Colloque « Télécommunications- réseaux du futur et services » Projet AROME
publicité
Colloque « Télécommunicationsréseaux du futur et services » Projet AROME mars 2007 – juin 2010 Rennes Le 06 décembre 2010 Semiconductor Optical Amplifier (SOA) : définitions - Laser sous le seuil - Milieu à gain optique et à réflexions amplification négligeables Pout = Gff*Pin + Emission spontanée amplifiée (ASE) amplification Emission spontanée Pin 140 nm • Objectif : SOA pour les réseaux Coarse-WDM Optical power (a. u.) Résumé du projet 1 – Bande optique (BO) > 150 nm et – Gain maximal > 15 dB et – Dépendance à la polarisation < 2 dB 0,01 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 1E-9 1470 1490 1510 1530 1550 1570 1590 1610 Wavelength (nm) Optical bandwidth 5 ~ 80 nm Alcatel SOA commercial EDFA 0 Gain (a.u.) Extension vers la bande L Intégration d’un filtre égaliseur de gain Impact de la non-linéarité Etude en réflexion 20 nm 1E-8 • Etudes à mener – – – – CWDM source 0,1 -5 -10 -15 -20 -25 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 • Retombées attendues: – Amplification dans les réseaux CWDM – Etude matériau pour les futurs lasers accordables CWDM – Sources large bande pour le bio-médical WDM = multiplexage en longueurs d’ondes EDFA = amplificateur à fibre dopée Erbium Optical bandwidth ~ 25 nm Wavelength (nm) Organisation du projet • 6 partenaires : – Alcatel-Thalès III-V Lab : coordination et fabrication SOA – Orange Labs: spécifications et valorisation système – INSA Toulouse: modélisations de gain matériau et propositions de structures actives – ENIB: modélisations de gain SOA et propositions d’architectures – IEMN: Développement de substrats métamorphiques pour extension bande L – Telecom ParisTech: caractérisations WDM Spécification Caractérisation Modélisation Conception Orange Labs 3-5lab, ENIB TelParisTech INSA Toulouse ENIB 3-5lab Fabrication 3-5lab IEMN Plan de la présentation • Introduction : – Présentation du problème et de l’état de l’art • Travail sur les matériaux actifs – Empilements de matériaux massifs ou de puits quantiques – Puits épais à double transition électronique, seuls ou couplés 2 à 2 • Travail sur les architectures – En transmission: insertion d’un filtre égaliseur de gain – En réflexion: développement d’un miroir « coloré » • Valorisations – Amplification de 5 à 8 canaux CWDM ; amplification à 1.49 µm et 1.58 µm – Source blanche (SLED) large de 150 nm, 10 mW émis • Retombées, perspectives – – – – Réseaux d’accès: extension de budget optique Lasers très largement accordables Sources blanches pour applications médicales Projets ANR en cours: CONTINUUM et ULTRAWIDE • Absorption à courte λ car : Gain = émission stimulée – absorption (– pertes de propagation) • Limitation mathématique : – Définition de la BO: (Amplified) spontaneous emission (a.u.) Facteurs limitant la BO L = 1.5 mm ; Γ = 5 % I = 200 mA ; PL à 1600 nm 1200 1300 1400 1500 1.00 1.00 ASE 0.75 0.75 SE 0.50 0.50 0.25 0.25 0.00 0.00 1200 1300 1400 1500 Wavelength (nm) • Largeur à mi-hauteur du spectre de gain – Hypothèses: • densité de porteurs uniforme • gain matériau parabolique près de son max g = g0 – a (λ – λ0)2 => 1600 et G = exp (Γ g L) ln 2 10 ln 2 g0 BO = 2 = 2 . aΓL ln 10 a.GdB, max Il faut élargir et maximiser le gain matériau 1600 SOA 1.6 Solutions possibles SOA 1.5 • Mise en parallèle de 2 SOA • Mélange de matériaux: – En empilant des BQ de tailles