modãˆle d`article pour les jnog 2004

TRANSMISSION NON-RECIPROQUE EXALTEE DANS UN GUIDE
SEMICONDUCTEUR A BASE DE METAL FERROMAGNETIQUE NANO-STRUCTURE
L. Magdenko1,2, M. Vanwolleghem1,2, P. Gogol1,2, P. Beauvillain1,2, J.-M. Lourtioz1,2,
B.Dagens1,2
1 Institut d’Electronique Fondamentale, CNRS UMR 8622, Orsay, F-91405
2 Université Paris-Sud, Orsay, F-91405
Liubov[email protected]r
RESUME
L’isolateur optique intégré est un élément clef du développement des laser bas-coûts et
de leur insertion dans des circuits photoniques. Dans ce papier nous montrons théoriquement
que les performances de l’isolateur optique intégré basé sur l’effet Kerr magnéto-optique
transverse devraient être significativement améliorées par la nanostructuration en réseau de
Bragg de sa couche de métal ferromagnétique.
MOTS-CLEFS : isolateur optique ; optique intégrée ; magnéto-optique ; nanostructures
métalliques.
1. INTRODUCTION
Le développement des réseaux optiques pour l’accès et les transmissions métropolitaines
nécessite des composants bas-coût, en particulier des sources laser compactes produites en grande
série. Une solution pour réduire le coût d’un boîtier laser est d’en simplifier l’assemblage en
intégrant monolithiquement l’isolateur optique avec le laser dans un processus de fabrication
collective sur plaque. Un tel composant intégré permettrait également d’envisager l’insertion de
sources laser-isolateur dans des circuits photoniques intégrés, sans risque d’instabilité de la source
du fait de retours optiques dans le circuit.
(a) (b) (c)
Fig. 1 : Schéma de l’isolateur-SOA sur InP (a) et principe de fonctionnement (b). Schéma de
l’isolateur de Bragg (c).
Dans ce contexte, un concept d’isolateur intégré a été proposé théoriquement [1] en 1999,
basés sur l’effet Kerr magnéto-optique transverse qui peut être généré par l’interaction entre un
mode optique transverse magnétique (TM) et un matériau magnétique aimanté perpendiculairement
au guide d’onde. Contrairement à l’isolateur de type Faraday, ce concept ne nécessite pas de
polariseurs et peut être intégré. L’isolateur-SOA (amplificateur optique à semiconducteur) a été par
la suite démontré expérimentalement dans la filière InP à 1,3μm [2, 3]. Dans ce composant,
l’électrode de contact est constituée d’un métal ferromagnétique (FeCo) aimanté transversalement.
La structure de couches du SOA est telle que l’interaction du mode optique guidé avec le métal
ferromagnétique induit une absorption non réciproque de l’onde, donc dépendant du sens de
propagation, comme illustré sur la Figure 1(a). L’injection du courant dans le SOA permet de

compenser les pertes optiques dans le sens aller de propagation (sens subissant le moins de pertes)
et de réaliser ainsi un isolateur fonctionnant à la transparence. Le taux d’isolation obtenu à la
transparence est de 12,7 dB à 1,3μm, avec un courant injecté de 160 mA [3].
Alors que ce résultat constitue l’état de l’art concernant les isolateurs optiques intégrés
fonctionnant à la transparence, la performance reste insuffisante pour les applications télécoms du
fait du niveau élevé de courant requis dans cette configuration. Il est nécessaire d’augmenter de
manière significative le rapport entre taux d’isolation (propagation non réciproque) et niveau de
pertes à compenser dans le sens aller.
2. ISOLATEUR DE BRAGG
Une évolution possible de la structure de la Figure 1(a) est basée sur la non-réciprocité de la
partie réelle de l’indice effectif du mode propagé, qui accompagne nécessairement la non-
réciprocité de l’absorption du mode induite par le métal (Fig. 1(b)). Cette propriété peut être utilisée
dans une structure interférométrique comme proposé dans la filière des matériaux grenat [4].
Une autre évolution possible, qui fait l’objet de ce papier, consiste à exploiter un effet de
résonance en réalisant une cavité de Bragg par nanostructuration de la couche de métal
ferromagnétique (Fig. 1(c)). L’effet escompté est de réduire la dimension longitudinale du
composant et l’absorption totale induite, et donc le courant à injecter dans le SOA, tout en gardant
le taux d’isolation par effet de résonance. De plus la géométrie à fort rapport de forme des « fils »
(section typique de 50x100 nm²) de FeCo favorise le maintien de l’aimantation perpendiculairement
au guide d’onde, assurant ainsi un fonctionnement à long terme sans besoin de ré-aimanter la
structure métallique. On notera également que cet isolateur de Bragg pourrait être utilisé comme
filtre non-réciproque, en exploitant aussi la non-réciprocité de la partie réelle de l’indice effectif [5].
Dans ce papier, nous présenterons d’abord le simulateur développé pour étudier
théoriquement l’isolateur de Bragg à effet Kerr transverse magnéto-optique résonant, puis nous
montrerons les premiers résultats de simulation mettant notamment en évidence une augmentation
relative de la transmission par rapport au taux d’isolation.
3. MODELE ET RESULTATS NUMERIQUES
Le principe du modèle utilisé repose sur le développement non-réciproque en mode propres
des solutions modales de la structure, incluant les modes plasmoniques (Fig. 2(a)). Le spectre modal
est calculé rigoureusement dans chaque section uniforme de la structure, ainsi que les matrices non-
réciproques de transfert à chaque interface.
(a) (b)
Fig. 2 : (a) Schéma de principe de la décomposition non-réciproque en modes propres ; (b)
coefficients de transmission de la puissance du mode d’ordre 0 en fonction de la longueur d’onde.
La pertinence de cette méthode de développement en modes propres a été prouvée pour des
guides réciproques avec ou sans pertes [6]. Nous l’avons étendue au cas de structures incluant au
moins une couche d’indice complexe non réciproque. Des premières simulations ont été effectuées
en considérant une structure de guide similaire à celle de l’isolateur-SOA, avec comme différence la

