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Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 1 PROPOSITION ET VALIDATION OPTIQUE D'UN DEMULTIPLEXEUR "TOUT-CRISTAUX-PHOTONIQUES"

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1 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 1 PROPOSITION ET VALIDATION OPTIQUE D'UN DEMULTIPLEXEUR "TOUT-CRISTAUX-PHOTONIQUES" SUR InP 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 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée 1 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, UMR 7643, Ecole Polytechnique, Palaiseau 2 Laboratoire Charles Fabry de lInstitut dOptique, UMR 8501, bât 503, Orsay 4 Heinrich Hertz Institut/Fraunhofer G., Einsteinufer 38, Berlin, Germany 4 Alcatel-CIT/opto+, 91 Marcoussis

2 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 2 1) Dispositifs sélectifs phénomènes 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

3 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 3 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

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

5 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 5 Bande diélectrique Bande de l'air y x 5 1 Dielectric Band Bande diélectrique kyky H z (x,y) Guide W3 5 La mini Bande Interdite diffraction de Bragg entre 2 modes d'ordre différents

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

7 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 7 w Démultiplexeur de longueur d'onde intégré Canal n-1 brevet CNRS 2003 u0u0 Canal n Canal 1 3 région avec m-BI à 3 5 région avec m-BI à 5 kyky u u0u0 w

8 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 8 comportement réseau comportement Fabry-Pérot 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 j 1... n Où est l'originalité physique? Efficacité de diffraction j

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

10 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 10 W3 W5 Q = 330 = = 1580nm Q = 400 = = 1600nm WDM =0,8nm C-WDM =20nm Démultiplexeur de longueur d'onde intégré : mesures optiques collaboration avec Alcatel-OPTO+ collaboration avec HHI, Berlin

11 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 11 Collaboration avec HHI CP Photodiode 20x40 µm Plot de contact Canal 3 Canal 4 Canal 1 guide en cristal photonique Puis, intégration du dispositif avec des photodiodes InGaAs

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

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

14 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 14 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" (dont font partie CNRS-IOTA, HHI et Alcatel) Compréhension des résultats optique/électrique Suite dans le projet européen STREP "FUNFOX" (dont font partie CNRS-IOTA, HHI et Alcatel) Démultiplexeur / "moniteur de longueur d'onde" Laboratoire de Physique de la Matière Condensée

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

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

17 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 17 Les 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

18 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 18 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% n eff 2 = 11,3 0,4 0,3 0,2 0,1 0 u=a / f=30%, milieu n eff 2 = 11,3 0,4 0,3 0,2 0, ,30,6 Fraction d'air Bande interdite TE Bande interdite TM Bande interdite TE 2D: réseau triangulaire de trous K M

19 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 19 Modèle 2D couplage si k y guidé < k y air ou substrat substrat air Pertes hors du plan pertes vers lair et vers le substrat aucune perte pertes vers le substrat kyky k y a k y k y a =k y c =k y c/n 1

20 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 20 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) ê Droit (<0,5°) sur plus de 2 µm ê Diamètre contrôlé (f=30-40%)

21 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 21 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 accordable 1,48µm-1,58µm vers collection

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

23 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 23 n g élevé è v g faible g 1/v g a Ralentissement de v g : influence sur le gain

24 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 24 Montage à 2 faisceaux: 1 faisceau pompe et 1 faisceau sonde Z X ( Faisceau sonde (3µm x 3µm) d I 2 ( ) ) I 1 PL latérale InAs BQs ou PQs T cristal Ref PL frontale d I sonde ( )I pompe ( )I total ( ) I sondeamplifiée ( )= I total ( )- I pompe ( ) Mesure de gain par soustraction Faisceau pompe (10µm x 50µm)

25 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 25 Schwoob et al, Optics Express, vol.12, N o 8, 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

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

27 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 27 Gain P IN...amplificateur planaire... Perspective : amplificateur planaire et convertisseur de et à plus long terme un convertisseur de 1 2 à 2 P1P1 P2P2 P1P1 P2P2 P LASER =1 P LASER =0

28 Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al. 28 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

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


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