différentes – En empilant des bulk de gap différents – En empilant des puits d’épaisseurs différentes • => Faible amélioration de la BO à cause des champs internes et de l’absorption résiduelle • Puits épais pour avoir 2 transitions électroniques • Puits couplés • Insertion de filtres égaliseurs de gain 1400 1450 1500 1550 -39 output power – Bruit interférométrique – Pb intégration -39 -42 -42 BO = 120 nm -45 C-band SOA S-band SOA -45 Dual SOA -48 -48 1400 1450 1500 1550 wavelength (nm) 100000 62072 62074 10000 1000 100 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 Puits en tension de 14 nm • Niveau excité des électrons est dans les puits, avec des barrières en Q1.17, 1.1 et 1.03 – Possibilité de saturer le niveau fondamental, puis d’avoir du gain avec le niveau excité – Sans aucune absorption résiduelle 900 hh1 Energie (meV) e2 800 lh1 e1 In0.53Ga0.47As0.92P0.08/Q1.17 hh2 Lw=14nm hh3 hh4 0 lh2 hh5 hh6 -100 -200 0,00 lh3 0,05 0,10 0,15 k(π/a) 0,20 0,25 0,30 Validation avec 3 puits de 14 nm • A un courant donné, les 2 transitions apportent autant de gain, la largeur de la BO est donc maximale SE power (a.u.) 12 10 20000 Emission Spontanée I = 40 mA I = 200 mA 15000 8 10000 6 4 5000 2 0 0 1200 1400 1600 Wavelength (nm) Emission de la zone active 1E-4 ASE power (a.u.) 16 14 e1 e2 e1 Ptoto-luminescence (a. u.) e2 1E-5 1E-6 I = 50 mA I = 100 mA I = 172 mA I = 200 mA 1E-7 1E-8 1380 1440 1500 1560 Wavelength (nm) Emission du SOA 1620 1580 3 puits de 14 nm Stimulated emission from e1 Gain peak (nm) 1560 • Passage d’une transition à l’autre : 1540 1520 1500 Stimulated emission from e2 1480 1460 0 100 200 300 400 500 Current (mA) • Présence d’un extremum de la BO : Optical Gain Bandwidth (nm) -5 0 5 10 175 15 20 25 30 35 Puits empilés (62365) Simulations Mesures 3 puits de 14 nm Mesures (62363) 150 125 40 175 150 125 100 100 75 75 50 50 25 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 SOA maximal gain, Gmax (dB) On n’a plus le compromis: gain – bande optique 25 40 Augmentation la hauteur des barrières: la théorie B a rriè re q u a t. 1 ,1 7 µ m 1 ,1 0 µ m 1 ,0 3 µ m -1 Gain matériau (cm ) • Pour augmenter le nombre d’états disponibles à haute énergie • Elargissement théorique au-delà des 150 nm avec de l’InGaAsP de gap 1.03 µm e2-lh2 e2-hh2 e1-hh1/lh1 1000 100 10 1200 1300 1400 1500 1600 L o n g u e u r d 'o n d e (n m ) 1700 Augmentation la hauteur des barrières: la pratique • La BO maximale (avec de l’InGaAsP de gap 1.03 µm) atteint 120 nm pour 15 dB de gain – Record absolu pour des SOA peu dépendants de la polarisation – Absorption résiduelle à 1.45 µm semble limiter la BO: états d’interface, … ? 62363: Q1.17 62940: Q1.1 62944: Q1.03 ASE power (a.u.) -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65 -70 -75 1320 1380 1440 1500 1560 1620 1680 Wavelength (nm) La modélisation a montré la direction Bilan sur les études matériaux SOAR Lmain = 700 µm LR = 300 µm Imain = 75 mA IR = 0 mA IR = 55 mA SOAmain R = 0.3 -5 ASE (a.u.) 10 BW -1dB = 105 nm BW -3dB = 135 nm -6 10 ASE power (dBm/nm) • Seule piste restante : les puits larges • Nette amélioration par rapport à l’état de l’art, mais les 150 nm pour 15 dB de gain sont encore loin Il faut aplatir le gain ici 62363: 3puits, Q1.17 62361: 6puits, Q1.17 62940: 5puits, Q1.1 -20 -30 -7 10 1400 1450 1500 1550 Wavelength (nm) 1600 1650 1425 1450 1475 1500 1525 1550 1575 1600 1625 Wavelength (nm) Nécessité d’insérer