Microphotonique

Opération N° 6 : Microphotonique
Opération n° 6
MICROPHOTONIQUE
X. Letartre, Chargé de Recherche CNRS
P. Viktorovitch, Directeur de Recherche CNRS.
Responsables :
Permanents
Ségolène
Jean-Louis
Xavier
Philippe
Pedro
Christian
Pierre
CALLARD
LECLERCQ
LETARTRE
REGRENY
ROJO ROMEO
S EASSAL
VIKTOROVITCH
Doctorants
Post-doctorants, Visiteurs
MdC
CR CNRS
CR CNRS
IR CNRS
MdC
CR CNRS
DR CNRS
10 %
20 %
70%
10%
30%
60%
50%
Christian
Christelle
Josselin
G RILLET
MONAT
MOUETTE
Thèse en 2002
Thèse en 2003
Thèse en 2004
Jérôme
DANGLOT
Post-doctorant
Mots clés : cristaux photoniques, microcavités, microguides, microlasers, intégration photonique.
Contexte et objectifs
Cette thématique de recherche a démarré en 1997 avec le soutien du Programme ULTIMATECH du
CNRS et d’un programme pluriannuel de la Région Rhône-Alpes. Bien que de caractère prospectif, cette
thématique a évolué rapidement, en termes de maîtrise de nouvelles briques technologiques et de
définition des domaines d’application visés. Elle a donc fait l’objet de nouvelles Opérations de recherche
du laboratoire, notamment la présente Opération « Microphotonique », mais également l’Opération
« Interconnections optiques » créée en 2002.
D’une manière générale, il s’agit de mettre en œuvre des fonctions optiques telles que la commutation, le
couplage directionnel, le filtrage, dotées en outre de la caractéristique très recherchée que constitue
l’accordabilité en longueur d’onde, selon des technologies garantissant un très faible encombrement
spatial. La génération et le traitement du signal optique doivent s’opérer en maintenant la lumière
confinée sur quelques micro-mètres en vue d’assurer la possibilité d’intégration photonique pour la
réalisation de fonctionnalités complexes sur une seule puce. Cela implique naturellement de pouvoir
intégrer également des dispositifs optiques actifs (sources, détecteurs) sur cette même puce. Les
applications potentielles actuellement envisageables concernent en particulier les Télécommunications
Optiques et les Interconnections Optiques (entre autres pour la microélectronique).
Dans ce contexte et compte tenu des objectifs visés, les travaux du LEOM ont porté sur la réalisation de
dispositifs conçus aussi bien à partir de structures de guidage à fort contraste d’indice que de cristaux
photoniques 2D (BIP 2D), sachant que l’essentiel des efforts a tendance à se concentrer sur ces
derniers. Dans la direction verticale, les photons sont confinés soit dans une fine membrane de
semiconducteur suspendue dans l’air ou reportée (collaboration LETI/CEA) sur un substrat de faible
indice (essentiellement SiO2). Au cours des dernières années nous avons démontré expérimentalement
les principales briques technologiques de l’optique intégrée à base de cristaux photoniques (microcavités, guides, couplage guide-cavité, micro-sources). Le « clou » de l’année 2001-2002 a été la
production de divers types de micro-lasers dans la filière InP reportés sur SOI (silicium sur isolant) : il
s’agit des plus petits dispositifs jamais produits (1 à 2 µm de diamètre) à pompage optique quasi continu
émettant autour de 1,5µm à la température ordinaire (émission dans le plan et fonctionnement en optique
guidée) ; le LEOM est pionnier au plan Européen en la matière.
Ces travaux ont mobilisé d’importants efforts en matière d’élaboration technologique, principalement
dans la centrale du LEOM (épitaxie des matériaux III-V, lithographie électronique, microtechnologies),
ainsi que sur PLATO (collage par adhésion moléculaire, lithographie électronique). Ils ont été conduits
dans divers cadres contractuels de collaboration au plans régional (LEMO/IMEP, LPM/INSA Lyon,
Rapport d’activité 2002 du LEOM
71
Opération N° 6 : Microphotonique
TSI/Saint-Etienne, LTM, DRFMC/CEA, LETI/CEA, ST-Microelectronics) et national (GES/Montpellier,
IRCOM/Limoges, LPN/Bagneux, Ecole Polytechnique, IEMN/Lille, Alcatel-Optronics,…).
