as wished. In comparison to integrated devices produced in active materials using conventional techniques, waveguides induced through the local changes of refractive index occuring in photorefractive materials subjected to a properly selected illumination pattern bear the advantage of being reversible and reconfigurable. Sub-millisecond reconfiguration times have been already achieved for planar-like structures. The extention of the confinement to the second transversal dimension should permit the realization of complex three-dimensional dynamic optical circuits. Introduction et principe physique D’autres éléments, comme par exemple des coupleurs X, Y ou 1-à-N, peuvent être réalisés en adaptant la structuration de l’illumination de contrôle. La réalisation de réseaux tout optiques ne nécessitant pas l’intervention d’éléments électroniques pour la détection temporaire des signaux demande des éléments de routage et d’interconnexion optique, adaptables et reconfigurables en des temps courts, de l’ordre de la milliseconde dans le cas des réseaux de télécommunications. L’utilisation de guides d’onde optiques réalisés dans des matériaux actifs par des techniques conventionnelles telles que la diffusion d’ions, l’échange protonique ou l’implantation ionique se prêtent mal à ce but. Ces techniques donnent lieu exclusivement à des guides statiques, typiquement de surface qui ne sont pas facilement modifiables. L’effet photoréfractif permet d’obtenir un changement local ou non de l’indice de réfraction par la redistribution de porteur de charges dans un matériau dit électro-optique. Cette redistribution a lieu en réponse à une illumination qui produit une quantité spatialement inhomogène de porteurs photoexcités. L’avantage principal est que cet effet peut être effacé, donnant lieu à des structures dynamiques sans l’intervention d’endommagements permanents du matériau. Le routage tout optique peut ainsi être envisagé par le biais de l’interaction entre solitons spatiaux photoréfractifs, définis comme des faisceaux lumineux se propageant avec un diamètre constant. Dans ce cas, la diffraction est exactement compensée par les effets non linéaires d’autofocalisation liés à Figure 1 : Principe simplifié du dispositif pour l’inscription de guides photoinduits l’effet photoréfractif. La photoinscription de guides par cette méthode est l’un des axes de recherche poursuivis au laboratoire LMOPS, avec pour but son application dans le domaine du routage tout optique [1]. Un autre axe que nous développons utilise une méthode que l’on peut qualifier de « photo-induction transversale ». Elle consiste, par une illumination structurée du matériau, à créer un guide optique aux endroits illuminés. Comme dans le cas des solitons spatiaux photoréfractifs du type brillant, la non linéarité optique est activée par l’application d’un champ électrique extérieur. Cette technique a été démontrée pour la première fois en [2] en utilisant, pour l’inscription, de la lumière ultraviolette donnant lieu à des effets de type interbande dans un matériau ferroélectrique (KNbO3). La photoexcitation interbande permet une plus rapide redistribution des charges [3]. Des temps de création et de reconfiguration des guides de l’ordre de 100 µs peuvent être atteints pour des guides essentiellement planaires à une dimension transversale. Figure 2 : Image en champ proche du faisceau sonde à la sortie d’un cristal de SBN sans (gauche) et avec (droite) le guide dynamique à une dimension. L’illumination latérale qui photoinduit le guide est à la longueur d’onde de 633 nm. Les travaux que nous menons actuellement portent sur l’extension du confinement à deux dimensions transversales dans le but d’exploiter efficacement tout le volume du cristal. Ceci est une voie particulièrement intéressante pour réaliser des circuits tout optiques complexes tridimensionnels, avec possibilité de reconfiguration en des temps de l’ordre de la milliseconde. ..................................................................................................................................... Références / References [1] D. Wolfersberger, F. Lhommé, N. Fressengeas, G. Kugel, “Simulation of the tem- Guides dynamiques à illumination transversale poral behavior of one single laser pulse in a photorefractive medium,” Opt. Commun. Un schéma très simplifié du dispositif expérimental nécessaire pour la photoinduction transversale des guides est donné dans la Figure 1. Ce type de configuration produit des guides dynamiques de type pseudo-planaire où le confinement a lieu principalement dans la direction du champ électrique appliqué. Ceci est présenté sur la Figure 2, qui montre l’image en champ proche du faisceau sonde à la sortie d’un cristal de SrxBa1-xNb2O6 (SBN, x=0.6) en l’absence et en présence de l’illumination latérale de contrôle. 