realisation d`un amplificateur hybride en optique integree

REALISATION D’UN AMPLIFICATEUR HYBRIDE EN OPTIQUE
INTEGREE SUR VERRE PAR COLLAGE MOLECULAIRE
Florent GARDILLOU, Lionel BASTARD, Jean-Emmanuel BROQUIN.
Institut de Microélectronique Electromagnétisme et Photonique
23, rue de Martyrs, 38016 Grenoble, cedex 1
[email protected]
RESUME
Cette communication présente la réalisation d’un amplificateur optique hybride intégré
sur un substrat de verre silicate grâce au report d’une couche mince de verre phosphate
dopé Er3+/Yb3+ par collage moléculaire et amincissement mécano-chimique. Un gain de
4,25 dB sur 1,16 cm pour une puissance de pompe de 140 mW est ainsi démontré.
MOTS-CLEFS : Amplification optique, Structure hybride, Collage moléculaire
1. INTRODUCTION
La formation de guides d’ondes canaux par la technique de l’échange d’ions dans des substrats
de verres a fait l’objet de nombreuses études durant ces vingt dernières années. Elles ont permis la
réalisation à bas coût de nombreux circuits intégrés optiques (CIO) stables et compacts[1]. Alors que
les composants tels que des diviseurs de puissance et des multiplexeurs sont souvent réalisés dans des
verres passifs, les composants actifs tels que des amplificateurs optiques et les lasers DFB (Distributed
Feed Back) nécessitent l’utilisation de verres dopés uniformément par des ions de terres rares[2].
Dans le contexte actuel de réduction de la taille des CIO complexes, l’intégration de plusieurs
fonctions passives et actives sur une même puce suscite un intérêt majeur[3,4]. Dans ce sens, nous
proposons tout d’abord dans cet article la mise en œuvre des structures hybrides qui consistent en la
juxtaposition d’un guide d’ondes plan actif sur un guide d’ondes canal passif. Les étapes de la
réalisation d’un amplificateur optique hybride par la technique du collage moléculaire[5] sont ensuite
énumérées. Finalement, la caractérisation du composant hybride est menée et un gain de 4,25 dB est
démontré.
2. DESCRIPTION DE LA STRUCTURE
Le guide d’ondes hybride que nous proposons ici est composé d’une couche active présentant un
indice de réfraction supérieur à celui du substrat sous-jacent dans lequel est formé un guide canal
diffusé. Il est électromagnétiquement équivalent aux guides d’ondes chargés couramment utilisés dans
les technologies à base de semiconducteurs. La couche supérieure assure le confinement vertical de la
lumière dans la structure pour les deux longueurs d’onde du problème (λP ≈ 980 nm pour la pompe et
λS ≈ 1550 nm pour un signal dans la troisième fenêtre des Télécommunications optiques) et permet
Figure 1
: Schéma du principe d’une structure hybride

donc son interaction avec la partie active. Le guide d’ondes canal joue lui le rôle du guide d’onde
ruban de confinement latéral. Le signal à λS peut ainsi être simultanément amplifié et guidé.
3. REALISATION
La réalisation de l’amplificateur optique hybride nécessite plusieurs étapes dont la première est
la formation du guide d’ondes canal. Elle met en œuvre un premier un verre commercial, le verre
silicate NFK5 qui ne contient dans sa matrice qu’un seul type d’ions alcalins K+. Il a été choisi afin de
pratiquer des échanges K+/Tl+ qui présentent peu de contraintes, peu de gonflements à la surface du
verre et une variation d’indice en surface pouvant atteindre ceux obtenus par les échanges Ag+/Na+
(∆n ≈ 10-1) classiquement utilisés.
Après avoir masqué le substrat de verre et ouvert des fenêtres de diffusion dans ce masque par
photolithographie, l’échange d’ions est accompli dans un bain comprenant du TlNO3 à 80 % molaire
et du KNO3 à 20 % molaire chauffé à 450°C. Un échange de 5 minutes au travers d’une fenêtre de
diffusion de 1 µm permet d’obtenir des guides d’ondes canaux monomodes aux deux longueurs
d’onde λP et λS.
Le second verre est un verre phosphate commercial IOG1 uniformément co-dopé par des ions
Erbium et Ytterbium (Er3+/Yb3+) offrant d’excellentes propriétés amplificatrices. Il est utilisé pour
réaliser le guide d’ondes plan actif supérieur. Ainsi, il est tout d’abord reporté sur le premier substrat
comprenant le guide d’ondes canal par la technique du collage moléculaire[5]. Pour cela, après les
étapes communes de nettoyage et de préparation de surface, les deux éléments sont mis en contact
sous vide afin de créer des liaisons hydrogènes entre les surfaces en regard. Celles-ci sont ensuite
majoritairement remplacées par des liaisons covalentes plus intenses grâce à un traitement thermique
basse température de plusieurs heures.
L’étape suivante consiste à diminuer l’épaisseur du verre phosphate par un amincissement
mécanique puis chimique jusqu’à une épaisseur de quelques micromètres. Dans notre cas, nous avons
mesuré une épaisseur finale d’environ 7 à 8 µm. Après le polissage des arêtes d’entrée et de sortie,
nous avons réussi a obtenir un composant mesurant 1,16 cm de long.
.
4. CARACTERISATIONS
La sélection des guides d’ondes hybrides intéressants a été obtenue par la mesure de leurs pertes
par insertion à λ = 1300 nm. Ceci permet une évaluation des pertes par insertion à la longueur d’onde
du signal λS tout en s’affranchissant de l’absorption intrinsèque des ions de terres rares présents dans
la couche active.
Les figures 2.a et 2.b montrent respectivement les champs proches obtenus pour le meilleur
guide d’onde hybride lorsque l’injection de lumière est effectuée aux longueurs d’onde de pompe et de
signal. Les largeurs horizontales et verticales des modes correspondant ont ainsi pu être mesurées :
respectivement 16 ± 0,8 µm et 9 ± 0,4 µm pour λP ainsi que 22 ± 1 µm 8,6 ± 0,4 µm à λS. La forme
Figure 2.a : Champ proche à
λ
P
Figure 2.b : Champ proche à
λ
S

