n - Chaire PSA
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Optoélectronique bas-coût Fonctions et composants planaires Béatrice DAGENS Institut d’Electronique Fondamentale [email protected] Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 1 OPTICAL NETWORK Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 2 > 1Terabit/s Optical Communications : TDM / WDM Réseau optique mono l l1 Emett Récept Augmentation du débit : 2.5, 10, 40, ...Gbit/s Aux limites de l’électronique • Electrical TDM • Optical TDM (soliton) Time Div Mux Réseau optique multi l ... l1 Emett l4 Wavelength Div Mux Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 3 Récept 4, 8, 16, …,128 l @ 2.5Gbit/s Peigne 100GHz, 50GHz, 25 ... Aux limites de l’optique Composants requis en TDM (1 seule l) - fibre - source - modulateur - récepteur/détecteur Photoreceiver Modulator 4x 10 Gb/s STM 64 li Driver Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 4 DMUX 40 Gb/s Broadband MUX Laser Reshaping 4x 10 Gb/s STM 64 Fibre 40 Gb/s STM 256 Clock Electronic vs. Photonic Processing Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 5 Composants optiques en WDM (système tout-optique) - fibre - n sources (ou source accordable) - n modulateurs - mux/demux - n récepteurs - add&drop (insertion-extraction) - filtre de l - convertisseur de l - éventuellement régénérateur Optique intégrée Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 6 Monomode optical fibre G652 fibre largely deployed best transparency @ 1.5 µm (~ 0.2 dB/km) > 15 THz usable bandwidth dispersive @ 1.55 µm (~ 17 ps/km/nm) not preserving state of polarisation large mode size (~ 10 µm) EDFA = erbium doped fibre amplifier @ [1.53-1.56] µm flat gain over 15 nm (= 15 THz) Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 7 Monomode Silica Fiber Transmission fibre loss (silica) Conventional amplification band (Erbium Doped Fibre Amplifiers) Loss (dB/km) 1.0 0.5 0.2 ~50THz 0.1 1000 1200 1300 1400 1500 Wavelength (nm) Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 8 1600 Context: Networks Technological Fiber losses impact progress 3 laser generations in 3 wavelength windows Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 9 Context: Networks Technological progress Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 10 Dispersion impact INTEGRATED OPTICS GUIDED WAVE DEVICES REALISED WITH A PLANAR TECHNOLOGY NEW OR IMPROVED OPTICAL COMPONENTS ACTIVE AND PASSIVE COMPONENTS INTEGRATION HYBRID CIRCUIT MONOLITHIC CIRCUIT • PIC = Photonic Integrated Circuit • OEIC = OptoElectronic Integrated Circuit BASIC PRINCIPLE : LIGHT CONFINEMENT MOSTLY SINGLE MODE TECHNIQUE IMPROVED ELECTRO-OPTIC INTERACTION NEW EFFECTS Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 11 Bulk vs Guided-wave components Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 12 Free space vs. Guided wave x x x z y Mode guidé = Onde électromagnétique progressive suivant z, stationnaire ds plan z Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 13 Modes guidés TE & TM Résolution de l'équation de Helmholtz dans chaque couche Seules composantes non nulles : modes TE = E y , H x , H z modes TM = E x , E z , H y d² dx² k²n j ² ² Continuité des composantes tangentielles des champs E et H aux interfaces 3-1 et 1-2. n= /k k=2/l n3 n1 l ● ● n2 Guide plan à saut d’indice x t z y condition de guidage dans milieu 1 – solution sinusoïdale dans # 1 – évanescence des champs dans # 2 et # 3 ==> indice effectif des modes guidés possibles doit satisfaire simultt: – n>n 3 n<n 1 n>n 2 0 Modes guidés TEm Guide plan n3 n2 n3 n1 t n2 TE1 TE0 Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 15 n1 neffectif Optical waveguide Guided mode = progressive electromagnetic wave along z, stationary in plan _|_ z Typical dimensions at near-infrared l Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 16 Guides 2D ou comment s'affranchir de la diffraction Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 17 Plan Structure de base: laser à jonction P/N Matériaux semiconducteurs et jonction p/n Hétérostructure Guide d’onde actif Mise en module Couplage fibre – composant Contrôle thermique Insertion des éléments optiques ou de contrôle Stratégies pour réduire les coûts Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Réduction du nombre d’alignements optiques (intégration) Nouvelles fonctions dans les circuits photoniques Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 18 Plan Structure de base: laser à jonction P/N Matériaux semiconducteurs et jonction p/n Hétérostructure Guide d’onde actif Mise en module Couplage fibre – composant Contrôle thermique Insertion des éléments optiques ou de contrôle