En résumé, le LEOM est l’un des promoteurs de la réalisation de BIP 2D sur membranes suspendues
(ou reportées sur substrat de faible indice, tel que la silice sur silicium ou SOI) en semiconducteurs
composés III-V. Bien qu’il se soit engagé relativement récemment sur ce thème, il fait désormais partie
des tous premiers groupes internationaux et joue un rôle clef dans la préparation en cours du 6ème
Programme Cadre Européen. Le LEOM aura donné, dans la période juin 2001-juin 2002, 4 conférences
internationales invitées sur le sujet.
Dans le développement qui suit, nous résumons les principaux résultats obtenus au cours de la dernière
période, concernant l’étude et la fabrication de micro-dispositifs pour l’optique intégrée (guidée) : microlasers, guides à base de cristaux photoniques, couplage guide-cavité. Avant les Perspectives, nous
consacrons un dernier chapitre aux plus récents développements qui concernent la mise en œuvre des
cristaux photoniques 2D pour la manipulation spatiale et spectrale de photons aussi bien dans le plan du
cristal (optique guidée) que dans la troisième direction de l’espace (espace libre ou fibre optique).
Rapport d’activité 2002 du LEOM
72
Opération N° 6 : Microphotonique
Micro-lasers à cristaux photoniques 2D en InP sur silicium
C. Monat, C. Seassal, X. Letartre, P. Regreny, P. Rojo Romeo, P. Viktorovitch
Collaborations : GES (D. Cassagne, J.P. Albert), CEA/LETI/DTS (E. Jalaguier, S. Pocas, B. Aspar)
Soutien : Programmes Région Rhône-Alpes 1997-2000 et 2000-2003
Cristal photonique III-V
Parmi les différents résultats obtenus, citons
que l’on a pu atteindre un régime d’émission
laser pour un seuil de 250 µW, sous pompage
optique pulsé, à température ambiante, avec des
microcavités hexagonales de 2 à 5 µm de
« diamètre ». Pour la plus petite cavité, nous
sommes parvenus à identifier clairement les
modes résonants expérimentaux avec les
modes calculés par la méthode des ondes
planes (collaboration avec le GES), et en
particulier le mode laser.
0.40
10
0.35
L 1554
0.25
4
~2mW
2
0
0.20
0.15
0.10
Q~650
0.25mW
0.05
-2
-4
-6
-8
0.00
1300
8
6
0.30
Intensité PL
Les Cristaux Photoniques 2D (CP 2D) à fort
confinement optique vertical sont bien adaptés à
la réalisation de microsources photoniques très
compactes. Ils peuvent en effet constituer
d’efficaces microrésonateurs qui contrôlent
l’émission spontanée de milieux émetteurs de
type puits ou îlots quantiques. En outre, il est
possible de configurer de telles structures afin
d’émettre des photons confinés dans le plan
des couches, ce qui est bien adapté pour des
application
dans
le
domaine
des
interconnexions optiques intra-puce.
Après une première étape où nous avons étudié
les propriétés optiques de défauts hexagonaux
dans des CP 2D de symétrie triangulaires, nous
avons recherché les conditions nécessaires à
l’obtention de l’émission laser sous pompage
optique. En particulier, nous avons exploité des
hétérostructures à fort gain optique (multi-puits
quantique InAsP/InP) ; leur report sur substrat
hôte de silicium (collaboration avec le LETI) a
permis de réduire les problèmes d’échauffement
lors du pompage ; enfin, nous avons amélioré
les procédés de réalisation des CP 2D.
