intégration optique technologies et fonctions pour les
Post on 23-Jun-2022
1 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Intégration OptiqueTechnologies et fonctions pour
les télécommunications
Michel Gadonna
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 2222
Optique intégrée Ensemble de fonctions optiques sur un même substrat
Introduction
� Réduction des coûts de fabrication� Réduction des coûts d’exploitation� Augmentation des fonctionnalités optiques et électroniques
� Utilisation du photon au lieu de l’électron� Fréquence optique : 200THz : large bande passante� Les débits des services : 10 Mbit/s, 100 Mbits, …� Accroissement du volume et de la vitesse de traitement� Vitesse de transmission des interconnexions� La limite de l’électronique est 20 GHz
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 3333
� Guides ondes optiques� Différentes fonctions:
� Couplage, connexions
� Division, concentration
� Multiplexage, démultiplexage
� filtrage
Substrat: Si
Couche d'isolement: SiO2
Couche de recouvrement: SiO2
coeur: SiO2dopé Ge
Indices à 1,55 µmnon-dopé : 1,448
dopé : 1,457
Largeur typiquecoeur : 7 µm
Epaisseursisolement : 7 µmcoeur : 6 µmrecouvrement : 7 µm
Introduction
� Composants actifs:Emetteurs, récepteurs� Composants activables: electro-optique, acousto-optique, thermo-
optique, non-linéaire � Fonctions : commutateurs, atténuateurs variables, fonctions reconfigurables
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 4444
� Réflexion totale interne: angles θ < θθθθc = arccos (n2/n1)
� Onde plane transverse λ=λ0 / n1 avec un nombre d ’onde n1 k0
� Vecteur d’ ondes : kx =0, ky = n1 k0 sin(θ) , kz = n1 k0 cos(θ)� Indice effectif : neff= kz / k0
Guides planaires
� RRRRééééflexion totale interneflexion totale interneflexion totale interneflexion totale internerecouvrementrecouvrementrecouvrementrecouvrement
coeurcoeurcoeurcoeur
IsolementIsolementIsolementIsolement
d
z
y
x
n1
n2
θ
n2
Δn= n1- n2 / n2
� Mode TE : le champ E est dirigé suivant x (Ey = 0)
� Mode TM : le champ H est dirigé suivant x (Hy = 0)
(substrat)(substrat)(substrat)(substrat)
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 5555
Analyse et modélisation� Equation de propagation (mode TE)
� Solution harmonique dans le guide et exponentielle décroissante à l’extérieur
−<−γ>−γ−
<<−ϕ+== β−
2/dy))2/dy(exp(B
2/dy))2/dy(exp(B
2/dy2/d)ykcos(A
)y(ae)y(a)z,y(Ey
zjx
� Constante de propagation β = kz =k0 neff
� γ : coefficient de décroissance à l’extérieur du coeur
0E)zy
( 22
2
2
2
=εµω+∂∂+
∂∂
� u = k0 (d/2) (n12- neff2 )1/2 = ky (d/2)
� v = k0 (d/2) (neff2- n22 )1/2 = γ (d/2)
� Fréquence normalisée : V = k0 (d/2) (n12- n2
2 )1/2
⇒u2 + v2 = V2
� Résolution graphique
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 6666
0
1
2
3
4
5
6
0 1 2 3 4 5 6u
v
m=0m=1
m=2
m=3
Guides planairesGuides planairesGuides planairesGuides planaires
TE : v=Arctan [( (V2-u2) /u2 )1/2]+ m π/2TM: v=Arctan [(n1/ n2 )( (V2-u2 )/u2 )1/2]+ m π/2
� Fréquence de coupure de mode
� V= m π/2 : disparition d’un mode
� Monomode si V < π/2
Mode TE (EH01) Mode TM(HE01)
m=0 m=1 m=2
n2
1
n2d
1
0
∆λ<
Modes pairs ϕ = 0
m= 0,2,4,
Modes impairs ϕ = = π/2m= 1,3,5,
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 7777
Guide Planaire
� Equation de propagation nous donne
20
22
2220
222y knetknk
1=β+γ−=β+
� Courbes de dispersion� Relation entre β ( kz ou neff) et ω ( k0)
� Basse fréquence -v et γ =0 donc
� β= n2 k0= n2 ω/c - faible confinement
� Haute fréquence - V →∞ et γ →∞� β= n1 k0= n1 ω/c - fort confinement ωωωω
ββββnnnn2222 ωωωω/c
nnnn1111 ωωωω/c