Stratégies pour réduire les coûts Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Réduction du nombre d’alignements optiques (intégration) Nouvelles fonctions dans les circuits photoniques Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 19 Basic structure : semiconductor laser Method: description of the realization of semiconductor lasers, as an introduction to the most of optoelectronic devices Semiconductor laser (1962) Planar (integrated) optics Today performing and reliable laser are commercially available « Mean Time to Failure » (MTTF) equals 100 years (100 hours in 1972!) Most of active semiconductor devices are built like laser Some are already used in systems, others are still under development Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 20 Integrated optical devices Present device performance = results from ~50 years technologies development Material quality (crystal quality, reproducibility, purity, ...) Technological mastering (dimensions, devices wafer density, reproducibility) Technological improvement which still allows component design and optimization progress P/N junction double heterojunction (1D waveguide, epitaxy control) 2D waveguide fabrication - epitaxy improvement - technology control more complex structures - photonic crystal, nanostructures, gratings, .... Device fabrication: - function adapted structure - stand-alone or integrated Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 21 Active optoelectronic devices (laser, amplifier) Gain medium for electromagnetic signals amplification : semiconductor structure including a P/N junction to allow electron-hole combination Electrical pumping of P/N junction Optical waveguiding To obtain laser effect : cavity (mirrors) Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 22 P/N junction Double Heterostructure Crystal: energy bands Building an active semiconductor optical device Periodic organisation of atoms on the lattice (ZnS blende): Hybridation of atomic orbitals (with compatible symmetry) energy bands Energy bands filled by electrons delivered by atoms; possibly partially filled bands Energy bands Molecular/atomic orbitals antiliant level i of atom 1 level i of atom 2 level i of the N atoms liant 2 atoms 1 molecule Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 23 N atoms 1 crystal P/N junction Double Heterostructure Building an active semiconductor optical device Crystal: energy bands Other approach : Delocalized electrons in a periodic potential: described by a periodic wavefunction (presence probability), indexed with the wavevector k Bloch function : Yk(r)=uk(r).exp(ik.r) Bloch theorem : for each k, there are solutions to Schroedinger equation in periodic wavefunction space = these solutions (= energies) are dispersion relations E(k) which make the band diagram Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 24 P/N junction Double Heterostructure Semiconductor doping Building an active semiconductor optical device Intrinsic doping : T must be so that Eg<kT to induce conduction energy Extrinsic doping : possible low temperature conduction Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 25 P/N junction Double Heterostructure Fermi level Building an active semiconductor optical device Filling probability of energy states at thermodynamical equilibrium electrons energy Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 26 Insulating at T=0K Conductor à T>0K (conductivity proportional to Eg/2kT) P/N junction P/N junction polarisation: out of thermodynamical equilibrium Double Heterostructure Building an active semiconductor optical device P/N junction desequilibrium allows transport of electrons and holes in deserted zone: electrons and holes can recombine in this central zone V=0 V>0 Radiative or non-radiative recombinations Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 27 P/N junction Double Heterostructure Pseudo Fermi level: intraband equilibrium Building an active semiconductor optical device intraband relaxation time ~0.8 ps interband relaxation time ~1 ns Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 28 P/N junction Double Heterostructure Amplification Building an active semiconductor optical device Stimulated emission / spontaneous emission /absorption Low carrier injection : absorption is dominant High carrier injection (= conduction (resp. valence) band filling by electrons (resp. holes) probability higher than ½) : emission is dominant Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 29 P/N junction Double Heterostructure Conditions for amplification Building an active semiconductor optical device Stimulated emission must be dominant with