laboratoire de physique de la matière condensée jnog 2004, paris, schwoob et al. 1 proposition et...

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

PROPOSITION ET VALIDATION OPTIQUE D'UN DEMULTIPLEXEUR

"TOUT-CRISTAUX-PHOTONIQUES" SUR InP EXPLOITANT LE GUIDAGE MULTIMODE

Emilie Schwoob1,2Henri Benisty1,2,

Claude Weisbuch, Lucio Martinelli1,2,

Helmut Heidrich3, Klemens Janiak3, Sebastian Golka3,

G.-H. Duan4, O. Drisse4, F. Pommereau4

Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

1 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, UMR 7643, Ecole Polytechnique, Palaiseau2 Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique, UMR 8501, bât 503, Orsay

4Heinrich Hertz Institut/Fraunhofer G., Einsteinufer 38, Berlin, Germany4Alcatel-CIT/opto+, 91 Marcoussis

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

1) Dispositifs sélectifsphénomènes sélectifs dans les guides en cristaux photoniques

3) Modélisation et perspectives C-WDM / WDM

2) Concept de démux/moniteur et premiers résultats

• Optique/Optique• Photocourant

P l a n

E. Schwoob-Viasnoff à HHI

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

à la "phasar" (Smit)

à la MIT(Fan)

à la Noda (bientôt in-plane ?)

à la Rowland/März/..

Cristaux photoniques

micro-rings

à la Little (LittleOptics Ltd)

… et à la "multimode" de chez nous(NB : pas MMI)

Dispositifs sélectifs

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

bande interdite

photonique

a?

ky

0 /a

ky

mini-Bande Interdite

couplage contrapropagatif par diffraction de BRAGG

Guide multimode

Le guide à cristal photonique

yx

ak y

2

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

Bande diélectrique

Bande de l'air

yx

51

Dielectric BandBande diélectrique

ky

Hz(x,y)

Guide W3

5

La mini Bande Interditediffraction de Bragg entre 2 modes d'ordre différents

2 3

4

6

ak y

2

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

0

0

00

mode fondamental

mode 5

Expérience et Simulations Théorie des Modes CouplésApport de la thèse de S. Olivier (2002)

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

w

Démultiplexeur de longueur d'onde intégré

Can

al

n-1

brevet CNRS 2003

u0

Can

al

n

Can

al

1

3

région avec m-BI à 3

5région avec m-BI à 5

ky

u

u0

{w

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

comportement réseau comportement Fabry-Pérot

1, ... n

1, ... n

sauf j

j

1, ... n

1 n

Avantage par rapport à un guide simple périodique

toutes les sont extraites

a

a

extraction sélective de j grâce à la résonance interne préalable

Efficacité de

diffraction

j1... n

Où est l'originalité physique?

Efficacité de

diffraction

j

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

Méthode de la source interne : schéma de principe

3 puits quantiques

Démultiplexeur : mesures optiques

Collaboration et

Fabrication :HHI, OPTO+

Bord clivé

Bord clivé

Configuration de mesure d'un démultiplexeur intégré :

300a = 75µm

3,2 m

240nm

ICP-RIE (Alcatel)

CAIBE (HHI)

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W3 W5

Q = 330= 5nm@ = 1580nm

Q = 400= 4nm@ = 1600nm

WDM=0,8nmC-WDM =20nm

Démultiplexeur de longueur d'onde intégré : mesures optiques

collaboration avec Alcatel-OPTO+ collaboration avec HHI, Berlin

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

Collaboration avec HHICollaboration avec HHI

CPPhotodiode20x40 µmPlot de contact

Ca

na

l 3

Ca

na

l 4

Ca

na

l 1

guide en cristal photonique

Puis, intégration du dispositif avec des photodiodes InGaAs

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

Premiers résultats

Démultiplexeur de longueurs d'ondes intégré :un pas vers le composant tout intégré

Qmax=30

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

=-15dB, =10nm, 6 canaux, fraction collectée <5%, L<100µm

=-3dB

Simulations : rôle de

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée Conclusion

• Compact : Résonance dans le guide lui-même (largeur =1.2 µm)

• Tolérant aux fautes : Diffusion cohérente par une cinquantaine de trous

• Dosable : quantité extraite :de 10% (0.5dB) à ~ 100 %

• Compatibilité ? C-WDM ? WDM et DWDM

• Compréhension des résultats optique/électrique

• Suite dans le projet européen STREP "FUNFOX" 2004-2007 (dont font partie CNRS-IOTA, HHI et Alcatel)

• Compréhension des résultats optique/électrique

• Suite dans le projet européen STREP "FUNFOX" 2004-2007 (dont font partie CNRS-IOTA, HHI et Alcatel)

Démultiplexeur / "moniteur de longueur d'onde"

Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

vide

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

1 D

Dimension

Structure Directions interdites

Directionnel

2 DFaisable(Lithographie standard + gravure)

3 D

• Omnidirectionnel • difficile à fabriquer !!