-10
1400
1500
1600
Longueur d'onde (nm)
Spectres d ’émission spontanée (en bas) et stimulée (en haut)
d ’une cavité H2 (image MEB en insert)
SiO 2
Substrat Si
Schéma de la configuration d’un CP 2D reporté sur silicium
Deux types de résonateurs ont été étudiés :
• Des cavités hexagonales de taille variable :
de « H1 » à « H5 » (de « diamètre » de 1 à 5
µm). Le cristal photonique est de facteur de
remplissage variable (typiquement entre 0.3
et 0.6). Le paramètre de maille du cristal
photonique de symétrie triangulaire est
d’environ 500 nm, ce qui permet d’exploiter
une large bande interdite photonique autour
de 1.5 µm.
• Des cristaux photoniques parfaits, sans
défaut, pour lesquels on exploite une bande
permise particulièrement « plate », c’est à
dire correspondant à zone de forte densité
d’états, ou encore une vitesse de groupe
très faible. Ces structures originales sont
destinées à réaliser une émission lumineuse
amplifiée sans cavité.
Vue MEB de la cavité H2, et répartition spatiale du champ
électromagnétique du mode laser (dégénéré) simulé par la
méthode des ondes planes
Nous avons déterminé le taux de variation de la
longueur d’onde des modes pour chaque taille
de cavité réalisée. Ce taux est d’autant plus
élevé que la cavité est de petite taille. Ceci
s’explique simplement en considérant qu’en
première approximation, lorsque l’on modifie le
diamètre des trous, la variation relative de la
taille de la cavité est plus importante pour une
Rapport d’activité 2002 du LEOM
73
Opération N° 6 : Microphotonique
4,0
150
Q~750/800
2.1mW
3,0
50
2,0
0
1,5
-50
1,0
0.8mW
-100
0,5
-150
0,0
zone de Brillouin, les photons générés sont sur
un mode dont la vitesse de groupe
correspondante est presque nulle, et dont le
facteur de qualité est élevé. Ce mode est situé
sous le cône de lumière (voir figure ci-dessous),
et est donc théoriquement parfaitement confiné
dans le plan du CP. On obtient donc un
phénomène de stockage et d’amplification
optique sur des modes de Bloch du CP, sur le
lieu où l’on effectue le pompage optique. Par un
phénomène analogue à celui régissant le
fonctionnement des lasers DFB, ici pour des
structures 2D et très fortement corruguées,
nous avons obtenu un effet d’émission laser
autour de 1.5 µm à température ambiante, pour
une zone de pompage aussi peu étendue que 3
µm.
100
2,5
1350
Intensité PL (u.a.)
3,5
Intensité PL (u.a.)
petite cavité. Une grande cavité est donc plus
robuste vis à vis des fluctuations des paramètres
technologiques. Enfin, nous avons réduit le seuil
d’émission laser en accordant la longueur
d’onde du mode optique avec le maximum du
gain optique du milieu émetteur.
Nous avons aussi réalisé une structure CP 2D
sans défaut, en accordant spectralement le bord
de bande de valence avec la zone de gain. Plus
précisément, en exploitant la zone de très forte
densité d’états optiques du point critique K de la
1400
1450
1500
1550
1600
1650
Wavelength (nm)
Spectres d’émission spontanée (en bas) et stimulée (en
haut) d'’un CP 2D
Signalons enfin que, dans le cas particulier de
la cavité H1, le coefficient de surtension (Q) des
modes de cavité confinés latéralement (environ
150) n’est pas suffisamment fort pour générer un
effet laser. Par contre l’émission stimulée a pu y
être atteinte, là encore en exploitant des modes
de Bloch en bord de bande de valence,
présentant un Q de l’ordre de 650.
Mode
à fort
Q
Stucture de bandes du CP 2D. La zone grise représente
le cône de lumière de l’air (superstrat optique). Les
lignes en tirets correspondent à la ligne de lumière du
SiO2 (substrat optique)
Vue MEB du CP 2D exloité comme laser à mode de
Bloch
Rapport d’activité 2002 du LEOM
74
Opération N° 6 : Microphotonique
Micro-guides à cristaux photoniques sur membrane semiconductrice
C. Grillet, X. Letartre, P. Rojo Romeo, C. Seassal, , P. Viktorovitch
Collaborations : GES, LPN, PMC, LPM, IEMN, IMEP, Optronics
Soutien : Programme Région Rhône-Alpes 1997-2000, Programme CNRS « Télécommunications » 1999-2001, Programme
RMNT CRIPOINT 2001-2003
Le développement d’une optique intégrée à base
de cristaux photoniques 2D (CP2D) passe par la
conception et la réalisation de guides optiques
performants. Ces derniers sont obtenus en
réalisant un défaut linéique dans le réseau
périodique 2D.
