D INSA RAPPORT RECHERCHE:Mise en page 1

FOTON-INSA
Fonctions Optiques
pour les Technologies
de l’informatiON
UMR CNRS 6082
Rec
he rche
FOTON-INSA est la composante INSA
de l’UMR CNRS 6082 FOTON.
Cette Unité Mixte de Recherche regroupe
les équipes de recherche de l’Université
de Rennes 1, de TELECOM Bretagne, de
l’ENSSAT Lannion et de l’INSA de Rennes.
FOTON-INSA est aujourd’hui reconnu pour
son excellence dans les nanotechnologies.
Ses recherches se concentrent sur la croissance,
l'étude et l'exploitation des propriétés
électriques, optiques et optoélectroniques
des structures à puits et boites quantiques.
FOTON
Jean-Claude SIMON
Directeur
FOTON-INSA
Slimane LOUALICHE
Directeur
Tél. +33 (0)2.23.23.86.19
Fax +33 (0)2.23.23.86.18
[email protected]
www.insa-rennes.fr/foton
FOTON-INSA
En quelques mots
FOTON - INSA - RAPPORT D’ACTIVITÉ RECHERCHE P 9
Nanostructure
Photonique
Telecom optique
Composant très haut débit
Lasers
Boites quantiques
Epitaxie
Nanophysique
Semiconducteurs III-V
Photonique sur silicium
Nanotechnologie
Les équipements – les nouvelles acquisitions
FOTON-INSA dispose aujourd’hui d’équipements de caractérisations
optiques (luminescence absorption optique, caractérisations de lasers),
de mesures électriques (I-V, C-V, effet Hall, mesure de dopants) et
de caractérisations nanométriques (AFM) et structurales (Rayons X).
Ses plateaux techniques comprennent entre autres deux chambres
d’épitaxie et une salle blanche.
La spécificité de FOTON-INSA réside dans le haut degré
de ses compétences vis-à-vis des composants à base de
matériaux III-V pour la photonique. Sa maîtrise de la croissance
par épitaxie par jets moléculaires le positionne en leader mondial
sur les boites quantiques pour les zones actives de lasers
pour télécommunications.
FOTON-INSA est un des laboratoires à l’origine de la création
du groupement scientifique GIS-PONANT dans le domaine de
l’optique pour les télécommunications. Soutenu activement par
la région Bretagne, celui-ci regroupe plusieurs équipes de
recherche de TELECOM Bretagne, l’ENSSAT Lannion,
l’Université de Rennes 1 et l’INSA de Rennes. FOTON-INSA
est également associée à la thématique «télécommunications
optiques» au sein du pôle de compétitivité «Image et réseaux».
Ces dernières années, l’évolution matérielle du laboratoire a été
essentiellement marquée par :
• l’installation d’une nouvelle chambre d’épitaxie par jets
moléculaires en 2003
Ce bâti de nouvelle génération (Riber Compact 21) fonctionne
entièrement en sources solides et vient épauler une chambre
d’épitaxie sources gaz (Riber 2300) ayant plus de 25 ans d’âge. Le
laboratoire tient à consolider et moderniser son potentiel technique
lourd afin de garder un haut niveau d’expertise reconnu en
croissance épitaxiale.
• le classement de sa salle de technologie comme salle
blanche de deuxième cercle à vocation régionale en 2003
Cette salle blanche a été rénovée et agrandie à 140 m2 de
surface afin d’y installer un ensemble de bâtis : la RIE pour la
gravure sèche de semi-conducteurs III-V, un canon à électrons
pour les dépôts de contacts métalliques et un bâti de sputtering
pour les dépôts de diélectriques pour l’isolation et les couches
de miroirs optiques.
Les équipes de recherche
FOTON-INSA représente un laboratoire d’environ 40 personnes,
réparties sur trois thématiques :
• Nanostructures pour les Télécoms
Thème de référence du laboratoire.
Contacts : Rozen Piron, Frédéric Grillot, Olivier Dehaese
FOTON-INSA maîtrise aujourd’hui l’utilisation des
phosphures et arséniures sous forme de gaz et se propose
de les mettre en œuvre sous forme solide afin de promouvoir
la sécurité d’utilisation. Un nouvel axe de développement
hautement compétitif est désormais lancé vers la photonique
sur silicium. Ce domaine à fort potentiel mènera vers la
convergence entre la photonique et l’électronique. Dans les
prochaines années, les investissements matériels se
concentreront principalement sur cette thématique.
• Nanostructures pour le moyen infra-rouge
Diversification vers le médical, le défense et l’environnement
Contacts : Nicolas Bertru, Christophe Labbe, Herve Folliot
• Photonique sur Silicium
Composants de très haut débit pour l’interconnexion optique sur
puces et entre puces. Convergence microélectronique et photonique.
