40 MATERIAUX ET COMPOSANTS PHOTONIQUES POUR LES TRANSMISSIONS OPTIQUES II /$6(5¬&$9,7e9(57,&$/($&&25'$%/((1/21*8(85' 21'( Christophe LEVALLOIS1, Alain LE CORRE1, Slimane LOUALICHE1, Olivier DEHAESE1, Hervé FOLLIOT1, Christophe LABBÉ1, Françoise THOUMYRE1, Laurent DUPONT2, Jean-Louis DE BOUGRENET DE LA TOCNAYE2 Groupement d’Intérêt Scientifique FOTON Laboratoire d’Etudes des Nanostructures à Semiconducteurs/INSA Rennes, UMR CNRS 6082 2 Département d’Optique, ENST Bretagne/GET, CNRS UMR 6082 1 [email protected] 5e680e Le VCSEL accordable, autour de 1,55µm est essentiel pour le développement des réseaux à courtes et moyennes distances multiplexés en longueur d' onde. La zone active du composant est à base de puits quantiques InGaAs/InGaAsP sur substrat InP. Pour obtenir l' accordabilité on insère dans la cavité laser un matériau électro-optique qui répond par une variation d' indice à une commande électrique. Dans ce travail nous avons d' abord traité le cas de la cavité verticale pompée optiquement. Nous avons étudié et réalisé un miroir diélectrique avec des matériaux à fort contraste d' indice (Si et SixNy). Ce miroir atteint une réflectivité de 99,5% et une bande passante spectrale de 800nm avec seulement 5 paires de couches. Il a été testé sur une demi cavité verticale réalisée en MBE qui a atteint l' effet laser en pompage optique. 0276&/()69&6(/$FFRUGDELOLWp'%53RPSDJHRSWLTXH ' Le laser vertical (VCSEL) final accordable visé sera constitué d' une demi cavité dont la croissance est réalisée en MBE. Il comprend un miroir en semiconducteur et une zone active à base de puits quantiques. La cavité est ensuite fermée par la zone de phase en cristal liquide (nano-PDLC) suivi d' un miroir de Bragg diélectrique (Si/SixNy) dont le fort contraste d' indice ( Q=1,9) permet de se limiter à un dépôt de 5 paires (cf. Fig. 1). Une collaboration entre l' INSA et l' ENSTB a déjà fait l' objet d' un VCSEL accordable à base de nano-PDLC [1,2,3]. Le pompage optique (à 1,064µm) et la collecte de l' émission s' effectue par le miroir diélectrique. La zone active d' une épaisseur optique de 1,5 comprenant 21 puits quantiques (MQW), est déposée sur un miroir de Bragg en semiconducteur (InP/In0,8Ga0,2As0,8P0,2) de 40 paires. Dans cette première partie du travail nous avons abordé l' étude des miroirs et de la cavité laser. La zone active, dans sa conception, est optimisée pour rendre efficace le couplage entre la lumière et les transitions optiques dans les MQW, grâce au placement des MQW aux ventres du champ électromagnétique. Les couches de diélectriques pour les miroirs sont déposées par sputtering. Les conditions de dépôt ont été optimisées pour avoir des structures reproductibles, stables dans le temps et présentant des pertes optiques faibles. Nous avons utilisé les conditions expérimentales donnant une texture homogène dont le contrôle a été assuré par microscope électronique à balayage (MEB). &$5$&7e5,6$7,216(75e68/7$76 A ce stade du développement, l' accent a été mis sur l' optimisation du miroir de Bragg diélectrique. Les matériaux utilisés (Si/SixNy) pour la réalisation du miroir de Bragg diélectrique affiche un contraste d' indice de Q=1,9. Il est alors possible d' obtenir un coefficient de réflexion de 99,5% et une bande passante supérieure à 800nm avec seulement 5 paires de couches (cf. Fig. 1). Cette réflectivité est cependant limitée par l' absorption optique du Si ( ≈300cm-1 ) qui reste malgré Vendredi 26/11, 10h20 FOTON 2004 Article 9H 41 MATERIAUX