JNRDM-AVerdier

Conception d’un Amplificateur Optique à Semi-conducteurs de Puissance
Agnès Verdier, Sophie Barbet, Romain Brenot
III-V Lab
1, Avenue A. Fresnel
91767 Palaiseau Cedex, France
E-mail : [email protected]
Résumé
Porté par le succès des réseaux sociaux, de la vidéo à la
demande, et par la multiplication des plateformes mobiles de
contenus multimédias, le trafic de données sur Internet
continue de croitre chaque année. Afin de répondre à ce
besoin d’augmentation du trafic de données, nos travaux
visent à augmenter la capacité des systèmes de transmission
actuels en développant et en industrialisant un nouvel
amplificateur optique à semi-conducteur de large bande
passante. Cet amplificateur optique doit répondre à des
contraintes industrielles (compacité, consommation, fiabilité,
coût…) avec des performances de gain (>15dB, >100nm), de
puissance de sortie et de saturation (~20dBm). L’optimisation
de ces paramètres dépend principalement des matériaux de la
couche active, tout d’abord étudiés par simulation puis
validés lors de mesures expérimentales. L'augmentation de la
puissance de saturation implique par exemple une réduction
du confinement optique dans le guide tout en conservant des
pertes de propagation suffisamment faibles, puis en
augmentant la longueur du SOA afin d'y injecter des courants
importants. Cette optimisation est similaire à ce qui est
nécessaire pour obtenir des lasers de forte puissance mais
doit tenir compte des contraintes spécifiques à un
amplificateur optique dues à l’injection d’un signal dans le
composant.
traitement antireflet afin d’éviter l’effet laser dans la
cavité. Un signal lumineux se propageant dans le SOA est
alors amplifié lors d’un unique passage [1]. En
fonctionnement, le composant est polarisé de manière à
injecter des porteurs électriques dans la cavité. Les
photons incidents du signal se propageant dans le SOA
forcent la recombinaison des porteurs électriques présents
dans le composant, ce qui aboutit à l’émission de photons
cohérents, identiques aux photons incidents.
Ces composants sont utilisés pour des transmissions
ou des opérations logiques de signaux optiques et opèrent
pour des longueurs d’onde comprises entre 850 et 1650
nm. Ils présentent l’avantage d’une petite taille et d’une
faible consommation électrique, ainsi que d’une large
bande-passante en comparaison avec d’autres techniques
d’amplification optique comme les EDFA. Ils sont
cependant pénalisés par une puissance de sortie plus
faible, un bruit plus important et des non-linéarités qui
peuvent provoquer une déformation du signal transmis.
De nombreux efforts ont été portés pour améliorer les
performances des SOA afin d’étendre leur utilisation.
Nous présentons dans cet article l’optimisation pour la
puissance d’une nouvelle génération d’amplificateurs
optiques à semi-conducteurs (SOA) de bande passante
supérieure à 100 nm.
2.Description du composant et de sa
1. Introduction
fabrication
Les amplificateurs optiques à semi-conducteurs
(SOA) sont des composants optoélectroniques constitués
d’une cavité optique amplificatrice, généralement
composée de matériaux semi-conducteurs III-V. La
structure est voisine de celle d’un laser Fabry-Pérot mais
les deux facettes du guide d’onde bénéficient d’un
2.1. Ruban
Un amplificateur optique à semi-conducteurs équivaut
à une diode PiN polarisée en direct. Afin de favoriser
l’injection du courant dans le composant, le guide d’onde
est enterré et le ruban est recouvert de phosphure
d’indium dopé p (InP - p) comme illustré sur la Figure 1.
La zone active, où se produit l’amplification n’est pas
intentionnellement dopée (nid), mais en dessous de celleci le substrat est dopé n (InP - n). La circulation du
courant le long des flancs du ruban est bloquée par l’ajout
de matériau isolant pour minimiser les pertes sur les côtés
du composant.
