702_Schwoob_present

Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
PROPOSITION ET VALIDATION OPTIQUE D'UN
DEMULTIPLEXEUR
"TOUT-CRISTAUX-PHOTONIQUES" SUR InP
EXPLOITANT LE GUIDAGE MULTIMODE
Emilie Schwoob1,2Henri Benisty1,2,
Claude Weisbuch, Lucio Martinelli1,2,
Helmut Heidrich3, Klemens Janiak3, Sebastian Golka3,
G.-H. Duan4, O. Drisse4, F. Pommereau4
1 Laboratoire
de Physique de la Matière Condensée, UMR 7643, Ecole Polytechnique, Palaiseau
2 Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique, UMR 8501, bât 503, Orsay
4Heinrich Hertz Institut/Fraunhofer G., Einsteinufer 38, Berlin, Germany
4Alcatel-CIT/opto+, 91 Marcoussis
Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Plan
1) Dispositifs sélectifs
phénomènes sélectifs dans les guides en
cristaux photoniques
2) Concept de démux/moniteur
et premiers résultats
• Optique/Optique
• Photocourant
3) Modélisation et perspectives C-WDM / WDM
E. Schwoob-Viasnoff à HHI
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Dispositifs sélectifs
à la "phasar" (Smit)
à la Rowland/März/..
à la Little (LittleOptics Ltd)
micro-rings
à la Noda (bientôt in-plane ?)
Cristaux photoniques
à la MIT
(Fan)
… et à la "multimode" de chez nous
(NB : pas MMI)
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Le guide à cristal photonique
w
Guide multimode
a
bande
interdite
photonique
?
2p
k y 
a
x
0
y
p/ a
k
y
couplage contrapropagatif par diffraction de BRAGG
w
mini-Bande
Interdite
ky
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
La mini Bande Interdite
diffraction de Bragg entre 2 modes d'ordre différents
Bande de l'air
3
2
6
Guide W3
x
y
5
4
1
w
Bande
Dielectric
Band
Bande
diélectrique
diélectrique
ky
Hz(x,y)
k y 
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
2p
a
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Expérience et Simulations Théorie des Modes Couplés
Apport de la thèse de S. Olivier (2002)
w0
mode 5
mode
fondamental
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
w0
w0
w0
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Démultiplexeur de longueur d'onde intégré
u
u0
w
ky
w
{
u0
l0
brevet CNRS 2003
région avec m-BI à l3
l5
l3
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
Canal n
Canal n-1
Canal 1
région avec m-BI à l5
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Où est l'originalité physique?
Avantage par rapport à un guide simple périodique

comportement réseau
Efficacité
de
diffraction
comportement Fabry-Pérot
Efficacité
de
diffraction
l1... ln
l
toutes les l sont extraites
l1
lj
extraction sélective de lj grâce à
la résonance interne préalable
ln
a
a
l1, ... ln
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
l
lj
l1, ... ln
lj
l1, ... ln
sauf lj
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Démultiplexeur : mesures optiques
Méthode de la source interne : schéma de principe
Bord clivé
3,2 mm
240nm
ICP-RIE (Alcate
3 puits quantiques
Configuration de mesure d'un démultiplexeur intégré :
300a = 75µm
Collaboration
et
Fabrication :
HHI, OPTO+
CAIBE (HHI)
Bord clivé
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Démultiplexeur de longueur d'onde intégré : mesures optiques
W3
W5
collaboration avec Alcatel-OPTO+
collaboration avec HHI, Berlin
WDM
l=0,8nm
C-WDM
l =20nm
Q = 400
l= 4nm
@ l = 1600nm
Q = 330
l = 5nm
@ l = 1580nm
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Puis, intégration du dispositif avec des photodiodes InGaAs
Canal 4
Canal 3
Canal 1
Collaboration avec HHI
guide en
cristal
photonique
CP
Photodiode
20x40 µm
Plot de contact
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Démultiplexeur de longueurs d'ondes intégré :
un pas vers le composant tout intégré
Premiers résultats
Qmax=30
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Simulations : rôle de
c=-3dB
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
k
k
c=-15dB, l=10nm, 6 canaux,
fraction collectée <5%, L<100µm
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Conclusion
Démultiplexeur / "moniteur de longueur d'onde"
• Compact :
Résonance dans le guide lui-même (largeur =1.2 µm)
• Tolérant aux fautes :
Diffusion cohérente par une cinquantaine de trous
• Dosable :
quantité extraite :de 10% (0.5dB) à ~ 100 %
• Compatibilité ?
C-WDM
? WDM et DWDM
• Compréhension des résultats optique/électrique
• Suite dans le projet européen STREP "FUNFOX" 2004-2007
(dont font partie CNRS-IOTA, HHI et Alcatel)
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
vide
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Principe des cristaux photoniques: 2D, 3D
Dimension
Structure
1D
Directions interdites
Directionnel
w0
2D
3D
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Faisable
(Lithographie standard
+ gravure)
• Omnidirectionnel
• difficile à fabriquer !!