des filtres égaliseurs de gain Premiers essais : réseaux tiltés et cristaux photoniques • Objectif: égaliser le gain en introduisant des pertes au pic de gain Réflexions radiées Signal incident Signal amplifié Démonstration de principe, mais solutions difficilement industrialisables Brevet en commun: les filtres en réflexion – Gain max, R faible – Gain faible, R max Reflectivity (%) • Objectif: égaliser le gain en introduisant des pertes au pic de gain pour des R-SOA 1400 100 1450 1500 1550 1600 1650 75 75 50 50 25 25 0 1400 1450 1500 1550 1600 1650 Wavelength (nm) Traitement HR (λ) Traitement AR Pin Pout ... SiO2 λ/4 1700 100 TiO2 λ/4 SiO2 λ/4 TiO2 λ/2 SiO2 λ/4 TiO2 λ/4 SiO2 λ/4 TiO2 λ/4 0 1700 Modélisation • R-SOA avec R (λ) permet en théorie de dépasser les objectifs d’ AROME • Tolérance ? Reproductibilité ? • Procédé difficilement industrialisable Avec réflectivité SOA à BP Référence élargie idéale Après 2 échecs, abandon de cette option Validation du principe • Avec un SOA en transmission et des réflecteurs ajustables E-SOA Source C-WDM Miroirs propres à chaque canal CWDM à réflectivité variable en λ Avec SOA standard • • • SOA « commercial », bande passante (BP) 70 nm @ 200 mA Gain en réflexion : 15 ou 20 dB @ 200 mA Égalisation de 6 canaux C-WDM @15 dB (BP > 100 nm) – Etat de l’art: 3-4 avec SOA, 2 avec amplificateur à fibre dopée Erbium Spectre SOA « naturel » Spectre SOA « égalisé » Avec SOA AROME • Comparaison SOA, R-SOA, E-SOA • BP à 1 dB de E-SOA 8 canaux (>140 nm) – État de l’art << 100 nm SOA E-SOA R-SOA 20 18 16 14 gain (dB) 12 10 8 6 4 2 0 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 λ (nm) Il faut intégrer ces réflecteurs Insertion de réseaux à couplage par le gain • 62933 • 62940 Contrôle des paramètres avec un masqueur électronique Mesures en tant que diodes super luminescentes (SLED) λB ~ 1580 nm 1450 Imain 1500 1550 1600 ASE power (a.u.) 1,00 1,00 0,75 0,75 T = 20 °C T = 25 °C T = 30 °C T = 45 °C 0,50 0,50 ASE power (dBm/nm) IR Emission spontanée amplifiée sans réseaux -15 -20 -25 -30 140 nm -35 -40 avec réseaux -45 -50 0,25 0,25 -55 1350 1400 150 nm 0,00 0,00 1450 1500 1550 1600 Wavelength (nm) À 20 °C, FWHM = 150 nm ! 1450 1500 1550 1600 Wavelength (nm) 1650 1700 Amplification simultanée des émissions à 1.49 µm et 1.58 µm I1 Rmin I2 Bragg-RSOA gain (a.u.) • Longueurs d’ondes du central vers l’abonné des réseaux d’accès qui devront cohabiter 0,6 ISOA = 100 mA IBragg from 0 to 100 mA 0,4 0,2 1500 1550 Wavelength (nm) Il faut apodiser ces réflecteurs 1600 Conclusion sur les amplificateurs • En transmission: Augmentation de 75nm à 120 nm de la bande optique pour 15 dB de gain – Objectif initial de 150 nm • Identification du moyen d’éviter le compromis: gain – bande optique • En réflexion: – 15 dB de gain pour 6 canaux CWDM – 7 dB de gain pour 8 canaux CWDM Conclusion sur les diodes superluminescentes SOAR Lmain = 700 µm LR = 300 µm Imain = 75 mA IR = 0 mA IR = 55 mA SOAmain from http://www.exalos.com/sled-modules.html ASE (a.u.) R = 0.3 10 -5 10 -6 10 -7 BW -1dB = 105 nm BW -3dB = 135 nm 25 1450 1500 1550 1600 1650 Wavelength (nm) 20 1450 15 Output power (a.u.) Output power (mW) 1400 10 5 1500 1550 1600 -57 -57 -60 -60 FWHM = 150 nm -63 -63 λB ~ 1580 nm -66 0 0 25 50 75 100 125 150 -66 1450 1500 1550 1600 Wavelength (nm) FWHM (nm) Nets progrès par rapport aux produits, et outils pour aller au-delà Perspectives, retombées • Exploitation