ET COMPOSANTS PHOTONIQUES POUR LES TRANSMISSIONS OPTIQUES II )LJ ¬ JDXFKH 6FKpPD GH OD VHFWLRQ GH ODVHUV DFFRUGDEOHV (Q KDXW j GURLWH 6SHFWUH GH UpIOH[LRQ HQ LQFLGHQFH QRUPDOH GX PLURLU GH %UDJJ GLpOHFWULTXH GH SDLUHV (Q EDV j GURLWH 3KRWRJUDSKLH0(%GHODVXUIDFHG XQGpS{WGH6L tout conforme aux valeurs trouvées dans la littérature[4]. La pulvérisation cathodique, utilisée pour la réalisation de ce dépôt, est une technique de dépôt relativement simple. Elle permet, grâce une cible unique en silicium, de déposer successivement Si et SixNy en changeant simplement la concentration en azote du plasma. La mesure des indices des couches déposées est nécessaire afin d’ en maîtriser leurs épaisseurs dans le miroir de Bragg. Ainsi, l' utilisation du FTIR (Transformée de Fourrier Infra Rouge) et d' une simulation de la transmission optique a permis de déterminer les indices de chacune des couches étudiés afin d’ optimiser les épaisseurs déposées. La texture des grains de Si observée au MEB est homogène et ne présente pas de défauts (cf. Fig. 1). De plus, on a noté une stabilité remarquable des indices des matériaux et de la réflectivité de ce miroir durant les 6 derniers mois. Enfin, le dépôt sur un substrat de verre permet de faire un report du miroir sur la demi-cavité semiconductrice pour une caractérisation rapide du VCSEL. )LJ¬JDXFKH6SHFWUHVODVHUVSRXUGLIIpUHQWHVSXLVVDQFHVGHSRPSH¬GURLWH7UDFpGHOD FDUDFWpULVWLTXH33!#"$!% G XQ9&6(/FRQVWLWXpG XQPLURLUGH%UDJJGLpOHFWULTXHPLVHQFRQWDFWDYHF XQHGHPLFDYLWpVHPLFRQGXFWULFH Vendredi 26/11, 10h20 FOTON 2004 Article 9H 42 MATERIAUX ET COMPOSANTS PHOTONIQUES POUR LES TRANSMISSIONS OPTIQUES II Ainsi, l' association par simple contact de la demi cavité semiconductrice et du miroir de Bragg diélectrique a permis d' obtenir l' effet laser. Nous avons pu observer une raie laser centré vers 1,4915µm et tracer l' évolution de la puissance optique moyenne émise en fonction de la puissance crête de la pompe (cf. Fig. 2). &21&/86,21 Les premiers résultats montrent que le miroir de Bragg diélectrique (Si/SixNy), d' une réflectivité de 99,5% et d' une bande passante spectrale de 800nm, est fonctionnel. Ainsi, l' utilisation de ce miroir avec la demi cavité décrite précédemment montre la faisabilité d' un VCSEL accordable en longueur d' onde. La réduction des puissances optiques au seuil est attendue en diminuant l' absorption dans les couches de Si et en déposant directement les couches diélectriques sur la demi cavité semiconductrice. Il sera aussi possible d' augmenter la réflectivité du miroir de Bragg de fond de cavité en choisissant des matériaux qui offrent un plus grand contraste d' indice: Bragg diélectrique ou encore Bragg semiconducteur (AlGaInAs/InP). 5e)e5(1&(6 [1] V.VERBRUGGE, "Étude de dispositifs optiques à micro-cavité verticale pour l' utilisation dans un module multi-longueur d' onde.", 7KqVHGH'RFWRUDWGHO ,16$GH5HQQHV-DQYLHU. [2] V.VERBRUGGE, J-L.DE BOUGRENET DE LA TOCNAYE, L.DUPONT, “C-Band Wavelength-Tuneable Vertical-Cavity Laser Using a Nano Polymer Dispersed Liquid Crystal Material.”, 2SWLFV &RPPXQLFDWLRQVYROSS. [3] V.VERBRUGGE, L.PLOUZENNEC, A.LE CORRE, “A Smart Pixel Based on a Double VCSEL for Free Space Optical Interconnects.”, 2SWLFV&RPPXQLFDWLRQVYROSS. [4] B-S.RICHARDS, A-B.SPROUL, A.LAMBERTZ, "Optical Charactersation of Sputtered Silicon Thin Films on Glass", QG:RUOG&RQIHUHQFHDQG([KLELWLRQRQ3KRWRYROWDLF6RODU(QHUJ\&RQYHUVLRQ 9LHQQD$XVWULD6 - 10 July 1998 Vendredi 26/11, 10h20 FOTON 2004 Article 9H