Contacts : Soline Richard, Cyril Paranthoen, Maud Giquel
Les effectifs et résultats (2006-2007)
Effectifs
Année
Enseignants-Chercheurs ATER Doctorants** Post-Doctorants IATOS*
2006
18
0
5
0
8,7
2007
18
1
10
1
8,7
Résultats académiques
Année
Masters**
Thèses soutenues Thèses en co-tutelle
2006
12
2
0
0
2007
13
2
1
2
Total
26
4
1
2
Résultats scientifiques et contractuels
Année
Publications
Communications
Brevets
2006
25
35
2007
18
24
-
Total
43
59
1
*Ingénieurs Techniciens Administratifs - **Inscrits à l’INSA de Rennes
1
HDR soutenues
Re
P 10 FOTON - INSA - RAPPORT D’ACTIVITÉ RECHERCHE
c
rc
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Les réseaux et partenariats
FOTON-INSA et ses partenaires
FOTON-INSA connaît une véritable reconnaissance internationale
due à plusieurs points forts :
• au niveau local : l’ENST Bretagne et l’ENSSAT de Lannion,
membres fondateurs de l’UMR FOTON
• au niveau national : le LPN de Marcoussis, le LEOM de Lyon, le
LETI de Grenoble, le CHREA de Valbonne.
• au niveau international : des établissements universitaires localisés
en Allemagne, Italie, Angleterre, Hollande, Espagne et Irlande.
• sa position en leader mondiale sur les boites quantiques
• sa participation à deux réseaux d’excellence européens SANDIE
et ePIXnet
• la participation ou l’organisation de workshop internationaux
En matière de réseaux d’excellence européens, SANDIE est dédié
à la croissance et à l’étude de nanostructures quantiques pour
lequel FOTON-INSA est reconnu pour son expertise dans le
domaine de la croissance de boites quantiques. Quant à ePIXnet,
celui-ci se consacre davantage aux composants et fonctions
optiques de nouvelle génération pour les télécommunications.
FOTON-INSA est leader d’un projet sur les lasers ultra-rapides à
modulation directe à base de boites quantiques.
Dans le cadre de ces deux réseaux, FOTON-INSA travaille en étroite
relation avec le LPN (Laboratoire de Photonique et Nanostructures
de Marcoussis) pour l’organisation de workshop internationaux :
• workshop international sur les composants à base de boites
quantiques en mars 2006 (IWSQDA- Paris)
• workshop international LWQD sur les nanostructures à boites quantiques
en juillet 2007 (INSA Rennes). Une centaine de participants parmi
les meilleurs acteurs mondiaux du domaine y ont assisté, venant de
France, des USA, du Japon, de l’Allemagne, de l’Italie, de Hollande,
de l’Angleterre, du Canada ou encore de Russie.
Par ailleurs, SANDIE a favorisé d’étroits contacts entre l’INSA de
Rennes et des établissements universitaires étrangers :
• l’université technique de Berlin (groupe de D. Bimberg) par un
échange soutenu de doctorants et un travail en commun sur la
simulation de propriétés électroniques de boites quantiques
• les universités de Louvain et Eindhoven pour étudier les boites
réalisées à l’INSA de Rennes par XSTM et par magnétoluminescence.
• l’université de Sheffield pour entreprendre une collaboration sur
les lasers à boites quantiques.
Toutes ces activités internationales confortent incontestablement le
positionnement thématique de FOTON-INSA.
La production scientifique
De remarquables résultats de recherche sont à souligner :
• des absorbants saturables rapides à base de multi-puits quantiques
dopés au Fer pour la régénération de signaux de télécommunications
à haut-débit ou pour la réalisation de lasers sur fibre à impulsions
courte
• des lasers à émission par la surface (VCSEL) à 1.55 µm avec une
attention particulière aux possibilités d’accordabilité en longueur
d’onde de ce composant
• des lasers à émission par la tranche à base de nanostructure, boites
ou bâtonnets quantiques.
La régénération tout optique de signaux est obtenue avec un temps de
réponse de 0.29 ps. L'insertion des puits dopés au Fer dans une
microcavité s’est avérée être la solution pour obtenir des taux
d'extinction de 12dB et des temps de déclin sub-picosecondes (Figure
1). La caractérisation de ces composants a permis de mesurer
l’efficacité des absorbants saturables à base de multi-puits dopés
au Fer, démontrée par un accroissement de 1000km environ de la
distance parcourue par un signal haut-débit dans une fibre à taux
d'erreur fixe (10-9).
Figure 1 :
Contraste en
fonction de la
longueur d’onde
pour deux cavités
à absorbants
saturables
Pour la réalisation de lasers, une forte densité de BQs de faibles
dimensions est requise. L’emploi de surfaces (311)B à forte énergie
de surface permet d’accroître la densité de BQs et de diminuer leurs
dimensions par rapport à celles obtenues sur substrat (001).
FOTON-INSA a obtenu la densité de boites quantiques la plus
élevée jamais mesurée sur substrat InP grâce à la maîtrise des
paramètres de croissance : température, flux d’arsenic, vitesse
de croissance, temps d’arrêt de croissance, nature de la couche
tampon (Figure 2).