Les composants présentés ici ont un ruban de 4.5µm
de large et 4mm de long. Ils sont tiltés à 7° et pourvus de
traitement antireflet des deux côtés, ce qui porte la
réflectivité sur les facettes à -60dB et empêche l’effet
laser dans la cavité.
déjà utilisées pour les lasers de puissance [4] [5] et
développées par Juodawlkis et Morito pour les SOA [6]
[7]. La même démarche nous a conduits à adopter des
composants de grande taille : 4.5 µm x 4 mm de surface
pour la zone active, ce qui représente une taille
importante. On cherche à présent à utiliser un deuxième
levier en diminuant le confinement. Il a de plus été
montré qu’un confinement faible permet de diminuer le
facteur de bruit d’un SOA [8], cette démarche présente
donc un double avantage.
La présence d’une semelle sous la zone active permet
de diminuer le confinement du mode optique dans la zone
active et dans les couches supérieures d’InP-p [9]. Cela
permet de diminuer les pertes dans le composant qui à
1.55µm sont principalement dues à la propagation dans
les couches dopées p. Cependant la diminution du
confinement dans la zone active correspond à une baisse
de l’interaction entre le mode optique et le matériau à
gain et donc à une baisse du gain. Il faut donc trouver un
compromis entre la puissance de saturation et le gain du
SOA.
a)
Figure 1. Schéma de la structure PiN enterrée
2.2. Zone active
. Les performances du SOA sont atteintes grâce à une
structure de 6 puits quantiques en alliage quaternaire
GaInAsP réalisée en épitaxie par jets moléculaires en
sources gazeuses (EJM-SG). D’autres types de structures
sont possibles pour réaliser l’amplification dans un SOA.
On trouve ainsi des SOA massifs, dans lesquels
l’amplification a lieu dans la couche épaisse d’un seul
matériau à gain, et des SOA à boîtes quantiques, qui
piègent les porteurs de charge à des emplacements précis
régulièrement répartis dans la cavité optique [2]. Les
SOA à puits quantiques sont à mi-chemin entre ces deux
structures : les porteurs sont confinés par les puits
quantiques dans une direction seulement, et libres dans le
plan perpendiculaire aux facettes. Cela permet d’obtenir
un gain important à des courants assez faibles et
d’atteindre des puissances intéressantes.
2.3. Semelle
La puissance de saturation d’un SOA dépend du
confinement du mode optique dans la zone active Γ,
d’après la formule [3] :
Dans l’équation (1), d et w représentent l’épaisseur et
la largeur de la zone active, quand a et τ sont
respectivement le gain différentiel et le temps de vie des
porteurs dans le SOA. La puissance de saturation est
définie pour le composant comme la puissance de sortie
pour laquelle le gain a diminué de 3 dB à forte puissance
optique injectée, et ce à un courant donné.
Pour augmenter la puissance de saturation du
composant il convient donc d’augmenter la taille de la
zone active ou de diminuer le confinement, approches
b)
Figure 2. a) Semelle massive b) Semelle diluée
La présence d’une semelle modifie de plus la
géométrie du mode optique, il faut veiller à conserver un
mode optique aussi circulaire que possible pour faciliter
le couplage dans la fibre optique [10].
Deux approches sont étudiées : une semelle massive,
représentée sur la Figure 2. a) et une semelle diluée,
représentée sur la Figure 2. b). Pour la première il s’agit
d’une couche épaisse d’alliage quaternaire GaInAsP
d’indice de réfraction entre celui du substrat et celui des
puits quantiques. La deuxième est une alternance de
couches InP et d’alliage quaternaire GaInAsP afin
d’ajuster plus finement l’indice de réfraction moyen de la
semelle et de jouer sur la géométrie du mode optique. En
effet en jouant sur l’épaisseur des couches de la semelle
on peut obtenir n’importe quel indice de réfraction moyen
compris entre celui de l’InP et de l’alliage GaInAsP.
Dans les deux cas de figure les couches d’InP sous la
zone active sont fortement dopées n afin de favoriser le
passage du courant.