elliptique et les largeurs importantes du mode hybride impliquent des pertes élevées par couplage avec
les fibres optiques monomodes standards. Nous avons mesuré -5,1 ± 0,2 dB pour l’ensemble des
couplages d’entrée et de sortie à λS.
Nous nous sommes finalement intéressés aux qualités amplificatrices du guide d’ondes hybride
sélectionné en mesurant le gain petit signal à λS = 1534 nm en fonction de la puissance de pompe
injectée à λP = 977 nm. Pour une puissance signal de -29,15 ± 0,01 dBm, on observe sur la figure 3 que
le composant devient transparent pour 25 mW de pompe et que l’on obtient un gain de 4,25 ± 0,3 dB
avec140 mW de pompe sur les 1,16 cm du composant. Ce résultat est équivalent aux gains obtenus par
échange d’ions Ag+/Na+ dans le même verre dopé uniformément en volume[6]. Il est intéressant de
noter qu’il peut être théoriquement amélioré en diminuant l’épaisseur de la couche à environ 2-3 µm.
5. CONCLUSION
Dans cet article, l’utilisation d’un nouveau type de structure active en optique intégrée sur
substrat de verre, formée par l’hybridation d’un guide d’onde plan actif sur un guide d’onde canal
passif, est proposée pour la réalisation d’un amplificateur optique hybride. Alors que le guide d’onde
canal est réalisé par un échange d’ions Tl+/K+ dans un verre silicate passif, le guide plan actif est
formé par le report d’un verre phosphate dopé Er3+/Yb3+ par la technique du collage moléculaire suivi
d’un amincissement mécano-chimique. Un gain de 4,25 ± 0,3 dB, comparable à ceux de la littérature,
est démontré pour l’amplificateur optique hybride ainsi réalisé.
La mise en œuvre du report par collage moléculaire d’autres matériaux actifs avec la même
configuration permet ainsi d’imaginer la réalisation d’autres fonctions actives hybrides (modulation ,
isolation optique, …) et même leur intégration simultanée sur une seule puce.
RÉFÉRENCES
[1] J-E. Broquin, « Ion exchanged integrated devices », Proceedings of SPIE - San Jose, CA -, Vol.
4277, pp. 105-117, 2001.
[2] J.S. Hayden, D.S. funk, D.L. Veasey, P.M. Peters and N.A. Sanford, « Active materials for
integrated optic applications », Part of the SPIE Conference on optical devices for fibre
communications, Vol. 3847, pp. 186-196, Boston, Massachusetts, sept. 1999.
[3] S.D. Conzone, J.S. Hayden, D.S. funk, A. Roshko and D.L. Veasey, « Hybrid glass substrates for
waveguide device manufacturing », Optics Letters, Vol. 26, No. 8, pp. 509-511, 15 april 2001.
[4] D. Barbier, M. Rattay, F. Saint-André, G.Clauss, M. Trouillon, A. Kevorkian, J.-M.P. Delavaux
and E. Murphy, « Amplifying four-wavelength combiner, based on erbium/ytterbium-doped
waveguide amplifiers and integrated splitters », IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 9, No. 3, pp.
315-317, 1997.
[5] Q. Y. Tong and U. Gosele, « Semiconductor wafer bonding : Science and technology », The
Electrochemical Society, Pennington, NJ, 1999.
[6] G. Jose, G. Sorbello, S. Taccheo, E. Cianci, V. Foglietti and P. Laporta, « Active waveguide
devices by Ag-Na ion exchange on erbium-ytterbium doped phosphate glasses », Journ. of Non Cryst.
Solids, Vol. 322, pp.256-261, 2003.
Figure 3 : Mesure du gain petit sign
al dans le composant