Ces boites quantiques ont été utilisées afin de réaliser des lasers
pour les télécommunications optiques. FOTON-INSA a démontré
un effet laser avec un plan unique de boites quantiques, ce qui a été
une première réalisation à la longueur d’onde des télécoms optiques
de 1.55µm (Figure 3).
Contraste (dB)
FOTON-INSA a atteint le record du monde de rapidité pour
des absorbants saturables à base de multi-puits quantiques
par dopage Fer.
Figure 3 :
Evolution du courant
de seuil dans la
période 2001-2006
sur les lasers à
boites quantiques
sur substrat InP.
FOTON-INSA fait
l’état de l’art mondial
avec un laser
émettant à 1.55 µm
à température
ambiante réalisé
avec deux plans de
boites quantiques
et présentant
un courant de
seuil de 170 A.cm-2.
Current Threshold Density (A.cm-2)
Figure 2 :
Images AFM de
boites quantiques
FOTON-INSA
réalisées sous faible
(gauche) et fort flux
d’arsenic (droite)
U. Fujitsu, Japon
U. Texas, USA
U. Seoul, Corée du Sud
U. Wurzburg, Allemagne
INSA Rennes, France
P 12 FOTON - INSA - RAPPORT D’ACTIVITÉ RECHERCHE
FOTON-INSA possède également un savoir-faire reconnu
pour la réalisation de laser verticaux accordables
(VCSEL). Ces lasers utilisent des miroirs de Bragg de très haute
réflectivité, développés au sein du laboratoire et fabriqués à base de
dépôts diélectriques Si/SiN. Ces miroirs entourent la cavité laser,
réalisée à base de nanostructures quantiques déposées sur InP
pour une émission laser à la longueur d’onde de 1.55 µm (Figure 4).
Ce projet de lasers VCSEL accordable a été labellisé sous
le nom de « λAccess » par le Pôle de Compétitivité Images
et Réseaux et a été financé par l’ANR Télécom 2006 (Figures
5 et 6). Projet industriel exploratoire, il implique, d’une part, toutes
les composantes de l’UMR FOTON et, d’autre part, des industriels
régionaux (Yenista, Kerdry) et nationaux (Intexys, Vectrawave) pour
répondre aux spécifications fournies par France Telecom. Une
réalisation a été démontrée lors de la thèse de Christophe Levallois
en 2006 sur ce sujet.
10-4
Figure 4 :
Haut : Cliché de
microscopie électronique
à balayage de la gravure
plasma.
Puissance émise (u.a.)
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
Bas : Cliché de
microscopie
électronique à balayage
d’une structure VCSEL
reportée sur Silicium
par le procédé de
collage métallique.
1550
1555
1560
1565
Longueur d'onde (nm)
1562
DBR supérieur
Zone active
DBR supérieur
Couche de brasure
métallique Auln
Longueur d'onde d'émission (nm)
Pente=-0.153nm/V
1560
1558
1556
1554
1552
0
25
50
75
100
125
150
Tension appliquée (V)
175
Rec
Figure 5 :
Spectres d’émission
laser en régime
impulsionnel pour
différentes polarisations
et une puissance de
pompe 50% supérieure
au seuil. Les valeurs
de tension sont au
dessus de chaque raie.
h
h
e rc
e
Perspectives
Ces dernières années, un grand nombre d’avancées ont été réalisées
au sein de FOTON-INSA. L’approfondissement dans la compréhension
des phénomènes de croissance des nanostructures et la démonstration
de lasers à boites quantiques en injection électrique ont permis au
laboratoire de bénéficier de dispositifs à boites et bâtonnets quantiques
qui constituent à l’heure actuelle l’état de l’art des nanostructures réalisés
sur InP dans le monde.
Ces avancées positionnent FOTON-INSA comme un partenaire
important pour le développement de composants opto-électroniques
à boites quantiques dans le cadre de projets nationaux et de réseaux
d’excellence européens (Sandie et ePIXnet). Au sein de l’UMR FOTON,
le laboratoire assure également le rôle d’expertise dans le domaine des
composants pour des appels à des programmes régionaux (CPER,
PRIR) et nationaux (ACI, salles blanches de proximité, ANR).
Figure 6 :
Longueur d’onde
d’émission du
VCSEL en fonction
de la tension
appliquée au
nano-PDLC
Dans un futur proche, FOTON-INSA poursuivra sa progression technologique
afin de démontrer les grands intérêts des nanostructures dans des
applications optoélectroniques, tels que les lasers ou encore la photonique
sur le substrat silicium, nouvelle thématique de recherche du laboratoire. Le
savoir-faire de FOTON-INSA associé à l’achat de nouveaux équipements
donnent au laboratoire de nouvelles perspectives :
•la maîtrise de la réalisation de lasers monomodes et de la technologie
sur silicium, en association avec le CCMO de Rennes (UMR IETR)
•l’évolution de ses activités vers des applications encore plus diversifiées
(microprocesseurs, informatique, audio-vidéo, automobile, médical,
défense, environnement, énergie, recherche….), des secteurs
économiques qui représentent 17% du PIB mondial.