du matériau développé : – Pour réaliser des lasers en cavité externe à très grande accordabilité – Pour réaliser des amplificateurs en ligne larges de 100 nm à -1 dB (projet ANR ULTRAWIDE) • Exploitation des réflecteurs intégrés – Optimisation de leur profil spectral (projet ANR CONTINUUM) – Fabrication de SLED ultra-larges • Domaines visés: – – – – Réseaux d’accès optique (besoin à terme d’amplification) Instrumentation Transmissions longues distance optical coherence tomography (OCT) • Substrats métamorphiques de l’IEMN Back-up Objectif • SOA bande C – ternaire InGaAs contraint à -0.15% – PL à 1.625 µm • SOA visés: en bande L – ternaire InGaAs contraint à -0.15% – PL ≥ 1.725 µm GaInAs p InP p GaInAsP nid GaInAsP 1.17 µm nid GaInAs 1.72 µm nid 0.15% GaInAsP nid GaInAs 1.62 µm nid - 0.15% GaInAsP 1.17 µm nid GaInAsP 1.17 µm n substrat InP a = 5.87 Å GaInAsP n tampon métamorphique substrat InP a = 5.87 Å Stratégie de croissance • 1 couche initiale à xmax pour favoriser la relaxation (rouge) : e, xmax ? composition xmax composition finale de la couche tampon substrat sens de croissance buffer InP e (xmax) épaisseur Couche tampon totalement relaxée Caractérisation par triple diffraction de rayons X relaxation couche 58% = f(épaisseur de la couche à 66%) Couche tampon en 2 parties Al0.34In0.66As couche d’adaptation relaxée partiellement tampon InP substrat InP a = 5.87 Å a// moyen et a perp moyen 58% Al0.42In0.58As accord de maille relaxée totalement 5.91E+00 5.90E+00 5.89E+00 ar 58% a┴ 58% aInP a// 58% 5.88E+00 5.87E+00 5.86E+00 0.07 0.12 0.17 0.22 e1(66%) (µm) 0.27 0.32 Couche tampon en 2 parties: photoluminescence tampon en 2 parties : 0.16 µm - 66% In + 0.84 µm - 58% In YAG 1.06 µm référence 0.748 eV 1.658 µm 1.73 µm st. méta 0.716 eV 1.732 µm Intensité PL (un. Arb.) Objectif λ atteint Objectif IPL atteint IPL(rel.) >0.5 IPL(ref) Et couche totalement relaxée 0.6 0.65 0.7 0.75 Energie (eV) 0.8 0.85 0.9 0.95 Couche tampon en 2 parties: microscopie électronique en transmission section transverse en microscopie électronique en transmission d’une couche tampon optimisée : 0.17 µm à 66% d’indium et 0.83 µm à 58% d’indium 0.17 µm à 0.83 µm à 58% → confinement des dislocations à l’interface avec le substrat Substrat Extension de portée 10GPON – 2 overlay λs BW GPON OLT (3) 10GPON OLT GPON ONT 1:n GPON SOA 78 / 39 10GPON ONT 10G Some viable solutions 10 GPON 312 / 150 126012801360 1480 15001577 λn L3 Switch L3 Switch Remote OLT GPON 10GE 10 GPON m Some viable solutions 2.5G (economics still in question) GPON B+ GPON C+ GPON SOA Remote OLT 10GE 20km 60km GPON B+ Reach (R. Heron, NG-PON May 2008) Mesures « système » de différents RSOA à Orange Labs ONU OLT Upstream Rx Fiber . . . A W G G W A . . . 2.5 Gb/ s 1.E-04 B2B 1.E-05 20 km 1.E-06 40 km R E1.E-07 B 1.E-08 1.E-09 1.E-10 -31 -29 -27 -25 -23 Receiver input power (dBm) . . . . . . Upstream Tx RSOA FBG F Gain Ip Data Indépendance du gain à la polarisation PDG = Gint,TE . (1 - ΓTM.gmatTM / ΓTE.gmatTE) Plus G est grand, plus PDG est grand Il faut ΓTM.gmatTM / ΓTE.gmatTE -0,35 -0,30 -0,25 -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 80 1,6 TE 70 1,5 1,4 50 1,3 40 30 1,2 ΓTE (%) ΓTE/ΓTM 60 20 1,1 1,0 -0,35 10 -0,30 -0,25 -0,20 -0,15 -0,10 Tension (%) -0,05 0 0,00 TM Les effets de saturation dans les SOA: saturation par l’ASE (effet de la longueur) Source: collaboration EPFL, mesures d’émission spontanée le long