respect to absorption population inversion: • Thanks to thermodynamical desequilibrium and finite e-h recombination time t : electrons and holes simultaneously present in central zone. • Defined by the following situation: conduction (resp. valence) band filling by electrons (resp. holes) probability higher than ½ • Obtained as soon as the applied voltage V is so that: qV=Efc-Efv > Ec-Ev V=0 V>0 E Ec Efc Efv P Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 30 qV=Efc-Efv Ec-Ev Ev N z P/N junction Double Heterostructure To summarize: P/N junction principle Building an active semiconductor optical device two doped (resp. N and P) semiconductor in contact: natural blocking of carriers, creation of deserted zone positive applied voltage: carrier transport in the central zone e-h recombination : • one photon can be emitted for each e-h recombination • each photon can be absorbed to generate one e-h pair • gain in case of “population inversion”: stimulated emission dominates absorption P/N junction allows control of electrons and holes movement between electrical contacts, but: - wide central zone (~1µm) : very low gain at a “reasonable” injection current (or heating in case of high current: impulsional operation required) - emitted photons are not confined and propagate in all directions Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 31 P/N junction Double Heterostructure Double heterojunction Building an active semiconductor optical device non intentionally doped (NID) zone for carrier confinement : Direct gap semiconductor material Material layer positioned between two higher gap material layers NID layer has a higher index (because active gap) : first ambient temperature laser V P Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 32 NID N P/N junction Double Heterostructure Double heterojunction band structure Building an active V semiconductor optical device P NID Active layer thickness~0.1µm --> carriers accumulated in a confined zone (x10 with respect to P/N junction) N E Ec V=0 Ev EF P High gap material N Active material gap wavelength Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 33 High gap material layers Population inversion accessible at lower current: continuous operation at room temperature Planar optical guiding P/N junction Double Heterostructure Building an active semiconductor optical device Back to band structure Direct/ indirect gap Stimulated emission : interaction between dipolar moment -er and wave electrical field E Radiative emission only if wavevector conservation : Carrier wavefunctions <Yf E.r Yi>= exp(i(kf-ki+kphoton).r). ukf(r) uki(r)....dk Wave electrical field -er: dipolar moment of e-h pair Emission spectrum broadening Non-radiative parasitic recombinations Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 34 0 P/N junction Double Heterostructure Improving amplification Building an active semiconductor optical device Active layer: bulk (3D) ; quantum wells (2D), MultiQW (2D) ; Quantum wires (1D); Quantum dots/dashes (0D) Carrier confinement Energy levels quantified Improve amplification efficiency 3D 2D dN/dE 1D dN/dE E 0D dN/dE dN/dE E E E But: decreasing amplifying volume + possible polarisation dependency dz< l dx< l dx,dy, dz >> l Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 35 dz < l dx, dy ,dz < l P/N junction Double Heterostructure Building an active semiconductor optical device Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 36 Quantum well P/N junction Double Heterostructure Building an active semiconductor optical device Improving optical confinement Double heterojunction active layer provides a very low optical confinement Layer structure compatible with carrier confinement in active(s) layer(s): SCH GRINSCH MQW, barriers Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 37 P/N junction Double Heterostructure Building an active semiconductor optical device Improving lateral optical and electrical guiding Gain coupling: used for material quality evaluation (broad area laser) Index coupling: for advanced devices • Ridge • BRS • P/N BH Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 38 P/N junction Double Heterostructure Ridge structure Building an active semiconductor optical device I P Active region N High bit rate laser (with lateral non-conducting layer) Preserved active layer (not etched) Simple technology Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 39 P/N junction Double Heterostructure Building an active semiconductor optical device Buried ridge structure (BRS) Laser, amplifier : For moderate current density (risk of lateral leakage) Highly efficient electrical injection Good optical