Laboratoire de Physique de la Matire Condense PROPOSITION

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée PROPOSITION ET VALIDATION OPTIQUE D'UN DEMULTIPLEXEUR "TOUT-CRISTAUX-PHOTONIQUES" SUR In. P EXPLOITANT LE GUIDAGE MULTIMODE Emilie Schwoob 1, 2 Henri Benisty 1, 2, Claude Weisbuch, Lucio Martinelli 1, 2, Helmut Heidrich 3, Klemens Janiak 3, Sebastian Golka 3, G. -H. Duan 4, O. Drisse 4, F. Pommereau 4 1 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, UMR 7643, Ecole Polytechnique, Palaiseau 2 Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique, UMR 8501, bât 503, Orsay 4 Heinrich Hertz Institut/Fraunhofer G. , Einsteinufer 38, Berlin, Germany 4 Alcatel-CIT/opto+, 91 Marcoussis Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 1

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Plan 1) Dispositifs sélectifs phénomènes sélectifs dans les guides en cristaux photoniques 2) Concept de démux/moniteur et premiers résultats • Optique/Optique • Photocourant 3) Modélisation et perspectives C-WDM / WDM E. Schwoob-Viasnoff à HHI JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 2

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Dispositifs sélectifs à la "phasar" (Smit) à la Rowland/März/. . à la Little (Little. Optics Ltd) micro-rings à la Noda (bientôt in-plane ? ) Cristaux photoniques à la MIT (Fan) … et à la "multimode" de chez nous (NB : pas MMI) JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 3

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Le guide à cristal photonique Guide multimode a w bande interdite photonique ? x y 0 p/ a k y couplage contrapropagatif par diffraction de BRAGG w mini-Bande Interdite ky JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 4

La mini Bande Interdite Laboratoire de Physique de la Matière Condensée diffraction de Bragg entre 2 modes d'ordre différents Bande de l'air 3 2 6 5 4 Guide W 3 x y 1 w Bande Dielectric Bande diélectrique ky Hz(x, y) JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 5

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Expérience et Simulations Théorie des Modes Couplés Apport de la thèse de S. Olivier (2002) w 0 mode 5 mode fondamental JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. w 0 w 0 6

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Démultiplexeur de longueur d'onde intégré u u 0 w ky u 0 w l 0 brevet CNRS 2003 région avec m-BI à l 3 JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. Canal n-1 région avec m-BI à l 5 Canal 1 l 5 l 3 7

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Où est l'originalité physique? Avantage par rapport à un guide simple périodique comportement réseau Efficacité de diffraction comportement Fabry-Pérot Efficacité de diffraction l 1. . . ln l toutes l sont extraites l 1 lj extraction sélective de lj grâce à la résonance interne préalable ln a a l 1, . . . ln JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. l lj l 1, . . . ln sauf lj 8

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Démultiplexeur : mesures optiques Méthode de la source interne : schéma de principe Bord clivé 3, 2 mm 240 nm ICP-RIE (Alcate 3 puits quantiques Configuration de mesure d'un démultiplexeur intégré : 300 a = 75µm Collaboration et Fabrication : HHI, OPTO+ CAIBE (HHI) Bord clivé JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 9

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Démultiplexeur de longueur d'onde intégré : mesures optiques W 3 W 5 collaboration avec Alcatel-OPTO+ collaboration avec HHI, Berlin WDM Dl=0, 8 nm C-WDM Dl =20 nm Q = 400 Dl= 4 nm @ l = 1600 nm Q = 330 Dl = 5 nm @ l = 1580 nm JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 10

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Puis, intégration du dispositif avec des photodiodes In. Ga. As Canal 4 Canal 3 Canal 1 Collaboration avec HHI guide en cristal photonique CP Photodiode 20 x 40 µm Plot de contact JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 11

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Démultiplexeur de longueurs d'ondes intégré : un pas vers le composant tout intégré Premiers résultats Qmax=30 JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 12

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Simulations : rôle de c=-3 d. B JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. k k c=-15 d. B, Dl=10 nm, 6 canaux, fraction collectée <5%, L<100µm 13

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Conclusion Démultiplexeur / "moniteur de longueur d'onde" • 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. 5 d. B) 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) JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 14

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée vide JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 15

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Principe des cristaux photoniques: 2 D, 3 D Dimension Structure 1 D Directions interdites Directionnel w 0 2 D 3 D JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. Faisable (Lithographie standard + gravure) • Omnidirectionnel • difficile à fabriquer !! 16

