laboratoire de physique de la matière condensée jnog 2004, paris, schwoob et al. 1 proposition et...
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JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.
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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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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée
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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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée
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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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée
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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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée
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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Laboratoire de Physique Laboratoire de Physique de la Matière Condenséede la Matière Condensée
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