circuits intégrés photoniques - umontpellier.fr · 2017. 4. 14. · pompage cryogénique refroidi...
TRANSCRIPT
Les puces optiques ou
Circuits intégrés photoniques
Raphaël K. Kribich [email protected]
http://www.ies.univ-montp2.fr/~kribich 1
Contenu 1. Présentation.
2. Fabrication.
3. Principes fondamentaux:
1. Confinement de la lumière. 2. Propagation de la lumière dans un guide.
4. Principaux circuits:
1. Coupleur Y. 2. Coupleur en X. 3. Interféromètres. 4. Réseau de diffraction.
2
Intérêts de l’optique Rapidité Bande passante large Distance Faible atténuation Compatibilité électromagnétique Haute fréquence Sûreté Pas de charge électrique Sécurité Piratage difficile Observation Imagerie Analyse Interaction avec la matière
3
Applications de la photonique Biomédical
Industrie Instrumentation
Informatique Multimedia Transports
Éclairage Affichage
Défense
Télécoms
Sources lasers Fibres optiques
Circuits intelligents Photo détecteur
4
Observation
Présentation des puces optiques
5
Mise en boîtier de la puce
6
6
7
Fabrication d’une fibre optique en verre
Fusion du sable à 1500°C Fibrage Préformation (Chemical Vapor Deposition)
8
Verres Un verre est un solide non-cristallin présentant le phénomène de transition vitreuse.
Silice
Quartz (UV)
Verres d’oxyde: Visible, proche IR (< 2µm) SiO2, GeO2, TiO2, … Indice ≥ 1.45 (sauf Verres poreux) Chalcogénures: Moyen IR (1-2µm 20µm) Se, Te, S, … Indice # 2 - 3 + Cd, Ga, As, Ge, …
(Verres métalliques?) Le verre est un solide qui présente le désordre d’un liquide.
Fusion
Vitrification
8
KTP
Phosphate de
Potassium
titanyl Doublage YAG
Semi-conductors Si, GaAs, Ge, Csi, …
9
Cristaux
YAG Y3Al5O12
Ytterbium Aluminium Grenat Dopé Néodyme: Nd:YAG (inversion population) Laser @ 1064µm
Niobate de Lithium LiNbO3 ElectroOptic, AcoustoOptic )(EfP
Calcite CaCO3 Birefrigent
10
Polymères Propriétés ajustables: Imperméable, poreux, résistance au feu, corrosion, anti-adhésion, transparence, … Applications variées: Emballages, isolants, conteneurs, joints, revêtement, optique, médical, textile, …
Polycarbonate
Fabrication de la puce
Substrat
Couche du matériau Photorésine
Ecriture
Développement
Attaque du matériau Suppression résine
11
12
Croissance d’un cristal Evaporation des éléments par
chauffage
Vide poussé (10-8 Pa) évite les perturbations et les impuretés
Dépôt lent (1µm / h) de couches
monoatomiques
Pompage cryogénique refroidi le substrat et absorbe les impuretés
Température du substrat contrôle les réactions
Suivi cristallin par diffraction
électronique
Analyse de la composition par spectrométrie de masse
13
Dépôt de résine polymère par spin coating 1 2 3 4 Arrêt Accélération Consigne Arrêt Dépôt Ejection Etalement Evaporation Stabilisation
1 2 3 4 Vitesse Arrêt Consigne Décélération Arrêt Trempage Stabilisation Dépôt Evaporation Ejection
… ou dip coating
13
14
Dessin des circuits
Révélation des images
15 15
16
Fabrication de circuits en polymère
4
RECUIT 110°C
1 SYNTHESE
H
H
H
3
LITHOGRAPHIE
R
2
+ H2O
DEPOT
Résultats
17
L’onde électromagnétique
18
Indice de réfraction et transmission
Vitesse de déplacement dans la matière: v = c / n Indice du matériau: n + j.k
19
20
Verres Un verre est un solide non-cristallin présentant le phénomène de transition vitreuse.
Silice
Quartz (UV)
Verres d’oxyde: Visible, proche IR (< 2µm) SiO2, GeO2, TiO2, … Indice ≥ 1.45 (sauf Verres poreux) Chalcogénures: Moyen IR (1-2µm 20µm) Se, Te, S, … Indice # 2 - 3 + Cd, Ga, As, Ge, …
(Verres métalliques?) Le verre est un solide qui présente le désordre d’un liquide.
Fusion Vitrification
20
Atténuation dans le verre
Confinement de la lumière
1/ Réflexion totale interne
21
Interférences
2/ Autocohérence
Interférences constructives
Interférences destructives
Modes guidés: Chemins possibles de propagation
22
Propriétés des modes guidés
23
Le confinement et le nombre de modes augmente avec: • Taille du guide.
• Fréquence de l’onde. • Différence des indices.
Chemin/mode 0 existe toujours, le plus rapide et le moins étalé dans la gaine. La lumière se déplace indépendamment sur chaque mode/chemin (pas d’échange d’énergie lumineuse entre les modes).
Couplage vers un mode
24
Excitation
25
Guide courbes & pertes de courbure
0,00E+00
5,00E+04
1,00E+05
1,50E+05
2,00E+05
2,50E+05
1,00E-031,50E-032,00E-032,50E-033,00E-033,50E-034,00E-034,50E-035,00E-035,50E-036,00E-03
Pe
rte
s (
dB
/m)
Rayon de courbure (m)
1.31
1.55
Jonction Y: division
26
Coupleur en étoile
27
Jonction Y: combinaison
28
Interféromètre Mach-Zehnder
29
Couplage par champ évanescent
30
Interférences modales
Les deux guides sont considérés comme un seul guide mais à double cœur. Ce guide est caractérisé par 2 modes: un symétrique et un antisymétrique. Le mode symétrique est toujours le mieux confiné. La différence entre les indices effectifs des modes est liées à la longueur d’échange d’énergie. Cet échange d’énergie est périodique.
+ =
+ =
+ =
+ =
+ =
+ =
+ =
+ =
+ =
0
p/2
p
3p/2
2p
DF 31
Interféromètre multimode:
x z 6Lp 3Lp
32
33
Séparateur/combineur de couleurs
Cercles de Rowland
34
Réseau de diffraction
,...2,1,0,. qKqab
a
b K a
b K
35
Réflecteur à réseau
Résonateurs
36
37
Cristaux photoniques
38
Active circuits …
Magnetooptic (Faraday)
Elastooptic Acoustooptic
Nonlinear optics
Electrooptic (Pockels, Kerr)
EEP
.,0