� Confinement : rapport de la puissance dans le cœur sur la puissance totale
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 8888
Guide Canal (3D)
� Méthode de l ’indice effectif (Marcatili):Guide 2D
� 3 domaines verticaux ⇒ stucture planaire infinie
nnnng1g1g1g1 nnnng1g1g1g1 nnnng1g1g1g1
nnnng2g2g2g2 nnnng2g2g2g2nnnncccc
nnnng3g3g3g3nnnng3g3g3g3nnnng3g3g3g3
nnnnceffceffceffceff nnnngeffgeffgeffgeffnnnngeffgeffgeffgeff nnnngggg nnnncccc dddd
� nouvelle structure verticale de guide plan� Calcul de l ’indice effectif du mode
� Calcul numérique: Beam propagating method (BPM)Méthodes des éléments finis 2 ou 3D
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 9999
Guide canal
1
2
3
4
5
6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Largeur du guide (en µm)
Ray
on d
e m
ode
(en
µm
)Dn = 4.10-3
Dn = 7.10-3
Dn = 11.10-3
Dn = 15.10-3
Dn = 19.10-3
Dn = 4.10-2
Domaine multimode
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 10101010
Guide canalGuide canalGuide canalGuide canal
Sensibilité à la courbure en fonction de ∆∆∆∆n� Pertes par radiation dans la partie courbe
� Ac= c1 Exp (- c2 R)
� Perturbation � Guide d ’onde droit équivalent R2a
R a-a Xc
n
neffR
xn2)x(n)x(n 2
eff22
eq ⋅⋅+=
0,01
0,1
1
0,1 1 10
différence d'indice %
Att
énua
tion
dB/c
m
0,01
0,1
1
10
100
rayo
n co
urbu
re m
in m
m
(0,1
dB
)
� Rayon courbure min ⇒⇒⇒⇒ rayon pour Ac= 0,1 dB/cm
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 11111111
� ∆∆∆∆n fort� Mode est confiné dans le coeur-
⇒ Faibles pertes par courbures –
� Dimensions du guide sont réduites
⇒ forte densité d’intégration
Guide canalGuide canalGuide canalGuide canal
� ∆∆∆∆n faible � Le mode s’étend dans la gaine
⇒pertes par courbures fortes� Dimensions du guide plus grandes
⇒ Faible densité d’intégration
� Pertes linéiques : absorption du matériau, diffusion, rugosité du canal
� Confinement : différence d’indice, dimensions
� Rayon de courbure : différence d’indice, dimensions� Biréfringence : matériaux, dimensions du guide, contraintes
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 12121212
Guide Canal
∆n = 0,75%27 x 27 mm
� AWG 16 canaux 100GHz (NTT)
∆n = 1,5%15 x 15 mm
∆n = 25%5 x 7 mm
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 13131313
TechnologiesTechnologiesTechnologiesTechnologies
� Dépôt de couches
Substrat en silicium
Couche d’isolement
Couche de coeur
résine
masque
Eclairement UVEclairement UVEclairement UVEclairement UV� Gravure du motif
Substrat en silicium
Couche d’isolation
Couche de coeur
résine
résineSubstrat en silicium
Couche d’isolation
Couche de coeur
résine� Couche de recouvrement
Substrat en silicium
Couche d’isolation
Couche de coeur
Couche de recouvrement
� Réalisation du guide� Photolithographie et gravure
� Photo-inscription directe
� Formage
� MMMMééééthodes de dthodes de dthodes de dthodes de déééépôt :pôt :pôt :pôt :� Echange Ionique, Diffusion� Hydrolyse à la flamme� Dépôts en phase vapeur� Dépôts par étalement ou par
trempage
Fabrication de guides d’ondes optiques canaux
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 14141414
Echange d ’ions-diffusionAg+/ Na+ � Guide circulaire enterré
� Flame Hydrolysis Deposition : FHDDépôt par hydrolyse à la flamme
Substrat (Si)Substrat (Si)Substrat (Si)Substrat (Si)
MatMatMatMatéééériau vaporisriau vaporisriau vaporisriau vaporiséééé(SiCl4, GeCl4) (SiCl4, GeCl4) (SiCl4, GeCl4) (SiCl4, GeCl4)
O2, O2, O2, O2, H2H2H2H2
ChalumeauChalumeauChalumeauChalumeau
Plateau Plateau Plateau Plateau tournanttournanttournanttournant
Mouvement chalumeauMouvement chalumeauMouvement chalumeauMouvement chalumeauEquipement FHD (Alcatel)
