306_Moreau_present

Étude du gain d’un milieu
amplificateur à Boîtes Quantiques
G. Moreau1, J. Ribette1, J.C Simon1
C. Platz2, O. Dehase2, N. Bertru2, A. Le Corre2, S. Loualiche2
A. Martinez3, A. Ramdane3
Groupement d'Intérêt Scientifique "FOTON"
UMR 6082 FOTON
Laboratoire d'Optronique 1
LENS (INSA) 2
LPN UPR 20 3
Collaborations
2
* LENS (Laboratoire d’Etude des Nano-Structures) de
l’INSA Rennes (UMR 6082)
croissance, interprétations.
C. Platz, C. Paranthoën, O. Dehase, N. Bertru, A. Le Corre
* LPN (Laboratoire de Photonique et de Nanostructures,
UPR 20)
réalisation de guides monomodes, dépôts d’anti-reflet.
A. Martinez, A. Ramdane
21/04/2017
UMR6082
Objectifs de la collaboration
Composant à base de Boîtes Quantiques (BQs)
dans la bande @1,55 µm :
• Laser à faible chirp => modulation directe > 10 GHz,
réseaux d ’excellence ePIXnet
• Amplificateur optique à semi-conducteurs,
ACI nanostructures
– large gain spectral (> 130 nm)
– dynamique temporelle de gain rapide (10, 40, 160 Gbit/s)
– traitement multi-longueur d’onde du signal (amplification,
porte optique, ..)
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Plan
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 Éléments de théorie
 gain, élargissement inhomogène & homogène
 Résultats sur guides plans
 structures étudiées
 mesure spectral du gain
 Résultats sur guides monomodes
 structures étudiées
 montage pompe - sonde
 absorption petit signal en fonction de la polarisation
 1er résultats de modulation d’absorption
21/04/2017
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Éléments de théorie
Schéma de bande simplifiée d’un système idéal
à BQ unique
Énergie
Couche de mouillage
Bande de
Conduction
Boîte
Quantique
1er état excité
état fondamental
Transitions principales
permises
Bande de
Valence
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Éléments de théorie
6
Image d’un plan de Boîtes Quantiques (image AFM, INSA)
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Éléments de théorie
Gain spectral d ’un système à BQs
gain
Système idéal
isolé (BQ unique)
Élargissement
inhomogène
Élargissement
E homogène
Dispersion en taille des BQs :
Élargissement inhomogène
Couplage BQs/environnement :
Élargissement homogène
=> largeur homogène / inhomogène
Applications : .traitement optique du signal multi-longueur
d’onde sans diaphonie inter-canal.
.Laser faible chirp (H faible)
Sur GaAs @1,3 µm >>>>> h = 10 - 15 meV (13 - 20 nm)
Sur InP(311)B @1,55 µm >>>>> h = ??
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Objectifs de nos travaux
1- Caractérisation statique du gain :
- valeur du maximum
- largeur d ’amplification disponible
2- Mesure de la largeur homogène :
- observer une saturation de l ’absorption
- évolution du contraste de modulation en fonction
de l ’écart de longueur d ’onde entre la pompe et la
sonde => largeur homogène.
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Plan
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 Éléments de théorie
 gain, élargissement inhomogène & homogène
 Résultats sur guides plans
 structures étudiées
 mesure spectral du gain
 Résultats sur guides monomodes
 structures étudiées
 montage pompe - sonde
 absorption petit signal en fonction de la polarisation
 1er résultats de modulation d’absorption
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Résultats sur guides plans
Structures étudiées :
10
Conditions expérimentales
des mesures de gain :
InP
Guide
optique
Plan
400 nm
(2 µm)
Q1,18
Q1,18
InP (75 µm)
Q1,18 (InAsGaP)
g= 1,18 µm
21/04/2017
Pompage optique
N (x30 Å)
plans de
boîtes
quantiques
, séparés
de 200 Å
de Q1,18
impulsionnel (F = 5 KHz)
@1,064 nm suivant l ’axe
de croissance.