Dans un tel guide, le confinement latéral des
photons est assuré par la Bande Interdite
Photonique (BIP) alors que le confinement
vertical est obtenu grâce au saut d’indice entre
la membrane semiconductrice (Si ou III-V) et un
milieu de faible indice (air ou SiO2).
Guide d ’onde
Filtre add
add-drop
groupe de quelques fois à quelques dizaines de
fois la vitesse de la lumière dans le vide ont été
mesurées. Cette possibilité de contrôler à sa
guise la courbe de dispersion des photons
permet d’imaginer des fonctions optiques
intégrées nouvelles: correction de la dispersion
chromatique, fonctions optiques exploitant les
concepts de l’optique non-linéaire…
Membrane haut indice
(Si, SC III-V…)
Milieu
faible indice
(air, SiO 2…)
Source
Source
laser
laser
Comparaison entre le spectre de PL d’un guide W1 fermé et
Substrat
Schéma de principe d’un circuit photonique à base de
CP2D.
Nous avons été parmi les premiers à démontrer
le principe du guidage BIP sur une membrane
d’InP suspendue. La caractérisation par
photoluminescence (PL) de guides BIP fermés a
permis la détermination expérimentale des
propriétés (vitesse de groupe, pertes) des
modes guidés de W1 (guide obtenu par
l’omission d’une ligne de trous).
W1
W1 modifié
Fig.2 : Micrographies électroniques de structures guide BIP
fermées (W1 « standard » et design modifié)
Un excellent accord avec les structures de
bande calculées a été obtenu. Des vitesses de
les courbes de dispersion des modes guidés obtenues par un
calcul 3D de type onde plane. Les oscillations Fabry-Pérot
observées sont la signature des modes.
De par l’épaisseur limitée des structures à
CP2D, le problème des pertes par diffraction
dans la direction verticale est essentiel. Dans la
structure W1 « standard », des pertes
relativement importantes ont été mesurées
(0.15dB/µm). Nous nous sommes donc
concentrés sur de nouveaux designs pour limiter
les pertes de propagation. Nous avons montré,
théoriquement (en collaboration avec le GES) et
expérimentalement, qu’il était possible d’obtenir
des guides monomodes sur une large gamme
spectrale (~100 nm) et présentant des pertes de
propagation théoriquement nulle (courbe de
dispersion sous le « cône de lumière »). Notons
que ces propriétés ne sont accessibles que
grâce au fort contraste d’indice vertical utilisé.
Expérimentalement, des pertes inférieures à
0.04dB/µm
ont
été
mesurées.
Ces
performances, bien qu’inférieures à celles
espérées, permettent un libre parcours moyen
d’environ 100µm, bien suffisant pour la
réalisation de fonctions complexes à base de
CP2D.
Ces résultats ouvrent la voie à une
microphotonique extrêmement compacte à base
de cristaux photoniques sur membrane.
Rapport d’activité 2002 du LEOM
75
Opération N° 6 : Microphotonique
Couplage microcavité-guide à cristaux photoniques
C. Grillet, C. Seassal, X. Letartre, P. Rojo Romeo, P. Viktorovitch
Collaborations : GES, LPN, PMC, LPM, IEMN, IMEP, Optronics
Soutien : Programme CNRS « Télécommunications » 1999-2001, Programme RMNT CRIPOINT 2001-2003
0,4
Intensité (u.a.)
Après avoir étudié les briques de base
nécessaires au développement des circuits
intégrés photoniques à base de cristaux
photoniques 2D (CP2D), il est nécessaire
d’envisager le couplage entre ces éléments.