de SOA de confinement 45 % L = 250 µm L = 500 µm L = 2000 µm 10 8 6 4 2 Spontaneous emission[A.U.] 200 mA 150 mA 125 mA 75 mA 35 mA Spontaneous Emission [A.U.] Spontaneous emission [A.U.] 10 200 mA, 150 mA, 100 mA, 50 mA 0 0 100 200 Longitudinal distance [µm] 0 400 100 200 300 Longitudinal Distance [µm] 500 400 mA 300 mA 8 200 mA 100 mA 6 50 mA 4 2 0 0 1000 Longitudinal distance [µm] Si L augmente, la puissance d’ASE arrivant sur les bords du SOA augmente, la densité de porteurs y est limitée par les recombinaisons stimulées 2000 SOA: performances générales I Gain Psat NF EDFA SOA 10 – 30 dB 15 – 30 dBm 4 – 5 dB 10 – 30 dB 10 – 25 dBm 6-7 dB Pin ASE 5 non Oui 0 (si saturé) -5 τopt ~ ms ~ 100 ps τelec OBW ~ ms 30 nm ~ 500 ps 75 nm Gain (a.u.) Chirp Pout ASE Alcatel SOA commercial EDFA Optical bandwidth ~ 80 nm -10 -15 Optical bandwidth ~ 25 nm -20 -25 -30 1450 1500 1550 1600 Wavelength (nm) 1650 Puits couplés: la théorie • Couplage entre les niveaux => élargissement de ~ 30 nm attendu pour chaque transition • 2 plaques (2 et 4 nm) ont été fabriquées 12 quat. 1,03µm 2000 -1 Gain matériau (cm ) -1dB FWHM=230nm 0 -2000 0,80 -2 Ninj (10 cm ) 3,5 6,5 9,5 12,5 16,5 20,5 0,88 Energie (eV) 0,96 Puits couplés: la pratique 62940 / 1mm / w = 1.25 µm -35 50 75 100 125 150 200 250 300 350 400 450 -40 – sans couplage entre puits -45 A S E p o w e r (d B m ) • Mesure des spectres sur 2 plaques – avec des puits couplés par une barrière de 2 nm -50 -55 -60 -65 -70 1400 1450 1500 -20 1550 1600 62952 / 1mm / w = 2 µm wavelength (nm) 1650 50 100 120 150 200 250 300 -25 • => la BO est en fait réduite -30 -35 A S E p o w e r (d B m ) • Les transitions sont effectivement élargies • Mais elles se sont rapprochées - - ASE 16eme -40 -45 -50 -55 -60 -65 • Cette option nécessitera d’autres itérations -70 1400 1450 1500 1550 wavelength (nm) 1600 1650 • Objectif: égaliser le gain en introduisant des pertes au pic de gain • Réseau tilté pour avoir T<1 et R ~ 0 (sinon, ça lase) • Fort kappa et faible longueur pour avoir un spectre large et T ~ 0.5 Réflexions radiées Signal incident 1440 1460 1480 1500 1520 12 12 9 9 no filter 1 filter 2 filters 3 filters 6 3 1420 1440 1460 1480 6 3 1500 1520 Wavelength (nm) 25 Increase of Optical bandwidth (nm) Premier essai: réseaux tiltés Gain spectrum (dB) 1420 20 15 10 5 0 0 1 2 Number of filters Signal amplifié 3 θ=0° θ=7° θ = 15 ° 1.0 Transmission 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1400 1450 1500 1550 1600 Wavelength (nm) 1650 Output power (dBm in 0.1 nm) Validation des réseaux tiltés 10 1 10 0 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 I = 40 mA C / Rmin C/θ=0° C / θ = 15 ° 1480 1500 1520 1540 Wavelength (nm) => On arrive bien à réduire la transmission, mais réflectivité trop grande 1560 1580 Filtres à cristaux photoniques • Principe : – introduction de pertes au pic de gain au centre d’un SOA ou entre 2 SOA en série • En théorie : on peut élargir le gain de 20 nm en divisant le gain par 2 FILTRE mini stop-band -51 -54 -57 dBm -60 -63 -66 -69 -72 -75 1350 1400 1450 1500 1550 Wavelength (nm) 1600 1650 Mesure des filtres à cristaux photoniques a = 380 a = 400 a = 420 Output power 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00 1400 1425 1450 1475 1500 1525 1550 1575 1600 1625 1650 Wavelength (nm) On peut élargir un peu le gain, mais la difficulté technologique est considérable (procédé non industrialisable a priori)