structuration en réseau de Bragg de la couche de FeCo de 50 nm d’épaisseur. La période est de 200
nm pour une résonance attendue à environ 1,3μm, et le facteur de remplissage est de 50%. Une
structure de 500 périodes, soit environ 100μm de long, a été considérée. L’indice optique du
Fe50Co50 à 1,3μm s’élève à 3,4-j4,5 [7] et sa constante gyrotropique (élément non diagonal du
tenseur de permittivité) à 1,7+j1,7. L’épaisseur de la couche de confinement entre le guide « actif »
du SOA et le FeCo est de 300 nm. Cette épaisseur est un paramètre clef dans le compromis taux
d’isolation - pertes induites de l’isolateur. L’amplification n’est pas prise en compte dans le
modèle. Pour le calcul une base de 40 modes propres a été utilisée. La Figure 2(b) montre les
spectres de transmission du mode fondamental pour les deux sens de propagation. La résonance
autour de 1,3μm due à la cavité de Bragg apparait clairement, tandis que l’isolation en puissance
obtenue avec cette structure de 100μm s’élève à 2,3dB. Cette valeur est à comparer au taux
d’isolation de 3,9dB qui serait obtenu sans nanostructuration avec un isolateur-SOA de même
structure et de même longueur. Il y a donc une décroissance du dichroïsme, mais qui n’est pas
proportionnelle au facteur de remplissage du réseau. De plus les pertes totales du mode « aller »
sont de 13dB avec le réseau de Bragg. Elles sont à comparer à une valeur de 39dB sans
nanostructuration. Il apparait donc que la nanostructuration du métal réduit considérablement les
pertes de transmission sans induire une réduction proportionnelle du taux d’isolation. Ce taux
d’isolation pouvant être ajusté par optimisation de la structure guidante et du confinement optique
dans la couche ferromagnétique, la structuration en réseau de Bragg semble prometteuse pour une
amélioration significative des performances.
4. CONCLUSION ET PERSPECTIVES
L’isolateur intégré est un élément clef des laser bas-coût et des circuits photoniques intégrés.
L’isolateur-SOA à base d’effet magnéto-optique Kerr transverse a montré expérimentalement un
taux d’isolation de 12,7dB à la transparence avec un courant d’injection de 160 mA. Ici nous
montrons théoriquement que la structuration de la couche ferromagnétique de FeCo conduit à une
exaltation de la transmission par rapport à la version avec couche continue, et constitue une
solution, qui reste à optimiser, pour diminuer le courant d’injection tout en maintenant un taux
d’isolation similaire. La fabrication de l’isolateur de Bragg à base de FeCo est en cours afin de
valider expérimentalement ces prévisions théoriques.
REMERCIEMENTS
Ce travail est réalisé dans le cadre du projet ANR RECITAL.
REFERENCES
[1] M. Takenaka, and Y. Nakano, “Proposal of a novel semiconductor optical waveguide isolator”,
Conference Proceedings IPRM'99, Davos, Switzerland, 16-20 May, 1999
[2] M. Vanwolleghem et al., “Experimental demonstration of nonreciprocal amplified spontaneous emission
in a CoFe clad semiconductor optical amplifier for use as an integrated optical isolator,” Applied Physics
Letters, 85(18), p.3980-3982 (2004)
[3] W. Van Parys et al, “Transverse magnetic mode nonreciprocal propagation in an amplifying
AlGaInAs/InP optical waveguide isolator”, Appl. Phys. Lett., 88, 071115 (2006)
[4] Y. Shoji, T. Mizumoto, H. Yokoi, I-W. Hsieh, R. M. Osgood, Jr, “Magneto-optical isolator with silicon
waveguides fabricated by direct bonding,” Appl. Phys. Lett. 92, 071117 (2008)
[5] M. Vanwolleghem, L. Magdenko, P. Gogol, B. Dagens, P. Beauvillain, J.-M. Lourtioz, “Semiconductor
optical Bragg isolator” IPRM’08, paper WeA3.2, to be presented at IPRM’08, 20th IPRM conference, 25-
29th May 2008, Versailles, France
[6] P. Bienstman and R. Baets, “Optical modelling of photonic crystals and VCSELs using eigenmode
expansion and perfectly matched layers.” Opt. Quantum Electron. 33, 327 (2001)
[7] A. Lesuffleur, M. Vanwolleghem, P. Gogol, B. Bartenlian, P. Beauvillain, J. Harmle, L. Lagae, J.
Pistora, K. Postava, S. Visnovsky and R. Wirix-Speetjens, “ Magneto-optical parameters of Co_90
Fe_10 and Co_50 Fe_50 ferromagnetic thin films for 1.3 μm integrated isolator,”J. of Magn. Magn.
Mat., Volume 305, Issue 2, 2006, Pages 284-290