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 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 4Heinrich Hertz Institut/Fraunhofer G., Einsteinufer 38, Berlin, Germany 4Alcatel-CIT/opto+, 91 Marcoussis Laboratoire de Physique de la Matière Condensée JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

P l a n 1) Dispositifs sélectifs 2) Concept de démux/moniteur 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.

Dispositifs sélectifs à la "phasar" (Smit) à la Rowland/März/.. à la Little (LittleOptics 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.

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

La mini Bande Interdite diffraction de Bragg entre 2 modes d'ordre différents diélectrique Bande de l'air Guide W3 2 3 6 4 y x 5 5 1 w Dielectric Band Bande diélectrique ky Hz(x,y) JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

Expérience et Simulations Théorie des Modes Couplés Apport de la thèse de S. Olivier (2002) w0 w0 mode fondamental mode 5 JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

Démultiplexeur de longueur d'onde intégré w u0 ky w u0 l0 brevet CNRS 2003 région avec m-BI à l3 l5 région avec m-BI à l5 l3 Canal n-1 Canal n Canal 1 JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

Où est l'originalité physique? Avantage par rapport à un guide simple périodique comportement réseau  comportement Fabry-Pérot Efficacité de diffraction Efficacité de diffraction l1... ln l lj l extraction sélective de lj grâce à la résonance interne préalable toutes les l sont extraites lj l1 ln lj a a l1, ... ln sauf lj l1, ... ln l1, ... ln JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

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

Démultiplexeur de longueur d'onde intégré : mesures optiques W3 W5 WDM Dl=0,8nm C-WDM Dl =20nm collaboration avec Alcatel-OPTO+ collaboration avec HHI, Berlin Q = 400 Dl= 4nm @ l = 1600nm Q = 330 Dl = 5nm @ l = 1580nm JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

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

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

k Simulations : rôle de k c=-3dB c=-15dB, Dl=10nm, 6 canaux, fraction collectée <5%, L<100µm k c=-3dB JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

Conclusion Démultiplexeur / "moniteur de longueur d'onde" 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% (0.5dB) 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) JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

vide JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

Principe des cristaux photoniques: 2D, 3D Dimension Structure Directions interdites 1 D Directionnel w0 2 D Faisable (Lithographie standard + gravure) 3 D • Omnidirectionnel • difficile à fabriquer !! JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

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 JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

2D: réseau triangulaire de trous réseau réel réseau réciproque f =35% Réseau de trous d'air (gap "TE", H // z) M M K K G G a 0,4 0,3 0,2 0,1 0,6 Fraction d'air Bande interdite TE Bande interdite TM 0,4 0,3 0,2 0,1 G K M u=a / l f=30% neff2 = 11,3 0,4 0,3 0,2 0,1 G K M u=a / l f=30%, milieu neff2 = 11,3 Autour de a /l =0,25, à l =1,55 µm, a=390nm, diamètre des trous = env. 200 nm JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

Pertes hors du plan couplage si kyguidé < kyair ou substrat pertes vers l’air et vers le substrat w ky ky0=p/a kyA kyA+2p/a wA A w=kyc air pertes vers le substrat substrat w=kyc/n1 aucune perte couplage si kyguidé < kyair ou substrat Modèle 2D JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

Fabrication des cristaux photoniques sur InP Etat de l'art de la gravure sur InP/GaInAsP/InP : GaInAsP couche guidante Profond ( >3µm) Droit (<0,5°) sur plus de 2 µm Diamètre contrôlé (f=30-40%) 2 µm 3,2 mm 240nm ICP-RIE (Alcatel) CAIBE (KTH) 2 µm CAIBE (HHI) ECR-RIE (Würzburg) JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

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) : Adapté à des dispositifs réels, à faibles pertes Laser accordable 1,48µm-1,58µm vers collection JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

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 10Gb/s 18 l entre 1270-1610 nm Dl=20 nm (Dn=2000 GHz) Chaîne de transmission et de traitement des données optiques Ampli SC contrôleur de polarisation sources stabilisées en l l-mux l-demux convertisseur de l Émetteur Récepteur JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

Ralentissement de vg : influence sur le gain ng élevé vg faible g 1/vg ∞ a JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

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

Mesure de gain dans un guide W3 milieu actif : 2 couches de puits quantiques désaccordés AVEC pompage Intensité SANS pompage gain : +40% Schwoob et al, Optics Express, vol.12, No8, p.1569, 19 Avril 2004 JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

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 Densité de porteurs LASER LASER Dispositif GENOA Référence: Coldren, "Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits" JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

Perspective : amplificateur planaire et convertisseur de l Gain ...et à plus long terme un convertisseur de l l 1 l 2 à l2 P1 P2 PLASER=1 PLASER=0 PIN 2004 - 2007 JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.

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.

La mini Bande Interdite: DE photonique et vitesse de groupe ng élevé vg faible Diffraction de BRAGG Densité d'Etats élevée bande diélectrique JNOG 2004, Paris, Schwoob et al.