Nous avons étudié, de manière expérimentale,
le couplage entre un guide d’onde et une
microcavité. Les résultats obtenus ont ensuite
été interprétés à partir d’une approche
phénoménologique, puis comparés à des
simulations numériques.
La configuration typique de l'objet que nous
avons conçu et réalisé est présentée sur l’image
MEB ci-dessous. Il s’agit d’une structure
intégrée sur une membrane en InP, et dotée
d’un puits quantique en InAsP, émettant un
signal de sonde autour de 1.5µm. Nous avons
fait appel au LPM pour mesurer les propriétés
de ces structures par photoluminescence (PL)
guidée.
0,3
0,2
0,1
1400
1450
1500
1550
1600
λ (nm)
Spectre de transmission à travers le guide d’onde (en
trait plein), et spectre de lumière couplée vers la cavité
(en pointillés)
Par ailleurs, en comparant des simulations
FDTD et des mesures de PL résolue en
polarisation, réalisées au LPM, nous avons
déterminé que deux modes de couplage
distincts pouvaient intervenir : soit un couplage
direct, qui conserve la polarisation du mode
guidé, soit un couplage indirect, qui implique
une conversion de polarisation (le mode de
cavité étant de polarisation perpendiculaire à
celle du mode guidé).
Vue MEB de la structure guide+cavité étudiée
Nous avons démontré un effet de couplage de la
cavité vers le guide et du guide vers la cavité. En
particulier, dans le cas où on injecte un mode à
l’entrée du guide d’onde, une partie de la
lumière est extraite vers un mode à pertes de la
cavité (pic de la courbe en pointillés), puis
rayonnée dans l’air. Nous avons évalué
l’efficacité de couplage guide-cavité à environ 10
à 20% pour ce mode. Le creux présent dans le
spectre de transmission de la figure ci-dessous
représente l’extraction sélective de la lumière
guidée (filtrage de type « drop »).
Si l’on pompe la microcavité elle-même, il est
possible de générer des modes fortement
résonants, qui présente un couplage plus
efficace vers le guide d’onde que vers le
continuum de modes rayonnés hors du cristal
photonique. Nous nous trouvons donc en
présence d’une microsource couplée à son
guide de sortie.
Simulation FDTD du couplage cavité-guide :
cartographie du champ magnétique
Ces résultats expérimentaux préliminaires
montrent la faisabilité de systèmes à base de
filtres sélectifs en longueur d’onde, et de
microsources photoniques à CP 2D. Sur la base
de ces premiers résultats, nous concevons
actuellement des dispositifs plus complets de
type filtre « add and drop », pour lesquels, outre
le transfert sélectif guide-cavité, la directivité de
ce transfert est cruciale et doit être maîtrisée.
Rapport d’activité 2002 du LEOM
76
Opération N° 6 : Microphotonique
Micro-Optique en espace libre à base de
Cristaux Photoniques 2D
J. Mouette, J. Danglot, JL Leclercq, X. Letartre, P. Rojo, Ch. Seassal, P. Viktorovitch
Collaborations : LTSI (A. Cachard, O. Parriaux) ; CEA/LETI/DTS, Plateforme PLATO (J. Gautier) ; EFS Electronique (F.
Schmidt) ; Nanolase (D. Guillot) ; Atmel (A.Crastes) ; CEDIA Innovations (M. Turpin)
Soutien : Programme thématique Région Rhône 2001-2003.
L’essentiel des travaux publiés sur les Cristaux
photoniques 2D ont pour débouché naturel la
photonique intégrée ; les résultats du LEOM
rapportés dans les sections précédentes
s’inscrivent bien dans cette direction. Un
problème général important dans les circuits
photoniques intégrés à base de BIP 2D
concerne les pertes optiques dans la troisième
direction dues au couplage indésirable par
processus de diffraction des modes guidés avec
les modes rayonnés, et qu’il convient de limiter.
Ce problème de pertes peut être pris à contrepied en considérant le couplage modes
rayonnés–modes guidés non pas comme un
processus parasite, mais comme un moyen
supplémentaire de contrôle des photons. En
d’autres termes il est possible d’exploiter
encore d’avantage la richesse des courbes de
dispersion des cristaux photoniques 2D en
ouvrant ces derniers à la troisième dimension de
l’espace.