Guide Guide Guide Guide diffusdiffusdiffusdiffuséééé
verreverreverreverre
Solution ioniqueSolution ioniqueSolution ioniqueSolution ionique
masquemasquemasquemasque
Etape 1 :Etape 1 :Etape 1 :Etape 1 :
Guide Guide Guide Guide enterrenterrenterrenterréééé
verreverreverreverre
Solution ioniqueSolution ioniqueSolution ioniqueSolution ionique
Etape 2 :Etape 2 :Etape 2 :Etape 2 :
Champ Champ Champ Champ éééélectrique lectrique lectrique lectrique
DCDCDCDC Teem Photonics
TechnologiesTechnologiesTechnologiesTechnologies
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 15151515
Technologies
� chemical vapor deposition
� CVD : qques dizaines nm / min
� PECVD :Plasma Enhanced CVD
� Fréquence RF : 13,56 MHz� qques dizaines nm / min
� ICP-PECVD : Inductive CoupledPlasma – PECVD
� Fréquence RF : 2,45 GHz� qques centaines nm / min
PlasmaPlasmaPlasmaPlasmaRFRFRFRF
substratsubstratsubstratsubstrat
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 16161616
� Dépôt à la tournette –spin-coatingFormation d’un film mince sur un plateau qui tourne à vitesse élevée
� Dépôt par trempage ou dipcoatingFormation d’un film par immersion dans une solution puis émersion et évaporation du solvant
� Polymères, Sol-gels
TechnologiesTechnologiesTechnologiesTechnologies
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 17171717
� Photolithographie
Insolation UVInsolation UVInsolation UVInsolation UValignementalignementalignementalignement
RRRRéééésinesinesinesine
RRRRéééésine positivesine positivesine positivesine positiveRRRRéééésine nsine nsine nsine néééégativegativegativegative
Lampe UVLampe UVLampe UVLampe UV
MasqueMasqueMasqueMasque
RRRRéééésinesinesinesinesubstratsubstratsubstratsubstrat
� Contact ou ProximitContact ou ProximitContact ou ProximitContact ou Proximitéééé � Par projectionPar projectionPar projectionPar projection
TechnologiesTechnologiesTechnologiesTechnologies
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 18181818
� Gravure : Réaliser un profil géométrique
� Paramètres de gravure:� Anisotropie en fonction de l ’orientation, de la maille cristalline
� Sélectivité par rapport aux matériaux
� Qualité des flans de gravures : pertes et biréfringence
� Deux technologies de gravures: � Gravure humide-
� Réaction de dissolution
� Gravure Physico-chimique (sèche)–
� gravure ionique réactive ( RIE)
TechnologiesTechnologiesTechnologiesTechnologies
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 19191919
Gravure Sèche
� RIE : Reactive Ion Etching
� Anisotropie de gravure
� vitesse de gravure 1500 Angstrom/min
� Nécessité de contrôler la profondeur gravée
� Les gaz dépendent des matériaux à graver
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 20202020
Photo-inscription directe
� Photo-sensibilité -UV� Matériau photosensible- variation d ’indice par éclairement UV � Silice dopée GeO2 et hydrogénée- polymères � éclairement par masque en contatc ou par projection� inscription par faisceau collimaté mobile
� Laser� Inscription par faisceau laser femtoseconde� variation d ’indice ou le faisceau est focalisé� possibilité de réaliser des circuits en trois dimensions
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 21212121
� Formage :
� Adapté aux polymères
� Gravure du négatif du motif dansune matrice
� Procédé de réalisation de la matrice peut êtrecomplexe (Faisceaux d’électrons)
� Moulage � Etalement du matériau sur la
matrice� Solidification : Evaporation du
solvant, thermique, insolation� Démoulage
� Impression (nano-impression)� Etalement d’un matériau sur un