ESA
Axe de
croissance
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Résultats sur guides plans
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Évolution spectrale du gain
Pth laser  4 kW/cm²
9 plans de BQs InAs/InP
Ppompe/Pseuil laser
10
9
7
6
5
4
20
15
3535
Pth laser  2 kW/cm²
Puissance de pompe en
Ppompe/Pseuil
laser
nombre de Pseuil
laser
14
12
8
6
5
3030
coefficient d'amplification (cm-1)
coeffcient d'amplification (cm-1)
6 plans de BQs InAs/InP
2525
2020
1515
10
1010
5
1,40
1,45
1,50
1,55
longueur d'onde (µm)
1,60
55
0
1400
1,40
1450
1,45
1500
1,50
1550
1,55
1600
1,60
1650
1,65
longueurd'onde
d'onde (nm)(µm)
longueur
Gain max = 30 cm-1 (+/-5%) = 13 dB/mm
Gain max = 20 cm-1 (+/-5%) Transition
= 8.5 dB/mm fondamentale
-1 (10.8 dB/mm)
150
nm
à
25
cm
120 nm à 15 cm-1 (6.5 dB/mm)
Transition excitée
Akiyama & al. Gain = 6,5 dB/mm (40 dB pour 6,13 mm)
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Plan
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 Éléments de théorie
 gain, élargissement inhomogène & homogène
 Résultats sur guides plans
 structures étudiées
 mesure spectral du gain
 Résultats sur guides monomodes
 structures étudiées
 montage pompe - sonde
 absorption petit signal en fonction de la polarisation
 1er résultats de modulation d’absorption
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Résultats sur guides monomodes
Structures étudiées :
Guide ridge monomode
+ anti-reflet (LPN)
Problèmes technologiques
=> pompage électrique continu
impossible (pour le moment ...)
Pompage optique à lambda
adéquate ( = 1,22 - 1,28 µm)
=> en test
Obtention de gain impossible
 Travail en absorption
Objectif : mesurer la largeur homogène
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Résultats sur guides monomodes
14
Principe du montage pompe -sonde :
Sonde : source
accordable
CW
s
Pompe : source
impulsionnelle
p=5 ps
p=1540 nm
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Contrôleurs
de polarisation
10%
90%
Guide
d’onde
à BQs
OSA
10%
photodiode
90%
s
Passe
bande
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Résultats sur guides monomodes
TM
TE
Pertes de Couplage identique
pour TE et TM.
-15
-20
-25
TM
TE
-30
-35
-40
Polarisation TE « seule»
plancher de bruit du détecteur
-45
-50
1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580
longueur d'onde (nm)
PerteTE - PerteTM > 30 dB
(dans notre guide )
-30
perte fibre à fibre (dB)
perte fibre à fibre (dB)
perte de couplage + absorption
Absorption petit signal (sonde seule) :
15
-35
TE
-40
-45
-50
1500 1520 1540 1560 1580 1600
longueur d'onde (nm)
Guide trop long !
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Résultats sur guides monomodes
Pompe :
F = 450 MHz
 = 5 ps
Contraste :
85
84
83
82
81
80
79
78
Vmax  V0
C
Vmin  V0
0,4
41
42
43
44
45
temps (ns)
46
mesure du temps de vie
(composante longue) de
l’état fondamental  = 1 ns
0,3
C (dB)
Puissance (u.a)
Modulation de la sonde en fonction
de la puissance de pompe :
16
0,2
0,1
0,0
-15
-10
-5
Pompe in en dB (u.a)
21/04/2017
UMR6082
0
Conclusion & perspectives
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* Mesure du gain des BQs InAs/InP fabriquées à l ’INSA:
gain = 10.8 dB/mm sur 150 nm. À conforter avec guide
monomode.
* Mise en évidence de l ’importance de la polarisation :
=> vers un montage à polarisation contrôlée.
* Mise en évidence d ’une modulation de l ’absorption
induite en pompe- sonde :
=> vers une mesure de la largeur homogène en
saturation de l ’absorption.
21/04/2017
UMR6082
Éléments de théorie
Puit de potentiel
1D
Gain théorique
V
0
x
a
Image AFM d ’un plan de BQs
inh < Eef -Eee
inh > Eef -Eee
Dispersion en taille des BQs :
Élargissement inhomogène
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Lever & al. 2004
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