222, 383-391 (2003). [2] Ph. Dittrich, G. Montemezzani, P. Bernasconi and P. Günter, "Fast recon-figurable light induced waveguides", Opt. Lett. 24, 1508-1510 (1999). [3] G. Montemezzani, Ph. Dittrich, R. Ryf, P. Günter, “Interband photore-fraction for optical processing and wave manipulation”, Conf. Proc. IEEE-LEOS Annual Meeting 2004, Techn. Digest, IEEE, Vol. 2, 993-994 (2004). 107 6.7 Matériaux optiques pour la génération et le traitement de faisceau laser Optical materials for laser beam generation and processing 6 Microélectronique et Photonique Microelectronics and Photonics Objectifs Aims Répondre à la demande de films minces, guides d’ondes et monocristaux afin de réaliser des composants performants et fiables pour la génération et le traitement de faisceau laser. Domaines visés : Télécommunications optiques. Lasers solides dans le bleu et l’UV par conversion de fréquence ou par émission directe. Modulation de phase ou d’amplitude. Correction de front d’onde. Q-Switch. Guidage et autoguidage optique. Autofocalisation de faisceau laser. This work aims at satisfying the demand for thin films, wave guides and single crystals needed to produce components that offer good performance and reliability for the generation and processing of laser beams. Fields of application: Optical telecommunications. Solid laser emitting in blue or UV. Phase or Amplitude Modulation. Correction of wave front. Q-switch. Optical guiding and self-guiding. Laser beam autofocusing. Sujets Topics 1. Borates non linéaires et nitrures III-V à grand gap pour l’obtention de fonctions optiques dans le domaine des courtes longueurs d’ondes Elaboration par MOVPE de films minces de nitrures pour l’émission UV. Préparation de BGaN. Propriétés structurales, optiques et électriques. Croissance de cristaux et films minces de borate de baryum (BBO). Propriétés optiques linéaires et non linéaires. Accord de phase. Mesure des coefficients de 1. Non-linear borates and nitrides III-V with a broad gap for generating optical functions in the short wavelength range Elaboration by MOVPE of nitride thin films for UV emission. Preparation of BGaN. Structural, optical and electrical properties. Growth of crystals and thin films of barium borate (BBO). Linear and non linear optical properties. Phase génération de second harmonique. Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: 2. Optimisation, contrôle et microstructuration du niobate de lithium pour l’optique guidée Propriétés électro-optiques et photo-réfractives de LiNbO3 pur ou dopé. Mécanismes d’endommagement optique. Rôle des défauts intrinsèques et extrinsèques. Optimisation et fiabilité des composants. Caractérisation de structures périodiquement polarisées. Préparation de fibres monocristallines. Caractérisation de guides d’ondes implantés. Propriétés optiques et électrooptiques. Conversion de fréquence. LMOPS Campus de Metz Marc FONTANA Tel. : +33 [0]3 87 37 85 72 E-mail : [email protected] Sujet 1 / Topic 1: Armand BATH Tel. : +33 [0]3 87 37 85 48 E-mail : [email protected] Sujet 2 / Topic 2: Patrice BOURSON Tel. : +33 [0]3 87 37 85 64 E- mail : [email protected] 108 matching. Measurements of second harmonic generation. 2. Optimization, control and microstructuring of lithium niobate in optical wave guides Electro-optical and photo-refractive properties of pure or doped LiNbO3. Mechanisms of optical damage. Effect of intrinsic and extrinsic defects. Optimization and reliability of components. Characterization of periodically poled structures. Preparation of single crystal fibers. Characterization of implanted wave guides. Optical and electro-optical properties. Frequency conversion. Matériaux optiques pour la génération et le traitement de faisceau laser / Optical materials for laser beam generation and processing Epitaxie par MOVPE de matériaux nitrures III-N pour les composants optiques à courte longueur d’onde (200nm-450nm) Epitaxial growth of III-Nitride materials for short-wavelength (200 to 400 nm) light emitting optoelectronic devices Abstract Par Abdallah Ougazzaden, Simon Gautier, Corinne Sartel, Jérôme Martin, Sidi Ould Saad Hamady Collaborations: Thales Recherche & Technology (ATL III-V lab), LPN (CNRS Marcoussis), KTH (Royal Institute of Technology of sweden), New Jersey Institute of Technology, LETAM (Université de Metz) Recently novel class of materials based on (B)AlGaN on SiC substrate have been reported [1-2]. These new alloys under study have similar characteristics than those of InGaN and AlGaN materials with the advantage to be lattice matched on SiC and AlN substrates. BAlGaN