substrat� Impression d’un motif par pression� Démoulage
Problème de la qualité des faces au démoulage
TechnologiesTechnologiesTechnologiesTechnologies
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 22222222
� rayons des modes : ωωωω0, ωωωω1
� Ko : couplage max (indices)
-réflexions Fresnel
� Θ : défaut d ’angle ,
� X : écart transversal
� ωωωω0= ωωωω1
-1 µm : 0,25 dB-1 degré : 0,3 dB
Tolérances de positionnement
-12
-8
-4
0
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
défaut perpendiculaire à l'axe optique (µm)pe
rtes
(dB
)
guide 1µm-fibre 8,5µm
Guide 8,5 µm-fibre 8,5µm
guide 4 µm-fibre 8,5µm
η κω ω
π θ ω ωλ ω ω0 0
2
12
02
2 212
02
212
02
2 2= −+
−+
exp(( ) ( )
)x
Couplage Guide/FibreCouplage Guide/FibreCouplage Guide/FibreCouplage Guide/Fibre
�ωωωω0 0 0 0 #### ωωωω1111 adaptation des modes : lentilles, taper guide aminci ou élargi
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 23232323
Alignement actif : optimisation de l’alignement par mesure du flux transmis
XXXXZZZZ
YYYY
Alignement Passif :Gravure en vé ou en U� butées mécaniques pour aligner les deux guides� Difficulté reportée au niveau de la fabrication du circuit
Couplage Guide/FibreCouplage Guide/FibreCouplage Guide/FibreCouplage Guide/Fibre
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 24242424
Fonctions
� Configurations de guides
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 5 6 5 6 5 6
� 1 : guide droit� 2 : Courbe en S� 3 : Branche en Y� 4 : Mach -Zehnder� 5 : Coupleur directionnel� 6 : Intersection
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 25252525
Fonctions Coupleur Y
� Indépendant de la longueur d ’onde
� Pertes par radiation importante (3 dB) ⇒ angle très petit
� ∆n = 0,5% ⇒ longueur 10 mm environ
( )( )
−+⋅⋅
−+
⋅=
225,0
3exp1
1
cladeffbeffa
effbeffa
nnn
nnPinPa
α
Pin
Pb
Panclad
� Coupleur 1 X 8 (Asahi Glass)
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 26262626
P2
P1Po
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )[ ]2122
2
2
122
2
11
2/C
zsinC
0PzP;zsinC
10PzP
β∆+=γ
γ
γ=
γ
γ−=
Fonctions Coupleur directionnel
� Coefficient de couplage C fonctionCoefficient de couplage C fonctionCoefficient de couplage C fonctionCoefficient de couplage C fonction� la distance entre guides� Des indices des guides et du
milieu
� Longueur de couplage : LC= π/2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 2 4 6 8 10LC
Cou
plag
e
P1P2
4 µm
7,5 µm
7,5
µm
� Exemple: ncoeur=1,449, nclad = 1, 444
⇒Longueur coupleur 50/50 = 2 mm
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 27272727
MZI : Mach-Zehnder� Structure interférométrique� Différence de temps de propagation
dans les deux branches:� constantes de propagation� longueur des guides
� Coupleurs directionnels achromatiques
� Multiplexeurs/démultiplexeurs� Plusieurs MZ en série –Interleaver
� Multiplexeur Add-Drop -en association avec des réseaux de Bragg
� Commutateur -Activation thermo-optique ou electro-optique
P1P1P1P1
f1111 f2222
2222q====D((((bL ))))PinPinPinPin
P2P2P2P2
( ) ( )2122
2122
in
2 sinsinsincosP
P φ−φ⋅θ+φ+φ⋅θ=
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
1,54 1,542 1,544 1,546 1,548 1,55
longueur d'onde (µm)
Fonctions MZI
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 28282828
Fonctions Fonctions Fonctions Fonctions MZI
Add-drop 32 canaux (NTT Photonics Labs)
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 29292929
MMI : MultiMode Interférences
� Un guide monomode d ’entrée
� une section de guide multimode
� N guides monomodes de sortie
� Interférences des modes en sortie
� Forte sensibilité à la longueur d ’onde
