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Étude du gain dun milieu amplificateur à Boîtes Quantiques G. Moreau 1, J. Ribette 1, J.C Simon 1 C. Platz 2, O. Dehase 2, N. Bertru 2, A. Le Corre 2,

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1 Étude du gain dun milieu amplificateur à Boîtes Quantiques G. Moreau 1, J. Ribette 1, J.C Simon 1 C. Platz 2, O. Dehase 2, N. Bertru 2, A. Le Corre 2, S. Loualiche 2 A. Martinez 3, A. Ramdane 3 Groupement d'Intérêt Scientifique "FOTON" UMR 6082 FOTON Laboratoire d'Optronique 1 LENS (INSA) 2 LPN UPR 20 3

2 06/05/2014UMR Collaborations * LENS (Laboratoire dEtude des Nano-Structures) de lINSA Rennes (UMR 6082) croissance, interprétations. C. Platz, C. Paranthoën, O. Dehase, N. Bertru, A. Le Corre * LPN (Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, UPR 20) réalisation de guides monomodes, dépôts danti-reflet. A. Martinez, A. Ramdane

3 06/05/2014UMR Objectifs de la collaboration Composant à base de Boîtes Quantiques (BQs) dans la µm : Laser à faible chirp => modulation directe > 10 GHz, réseaux d excellence ePIXnet Amplificateur optique à semi-conducteurs, ACI nanostructures –large gain spectral (> 130 nm) –dynamique temporelle de gain rapide (10, 40, 160 Gbit/s) –traitement multi-longueur donde du signal (amplification, porte optique,..)

4 06/05/2014UMR Plan Éléments de théorie gain, élargissement inhomogène & homogène Résultats sur guides plans structures étudiées mesure spectral du gain Résultats sur guides monomodes structures étudiées montage pompe - sonde absorption petit signal en fonction de la polarisation 1er résultats de modulation dabsorption

5 06/05/2014UMR Éléments de théorie Énergie état fondamental 1er état excité Bande de Conduction Bande de Valence Couche de mouillage Schéma de bande simplifiée dun système idéal à BQ unique Transitions principales permises Boîte Quantique

6 06/05/2014UMR Éléments de théorie Image dun plan de Boîtes Quantiques (image AFM, INSA)

7 06/05/2014UMR Éléments de théorie Dispersion en taille des BQs : Élargissement inhomogène Couplage BQs/environnement : Élargissement homogène gain E Système idéal isolé (BQ unique) Élargissement homogène Élargissement inhomogène Applications :.traitement optique du signal multi-longueur donde sans diaphonie inter-canal..Laser faible chirp ( H faible) Gain spectral d un système à BQs Sur µm >>>>> h = meV ( nm) Sur µm >>>>> h = ?? => largeur homogène / inhomogène

8 06/05/2014UMR Objectifs de nos travaux 1- Caractérisation statique du gain : - valeur du maximum - largeur d amplification disponible 2- Mesure de la largeur homogène : - observer une saturation de l absorption - évolution du contraste de modulation en fonction de l écart de longueur d onde entre la pompe et la sonde => largeur homogène.

9 06/05/2014UMR Plan Éléments de théorie gain, élargissement inhomogène & homogène Résultats sur guides plans structures étudiées mesure spectral du gain Résultats sur guides monomodes structures étudiées montage pompe - sonde absorption petit signal en fonction de la polarisation 1er résultats de modulation dabsorption

10 06/05/2014UMR Résultats sur guides plans Structures étudiées : InP (2 µm) InP (75 µm) N (x30 Å) plans de boîtes quantiques, séparés de 200 Å de Q1,18 Q1,18 Guide optique Plan 400 nm Axe de croissance Conditions expérimentales des mesures de gain : Pompage optique impulsionnel (F = 5 nm suivant l axe de croissance. Q1,18 (InAsGaP) g = 1,18 µm ESA

11 06/05/2014UMR Gain max = 20 cm -1 (+/-5%) = 8.5 dB/mm 120 nm à 15 cm -1 (6.5 dB/mm) Gain max = 30 cm -1 (+/-5%) = 13 dB/mm 150 nm à 25 cm -1 (10.8 dB/mm) Akiyama & al. Gain = 6,5 dB/mm (40 dB pour 6,13 mm) Ppompe/Pseuil laser coeffcient d'amplification (cm-1) longueur d'onde (µm) Résultats sur guides plans 6 plans de BQs InAs/InP 9 plans de BQs InAs/InP Évolution spectrale du gain Transition fondamentale Transition excitée Ppompe/Pseuil laser Pth laser 4 kW/cm²Pth laser 2 kW/cm² ,40 1,45 1,50 1,55 1,60 1,65 longueur d'onde (µm)

12 06/05/2014UMR Plan Éléments de théorie gain, élargissement inhomogène & homogène Résultats sur guides plans structures étudiées mesure spectral du gain Résultats sur guides monomodes structures étudiées montage pompe - sonde absorption petit signal en fonction de la polarisation 1er résultats de modulation dabsorption

13 06/05/2014UMR Résultats sur guides monomodes Structures étudiées : Guide ridge monomode + anti-reflet (LPN) Problèmes technologiques => pompage électrique continu impossible (pour le moment...) Pompage optique à lambda adéquate ( = 1,22 - 1,28 µm) => en test Obtention de gain impossible Travail en absorption Objectif : mesurer la largeur homogène

14 06/05/2014UMR Résultats sur guides monomodes Pompe : source impulsionnelle p =5 ps p =1540 nm Sonde : source accordable CW s 90% 10% 90% 10% Guide donde à BQs s Passe bande OSA Contrôleurs de polarisation Principe du montage pompe -sonde : photodiode

15 06/05/2014UMR Résultats sur guides monomodes Absorption petit signal (sonde seule) : Pertes de Couplage identique pour TE et TM. Polarisation TE « seule» Perte TE - Perte TM > 30 dB (dans notre guide ) TM TE Guide trop long !

16 06/05/2014UMR Résultats sur guides monomodes Modulation de la sonde en fonction de la puissance de pompe : Puissance (u.a) temps (ns) ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 C (dB) Pompe in en dB (u.a) Contraste : mesure du temps de vie (composante longue) de létat fondamental = 1 ns Pompe : F = 450 MHz = 5 ps

17 06/05/2014UMR Conclusion & perspectives * Mesure du gain des BQs InAs/InP fabriquées à l INSA: gain = 10.8 dB/mm sur 150 nm. À conforter avec guide monomode. * Mise en évidence de l importance de la polarisation : => vers un montage à polarisation contrôlée. * Mise en évidence d une modulation de l absorption induite en pompe- sonde : => vers une mesure de la largeur homogène en saturation de l absorption.

18 06/05/2014UMR Éléments de théorie Lever & al Gain théorique inh < E ef -E ee inh > E ef -E ee Dispersion en taille des BQs : Élargissement inhomogène Image AFM d un plan de BQs 0 a x V Puit de potentiel 1D


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