confinement Usual structure of telecom laser Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 40 P/N junction Double Heterostructure Building an active semiconductor optical device P/N BH structure Convenient for high current density (no leakage: electrical blocking thanks to inversed P/N junction) Power laser (for fiber laser pumping for example) P N P N Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 41 P/N junction Double Heterostructure Example : power laser Building an active semiconductor optical device High power pumps 2,0 1,75W pnBH laser structure for high power operation L (W) 1,5 1,0 0,5 0,0 0 2 4 6 I (A), CW Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 42 8 O ver 1W single mode extended cavity pump laser @ 1480 nm G. Gelly, 2000 Laser A semiconductor optoelectronic device must: – Enable stimulated emission based amplification (P/N junction, population inversion, direct gap) – Confine electrical carriers in the active layer (double heterojunction) – Possibly shape the electronic band structure to optimize gain efficiency (quantum wells, quantum dots) – Include a 2D waveguide in order to confine photons and control optical signal propagation Which technological solutions to fabricate such devices ? ● Epitaxy ● Waferscale technological process ● Fabrication control Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 43 Plan Structure de base: laser à jonction P/N Matériaux semiconducteurs et jonction p/n Hétérostructure Guide d’onde actif Mise en module Couplage fibre – composant Contrôle thermique Insertion des éléments optiques ou de contrôle Stratégies pour réduire les coûts Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Réduction du nombre d’alignements optiques (intégration) Nouvelles fonctions dans les circuits photoniques Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 44 De la PUCE au MODULE OPTOELECTRONIQUE Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 45 Mise en module : puce, composant intégré, circuit Montage Couplage dans la fibre Positionnement et stabilité mécanique Dissipation thermique (Peltier) Avec ou sans driver électronique Insertion d'éléments optiques Insertion d'éléments de contrôle Étalon (lambda) Photodiode de contrôle (puissance) Sonde thermique Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 46 Exemple : mise en module d'un interféromètre intégré Brasage / câblage du composant Report thermistance de régulation Applications 10 & 40 Gbits/s - Conversion en longueur d'onde - Régénération optique - Routage optique WDM Couplage optique Soudage YAG Positionnement ~0,5 µm Ix : courant d'alimentation SOA Réalisation rubans de fibres lentillées sur vés silicium Technologie-clé packaging - Précision d'assemblage ~0,5µm - Soudage YAG - Multi-Fibrage - Lentillage de fibres - Régulation thermique Mise en boîtier sous-module optique Connectorisation et Mesures finales module Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 47 Montage sur embase Plusieurs techniques : Collage In Brasure AuSn ..... Embases Dorées Via-hole Utilisation d'alumines Adaptation d'impédance Lignes coplanaires .... Fils de contact (« bonding ») Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 48 YAG assembling M ult imode fiber YA G ener gy shar e box 3 M ult imode f ibers YA G laser O bt urat ors 3 x 1 2 0 ° YA G laser beams Lensed opt ical f iber Comput er int er f ace Submodule in X , Y, Z st ages Alignment based on optical power O pt ical Power met er Comput er Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 49 Couplage dans la fibre Dissipation thermique Couplage de la lumière dans un guide Insertion d’éléments optiques ou de contrôle Prisme Lentille Fibre Réseau Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 50 Couplage dans la fibre Dissipation thermique LENSED FIBRE Insertion d’éléments optiques ou de contrôle ASPHERIC MICROLENS STEP INDEX MULTIMODE FIBER OE DEVICE WORKING DISTANCE SMF dW SPOT SIZE : 2.5 - 3 µm WORKING DIST ANCE : dW : 25 - 50 µm DOUBLE ELEMENT LENSED FIBER Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 51 Couplage dans la fibre Dissipation thermique Insertion d’éléments optiques ou de contrôle Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 52 Guide tapers couple with fibres Couplage dans la fibre Dissipation thermique Fiber-Laser coupling : mode size matching Insertion d’éléments optiques ou de contrôle No taper 2 µm Taper Cleaved fiber 4.5 µm 9 µm Spot-size: W(1/e2) No taper Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 53 Active taper Passive taper Couplage dans la fibre Dissipation thermique Advanced device: spot-size converter Insertion d’éléments optiques ou de contrôle SOA, laser : compatibility with packaging (fibre coupling) Photodiode : required to increase the efficiency Evanescent coupling monolithic integration (active-passive interferometer) Contact p Contact n Lt2=250µm Electrode Lt1=500µm P+- InP nid- InGaAs : 0.3µm N +- InGaAsP (lg=1.4µm) nid- InGaAsP ( lg=1.05µm) nid-InP nid-InGaAsP (lg=1.05µm) Ruban actif incliné de 6° InGa As Adaptateur de mode InP(p) Fenêtre en InP InP(n) SOA (active) Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 54 H+ BPM Photodiode (passive adapter, evanescent coupling) Couplage dans la fibre Dissipation thermique Wavelength Division Multiplexing (WDM) Insertion d’éléments optiques ou de contrôle STM-646 STM-64 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-646 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 terminal terminal STM-64 STM-64 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 terminal terminal STM-64 STM-64 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 terminal terminal STM-64 STM-64 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 terminal terminal STM-64 STM-64 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 terminal terminal STM-64 STM-64 16 x STM-4 16 x STM-4 3R 3R 3R N fibers terminal 16 x STM-4 STM-64 terminal M U X N channels 16 x STM-4 STM-64 terminal terminal D E M U X STM-64 terminal Capacity = N x channel bit-rate 16 x STM-4 16 channels STM-64 terminal 16 x STM-4 WDM = economical solution to reach multiterabit/s capacity Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 55 Couplage dans la fibre Dissipation thermique Insertion d’éléments optiques ou de contrôle Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 56 Tolérances en fonction de la température Couplage dans la fibre Dissipation thermique Advanced device: Bragg grating fabrication Insertion d’éléments optiques ou de contrôle Longitudinal mode control: DFB or DBR laser, gain-clamped SOA Compatible with ridge et BRS structures 1,00E-03 1,00E-04 contact p =l/2n 1,00E-05 1,00E-06 protons implantation 1,00E-07 1,00E-08 1,00E-09 1535 1540 1545 1550 1555 contact p Active region Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 57 substrate InP contact n Bragg gratin g Active region substrate InP Thermo Electric Cooler Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 58 Couplage dans la fibre Dissipation Insertion d’un étalon en longueur d’onde thermique Wavelength (nm) Insertion d’éléments optiques ou de contrôle 1563 Uncontrolled 1561 1559 Controlled 1557 1555 20 Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 59 30 40 50 Temperature (°C) 60 Couplage dans la fibre Dissipation Insertion d’un isolateur optique (Faraday) thermique Insertion d’éléments optiques ou de contrôle Laser Telecom laser isolateur ~ 2 cm isolateur optique « espace libre » Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 60 Couplage dans la fibre Dissipation Module composant+driver thermique Insertion d’éléments optiques ou de contrôle Application : 40 Gb/s Nécessité de rapprocher le driver du composant optique à ces débits High speed modulators... Electro-absorption modulator 42 GHz bandwidth … with drivers 40 Gb/s InP HBT based mux/driver IC Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 61 Circuit intégré hybride : report du module optique sur la carte électronique Report de module sur circuit électronique (courant continu appliqué) Acts OPEN Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 62 Plan Structure de base: laser à jonction P/N Matériaux semiconducteurs et jonction p/n Hétérostructure Guide d’onde actif Mise en module Couplage fibre – composant Contrôle thermique Insertion des éléments optiques ou de contrôle Stratégies pour réduire les coûts Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Réduction du nombre d’alignements optiques (intégration) Nouvelles fonctions dans les circuits photoniques Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 63 Stratégies pour réduire les coûts Coût dominé par la fabrication du boitier (traitement individuel) réduire le nombre d’éléments séparés à mettre dans le boitier (isolateur, moniteur, contrôle de température, …) • Par la modification de la structure du laser (matériaux, ..) • En adaptant l’application/ le cahier des charges: transmission courte distance (CWDM,..) réduire le nombre d’alignements optiques = augmenter le nombre de fonctions optoélectroniques sur chaque puce • Circuits photoniques intégrés (monolithique ou hybride) • Architecture du système (ex: PON) Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 64 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Laser à nitrure dilué Réduction du nombre d’alignements optiques (intégration) Stabilité en température 20°C Phosphore ba sed : T0 = 8 0 K 80 / 20 = - 2 .0 dB 20°C 80°C 80°C N itride ba sed : T0 = 1 5 0 K 80 / 20 = - 0 .2 dB T0 : stabilité en température du courant de seuil T1 : stabilité en température du rendement Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 65 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Réduction du nombre d’alignements optiques (intégration) Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 66 Tolérances en fonction de la température Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Réduction du nombre d’alignements optiques (intégration) Réduction du nombre d’alignements optiques (intégration) Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 67 guides élémentaires intégration monolithique intégration hybride (plateforme) Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module 3D photonic circuits Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) OADM realized with planar technology Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 68 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 69 3D photonic circuits (2) Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) a. guide droit b. guide courbé c. jonction Y Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 70 GUIDES ELEMENTAIRES (1) d. interféromètre de Mach-Zehnder e. coupleur directif f. croisement de guides Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Photonic circuits : waveguide and sections interconnection (2) Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) MMI (MultiMode Interferometer) coupler symmetri c paire d Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 71 BPM : Beam Propagation Method Rc = 500 µm Rc = 300 µm Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 72 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module GUIDES ELEMENTAIRES (2) Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) miroir de Bragg taper =l/2n déphaseur Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 73 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Monolithic integration: photonic circuit Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) Different functions integration or realisation of a complex function Laser-modulator Guide-modulator TRD (transmitter-receiver) Tunable laser SOA-based interferometric wavelength converter Wavelength selector + - Laser Modulator Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) Mach-Zehnder interferometer : different integration schemes BRS BRS-passive with evanescent coupling BRS-passive with butt-joint coupling Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) Transfert du codage de 1,558 µm (entrée) vers 1,53 µm (sonde) dans un amplificateur optique I lprobe cw SOA l probedata l pumpdata Conversion de longueur d’onde par saturation du gain : XGM Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 76 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un Convertisseur de longueur d’onde (avec SOA) module Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) Signal modulé SOA l in Guides l out = l CW Coupleur 1x2 Conversion et régénération Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 77 Acts OPEN l CW Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) BRS-passive integration with evanescent coupling Evanescent active passive transitions 2 SOA MZI Passive waveguides Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 78 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un Passive tapered Fabry-Perot laser module Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) Passive waveguides contact active section spot-size converter section p-InP n-InP active layer passive waveguides Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 79 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) BRS-passive integration with selective area growth (MOCVD) SAG (Selective Area Growth) Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 80 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Wavelength selector Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) BRS – deepridge butt-joint : with planar transition region Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 81 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) Multiplexeur-Démultiplexeur en longueur d'onde : PHASAR Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 82 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Wavelength selector Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) SOA gates Demux Mux Monolithic selector 0 dB insertion loss, ns reconfiguration time l1 l1 l2 l3 l4 l2 OFF l3 OFF l4 ON l3 OFF FLORA Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 83 