De l ing ni rie quantique du gain aux cavit s photoniques
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Université Paul Sabatier - Toulouse III. De l’ ingéniérie quantique du gain aux cavités photoniques. Habilitation à diriger des recherches Présentée par O. Gauthier- Lafaye. Jury : F. de Fornel DR, Lab. Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (rapporteur)

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De l’ ingéniérie quantique du gain aux cavités photoniques

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Presentation Transcript


De l ing ni rie quantique du gain aux cavit s photoniques

Université Paul Sabatier - Toulouse III

De l’ingéniérie quantique du gain aux cavités photoniques

Habilitation à diriger des recherches

Présentée par O. Gauthier-Lafaye

Jury : F. de FornelDR, Lab. Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (rapporteur)

X. LetartreDR, Institut des Nanotechnologies de Lyon (rapporteur)

F. Lozes-DupuyDR, Lab. Analyse et Architecture des Systèmes

A. MlayaProf., Centre d’Elaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales

A. RamdaneDR, Lab. de Physique des Nanostructures

E. TourniéProf., Institut d’Electronique du Sud (rapporteur)


Mon parcours

Mon parcours

  • 39 ans

  • Ingénieur ESPCI

  • Docteur Université Paris XI (IEF)

  • Ingénieur R&D Alcatel Opto+

  • Chercheur au CNRS

  • 39 publications dans des revues

  • > 100 communications dans des conférences

  • 4 directions ou co-directions de thèse (2 soutenues)

1972

1996

2000

2003

2007

2011


Les th mes scientifiques

Les thèmes scientifiques

  • Doctorat : transitions optiques inter-sous-bandes, hétéro-structures 2D à 0D

  • Alcatel : diodes laser 1.3µm, matériau de gain, cavités optiques DFB et FP, performances en modulation directe…

  • LAAS : cavités laser GaAs, technologies de fabrication, cavités à base de cristaux photoniques, nanocristaux de silicium, filtres à réseaux résonants…

Le Laser à semi-conducteur et la fonction d’onde

1972

1996

2000

2003

2007

2011


Plan de l expos

Plan de l’exposé

  • Parcours scientifique

  • Milieux de gain dans les lasers SC

    • Inter-sous-bande vs interbande

    • Confinement 2D, 1D ou 0D

  • Cavités laser

    • FP, DFB, C3?

    • Cavités à cristaux photoniques

  • Filtres à réseaux résonants

  • Perspectives


Laser conventionnel

Laser Conventionnel


Milieu gain

Milieu à gain

  • Gain dans un laser SC (cas 2D)

Espace réel

Espace réciproque


Probl matique du gain unipolaire

Problématique du gain unipolaire


Th se d monstration du laser fontaine quantique

Thèse : démonstration du laser à fontaine quantique

O. Gauthier-Lafaye et al., Appl. Phys. Lett. 71 (25), 3619 (1997).

O. Gauthier-Lafaye et al., Appl. Phys. Lett. 74 (11), 1537 (1999).


Gain bipolaire 1 3 m

Gain bipolaire à 1.3 µm

T0 (K)


Ingaasn sur gaas

InGaAsN sur GaAs

  • Gain espérés :

    • Extension en l / GaAs

    • Forts T0

    • Amélioration de dG/dN

  • Problématiques

    • Croissance

    • Modélisation

    • Optimisation design

GaInNAs: A NovelMaterial for Long-Wavelength-Range Laser Diodes with Excellent High-Temperature PerformanceMasahiko Kondow, KazuhisaUomi, AtsukoNiwa, TakeshiKitatani, SeijiWatahiki and YoshiakiYazawaJpn. J. Appl. Phys. 35 (1996) 1273


Ingaasn gaas

InGaAsN/GaAs

  • Une « brève conclusion »

    • InGaAsN très bon si [N]=0%

    • InGaAsN/InP : vers les grands lambda (> 1.6µm)

    • InGaAsN/GaAs :

      • Absorbant saturable réglable ?

      • Impact des barrières GaAsP : augmenter offset de bande de valence

  • Peut être pas aussi prometteur qu’espéré !!!