Principe des cristaux photoniques: 2D, 3D

0

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière CondenséeLes bandes interdites à 2D : "2D + 1D"

Pas de COLLIMATION ! Pas de cascadabilité de composants

approche "substrat" (GaAs ou InP)

approche "membrane" (air)

2 D+1D • Confinement vertical Réflexion Totale Interne

• Confinement horizontal cristal photonique

• Faisable

RTI

composants actifs

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

Autour de a =0,25, à =1,55 µm, a=390nm, diamètre des trous = env. 200 nm

Autour de a =0,25, à =1,55 µm, a=390nm, diamètre des trous = env. 200 nm

K

M

réseau réel réseau réciproque

Réseau de trous d'air (gap "TE", H // z)

f =35%a

0,4

0,3

0,2

0,1

0

u=a

/

f=30%neff

2 = 11,3

0,4

0,3

0,2

0,1

0

u=a

/

f=30%, milieu neff2 = 11,3

0,4

0,3

0,2

0,1

00 0,3 0,6

Fraction d'air

Bande interdite TE

Bande interdite TM

Bande interdite TE

2D: réseau triangulaire de trous

K

M

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

Modèle 2D

couplage si kyguidé < ky

air ou substrat

substrat

air

Pertes hors du planpertes vers l’air et vers le substrat

aucune perte

pertes vers le substrat

kykyaky

kya

=kyc

=kyc/n1

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

GaInAsP couche guidante

CAIBE (KTH)

2 µm

Etat de l'art de la gravure sur InP/GaInAsP/InP :

3,2 m

240nm

ICP-RIE (Alcatel)

2 µm

ECR-RIE (Würzburg)

CAIBE (HHI)

Fabrication des cristaux photoniques sur InP

Profond ( >3µm) Droit (<0,5°) sur plus de 2 µm Diamètre contrôlé (f=30-40%)

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Méthode de la source interne (pas de guide d'accès) :

1 ou 2 puits quantiques (ou BQs)

Caractérisation des cristaux photoniques

Méthode "end-fire" (avec guide d'accès) :

Adapté à des dispositifs réels, à faibles pertes

Laser accordable1,48µm-1,58µm

vers collection

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Réseau localDistances < 50 kmsDébit ~ N x 10Gb/s

Multiplexage WDM

30entre 1530-1560 nm=0,8 nm (=100 GHz)

Multiplexage C-WDM

18 entre 1270-1610 nm=20 nm (=2000 GHz)

Ampli SCsources stabilisées

en

contrôleur de polarisation -mux demux convertisseur

de

Chaîne de transmission et de traitement des données optiques

Émetteur Récepteur

Applications visées : circuits intégrés optiques

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ng élevé

vg faible

g 1/vg∞a

Ralentissement de vg : influence sur le gain

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Montage à 2 faisceaux: 1 faisceau pompe et 1 faisceau sonde

Z

X

(

Faisceau sonde (3µm x 3µm)

d

I2())I1

PL latérale

InAsBQs

ou PQs

TcristalRef

PL frontale

d

Isonde() Ipompe() Itotal()

Isondeamplifiée()= Itotal()- Ipompe()

Mesure de gain par soustraction

Faisceau pompe (10µm x 50µm)

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Schwoob et al, Optics Express, vol.12, No8, p.1569, 19 Avril 2004

SANS pompage

AVEC pompage

Mesure de gain dans un guide W3

Intensité

gain : +40%

milieu actif : 2 couches de puits quantiques désaccordés

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

Amplificateur Optique à SC et à gain stabilisé par oscillation laser

Densité de

porteurs

Référence: Coldren, "Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits"

Gain

PIN

Dispositif GENOALASERLASER

Principe de l'amplification optique

Amplificateur Optique à SC : gain variable avec la puissance du signal d'entrée

Densité de

porteurs

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

Gain

PIN

...amplificateur planaire...

Perspective : amplificateur planaire et convertisseur de

2004 - 2007

...et à plus long terme un convertisseur de

1

2

à 2

P1 P2

P1

P2

PLASER=1

PLASER=0

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne R. Ferrini, R. Houdré, B.Lombardet...

Heinrich Hertz Institut (BERLIN) S.Golka, H.Heidrich, K.Janiak...

Alcatel OPTO+ (MARCOUSSIS) G.H. Duan, O.Legouezigou, F.Pommereau, O.Drisse, C.Cuisin...

Collaborations

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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée

Diffraction de BRAGG

ng élevé

vg faibleDensité d'Etats élevée

La mini Bande Interdite: DE photonique et vitesse de groupe

bande diélectrique