Chapitre 6

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
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Sujets 1 à 4 / Topics 1 to 4:
Annick DÉGARDIN
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Sujet 3 / Topic 3:
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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
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Département Télécommunications
Campus de Gif
Sujets 1 à 2 / Topics 1 to 2:
Alain DESTREZ
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 41
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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
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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.
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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.
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