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module To conclude: waveguide interconnection Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) Butt-joint: requires mode adapters Optical confinement Transition sections Evanescent coupling Selective area growth (SAG) Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 84 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 85 Hybrid integration : Si motherboard Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Opto-hybrid platform Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) pick & place equipment (± 5µm accuracy) 10 ±5 µm Laser Lateral stops AuSn Stand-offs Si platform chip motion during solder formation of bumps Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 86 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Opto-hybrid platform Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) Structured Si platform Si with indentations and stand-offs single mode end-cleaved fiber tapered laser edge-monitor Monitor Laser Si Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 87 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module 4 channel SOA’s array /Si for Terabit optical routers Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) Specificity : angled facets, state of the art lensed fibre ribbons Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 88 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Différentes plateformes de report Intégration - guides élémentaires - monolithique - hybride (plateforme) Plateforme Si : Éventuellement guides en Si02 : faible confinement, composants peu compacts Fibres approchées dans des « Vgroove » Plateformes SOI : Inclut des guides SOI : le silicium est le matériau coeur du guide Couplage dans la fibre difficile (fort confinement et donc divergent) Report de « vignettes » de matériau (InP, ...) sur SOI ou silicium Collage par « wafer bonding » (par exemple avec une fine couche de BCB) Process pleine plaque des composants après report --> bas-coût Encore très prospectif : à valider Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 89 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module WDM ATM PON Access Network Réduction du nombre d’alignements optiques (autres stratégies) FSAN Recommendations (Full Service Access Network) ATM PON with WDM systems Splitting factor : 16 or 32 Access network Requirements Low cost Optical Network Unit Massive production capability 1.3 µm FTTH ONU ONU OLT 1.5 µm ONU OLT = optical line terminal ONU = optical network unit Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 90 FTTB/C Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module From micro-optics to monolithic Optical Network Unit Réduction du nombre d’alignements optiques (autres stratégies) Bulk assembly Monolithic TRD Laser Lens Absorber 1.3µm DFB Detector TO9 (TRD + préampli) 1.5µm PIN RADIALL EC Interface Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 91 Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Module bas-coût Réduction du nombre d’alignements optiques (autres stratégies) Module XFP Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Réduction du nombre d’alignements optiques Boîtier XFP miniatures, de faible consommation, incluant des éléments TOSA/ROSA (autres stratégies) TOSA (Transmitter Optical Sub-Assembly) and ROSA (Receiver Optical Sub-Assembly) Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 93 Discussion / conclusion Mise en module = coût majeur d'un composant Composant de base (1 fonction) : traitement de nombreux composants, puce par puce + volume physique (1 fonction = 1 module) Intégration monolithique : réduit les difficultés d'alignement de composants isolés, et réduit le nombre de boîtiers, mais peut réduire aussi le rendement sur plaque (étapes technologiques critiques) : nombre de fonctions intégrées limité Intégration sur plateforme : technologie moins critique (puce incluant 1 ou 2 fonctions), puces issues de différentes technologies, mais report sur plateforme coûteux si dynamique (composant actif en fonctionnement), ou mise au point d'un autoalignement efficace Intégration de “vignettes” à processer sur plateforme : très prometteur mais reste à valider industriellement --> Discussion ouverte Tendance au plug-and-play : boîtiers XFP, taille très réduite, interchangeables, nombre de composants réduits, plusieurs fonctions dans le même boîtier --> effort sur la puce (température, intégration, faible consommation) Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 94 Plan Structure de base: laser à jonction P/N Matériaux semiconducteurs et jonction p/n Hétérostructure Guide d’onde actif Mise en module Couplage fibre – composant