1 microcavités diélectriques circulaires et applications sacha bergeron

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Microcavités diélectriques circulaires et applications

Sacha Bergeron

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Qu’est-ce qu’une microcavité diélectrique circulaire?

Piège à lumière(Résonateur)

Cavité optique

t t +

Caractéristiques d’une cavité:• Longueur d’onde de résonance ()• Intervalle spectral libre (ISL)• Facteur de qualité (Q)

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Qu’est-ce qu’une microcavité diélectrique circulaire?

Caractéristiques d’une cavité:• Longueur d’onde de résonance ()• Intervalle spectral libre (ISL)• Facteur de qualité (Q)

MatériauGéométrie

La silice• Propriétés optiques

Échelle micrométrique 10-6 m

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Qu’est-ce qu’une microcavité diélectrique circulaire?

Image: P.Vasseur et S.Saïdi

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Pourquoi développer les microcavités diélectriques circulaires?

• Avantage principal sur d’autres types de microcavités:

• Applications possibles:• Détection ultra précise• Filtres spectraux extrêmement étroits• Ligne à délai

Masson et al., 2007 Waks et al., 2005

Q103 Q104 Q105

Image: F. Vanier

Q108

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• Introduction aux microcavités diélectriques circulaires

• Fabrication de microcavités• Application 1: Contrôle de l’émission spectrale d’un laser

à fibre optique à l’aide de filtres à microcavités• Application 2: Guide d’onde de cavités couplées

Plan de l’exposé

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Confinement de la lumière par réflexion totale interne (RTI):

Formation d’une cavité:

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• Réflexions multiples afin d’obtenir une trajectoire bouclée• Longueur du parcours détermine la • La lumière reste piégée dans la structure pour un temps Q• Plusieurs géométries de modes sont disponibles • Différence entre les résonnances ISL

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Caractéristiques:•La lumière est confinée en périphérie du disque de silice •Modes possédant des facteurs de qualité extrêmement élevés•Décrit par m: ordre azimutal et l: ordre radial

Modes de galeries (Whispering Gallery Modes):

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ISL

Couplage avec l’extérieur et caractérisation:

Q

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• Introduction aux microcavités diélectrique circulaires• Fabrication de microcavités• Application 1: Contrôle de l’émission spectrale d’un laser

à fibre optique à l’aide de filtres à microcavités• Application 2: Guide d’onde de cavités couplées

Plan de l’exposé

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• Gaufre de silicium oxydée

• Photolithographie

• Gravure sèche RIE de la silice

• Gravure isotrope du silicium à l’aide d’un plasma de SF6 dans un DRIE ICP

• Retrait de la résine

• Dépôt d’une couche de chrome

• Gravure chimique du chrome

• Retrait du restant de chrome

Procédé de microfabrication:

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Résultats de la microfabrication:

14

• Introduction aux microcavités diélectrique circulaires• Fabrication de microcavités• Application 1: Contrôle de l’émission spectrale d’un

laser à fibre optique à l’aide de filtres à microcavités• Application 2: Guide d’onde de cavités couplées

Plan de l’exposé

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Le but:• Concevoir un laser à fibre multi-longueurs d’onde configurable

Pourquoi le faire?• Source sur mesure pour les télécommunications• Source pour des systèmes de détection spectrale en parallèles

Comment le faire?• Filtre sur mesure à base de microcavités

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Montage expérimental:

1524 1526 1528 1530 1532 1534 1536-25

-20

-15

-10

-5

0

Longueur d'onde (nm)

Tra

nsm

issi

on

no

rma

lisé

e (

dB

)

=3.36nm=430GHz

=3.38nm=430GHz

=3.40nm=430GHz

1524 1526 1528 1530 1532 1534 1536-25

-20

-15

-10

-5

0

Longueur d'onde (nm)

Tra

nsm

issi

on

no

rma

lisé

e (

dB

)

Branche de retraitBranche d'ajout

=3.36nm=430GHz

=3.38nm=430GHz

=3.40nm=430GHz

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• Filtre de retrait• Filtre ajout/retrait

Entrée

Retrait

Ajout

Filtres spectraux:

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1528 1528.5 1529 1529.5 1530 1530.5 1531 1531.5 1532-60

-50

-40

-30

-20

-10

Longueur d'onde (nm)

Sp

ec

tre

de

tra

ns

mis

sio

n d

u f

iltre

(d

B)

1528 1528.5 1529 1529.5 1530 1530.5 1531 1531.5 1532-80

-70

-60

-50

-40

-30

Pu

iss

an

ce

d'é

mis

sio

n la

se

r (d

Bm

)L = 1530.28 nm

F = 1530.28 nm

Accord filtre vs émission laser:

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Différentes configurations produites:

20

• Introduction aux microcavités diélectrique circulaires• Fabrication de microcavités• Application 1: Contrôle de l’émission spectrale d’un laser

à fibre optique à l’aide de filtres à microcavités• Application 2: Guide d’onde de cavités couplées

Plan de l’exposé

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Le but:• Concevoir un dispositif de ligne à délai intégrée

Pourquoi le faire?• Routeur tout optique• Industrie des télécommunications

Comment le faire?• En exploitant le retard causé par le piégeage de la lumière par une

série de microcavités• Guide d’onde de cavités couplées (CROW)

• Introduction du signal dans une première cavité;• Positionnement d’une seconde cavité afin d’obtenir un couplage;• Transfert du signal vers une seconde cavité.• Et une troisième cavité…

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Propagation à travers le guide:

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• Grand nombre de cavités guide d’onde;

• Le signal est ralentit parce qu’il reste piégé dans chacune des cavités.