L’objectif général est de développer des
dispositifs optiques mettant en œuvre des
cristaux photoniques 2D pour la manipulation
spatiale et spectrale de photons aussi bien
dans le plan du cristal (optique guidée) que
dans la troisième direction de l’espace (espace
libre ou fibre optique).
Le principe général est de conformer les
photons aux caractéristiques désirées durant
leur séjour (transitoire) en régime d’optique
guidée au sein du cristal photonique, même si
leur destination finale inclut la troisième
direction de l’espace et leur ouvre l’accès aux
modes rayonnés. Un élément clef réside dans la
combinaison des cristaux photoniques 2D avec
des dispositifs MOEMS pour élargir la gamme
des fonctionnalités offertes dans les deux
domaines. Les dispositifs visés sont à base de
semiconducteurs composés III-V de la filière InP
principalement et incluent des composants
actifs
(source,
détecteurs)
et
passifs
(commutateurs, filtres, routeurs,…).
Le principe de base consiste à exploiter le
cristal photonique 2D dans les conditions où le
couplage diffractif entre modes guidés et modes
rayonnés est possible, c’est à dire au-dessus du
« cône de lumière ». L’approche générale
consiste à inclure naturellement l’étape de
couplage entre modes rayonnés et modes
guidés dans la fonction optique réalisée, le
traitement du signal optique impliquant que le
photon puisse aussi bien être localisé dans le
cristal photonique (au moins de manière
« transitoire ») qu’explorer la 3ème dimension de
l’espace. Il s’agit en outre d’exploiter les
caractéristiques spécifiques de la courbe de
dispersion des cristaux photoniques ou BIP 2D
en choisissant les longueurs d’onde de travail
qui correspondent aux extremums de la courbe
de dispersion : on sait en effet que dans les
cristaux photoniques (structure périodique à fort
contraste d’indice), ces extremums présentent
une faible courbure (ce qui les distingue des
structures diffractives classiques où le contraste
d’indice est faible) et correspondent donc à une
forte densité d’états photoniques et à une
vitesse de groupe faible des photons. On peut
dans ces conditions envisager de coupler
efficacement (de manière résonante) modes
guidés et modes rayonnés dans des directions
de l’espace déterminées et moyennant une
surface utile pour le couplage réduite.
L’ouverture des BIP 2D sur la troisième
dimension de l’espace, qui résulte du couplage
entre modes guidés et modes rayonnés par
l’intermédiaire du cristal photonique, dépend de
l’environnement électromagnétique auquel est
soumis le cristal. Dans le cas des dispositifs
associant Cristaux photoniques 2D et MOEMS,
le principe général de fonctionnement consiste
en la modulation électromécanique de cet
environnement électromagnétique afin de
moduler la réponse du cristal. Il est ainsi
possible de modifier le couplage entre modes
rayonnés et modes guidés, et donc d’effectuer
des fonctions de pilotage de faisceaux optiques
résolues angulairement et en longueur d’onde.
N
I
Undoped (I)
P
N doped
P doped
Substrate
Schéma de principe d’un dispositif « BIP/MOEMS ».
l’actuation est obtenue par polarisation de la diode PIN.
Rapport d’activité 2002 du LEOM
77
Opération N° 6 : Microphotonique
La brique de base générique consiste en une
structure constituée de plusieurs lames
semiconductrices
« suspendues »,
dont
certaines peuvent être structurées latéralement
pour former un cristal photonique 2D. Les
épaisseurs optiques des lames et « gaps » d’air
sont de l’ordre de la longueur d’onde de travail.
Dans le cas d’association BIP/MOEMS, la
modulation (spectrale et spatiale) Opto-ElectroMécanique des faisceaux lumineux s’effectue
par déplacement vertical de certaines des lames
suspendues (par voie electrostatique).