3.Simulations
Une étude de simulations optiques est menée afin
d’optimiser le design de la semelle. Deux paramètres sont
étudiés, le confinement du mode optique dans la zone
active et sa divergence. D’après l’équation (1) on sait que
le confinement Γ doit être faible pour obtenir une
puissance de saturation élevée. Cependant le gain du
composant est proportionnel à Γ, il y a donc un
compromis à réaliser sur la valeur du confinement. La
valeur cible de l’étude est fixée à Γ = 4%, une valeur
faible qui ne permet pas d’atteindre un gain matériau
élevé. L’effet sur le gain total du composant est
compensé par la longueur du SOA.
La divergence intervient quant à elle pour le couplage
du SOA en entrée et en sortie. Elle correspond à l’angle
entre le centre du mode et la limite à l’infini du faisceau
lumineux, donné par :
de 2.9 % pour une divergence 14°x15°. Les structures
sont élaborées en veillant à conserver un guide d’onde
monomode. Parmi les deux structures la semelle massive
est finalement privilégiée car elle présage d’un gain plus
important et sa fabrication est plus aisée.
Avec λ la longueur d’onde et ω0 le rayon du mode
optique circulaire à la sortie du guide d’onde. Ainsi plus
le mode est petit plus le faisceau lumineux s’élargit en
espace libre. Le couplage doit se faire ici avec des fibres
lentillées dont la taille de mode est de 2.5 µm, ce qui
correspond à une divergence d’au moins 12°x12°. Il faut
cependant veiller à ce que la divergence ne soit pas trop
élevée car plus le mode est petit, moins le couplage est
tolérant.
Les simulations sont réalisées avec le logiciel
Fimmwave qui permet d’obtenir la géométrie du mode
optique pour un modèle de guide d’onde donné.
Figure 4. Mesure de champ lointain du SOA
a)
4. Caractérisation
4.1. Mesure de champ lointain
On évalue la validité des simulations présentées au
paragraphe précédent par la mesure de composants
fabriqués avec la structure à semelle massive. On
positionne en sortie du composant une caméra avec une
ouverture en fente munie d’un système de rotation afin de
réaliser une mesure de la répartition de puissance du
mode en champ lointain. La mesure est réalisée en régime
d’émission spontanée pour un courant de 500 mA. La
Figure 4. montre l’image obtenue avec une rotation
complète de la fente. Le champ lointain est faiblement
elliptique ce qui correspond aux simulations.
a)
b)
Figure 3. Simulation du mode optique a) pour une
semelle massive b) pour une semelle diluée
Pour une structure avec une semelle massive de 4 µm
en quaternaire GaInAsP dont le pic d’émission est à 1030
nm, on obtient un confinement Γ dans la zone active de
3.9 %. La répartition de puissance du mode dans le guide
est présentée Figure 3. a) et correspond à une divergence
de 15°x19°. La structure avec semelle diluée comprend
19 couches de GaInAsP dont le pic d’émission est à 1170
nm. Leur épaisseur moyenne est de 80 nm, elle monte à
100 nm pour les six couches encadrant la couche épaisse
d’InP où doit s’arrêter la gravure du ruban, et descend à
60 nm pour les trois couches les plus basses. Les couches
d’InP qui alternent avec le quaternaire ont quant à elles
toutes une épaisseur de 200 nm, exception faite de la
couche où s’arrête la gravure qui mesure 250 nm. Pour
cette structure, le confinement Γ dans la zone active est
b)
Figure 5. Mesure et simulation de champ lointain a)
sur l’axe horizontal b) sur l’axe vertical
La mesure sur les axes horizontaux et verticaux
permet notamment d’obtenir la divergence du mode, qui
est de 13°x17.5°. La Figure 5. montre la bonne
corrélation des mesures de champ lointain et des
simulations, l’écart avec la simulation est notamment le
même sur les axes horizontaux et verticaux.
4.2. Gain et puissance
Les caractéristiques de puissance du SOA sont
déterminées en régime d’émission stimulée. Un signal
laser est envoyé dans le composant polarisé en courant où
il est amplifié. Le signal lumineux en sortie du composant
est collecté dans une fibre optique reliée à un analyseur
de spectre optique. L’analyseur de spectre optique permet
de lire la puissance émise par le composant en fonction
de la longueur d’onde. La source en injection est un laser
accordable, et le signal est polarisé en TE.