� Pertes en excès plus faible que pour la structure en Y
zj
pppMMI
pe)y,x(Ec)z,y,x(E β−∑=
Fonctions MMI
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 30303030
Fonctions AWG
AWG : Arrayed Waveguide Grating
Guide d ’entrée Guide de sortie
l 1111
Réseau de guides
Coupleurs en étoile
Diffraction Focalisationλλλλ1λλλλ2
λλλλ2
λλλλ3
λλλλ3
m λλλλk = ns d ( sin ααααin + sin ααααout ) + ng ∆∆∆∆Lg
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 31313131
� Multiplexage de grands nombres de canaux : 40, 80, …, 256
� faible distance entre canaux : 200 Ghz, 100 GHz, 50 GHz, 25 GHz
� faible pertes pour un grand nombres de canaux: 5 à10 dB (fibre à fibre)
� Pertes varient faiblement avec le nombre de canaux
Fonctions AWG
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 32323232
� Cavités résonantes:
� miroirs ⇔ taux de couplage guide/cavité
� longueur de cavité : intervalle spectral libre
� ISL fort : Longueur faible
couplagedetcoefficien:K
;rn2
1
2
K2
rn2
1
rn2
C)f(ISL
e
2
20
e2
e
0
⋅⋅π⋅
π⋅=
λδλ
⋅⋅π=
λλ∆
⋅⋅π=
Fonctions Micro-résonateurs
Micro-anneaux PMMA/PMATRIFE (CCLO)
in out
drop add
IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 33333333
E1 0( )E2 0( )
E LB1( )E LB2( )
•Variations périodiques de l ’indice
Λ=λ effB n2nc
0 LB
Indice de cœur
ΛΛΛΛ
Fonctions Réseaux de Bragg
� Photo-inscription
Masque de phase
Guide optique dopéGe
Faisceau UV - 244 nm
ordre -1 ordre +1
� Gravure
• Λ période du réseau• neff indice effectif
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 34343434
Fonctions Réseaux de Bragg
MIE : Multiplexeur Insertion Extraction (Add-drop)
Structure Mach-Zehnder Structure coupleur et MMi
Réseau de BraggΣλ
Σλ - λB drop+ λB add
λB add
λBdro
Σλ
λB drop
Σλ - λB drop+ λB add
λB add
DC-OADM
MZI-OADM
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 35353535
Fonctions Activation
� Thermo-optique :
� variation d ’indice contrôlé par la température
� Polymère dn/dT : 4 10-4 / silice : 10-5
� Energie importante (SiO2 100mW/ circuit)- Vitesse lente : quelques ms
� Activation d’une fonction par effet thermique, electro-optique� Dépôt d’électrodes pour activation
� Applications : commutateur, VOA, Filtres accordables, …
� Electro-optique :Effet Pockels
� LiNbO3 (r:30 pm / V) – 40 GHz� Polymères (r:200 pm / V) – 100GHz
EnrnEn ⋅⋅⋅−= 3)2/1()(
Lrn
dV
3 ⋅⋅⋅λ=π
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 36363636
� Commutateur 8X8 NTT� Perte : < 8 dB
� Taux d ’extinction : > 40 dB
� uniformité : < 2 dB
� Vitesse : < 3 ms
� consommation < 8 W
� Tension : 24 Volts
Optique intégrée - Dispositifs Thermo-Optique
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 37373737
Matériaux
� Critère d’atténuation� Absorption du matériau� Les différences d’indices possibles à obtenir
� Critère de fabrication des guides� Technologies adaptées : diffusion ionique, dépôt et gravure, photo-
inscription directe� Techniques de dépôt et de gravure (Rugosité des flans du guide)� Caractéristiques physiques et chimiques des matériaux Dilatation thermique différente ⇒contraintes ⇒pertes et biréfringence
� Les fonctions réalisables� Caractéristiques thermo-optiques, électro-optiques, effet Kerr� Biréfringence� Bande passante optique
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 38383838
MatMatMatMatéééériauxriauxriauxriaux
Electro-optique
Thermo-optique
Non-linéarité
Electro-optique
Émission
détection
Electro-optique
Acousto-optique
Bon marché
Souplesse de fabrication
Coût faible
Dopage terre rares
Propriétés
Etalement
Moulage
Epitaxie
Echange ionique,
protonique
CVD, FHD
Oxydation thermique