La conception de dispositifs actifs ou passifs
fondés sur les principes et structures décrits
précédemment, impliquent de disposer d’outils
de simulation précis et rapides. Les outils de
simulation
numériques
disponibles
actuellement, tels que la FDTD 3D, qui est en
principe très bien adaptée à notre problème,
nécessitent encore des temps de calcul
prohibitifs pour pouvoir être utilisés de manière
systématique. C’est pourquoi nous avons mis
au
point
un
outil
de
modélisation
phénoménologique, fondé sur la théorie des
modes couplés, qui permet de concevoir très
rapidement les dispositifs au premier ordre, les
outils numériques étant utilisés dans un
deuxième temps pour valider les résultats
obtenus. Cet outil prend en compte la
dimension latérale limitée des dispositifs réels.
Réponse spectrale d’une membrane structurée. Dans le cas
d’une épaisseur λ/2, on obtient un réflecteur sélectif en
longueur d’onde. Sinon la réponse est typique d’un profil
de Fano et la structure passe d’un comportement miroir à
un comportement passant pour deux longueurs d’onde
proches.
Rapport d’activité 2002 du LEOM
78
Opération N° 6 : Microphotonique
Perspectives
Les projets dans le domaine de la microphotonique auront pour dénominateur commun les Cristaux 2D,
au cours de la prochaine période. Les dispositifs visés seront à base de semiconducteurs composés III-V
de la filière InP principalement et incluront des composants actifs et passifs. Les composant passifs
pourront également être réalisés sur SOI (silicium sur silice). Les projets développés seront déclinés
dans 3 domaines :
a)
Intégration photonique et BIP 2D
Les efforts seront concentrés sur les thèmes où l’apport spécifique des BIP 2D par rapport à
l’optique guidée classique constitue un plus indéniable (miniaturisation de fonctions intégrées
classiques, fonctions intégrées nouvelles,…).
La vertu essentielle des cristaux photoniques est qu’ils permettent de contrôler la localisation des
photons dans l’espace (dans le plan s’agissant d’un CP 2D), ou encore de leur temps de vie dans une
région donnée du CP. En effet, contrairement aux structures diffractives classiques, les cristaux
photoniques sont formés de réseaux périodiques à fort contraste d’indice : la conséquence principale est
non seulement la possibilité d’ouvrir des bandes interdites photoniques dans toutes les directions de
l’espace, mais également de conduire à des caractéristiques de dispersion dont les extremums
présentent une faible courbure, ce qui permet de ralentir la vitesse de groupe des photons aux longueurs
d’onde correspondantes. La localisation des photons peut donc être contrôlée aussi bien en les
« piégeant » dans des « défauts » localisés dans la bande interdite où leur vitesse de groupe est nulle,
qu’en ajustant cette dernière au voisinage d’un extremum de la caractéristique de dispersion. Le contrôle
du temps de vie τ des photons dans une région limitée du cristal photonique a pour corollaire, dans le
domaine fréquentiel, la manifestation de phénomènes résonants dont le facteur de qualité est de l’ordre
de ωτ , où ω est la pulsation des photons. Nous pouvons conclure que les cristaux photoniques 2D
nous fournissent les ingrédients nécessaires au contrôle spatial et résolu en longueur d’onde des
photons. Ce sont les ingrédients que nous nous proposons d’exploiter.
Cela permet d’imaginer des fonctions optiques intégrées nouvelles, ou traditionnelles mais de
spécifications améliorées. Nombres d’applications, résultant directement du contrôle de la vitesse de
groupe des photons, peuvent être envisagées : correction de la dispersion chromatique, fonctions
optiques exploitant les concepts de l’optique non-linéaire, dispositifs combinant les phénomènes dits de
super-prisme et résonants.
