Microphotonique

Opération N° 6 : Microphotonique
Rapport d’activité 2002 du LEOM 71
Opération n° 6
MICROPHOTONIQUE
Responsables : X. Letartre, Chargé de Recherche CNRS
P. Viktorovitch, Directeur de Recherche CNRS.
Permanents Doctorants
Post-doctorants, Visiteurs
Ségolène CALLARD MdC 10 % Christian GRILLET Thèse en 2002
Jean-Louis LECLERCQ CR CNRS 20 % Christelle MONAT Thèse en 2003
Xavier LETARTRE CR CNRS 70% Josselin MOUETTE Thèse en 2004
Philippe REGRENY IR CNRS 10%
Pedro ROJO ROMEO MdC 30% Jérôme DANGLOT Post-doctorant
Christian SEASSAL CR CNRS 60%
Pierre VIKTOROVITCH DR CNRS 50%
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 (micro-
cavités, 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,

Opération N° 6 : Microphotonique
Rapport d’activité 2002 du LEOM 72
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 6
ème
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) : micro-
lasers, 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).

Opération N° 6 : Microphotonique
Rapport d’activité 2002 du LEOM 73
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
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.
Cristal photonique III-V
SiO2
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.
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.
1300 1400 1500 1600
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
~2mW
0.25mW
L 1554
Q~650
Longueur d'onde (nm)
Intensité PL
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Spectres d ’émission spontanée (en bas) et stimulée (en haut)
d ’une cavité H2 (image MEB en insert)
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

Opération N° 6 : Microphotonique
Rapport d’activité 2002 du LEOM 74
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
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.
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
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
1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Intensité PL (u.a.)
Wavelength (nm)
0.8mW
2.1mW
Q~750/800
Intensité PL (u.a.)
-150
-100
-50
0
50
100
150

Opération N° 6 : Microphotonique
Rapport d’activité 2002 du LEOM 75
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).
SourceSource
laserlaser
Milieu
faible indice
(air, SiO2…)
Membrane haut indice
(Si, SC III-V…)
Guide d ’ondeGuide d ’onde
FiltreFiltre add add-drop-drop
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
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…
Comparaison entre le spectre de PL d’un guide W1 fermé et
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.