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Les bandes interdites à 2 D : "2 D + 1 D" Pas de COLLIMATION ! 2 D+1 D approche "membrane" (air) Pas de cascadabilité de composants • Confinement horizontal cristal photonique RTI • Confinement vertical Réflexion Totale Interne • Faisable approche "substrat" (Ga. As ou In. P) composants actifs JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 17

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée 2 D: réseau triangulaire de trous réseau réel Réseau de trous d'air (gap "TE", H // z) M réseau réciproque M K K G G f =35% a f=30%, milieuf=30% neff 2 = 11, 3 Bande interdite TM 0, 4 0, 3 u=a / l 0, 4 Bande interdite TE 0, 2 0, 1 0 M G K M 0 0 0, 3 0, 6 Fraction d'air Autour de a /l =0, 25, à l =1, 55 µm, a=390 nm, diamètre des trous = env. 200 nm JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 18

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Pertes hors du plan pertes vers l’air et vers le substrat w w=kyc air pertes vers le substrat w=kyc/n 1 substrat w. A couplage si ky guidé < ky air ou substrat 0 A aucune perte ky. A ky 0=p/a ky ky. A+2 p/a Modèle 2 D JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 19

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Fabrication des cristaux photoniques sur In. P Etat de l'art de la gravure sur In. P/Ga. In. As. P/In. P : Ga. In. As. P êProfond ( >3µm) êDroit (<0, 5°) sur plus de 2 µm êDiamètre contrôlé (f=30 -40%) couche guidante 2 µm CAIBE (KTH) 2 µm CAIBE (HHI) 3, 2 mm ECR-RIE (Würzburg) 240 nm ICP-RIE (Alcatel) JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 20

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Caractérisation des cristaux photoniques Méthode de la source interne (pas de guide d'accès) : 1 ou 2 puits quantiques (ou BQs) Méthode "end-fire" (avec guide d'accès) : vers collection Laser accordable 1, 48µm-1, 58µm Adapté à des dispositifs réels, à faibles pertes JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 21

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Applications visées : circuits intégrés optiques Multiplexage WDM 30 l entre 1530 -1560 nm Dl=0, 8 nm (Dn=100 GHz) Multiplexage C-WDM Réseau local Distances < 50 kms Débit ~ N x 10 Gb/s 18 l entre 1270 -1610 nm Dl=20 nm (Dn=2000 GHz) Chaîne de transmission et de traitement des données optiques contrôleur de polarisation sources stabilisées en l Émetteur JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. Ampli SC l-mux� l-demux� Récepteur convertisseur de l 22

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Ralentissement de vg : influence sur le gain ng élevé èvg faible g ∞ 1/vg a JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 23

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Mesure de gain par soustraction Montage à 2 faisceaux: 1 faisceau pompe et 1 faisceau sonde PL latérale Ref Tcristal I 1 (l) d I 2(l) Isonde(l) Ipompe(l) Isondeamplifiée(l)= Itotal(l)- Ipompe(l) d In. As BQs ou PQs Z Itotal(l) PL frontale X JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. Faisceau pompe (10µm x 50µm) Faisceau sonde (3µm x 3µm) 24

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Mesure de gain dans un guide W 3 milieu actif : 2 couches de puits quantiques désaccordés AVEC pompage Intensité SANS pompage gain : +40% JNOG 2004, Paris, Schwoob et al, Optics Express, vol. 12, No 8, p. 1569, 19 Avril 2004 25

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Principe de l'amplification optique Amplificateur Optique à SC : gain variable avec la puissance du signal d'entrée Densité de porteurs Gain PIN Amplificateur Optique à SC et à gain stabilisé par oscillation laser LASER Densité de porteurs JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. Dispositif GENOA Référence: Coldren, "Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits" 26

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Perspective : amplificateur planaire et convertisseur de l. . . amplificateur planaire. . . Gain. . . et à plus long terme un convertisseur de l P 2 P 1 à l 2 l 1 P 2 PIN 2004 - 2007 l 2 JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. PLASER=1 PLASER=0 27

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Collaborations Heinrich Hertz Institut (BERLIN) S. Golka, H. Heidrich, K. Janiak. . . Alcatel OPTO+ (MARCOUSSIS) G. H. Duan, O. Legouezigou, F. Pommereau, O. Drisse, C. Cuisin. . . Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne R. Ferrini, R. Houdré, B. Lombardet. . . JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 28

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée La mini Bande Interdite: DE photonique et vitesse de groupe Diffraction de BRAGG Densité d'Etats élevée ng élevé èvg faible bande diélectrique JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 29