Les domaines d’application visés concernent principalement les interconnexions optiques pour la microélectronique et les Télécommunications Optiques (plage de longueur d’ondes dans la gamme 1,31,7µm).
b) Photonique intégrée à base de BIP 2D et optique en espace libre
Un problème général important dans les circuits photoniques intégrés à base de BIP 2D concerne les
pertes optiques dans la troisième direction dues au couplage indésirable par processus de diffraction des
modes guidés avec les modes rayonnés. Ce couplage modes rayonnés–modes guidés peut être exploité
pour tirer avantage de la richesse des courbes de dispersion des cristaux photoniques 2D en ouvrant ces
derniers à la troisième dimension de l’espace. Rappelons que l’approche générale consiste à inclure
naturellement l’étape de couplage entre modes rayonnés et modes guidés dans la fonction optique
réalisée, le traitement du signal optique impliquant que le photon puisse aussi bien être localisé dans le
cristal photonique (au moins de manière «transitoire ») qu’explorer la 3ème dimension de l’espace. Il
s’agit là d’un mode d’exploitation des cristaux photoniques 2D particulièrement adapté à l’approche
« membrane » développée de manière distinctive par le LEOM et ouvrant la voie à des dispositifs
exploitables pratiquement dans un environnement classique (couplage naturel à une fibre optique par
exemple).
De nouveaux types de composants optiques actifs et passifs fondés sur ces principes seront
développés :
Dispositifs actifs de type micro-sources optiques sans cavité et à émission par la surface et
de type photodétecteurs sélectifs en longueur d’onde (ajustables par lithographie
électronique) adressables par la surface.
Dispositifs pour l’optique non linéaire à couplage « vertical ».
Dispositifs passifs associant BIP 2D optiques et Microsystèmes Opto-Electro-Mécaniques.
c) Photonique intégrée et optique champ proche
En parallèle aux études de caractérisation à l’échelle submicronique des dispositifs standard, l’optique en
champ proche peut offrir d’autres perspectives. Le croisement des concepts et approches des BIP
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Opération N° 6 : Microphotonique
optiques 2D avec ceux de l’optique en champ proche devraient ouvrir la voie à de nouveaux systèmes
OptoElectroMécaniques à l’échelle nanométrique.
Dans ce contexte, le projet proposé vise à associer ces deux domaines prometteurs. Les techniques de
champ proche seront utilisées
• d’une part comme un outil de caractérisation optique de micro et nanocomposants optiques
à base de cristaux photoniques 2D. Le résultat attendu, pour la microphotonique, sera
l’établissement d’une rétroaction entre la conception, la fabrication et la caractérisation, le
LEOM ayant la spécificité d’être acteur dans ces trois composantes.
• d’autre part, comme un opérateur photonique, en utilisant la sonde du microscope de
manière inédite pour modifier très localement l’environnement des photons dans ces mêmes
structures, induisant ainsi de nouvelles fonctionnalités photoniques regroupées sous le
terme générique de NOEMS (Nano-Opto-Electro-Mechanical Systems)
Ces dispositifs de type NOEMS pourront par exemple fournir de nouvelles solutions pour assurer le
routage des photons avec un très haut degré d’intégration (commutation, aiguillage sélectif en longueur
d’onde, fonction « add/drop » réalisés par interaction de pointes « SNOM » avec le cristal photonique).
Ces dispositifs se prêteront naturellement à l’intégration, au même titre que les cristaux photoniques pour
les circuits intégrés photoniques. Les NOEMS devrait participer d’une évolution des dispositifs MOEMS,
similaire à celle des composants électroniques élémentaires vers les circuits intégrés microélectroniques, ou à celle des composants optoélectroniques élémentaires vers les circuits intégrés
photoniques.
Il s’agit là d’un projet long terme, à caractère prospectif, qui sera mis en œuvre pour une part importante
par Adel Rahmani, devant être recruté sur un poste CR1 au CNRS en 2002. Cette action sera menée en
forte interaction avec l’opération 1 “Nanophysique et microscopies en champ proche”.
Collaborations : LETI/CEA (PLATO), DRFMC/CEA, IEF/Orsay, LPM, IRCOM/Limoges, TSI/SaintEtienne, GES/Montpellier, LPN/Bagneux, PMC/Ecole Polytechnique, IEMN/Lille, OCP/LPUB, AlcatelOptronics , Atmel-Grenoble, Université de Glasgow (réseau d’excellence proposé en réponse à
l’invitation de la CEE à soumettre des Expressions d’Intérêt).
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