Bo tes quantiques gaas et inp

Boîtes quantiques / GaAs et InP

  • Apports espérés

    • Extension en λ/ GaAs

    • Faibles seuils

    • Insensibilité à la température

    • Lasers « Chirp-free »

  • Problématiques

    • Croissance

    • Modélisation

    • Optimisation

M. Henini, "Properties and applications of quantum dot heterostructures grown by molecular beam epitaxy," Nanoscale Research Letters, vol. 1, pp. 32-45, 2006


Bq inas gaas

BQ InAs/GaAs

  • Projet FP6 GSQ

    • Démonstration 1.3µm/GaAs

    • Evaluation potentiel telecom

  • Principaux résultats

    • Laser 1.3µm (EPFL)

    • Evaluations télécom

      • Lasers 2 couleurs

      • Facteur de Henry

      • Transmissions (BER)

A. Markus & al., Appl. Phys. Lett. 82, pp. 1818, 2003

A. Markus et al., IEEE JSTQE, vol. 9, pp. 1308, 2003.


Plan de l expos1

Plan de l’exposé

  • Parcours scientifique

  • Milieux de gain dans les lasers SC

    • Inter-sous-bande vs interbande

    • Confinement 2D, 1D ou 0D

  • Cavités laser

    • FP, DFB, C3?

    • Cavités à cristaux photoniques

  • Filtres à réseaux résonants

  • Perspectives


Le r le de la cavit optique

Le rôle de la cavité optique

  • Pertes

  • Rendement différentiel

  • Gain différentiel

  • Modulation


Cavit s optimis es pour les t l com optiques

Cavités optimisées pour les télécom optiques

  • PQ InAsP/InP

    • Nqw optimisé

    • PQ contraints (-1.4%)

    • Cavité faible pertes

  • Cavité DFB

    • 10 Gbit/s impossible en FP

    • Detuning optimisé

    • Fort K -> dG/dN et ωrelevés

    • Rendement monomode OK

    • Seuils et rendement corrects

O. Gauthier-Lafaye & al.," El. Lett., vol. 38, pp. 275-7, 2002.


Cavit s tout cristal photonique

Cavités tout Cristal Photonique

  • Cristal photonique

    • Confinement ultime des photons

    • Maîtrise de la dispersion

    • Intégration planaire

  • Projet CNRS

    • « sources laser planaires à cristaux photoniques,compatibles avecune intégration planaire dans dessystèmes photoniques »


Source laser tout cp

Source laser « tout CP »

  • Projet RNRT Cristel

    • Pompage optique

      • Obtention de l’effet laser

      • Mise en évidence de l’effet DFB

    • Pompage électrique

      • Cavités W5

      • Cavités DFB ou couplées

X. Checoury et al., IEEE JSTQE 11(5), 1180 (2005).


Source laser tout cp1

Source laser « tout CP »

  • Projet RNRT Cristel

    • Pompage optique

      • Obtention de l’effet laser

      • Mise en évidence de l’effet DFB

    • Pompage électrique

      • Cavités W3 et W5 ГK

      • Cavités en réseaux carrés

    • Stabilité modale ? Accordabilité ?


Et un composant tout cp sur gaas

Et un composant tout CP sur GaAs

  • Massif :

  • Technologie problématique

  • Pompage électrique

  • Procédé « long »,

  • appelle des architectures « stabilisées »

  • Membrane :

  • Technologie « simple »

  • Pompage optique

  • Exploration de schémas de cavité


Laser tout cp sur gaas

Laser tout CP sur GaAs

Dry etching (ICP Cl2/N2)

MBE growth

E-beamlithography

Thinning, cleaving

Wetetching


Dfb tout cp sur gaas

DFB tout CP sur GaAs


Accordabilit

Accordabilité

  • Par déformation affine

Alexandre Larrue et al., IEEE Phot. Tech. Lett. 20 (24), 2120 (2008).


Optimisation compl te

Optimisation complète


Robustesse modale

Robustesse modale

Alexandre Larrue et al., accepté dans IEEE JSTQE.


Et un composant tout cp pompage lectrique

Et un composant tout CP à pompage électrique ?