Contrôle thermique Insertion des éléments optiques ou de contrôle Stratégies pour réduire les coûts Réduction du nombre d’éléments optiques dans un module Réduction du nombre d’alignements optiques (intégration) Nouvelles fonctions dans les circuits photoniques Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 95 Nouvelles fonctions dans les circuits photoniques isolateur nanoantennes circulateur circuit photonique intégré Optoélectronique bas-coût - B. DAGENS - Page 96 Plasmonics Introduction of metal for guiding: Subwavelength optical confinement : miniaturisation, exaltation Fonctionnalisation (appli bio) Losses in infrared and visible range Gold film Metals: Au, Ag ou Cu for usual plasmonics: Ag: oxydation Au: not compatible with CMOS process FeCo: magneto-optical properties (integrated optical isolator application) Structuration: lift-off or RIE Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 97 Plasmonics Electrical generation of surface plasmon polaritons [email protected] Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 98 Interconnexions optiques, antennes Delacour et al, Nano. Lett., 10, 2922, 2010 Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 99 Integrated magneto-optics et magneto-plasmonics plasmon Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 100 Integrated magneto-optics et magneto-plasmonics Circulator : Non reciprocal transmission => Isolator in circuits (with lasers) Iin BIG/GGG B Iout Iout Isolator : non reciprocal interferences Iin FIB, (coll. F. Fortuna, CSNSM, MINERVE) Integration: report of garnet films on SOI or InP Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 101 Semiconductors: blue laser, nanowire detectors, LEDs GaN-based nanowire devices Single nanowire detectors with GaN/AlN quantum discs (ultra-high UV responsivity) Demonstration of single nanowire blue LED with InGaN/GaN coreshell QWs [email protected] Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 102 Silicon active devices, silicon photonics Silicon modulators 10Gbit/s silicon optical modulator with low insertion loss and high extinction ratio Principle: carrier depletion [email protected] Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 103 Carbon nanotube 1.36µm 804 nm output CNTs/PFO Si - WG input E Si-WG C D Lensed fibre Top view Integration scheme of carbon nanotube-based layer with silicon waveguide. It is composed of input and output single mode silicon waveguides Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 104 Usual materials and optoelectronics functions matériaux InP / GaxIn1-xAsyP1-y (tranche 2- composants passifs composants actifs - - laser modulateur d'intensité photodétecteur circuits micro-électroniques rapides - - circuits micro-électroniques silice / Si (tranche 4")) SOI (tranche 4") verres silicates et phosphates (tranche 26") niobate de lithium LiNbO3 (tranche 4") - GaN carbon nanotubes - isolateurs optique circulateur optique diviseur / combineur optique filtre de Bragg diviseur / combineur optique mux en longueur d'onde diviseur / combineur optique mux en longueur d'onde - - 3") GaAs / AlxGa1-xAs (tranche 3-6") Si (tranche 8 – 12") SiGe / Si (tranche 4 – 12") grenat d'yttrium et de fer (massif) verre de silice (fibre) Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 105 amplificateur optique (fibre dopée erbium) modulateurs amplificateur optique (dopé erbium) modulateur d'intensité modulateur de phase Visible laser (blue) Amplification, IR CONCLUSION (1) GRANDE CAPACITE DES FIBRES OPTIQUES MOTEUR POUR LES COMPOSANTS OPTOELECTRONIQUES COMMERCIALISATION DE COMPOSANTS DISCRETS ACTIFS ET PASSIFS sur Verre, SiO2/Si, SOI, Niobate de lithium, GaAs COMMERCIALISATION DE COMPOSANTS DISCRETS ou INTEGRES sur InP laser monofréquence accordable laser- modulateur amplificateur optique modulateur photodiode guidée Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 106 CONCLUSION (2) FUTUR RESOUDRE LE DEFI HAUTES PERFORMANCES / BAS COUT / PACKAGING ELARGIR LE CHAMP D'APPLICATION DES COMPOSANTS OPTOELECTRONIQUES ELARGIR LE PORTEFEUILLE DE FONCTIONS INTEGREES hybride vs. monolithique ? combinaison des deux : Si-MOTHERBOARD / PLC's Optoélectronique bas-coût – B. DAGENS - Page 107 BIBLIOGRAPHIE Les Télécommunications par fibres optiques I. & M.JOINDOT Dunod Optical fiber telecommunications Vol III B I.P.KAMINOW, T.L.KOCH Academic Press Integrated Opto Electronics K.J.EBELING Springer Verlag Formation continue – B. DAGENS - Page 108 Opto Electronics A.K.CHATAK K.THYAGARAJAN Cambridge Univ.press Guided-Wave Opto Electronics T.TAMIR Springer Verlag Opto Electronics A.YARIV SAUNDERS College Publishing Optical Waveguide Concepts C.VASSALLO Elsevier