Sol-Gel
Echange ionique
Technologies
Grande souplesse
Propriétés diverses
Forte densitéd’intégration
Contrôle de la propagation
Technologie microélectronique
Souple
Faibles pertes
Fabrication facile et de faible coût
Avantages
Commutateurs
Modulateurs
Passives
Polymères
Sources, détecteurs, modulateurs, amplificateurs
III-V
Commutateurs, modulateurs
Niobate de Lithium
Passives
Commutateur thermo-optiques
SiO2/Si
Passives
amplificateurs
Verres
FonctionsMatériau
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 39393939
Matériau Pertes dB/cm
Perte de couplage
dB
n ∆n max %
Biréfringence
Coefficient thermo-
optique /°
Fréquence modulation
Max Silice 0,1 0,5 1,44
1,47 1,5 10-4
10-2 10-5 1 kHz
(TO) Silicium
(SOI) 0,1 1 3,4757 70 10-4
10-2 1,8x10-4 1 kHz
(TO) SiOxNy 0,1 1 1,45
1,9905 30 10-3
10-6 10-5 1 kHz
(TO) Polymeres 0,1 0,5 1,3-
1,7 35 10-6
10-2 -1x10-4
–4x10-4 > 100 GHz
(EO) Niobate de
lithium 0,5 2 2,2125 0,5 10-2
10-1 10-5
40 GHz
(EO) InP 3 10 3,1 3, 200 10-3
0,8x10-4
40 GHz
(EO) GaAs 0,5 2 3,3737 14, 200 10-3
2,5x10-4
20 GHz
(EO)
Matériaux
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 40404040
MIT Microphotonics
Vers lVers lVers lVers l’’’’intintintintéééégration de fonctions optiquesgration de fonctions optiquesgration de fonctions optiquesgration de fonctions optiques
� Assemblage de fonctions individuelles� Plusieurs Fonctions assemblées par soudure
ou assemblage de circuits
� Travail d’assemblage intense
� Technologie établie
� Hybridation de fonctions sur une plateforme� Fonctions différentes technologies
� Report sur une plateforme
� Technologie d’assemblage plus complexe
� Packaging simple
� Intégration monolithique� Une technologie pour toutes les fonctions
� Technologie très complexe
� Packaging très simple
� Coût minimal pour une production suffisante
NTT technical Review
Dupont Photonics
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 41414141
Hybridation
� Principe� Report de composants actifs et passifs sur une plate-forme
� Différentes technologies pour différentes fonctions
� Nécessité de combiner différents matériaux ⇒ technologie hybride
� Gravure des cavités pour le positionnement des composants rapportés
� Réalisation de butées mécaniques pour alignement des axes optiques
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 42424242
Hybridation
� Composants actifs Composants actifs Composants actifs Composants actifs ---- interconnexion interconnexion interconnexion interconnexion éééélectriquelectriquelectriquelectrique
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 43434343
Hybridation Hybridation Hybridation Hybridation
Silice, silicium, polymèresCompensateurs dispersion
LiNbO3, InP/GaAsConvertisseurs longueurs d’ondes
GrenatsIsolateurs, circulateurs
PolymèresComposants accordables
Silice, SiONMultiplexage
LiNbO3Contrôleurs de polarisation
LiNbO3, InPmodulateurs
Silice, PolymèresConnexion fibre
Polymères, LiNbO3Compensateurs PMD
InGaAsDétecteurs
Silice dopée, InP/GaAsAmplificateur
InP/GaAsLaser
Système matériau + performantFonction optique
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 44444444
HybridationHybridationHybridationHybridation
SiliciumSiliciumSiliciumSilicium
InPInPInPInP////GaAsGaAsGaAsGaAs
AutresAutresAutresAutres
� Transponder 10 Gbit/s
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 45454545
HybridationHybridationHybridationHybridation
� Plate-forme SI� Technologie C-mos� Différence d’indice élevé� Forte densité
� Plate-forme Polymère � Technologie légère� Activité electro-optique forte
(modulateurs, commutateurs)� Fiabilité ?