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Les bandes interdites à 2D : "2D + 1D"
Pas de COLLIMATION !
2 D+1D
approche "membrane"
(air)
Pas de cascadabilité de composants
• Confinement horizontal
cristal photonique
RTI
• Confinement vertical
Réflexion Totale Interne
• Faisable
approche "substrat"
(GaAs ou InP)
composants actifs
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
2D: réseau triangulaire de trous
réseau réel
Réseau de trous d'air
(gap "TE", H // z)
M
réseau
réciproque
M
K
K
G
G
f =35%
a
f=30%, milieuf=30%
neff2 = 11,3
neff2 = 11,3
Bande
interdite TM
0,4
0,3
0,3
u=a / l
0,4
Bande interdite TE
Bande interdite TE
0,2
0,2
0,1
0,1
0
M
G
K
M
0
0
0,3
0,6
Fraction d'air
Autour de a /l =0,25, à l =1,55 µm, a=390nm, diamètre des trous = env. 200 nm
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Pertes hors du plan
pertes vers l’air et
vers le substrat
w
w=kyc
air
pertes vers le substrat
w=kyc/n1
substrat
wA
couplage si
kyguidé
<
kyair ou substrat
0
A
aucune perte
kyA
ky0p/a
ky
kyA+2p/a
Modèle 2D
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Fabrication des cristaux photoniques sur InP
Etat de l'art de la gravure sur InP/GaInAsP/InP :
GaInAsP couche guidante
 Profond ( >3µm)
 Droit (<0,5°) sur plus de 2 µm
 Diamètre contrôlé (f=30-40%)
2 µm
CAIBE (KTH)
2 µm
CAIBE (HHI)
3,2 mm
ECR-RIE (Würzburg)
240nm
ICP-RIE (Alcatel)
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Caractérisation des cristaux photoniques
Méthode de la source interne (pas de guide d'accès) :
1 ou 2 puits quantiques (ou BQs)
Méthode "end-fire" (avec guide d'accès) :
vers collection
Laser accordable
1,48µm-1,58µm
Adapté à des dispositifs réels, à faibles pertes
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Applications visées : circuits intégrés optiques
Multiplexage WDM
30 l entre 1530-1560 nm
l=0,8 nm (n=100 GHz)
Multiplexage C-WDM
Réseau local
Distances < 50 kms
Débit ~ N x 10Gb/s
18 l entre 1270-1610 nm
l=20 nm (n=2000 GHz)
Chaîne de transmission et de traitement des données optiques
contrôleur de
polarisation
sources
stabilisées
en l
Émetteur
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
Ampli SC
l-mux
ldemux
convertisseur
de l
Récepteur
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Ralentissement de vg : influence sur le gain
ng élevé
 vg faible
g ∞ 1/vg
a
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Mesure de gain par soustraction
Montage à 2 faisceaux: 1 faisceau pompe et 1 faisceau sonde
PL latérale
Ref
Tcristal
d
I1 (l)
I2(l)
Isonde(l) Ipompe(l)
Isondeamplifiée(l)= Itotal(l)- Ipompe(l)
d
InAs
BQs
ou PQs
Itotal(l)
PL frontale
Faisceau pompe (10µm x 50µm)
Faisceau sonde (3µm x 3µm)
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Mesure de gain dans un guide W3
milieu actif : 2 couches de puits quantiques désaccordés
AVEC
pompage
Intensité
SANS
pompage
gain : +40%
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
Schwoob et al, Optics Express, vol.12, No8, p.1569, 19 Avril 2004 25
Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Principe de l'amplification optique
Amplificateur Optique à SC : gain variable avec la puissance du signal d'entrée
Densité
de
porteurs
Gain
PIN
Amplificateur Optique à SC et à gain stabilisé par oscillation laser
LASER
Densité
de
porteurs
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
Dispositif GENOA
Référence: Coldren, "Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits"
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Perspective : amplificateur planaire et convertisseur de l
...amplificateur planaire...
Gain
...et à plus long terme un convertisseur de l
P2
P1
à l2
l1
P1
P2 PIN
2004 - 2007
l2
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
PLASER=1
PLASER=0
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
Collaborations
Heinrich Hertz Institut (BERLIN)
S.Golka, H.Heidrich, K.Janiak...
Alcatel OPTO+ (MARCOUSSIS)
G.H. Duan, O.Legouezigou,
F.Pommereau, O.Drisse, C.Cuisin...
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
R. Ferrini, R. Houdré, B.Lombardet...
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
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Laboratoire de Physique
de la Matière Condensée
La mini Bande Interdite: DE photonique et vitesse de groupe
Diffraction
de BRAGG
Densité
d'Etats
élevée
ng élevé
 vg faible
bande
diélectrique
JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
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