D INSA RAPPORT RECHERCHE:Mise en page 1

UMR CNRS 6082
FOTON
Jean-Claude SIMON
Directeur
FOTON-INSA
Slimane LOUALICHE
Directeur
Tél. [phone]
Fax [phone]
[email protected]
www.insa-rennes.fr/foton
FOTON-INSA
Fonctions Optiques
pour les Technologies
de l’informatiON
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.
R
e
c
h
e
r
c
h
e

FOTON-INSA En quelques mots
Nanostructure
Photonique
Telecom optique
Composant très haut débit
Lasers
Boites quantiques
Epitaxie
Nanophysique
Semiconducteurs III-V
Photonique sur silicium
Nanotechnologie
FOTON - INSA - RAPPORT D’ACTIVITÉ RECHERCHE P 9
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 HDR soutenues
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 1
2007 18 24 -
Total 43 59 1
*Ingénieurs Techniciens Administratifs - **Inscrits à l’INSA de Rennes
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
• 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
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».
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.
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 m2de
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.
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.

P 10 FOTON - INSA - RAPPORT D’ACTIVITÉ RECHERCHE
Les réseaux et partenariats
FOTON-INSA connaît une véritable reconnaissance internationale
due à plusieurs points forts :
• 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.
FOTON-INSA et ses partenaires
• 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.
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.
R
e
c
h
e
r
c
h
e

U. Fujitsu, Japon
U. Texas, USA
U. Seoul, Corée du Sud
U. Wurzburg, Allemagne
INSA Rennes, France
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).
Figure 2 :
Images AFM de
boites quantiques
FOTON-INSA
réalisées sous faible
(gauche) et fort flux
d’arsenic (droite)
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.
Contraste (dB)Current Threshold Density (A.cm-2)
FOTON-INSA a atteint le record du monde de rapidité pour
des absorbants saturables à base de multi-puits quantiques
par dopage Fer.
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).

1562
1560
1558
1556
1554
1552
Longueur d'onde d'émission (nm)
0 255075
Tension appliquée (V)
Pente=-0.153nm/V
100 125 150 175
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
10-10
Puissance émise (u.a.)
1550
Longueur d'onde (nm)
1555 1560 1565
P 12 FOTON - INSA - RAPPORT D’ACTIVITÉ RECHERCHE
Figure 4 :
Haut : Cliché de
microscopie électronique
à balayage de la gravure
plasma.
Bas : Cliché de
microscopie
électronique à balayage
d’une structure VCSEL
reportée sur Silicium
par le procédé de
collage métallique.
DBR supérieur
Zone active
DBR supérieur
Couche de brasure
métallique Auln
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.