Microcavités diélectriques circulaires et applications Sacha Bergeron

Qu’est-ce qu’une microcavité diélectrique circulaire? Piège à lumière (Résonateur) Cavité optique t t +  Caractéristiques d’une cavité: Longueur d’onde de résonance () Intervalle spectral libre (ISL) Facteur de qualité (Q)

Qu’est-ce qu’une microcavité diélectrique circulaire? Échelle micrométrique 10-6 m La silice Propriétés optiques Géométrie Matériau Caractéristiques d’une cavité: Longueur d’onde de résonance () Intervalle spectral libre (ISL) Facteur de qualité (Q)

Qu’est-ce qu’une microcavité diélectrique circulaire? Image: P.Vasseur et S.Saïdi

Pourquoi développer les microcavités diélectriques circulaires? Avantage principal sur d’autres types de microcavités: Masson et al., 2007 Waks et al., 2005 Q103 Q104 Q105 Applications possibles: Détection ultra précise Filtres spectraux extrêmement étroits Ligne à délai Q108 Image: F. Vanier

Plan de l’exposé Introduction aux microcavités diélectriques circulaires Fabrication de microcavités Application 1: Contrôle de l’émission spectrale d’un laser à fibre optique à l’aide de filtres à microcavités Application 2: Guide d’onde de cavités couplées

Confinement de la lumière par réflexion totale interne (RTI):

Formation d’une cavité: Réflexions multiples afin d’obtenir une trajectoire bouclée Longueur du parcours détermine la  La lumière reste piégée dans la structure pour un temps   Q Plusieurs géométries de modes sont disponibles Différence entre les résonnances  ISL

Modes de galeries (Whispering Gallery Modes): Caractéristiques: La lumière est confinée en périphérie du disque de silice Modes possédant des facteurs de qualité extrêmement élevés Décrit par m: ordre azimutal et l: ordre radial

Couplage avec l’extérieur et caractérisation: ISL

Plan de l’exposé Introduction aux microcavités diélectrique circulaires Fabrication de microcavités Application 1: Contrôle de l’émission spectrale d’un laser à fibre optique à l’aide de filtres à microcavités Application 2: Guide d’onde de cavités couplées

Procédé de microfabrication: Gaufre de silicium oxydée Dépôt d’une couche de chrome Photolithographie Gravure chimique du chrome Retrait de la résine Gravure sèche RIE de la silice Gravure isotrope du silicium à l’aide d’un plasma de SF6 dans un DRIE ICP Retrait du restant de chrome

Résultats de la microfabrication:

Plan de l’exposé Introduction aux microcavités diélectrique circulaires Fabrication de microcavités Application 1: Contrôle de l’émission spectrale d’un laser à fibre optique à l’aide de filtres à microcavités Application 2: Guide d’onde de cavités couplées

Le but: Concevoir un laser à fibre multi-longueurs d’onde configurable Pourquoi le faire? Source sur mesure pour les télécommunications Source pour des systèmes de détection spectrale en parallèles Comment le faire? Filtre sur mesure à base de microcavités

Montage expérimental:

Filtres spectraux: Filtre ajout/retrait Filtre de retrait Ajout Entrée Retrait Ajout

Accord filtre vs émission laser:

Différentes configurations produites:

Plan de l’exposé Introduction aux microcavités diélectrique circulaires Fabrication de microcavités Application 1: Contrôle de l’émission spectrale d’un laser à fibre optique à l’aide de filtres à microcavités Application 2: Guide d’onde de cavités couplées

Le but: Concevoir un dispositif de ligne à délai intégrée Pourquoi le faire? Routeur tout optique Industrie des télécommunications Comment le faire? En exploitant le retard causé par le piégeage de la lumière par une série de microcavités Guide d’onde de cavités couplées (CROW)

Propagation à travers le guide: Introduction du signal dans une première cavité; Positionnement d’une seconde cavité afin d’obtenir un couplage; Transfert du signal vers une seconde cavité. Et une troisième cavité…

Propagation à travers le guide: Grand nombre de cavités  guide d’onde; Le signal est ralentit parce qu’il reste piégé dans chacune des cavités.

Conception d’un guide: Vitesse de groupe  Coefficient de couplage inter-cavités (écart) Délai total  Longueur du guide Délai maximal  Facteur de qualité intrinsèque de la cavité Alors pourquoi utiliser plusieurs cavités couplées quand une seule pourrait donner le même délai? Bande passante  Coefficient de couplage inter-cavités (écart)  Uniformité des microcavités

Mesures de transmission: Signal d’entrée 3 Cavités 4 Cavités 5 Cavités 6 Cavités 7 Cavités Délai calculé à partir des mesures de transmission:

Conclusion:

Remerciements Laboratoire de micro et nano systèmes Yves-Alain Peter et tous les membres qui m’ont aidé et supporté au cours de cette maîtrise Laboratoire de fibre optique Pour leurs nombreux conseils et leur aide essentiel sans lesquels ce projet n’aurait jamais été possible Laboratoire de microfabrication (LMF) À tout le personnel pour leur contribution majeure au développement du procédé de microfabrication

Théorie des microcavités circulaires Modes de galeries (WGM): Système de modes décrit par deux nombres quantiques: m : l’ordre azimutal l : l’ordre radial

Questions ?

Questions ?

Questions ?

Filtres spectraux à base de microcavités Filtres multicavités à résonances non-périodiques

Contrôle de l’émission spectrale d’un laser à fibre optique

Questions ?

Questions ?

Questions ?

Questions ?

Guide d’onde de cavités couplées Autres travaux: Ce nouveau type de guide d’onde a déjà été démontré en utilisant différents types de microcavités: Cristaux photoniques (Olivier et al., 2001) Microanneaux de silicium (Xia et al., 2006) Microdisques de GaInAsP (Nakagawa et al.,2005) Dans tout les cas, le facteur de qualité intrinsèque des microcavités est insuffisant pour générer des lignes à délai avec de bonnes performances; Les facteurs de qualité extrêmement élevés des microcavités (microtoroïdes) de silice pourraient fournir le facteur de qualité nécessaire pour cette application. (Armani et al., 2003, Poon et al., 2004)

Guide d’onde de cavités couplées Fabrication:

Guide d’onde de cavités couplées Vitesse de propagation: La vitesse de propagation est contrôlée par le couplage entre les cavités; Le couplage est fonction de l’écart entre les cavités; Plus le gap est grand, plus le couplage est faible et plus la vitesse de groupe diminue.

Guide d’onde de cavités couplées 2 méthodes de validation des résultats: Estimation du couplage à partir de la largeur à mi-hauteur: Estimation du facteur de qualité intrinsèque des cavités à partir des pertes:

Guide d’onde de cavités couplées Résultats des mesures de transmission:

Caractérisation temporelle du guide d’onde: Interfrange vs. gap

Guide d’onde de cavités couplées Caractérisation temporelle du guide d’onde: Mesures d’interfranges pour différentes positions des collimateurs; Mesures répétées pour deux longueurs de guide différentes; Fit avec la courbe théorique; L’écart entre les deux courbes décrit la différence de délai entre les deux longueurs; Délai pour deux cavités de 57.4ps.

Guide d’onde de cavités couplées Caractérisation temporelle du guide d’onde:

Caractérisation temporelle du guide d’onde: Résultats limités par: Pertes élevées Largeur de bande trop petite

Continuité du projet: Augmentation de Qint: Gravure optimisée davantage; Refonte des microcavités. Réduire l’écart entre les microcavités: Lithographie par faisceau d’électrons; Photolithographie UV lointain.

Improve quality factor Melt Cavities with CO2 laser

Questions ?