with lattice matching to SiC exhibits bandgap energy ranging from 3.4eV to 6.3eV and the corresponding wavelength is in the range of 340nm to 190nm respectively. Sujet de l’étude déterminée par la technique de la double diffraction des rayons X (DDX) (fig 2). Cette incorporation est allée jusqu’à 3,6% de Bore dans BGaN dans des structures monocouches « épaisses » épitaxiées sur pseudo-substrats de GaN [3]. L’adoption d’une structure multicouche –qui possède la caractéristique de réduire les effets des contraintes liées au désaccord de maille- a permis sur le même type de substrat une incorporation supérieure à 5% avec une bonne morphologie de surface et une bonne qualité cristalline. Le développement des matériaux semi-conducteurs émettant dans les très courtes longueurs d’onde offrira la possibilité de réaliser des sources optiques compactes et performantes qui visent des applications telles que la nano-lithographie, le biomédical, la décontamination, le stockage optique à haute densité, ainsi que dans le domaine militaire et la protection civile telle que la détection des agents actifs en cas d’attaque avec des armes biologiques et dans la télécommunication secrète. Les matériaux nitrures AlGaN et InAlGaN sont bien connus pour cette gamme de longueur d’onde, mais le manque de substrat en accord de maille avec ces matériaux rend leur croissance très difficile. Cette étude expérimentale porte sur l’élaboration des nouveaux matériaux semi-conducteurs ternaires et quaternaires à base de bore et des nitrures BGAN, BAlN et BAlGaN sur substrat carbure de silicium (SiC). L’un des avantages de ces matériaux est leurs possibilités d’émettre dans la gamme spectrale du bleu et de l’ultraviolet (200-450nm), tout en restant en accord de maille avec le substrat SiC. La technique d’élaboration utilisée dans ce travail est la croissance épitaxiale en phase vapeur aux organométalliques (MOVPE) (fig 1). Figure 2 : Spectre de double diffraction X d’une couche de 270 nm de BGaN épitaxiée sur une couche de 4 microns de GaN Conclusion Ces résultats ont permis une optimisation des conditions de croissance du ternaire BGaN sur GaN essentielle pour l’élaboration maîtrisée des alliages quaternaires plus complexes BAlGaN. Ces résultats positionnent également le travail de notre équipe à l’état de l’art, la littérature faisant état d’une incorporation de l’ordre de 2%. Le nouveau matériau BGaN s’approche de l’accord de maille sur AlN. ..................................................................................................................................... Figure 1 : Réacteur d’épitaxie en phase vapeur aux organométalliques Références / References Résultats [1] S. Sakai, Y. Ueta, Y. Terauchi, “Band Gap Energy and Band Lineup of III-V Alloy La phase des travaux sur ces matériaux nitrures à grand gap présentée ici concerne l’étude de l’incorporation du bore dans le matériau ternaire BGaN ainsi que des conditions de sa croissance dans le réacteur d’épitaxie. Les techniques de réflectométrie in situ et d’éllipsométrie ex situ ont conjointement permis de déterminer et de calibrer très précisément les épaisseurs déposées et la vitesse de croissance dans notre réacteur. La microscopie optique à contraste interférentiel (à prisme Nomarsy) et la microscopie à force atomique (AFM) ont montré une morphologie de surface satisfaisante pour l’étude de ce nouveau matériau. La spectroscopie de masse des ions secondaires (SIMS) a prouvé une excellente linéarité de l’incorporation chimique du bore par rapport au flux de précurseurs en phase vapeur dans la chambre de croissance [4]. La composition en bore de l’alliage BGaN élaboré au laboratoire a été Semiconductors Incorporating Nitrogen and Boron”, Jpn. J. Appl.Phys. 32 (1993) 4413. [2] M. Kurimoto, T. Takano, J. Yamamoto, Y. Ishihara, M. Hoie, M. Tsubamoto, H. Kawanishi, “Growth of BGaN/AlGaN multi-quantum-well structure by vapor phase epitaxy”, J. Crystal Growth 221 (2000) 378. [3] S. Gautier, C. Sartel, N. Maloufi, J. Martin, A.Ougazzaden, “BGaN materials on GaN/sapphire substrate by MOVPE using N2 carrier gas”, International Conference IC MOVPE 2006 Myasaki, Japan, accepted for oral presentation. [4] S. Gautier, C. Sartel, N. Maloufi, J. Martin, A. Ougazzaden, “MOVPE Growth Study of BxGA(1-x)N on GaN Template Substrate”, International conference of European Material Research Society - E-MRS spring Meeting 2006 Nice, France, accepted for oral presentation. 