Propagation à travers le guide:

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Délai maximal Facteur de qualité intrinsèque de la cavité

Délai total Longueur du guide

Vitesse de groupe Coefficient de couplage inter-cavités (écart)

Bande passante Coefficient de couplage inter-cavités (écart) Uniformité des microcavités

Alors pourquoi utiliser plusieurs cavités couplées quand une seule pourrait donner le même délai?

Conception d’un guide:

Rn

c

effg

g

gL

intmax

Q

Rn

c

eff

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Mesures de transmission:

Signal d’entrée

3 Cavités

4 Cavités

5 Cavités

6 Cavités

7 Cavités

pscavités 5.1277

Délai calculé à partir des mesures de transmission:

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Conclusion:

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Remerciements

Laboratoire de micro et nano systèmes• Yves-Alain Peter et tous les membres qui m’ont aidé et supporté au

cours de cette maîtrise

Laboratoire de fibre optique• Pour leurs nombreux conseils et leur aide essentiel sans lesquels

ce projet n’aurait jamais été possible

Laboratoire de microfabrication (LMF)• À tout le personnel pour leur contribution majeure au

développement du procédé de microfabrication

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Théorie des microcavités circulaires

Modes de galeries (WGM):

• Système de modes décrit par deux nombres quantiques: • m : l’ordre azimutal• l : l’ordre radial

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Questions ?

30

Questions ?

31

Questions ?

32

Filtres spectraux à base de microcavités

Filtres multicavités à résonances non-périodiques

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Contrôle de l’émission spectrale d’un laser à fibre optique

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Questions ?

1528.5 1529 1529.5 1530 1530.5 1531 1531.5 1532 1532.5 1533-50

-40

-30

-20

-10

0

Wavelength (nm)

Filt

ere

d o

ptic

al p

ow

er

(dB

m)

1528.5 1529 1529.5 1530 1530.5 1531 1531.5 1532 1532.5 1533-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

Fib

er

lase

r e

mis

ion

(d

Bm

)

2 = 1530.92 nm

1 = 1530.64 nm

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Questions ?

1528 1528.5 1529 1529.5 1530 1530.5 1531 1531.5 1532 1532.5 1533-70

-60

-50

-40

-30

-20

Wavelength (nm)

Filt

ere

d o

ptic

al p

ow

er

(dB

m)

1528 1528.5 1529 1529.5 1530 1530.5 1531 1531.5 1532 1532.5 1533-80

-70

-60

-50

-40

La

ser

em

issi

on

po

we

r (d

Bm

)

36

Questions ?

1524 1526 1528 1530 1532 1534 1536-70

-65

-60

-55

-50

-45

Longueur d'onde (nm)

Pu

iss

an

ce

d'é

mis

sio

n la

se

r (d

Bm

)

1524 1526 1528 1530 1532 1534 1536-25

-20

-15

-10

-5

Sp

ec

tre

de

tra

ns

mis

sio

n d

u f

iltre

(d

B)

37

Questions ?

38

Guide d’onde de cavités couplées

Autres travaux:

• Ce nouveau type de guide d’onde a déjà été démontré en utilisant différents types de microcavités:• Cristaux photoniques (Olivier et al., 2001)• Microanneaux de silicium (Xia et al., 2006)• Microdisques de GaInAsP (Nakagawa et al.,2005)

• Dans tout les cas, le facteur de qualité intrinsèque des microcavités est insuffisant pour générer des lignes à délai avec de bonnes performances;

• Les facteurs de qualité extrêmement élevés des microcavités (microtoroïdes) de silice pourraient fournir le facteur de qualité nécessaire pour cette application. (Armani et al., 2003, Poon et al., 2004)

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Guide d’onde de cavités couplées

Fabrication:

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Vitesse de propagation:

Guide d’onde de cavités couplées

• La vitesse de propagation est contrôlée par le couplage entre les cavités;• Le couplage est fonction de l’écart entre les cavités; • Plus le gap est grand, plus le couplage est faible et plus la vitesse de groupe

diminue.

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Guide d’onde de cavités couplées

2 méthodes de validation des résultats:

nm07.0

Rn

c

eff

intQ

mc

0265.0

Estimation du couplage à partir de la largeur à mi-hauteur:

Estimation du facteur de qualité intrinsèque des cavités à partir des pertes:

4int 1056.1 Q

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Guide d’onde de cavités couplées

Résultats des mesures de transmission:

0265.0

4int 1056.1 Q

psc

RNneff 5.127

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Caractérisation temporelle du guide d’onde:• Interfrange vs. gap

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Guide d’onde de cavités couplées

Caractérisation temporelle du guide d’onde:

• Mesures d’interfranges pour différentes positions des collimateurs;

• Mesures répétées pour deux longueurs de guide différentes;

• Fit avec la courbe théorique;• L’écart entre les deux

courbes décrit la différence de délai entre les deux longueurs;

• Délai pour deux cavités de 57.4ps.

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Guide d’onde de cavités couplées

Caractérisation temporelle du guide d’onde:

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Caractérisation temporelle du guide d’onde:

Résultats limités par:

•Pertes élevées•Largeur de bande trop petite

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• Augmentation de Qint:

• Gravure optimisée davantage;• Refonte des microcavités.

• Réduire l’écart entre les microcavités:• Lithographie par faisceau d’électrons;• Photolithographie UV lointain.

Continuité du projet:

Improve quality factor

Melt Cavities with CO2 laser

C2)

49

Questions ?