Dupont Photonics
Intel
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 46464646
IntIntIntIntéééégration monolithiquegration monolithiquegration monolithiquegration monolithique
� Si� Technologie C-mos – compatible électronique� Sources? (nano-cristaux- effet Raman)� Activité electro-optique faible� Nécessité d’utiliser des matériaux différents
� Ge (émetteurs, récepteurs)� Electro-actifs ( Titanate de barium,)
� Intel, Bookham
� III-V : GaN, GaAs, InP, Al� Développement fonctions actives� Fonctions passives : modulateurs, atténuateurs,
multiplexeurs� A développer : filtres, isolateurs� Connexion fibres � Moyens technologiques moins développés que Si
NTT
Analog Device
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 47474747
IntIntIntIntéééégration monolithique gration monolithique gration monolithique gration monolithique –––– IIIIIIIIIIII----VVVV
� Domaines actifs et passifs
� Inscription d’un réseau
� Surcroissance InP/GaAs
� Gravure guide
� Passivation, implantation
� Métallisation (contacts)
Transmetteur 100 Gbit/s sur un substrat monomithique
Infinera
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 48484848
IntIntIntIntéééégration monolithique gration monolithique gration monolithique gration monolithique –––– IIIIIIIIIIII----VVVV
Brasseur 4 canaux par assemblageBrasseur 4 canaux par assemblageBrasseur 4 canaux par assemblageBrasseur 4 canaux par assemblage
Brasseur 4 canaux IntBrasseur 4 canaux IntBrasseur 4 canaux IntBrasseur 4 canaux Intéééégration gration gration gration InPInPInPInP
Threefive Photonics BV
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 49494949
IntIntIntIntéééégration monolithique gration monolithique gration monolithique gration monolithique –––– Cristaux photoniquesCristaux photoniquesCristaux photoniquesCristaux photoniques
� Structure périodique de matériaux diélectriques� Bande photonique interdite (BIPs)
� défaut ⇒ mode optique dans la bande interdite
CavitCavitCavitCavitéééés : rs : rs : rs : réééésonateurs, sonateurs, sonateurs, sonateurs, lasers, filtres..lasers, filtres..lasers, filtres..lasers, filtres..
Lignes : guides dLignes : guides dLignes : guides dLignes : guides d’’’’ondesondesondesondes
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 50505050
IntIntIntIntéééégration monolithique gration monolithique gration monolithique gration monolithique –––– Cristaux photoniquesCristaux photoniquesCristaux photoniquesCristaux photoniques
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 51515151
ConclusionConclusionConclusionConclusion
20 000200202(103)Composants / semaine
109107106105Interconnexions
1012101110111012Largeur de bande future
109101010111012Largeur de bande actuelle
ProcesseursRéseau localMetropolitainLongue distance
MIT
JPOM 2006 IntIntIntIntéééégration optiquegration optiquegration optiquegration optique 52525252
Conclusion Conclusion Conclusion Conclusion
� Hybridation circuits optiques/ electroniques : Silicium /polymères� Intégration monolithique fonctions optiques: Si ou III-V� Intégration optique / électronique� Applications pour l’intégration : FTTH, traitement de données et
interconnexion
Micro -
Micro -
top related