109 6.8 Dynamique de structures lasers complexes et applications Dynamics of complex laser structures and applications 6 Microélectronique et Photonique Microelectronics and Photonics Objectifs Aims Les lasers à semi-conducteurs sont des composants essentiels pour de nombreuses applications de télécommunication et traitement de signal optique. Les développements récents en nano-hétéro-épitaxie et nanophotonique conduisent à des structures lasers de plus en plus complexes quant au comportement physique du milieu de gain optique et quant à la géométrie de la cavité laser. Des exemples de telles structures lasers sont les lasers à semi-conducteurs à cavité verticale (VCSELs) et les lasers à semiconducteurs à boîtes quantiques. Ces structures lasers présentent des comportements physiques et des dynamiques complexes, permettant d’envisager des applications innovantes. Semiconductor lasers are key components for numerous applications in telecommunications and optical signal processing. The recent developments in nano-heteroepitaxy and nanophotonics lead to laser structures with increasing complexity regarding the physical behavior of the gain medium and the geometry of the laser cavity. Examples of such laser structures are the vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) and the quantum dot semiconductor lasers. These laser structures exhibit complex physical behaviours and dynamics, allowing us to suggest innovative applications. Sujets Topics 1. Transmission sécurisée de données encryptées dans du chaos optique Modélisation, simulation, et étude expérimentale de la synchronisation de chaos entre lasers VCSELs couplés par injection optique unidirectionnelle ou mutuelle. Encryption de données dans du chaos optique, communication sécurisée à haut débit (> Gb/s), et décodage des données. 1. Secure transmission of data encrypted within optical chaos Modelling, simulation, and experimental study of synchronisation of chaos between VCSELs coupled by unidirectional or mutual optical injection. Encryption of data embedded into optical chaos, secure communication at high bit rates (> Gb/s), and data recovery. 2. Structures photoniques innovantes à base de semi-conducteurs Modélisation, simulation et étude expérimentale des propriétés de polarisation de lasers VCSELs. Contrôle de la polarisation de lasers VCSELs. Application du basculement de polarisation dans un VCSEL à la commutation tout optique rapide. Analyse de lasers à semi-conducteurs à boîtes quantiques et à cristaux photoniques (actions européennes COST 288 et P11). Pour tout renseignement s’adresser à : For further information, please contact: Marc SCIAMANNA LMOPS Campus de Metz Tél. : +33 [0]387 76 47 05 E-mail : [email protected] 3. Laser à émission par la surface soumis à rétroaction ou injection optique Modélisation, simulation et étude expérimentale des comportements dynamiques non-linéaires de lasers à semi-conducteurs (dont les VCSELs) soumis à une rétroaction ou une injection optique. Analyse des dynamiques auto-pulsées et de leur transition vers le chaos optique. Modélisation, simulation et étude expérimentale de lasers VECSELs pour des applications de spectroscopie (projet ANR MIREV). 4. Laser accordable Laser continuum, VCSEL accordable. Joël JACQUET LMOPS Campus de Metz Tél. : +33 [0]387 76 47 68 E-mail : [email protected] 110 2. Innovative photonic structures based on semiconductors Modelling, simulation, and experimental study of polarization properties of VCSELs. Polarization control in VCSELs. Application of polarization switching to all optical switching. Analysis of quantum dot semiconductor lasers and photonic crystal semiconductor lasers (European actions COST 288 and P11). 3. Surface emitting laser subjected to optical feedback or optical injection Modelling, simulation, and experimental study of nonlinear dynamical behaviours of semiconductor lasers (including VCSELs) subject to optical feedback or optical injection. Analysis of self-pulsating dynamics and their transition to optical chaos. Modelling, simulation, and experimental study of VECSELs for spectroscopy applications (ANR project MIREV). 4. Tunable laser Continuum laser, Tunable VCSEL. Dynamique de structures lasers complexes et applications / Dynamics of complex laser structures and applications Dynamique de polarisation d’un VCSEL – commutation optique et cryptographie Polarization dynamics in VCSEL – optical switching and cryptography Abstract Par Marc Sciamanna We report our recent results concerning the polarization dynamics of vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) and applications to optical switching and chaos cryptography. VCSELs exhibit a linearly polarized light whose direction may switch between two orthogonal axes as we change the operating conditions or as we inject external light. The polarization switching can be accompanied by severe laser instabilities such as self-pulsations and optical chaos. Important