La caractérisation des SOA est réalisée sur des
composants montés sur des embases munies de
thermistances, ce qui permet de réguler les composants
en température avec
un Peltier
lors des
différentes mesures. Ce système de refroidissement ne
permet cependant pas une régulation efficace pour des
courants élevés. Etant donnée la longueur des composants
(4mm) l’injection de courant est faites avec deux pointes
pour diminuer la résistance série.
Figure 6. Courbe de gain puce du SOA à 1550 nm
La Figure 6. montre le gain du SOA à 1550 nm pour
un courant allant jusqu’à 3A et pour une puissance
injectée de -25 dBm. La courbe de gain dépasse les 15 dB
à partir de 1.5 A mais la pente demeure faible à cause
d’effets thermiques. La mesure de la puissance de
saturation à 1500 mA pour une régulation en température
à 20°C donne quant à elle une valeur supérieure à 25
dBm.
5.Conclusions
Nous avons validé l’ajout d’une semelle sous la zone
active à des fins d’optimisation des performances de
composants de puissance. Une étude en simulation de
deux types de semelle a permis la conception d’une
structure de faible confinement dans la zone active et
dans le matériau à perte au-dessus de celle-ci. La
divergence a elle aussi été calculée pour optimiser le
couplage. Les résultats obtenus avec les composants
réalisés à partir de cette structure valident les prévisions
établies pour la divergence du mode. La puissance de
saturation élevée ainsi que le gain à 15 dB confirment
quant à eux que ce type de structure est adapté pour des
applications de puissance. Pour continuer dans cette voie
d’autres types de structures doivent être envisagés : des
SOA possédant des géométries MMI (Multi-Mode
Interferometer) sont actuellement à l’étude afin
d’augmenter encore la puissance de saturation en
augmentant fortement la taille de la zone active.
Références
[1] M. J. Connelly, “Semiconductor Optical Amplifiers”, NewYork: Springer (2002).
[2] T. Akiyama, M. Ekawa, M. Sugawara, et al. “An ultrawideband semiconductor optical amplifier having an extremely
high penalty-free output power of 23 dBm achieved with
quantum dots”, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 17
(2005).
[3] K. Morito, "High Power Semiconductor Optical Amplifier",
OWQ4, OFC/NFOEC2009 (2009).
[4] I. B. Petrescu-Prahova, M. Buda, and T. G. van de Roer,
“Design of a 1W, single filament laser diode,” IEICE Trans.
Electron., vol. E77-C, no. 9, pp. 1472–1478 (1994).
[5] J. Plant, P. Juodawlkis, R. K. Huang, et al. “1.5-μm
InGaAsP-InP slab-coupled optical waveguide lasers”,
Photonics Technology Letters, IEEE, vol. 17 (2005).
[6] P. W. Juodawlkis, “High-Power, Low-Noise 1.5-μm SlabCoupled Optical Waveguide (SCOW) Emitters: Physics,
Devices, and Applications” , IEEE journal of selected topics
in quantum electronics, vol. 17, no.6 (2011)
[7] Ken Morito, Shinsuke Tanaka, Shuich Tomabechi, “A
Broad-Band, MQW Semiconductor Optical Amplifier With
High Saturation Output Power and Low Noise Figure”,
IEEE Photonics Technology Letters, vol. 17, no. 5 (2005).
[8] R. Brenot, et al., "Experimental study of the impact of
optical confinement on saturation effects in SOA", Optical
Fiber Communication Conference, Optical Society of
America (2005).
[9] Mickaël Faugeron, “High Peak Power, Narrow RF
Linewidth Asymmetrical Cladding Quantum-Dash ModeLocked Lasers”, IEEE Journal of selected topics in quantum
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[10] R. K. Huang, "AlGaAs/InGaAs 980-nm Slab-Coupled
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Mode", ITCom 2002: The Convergence of Information
Technologies and Communications, International Society
for Optics and Photonics (2002).