directions of our study include either the control of instabilities or, by contrast, the applications of VCSEL nonlinear dynamics. Introduction désaccord en fréquence entre le maître et l’esclave. Particulièrement intéressante est la mise en évidence d’une route vers le chaos par doublement de période [1,2]. Une perspective intéressante de ce système consiste notamment en l’utilisation de ce basculement de polarisation, dont les Le laser à semi-conducteur VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) présente de nombreux avantages en comparaison avec les lasers conventionnels. Cependant le VCSEL souffre d’une instabilité de la polarisation de la lumière émise : la lumière émise est typiquement polari- études théoriques montrent qu’il est rapide (< ns), pour des applications de commutation tout optique. sée linéairement mais la direction de polarisation peut basculer entre deux directions orthogonales. Ce basculement de polarisation peut être induit par modification de courant ou température, par une rétroaction optique de la lumière émise, ou encore par une injection optique d’un second laser. Pour des applications de mémoires ou lectures optiques, il est essentiel de Cryptographie par chaos optique et perspectives La possibilité d’utiliser un laser à semi-conducteur comme générateur de chaos ouvre la voie à une autre application intéressante, appelée cryptographie par chaos optique et alternative aux techniques de cryptographie informatique et de cryptographie quantique. Le principe, illustré sur la contrôler cette polarisation. Par contre, un basculement de polarisation peut être intéressant pour réaliser une commutation ou un routage optique. De plus, lorsque le basculement de polarisation est induit par injection ou rétroaction optique, il est accompagné d’instabilités dynamiques non-linéaires dont du chaos optique. Ces dynamiques complexes sont utiles pour des applications nouvelles et originales telles que la cryptographie par chaos. figure 2, consiste en 1/ insérer par des techniques appropriées les données à transmettre dans le chaos généré par un laser, 2/ coupler optiquement ce laser à un second laser semblable, 3/ utiliser la possibilité de ce second laser de se synchroniser sur le chaos émis par le premier laser pour, en soustrayant le signal optique émis par le receveur au signal optique reçu en entrée, récupérer ainsi les données transmises. La sécurité de la communication est basée sur la technique de masquage des données dans le chaos d’émetteur, et sur le fait que la synchronisation et donc récupération des données ne sont possibles que pour deux lasers quasiment identiques. Basculement de polarisation induit par injection optique orthogonale – commutation tout optique Nous avons montré théoriquement et expérimentalement qu’une injection optique orthogonale (la lumière injectée par le laser dit maître est polarisée orthogonalement par rapport à la polarisation du laser VCSEL, dit laser esclave) peut conduire à un basculement de polarisation accompagné d’un verrouillage en fréquence de l’esclave sur le maître [1,2]. Figure 2 : Principe de la cryptographie par chaos. Nous avons récemment étudié la possibilité de coupler mutuellement deux VCSELs et avons observé une quasi-parfaite synchronisation de leur chaos [3]. Ce résultat nous encourage à analyser des techniques d’encryption de données pour établir un schéma de communication complet utilisant des lasers VCSELs et leurs propriétés intéressantes de chaos en polarisation. Figure 1 : Puissance moyenne émise par un VCSEL dans chacun des deux modes de polarisation en fonction de la puissance optique injectée par un second laser. La puissance optique injectée est augmentée (gauche) puis diminuée (droite). ..................................................................................................................................... Références / References [1] I. Gatare, M. Sciamanna, J. Buesa, H. Thienpont, K. Panajotov, Applied Physics La figure 1 présente un tel basculement de polarisation mesuré expérimentalement, en augmentant (gauche) puis en diminuant (droite) la puissance optique injectée. La comparaison des deux évolutions de puissance montre l’existence d’un hystérèse et donc d’une bistabilité. Nous avons également montré que le VCSEL soumis à injection optique orthogonale pouvait présenter des dynamiques non-linéaires très riches, en fonction du Letters, vol.88, pp 111106, 6 mars 2006. [2] J. Buesa, I. Gatare, K. Panajotov, H. Thienpont, M. Sciamanna IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 42, n°2, pp 198-207, février 2006. [3] R. Vicente, J. Mulet, C.R. Mirasso, M. Sciamanna, Optics Letters, vol. 31, pp 996999, mars 2006. 111