Bulk

Membrane

T. D. Happ, APL, 2001.

ANR CRISPI, coll. IES Montpellier


Process lasers c3

Process Lasers C3


Composant c3 sur gaas

Composant C3 sur GaAs

Accordabilité fine et par sauts

Ith=25mA η =0.27W/A


Vers des lasers tout cp

Vers des lasers tout CP

  • Sur GaAs, λ~1µm

    • a~300 nm

    • Φ~ 150 nm

    • h~2.5µm

  • Gravure avec un facteur d’aspect ~ 15


Process flow technologique

Process flow technologique

200 nm

SiO

2

50 nm

Cr

500 nm

SiO

2

GaAs

ou

AlGaAs

/

GaAs

Empilement

Enduction Zep 520

Gravure ICP

-

RIE 200nm SiO

2

Lithographie

(CHF

)

3

électronique

Gravure ICP

-

RIE 50nm Cr

Gravure ICP

-

RIE 500nm SiO

Gravure ICP-RIEGaAs

  • Multi-step Cl2/N2-O2-N2

2

(

Cl

/N

/O

)

(CF

/O

)

2

2

2

4

2

Validation sur des motifs nanométriques

Optimisation de la verticalité des flancs


R sultats cl s

Résultats clés

SIO2

Cr

Φ = 300nm

2.48µm

SIO2

120 nm

200 nm

GaAs

~6°

Alexandre Larrue et al., Journal of Vacuum Science and Technology B 29 (2), 021006 (2011).


Plan de l expos2

Plan de l’exposé

  • Parcours scientifique

  • Milieux de gain dans les lasers SC

    • Inter-sous-bande vs interbande

    • Confinement 2D, 1D ou 0D

  • Cavités laser

    • FP, DFB, C3?

    • Cavités à cristaux photoniques

  • Filtres à réseaux résonants

  • Perspectives


Motivations

Motivations

  • Technologie silicium

    • Bien maitrisée

    • Disponible au LAAS

    • Substrat de qualité optique visible

  • Peu de composants « nanophotoniques » sur verre

    • Besoins en instrumentation

    • Contraste d’indice faible

      • Composants de grande surface ?

      • Etudes complémentaires / III-V


Principe des filtres r seaux r sonants

Principe des filtres à réseaux résonants

couplage

découplage

Mode guidé

+

Mode guidé

réseau


Ind pendance la polarisation

Indépendance à la polarisation

  • Autres solutions:

    • Géométrie du réseau (2 atomes par maille)

    • 2 guides d’onde

p

k+

k-

E-

E+

Symmetric TE mode

k+

k-

E+

s

E-

Anti-symmetric TE mode


Sch ma de principe retenu

Schéma de principe retenu

  • Réseau :

    • Période 590nm

    • trous ~ 120 nm

  • Traitement AR :

    • 2 couches

    • AR ~ 1% @850 nm


Meilleurs r sultats

Meilleurs résultats

S. Hernandez et al., Appl. Phys. Lett., vol. 92, pp. 131112, 2008.

Rmax = 54 % (95% th.) FWHM = 0.38 nm (0.22 th.)


Analyse fine de d fauts

Analyse fine de défauts

  • La réponse du filtre est l’intégrale des réponses locales

A.-L. Fehrembach et al., JOSA A, vol. 27, pp. 1535, 2010.


Une nouvelle g n ration le 1d crois

Une nouvelle génération : le 1D croisé

  • Réseaux 1D croisés

    • Insensible à la polarisation

  • Changement de paradigme

    • Passer de 2 modes orthogonaux dégénérés en un point

    • à 2 modes quasi dégénérés orthogonaux en un point

O. Gauthier-Lafaye et al., demande de brevet en cours

K. Chan shinyu & al., accepté dans OpticsLetters


Plan de l expos3

Plan de l’exposé

  • Parcours scientifique

  • Milieux de gain dans les lasers SC

    • Inter-sous-bande vs interbande

    • Confinement 2D, 1D ou 0D

  • Cavités laser

    • FP, DFB, C3?

    • Cavités à cristaux photoniques

  • Filtres à réseaux résonants

  • Perspectives


Recherche en composants photoniques

Recherche en composants photoniques

Pertinence

Impact sur les travaux

Composants

Réalisme

Concepts génériques

Application

Fonctionnalités

Intégrables

Fabrication

Filières technologiques

Matériaux

Caractéristiques optiques

Axe de recherche vers l’intégration de fonctionnalités :

vers du more than Moore photonique


Orientation des travaux

Orientation des travaux

Impact sur les travaux

Concepts génériques

Cristal photonique planaire

Intégrables

Filières technologiques

Technologies Si et III/V

Matériaux

Hybridation/Report ?

Technologies hybrides

Intégration hybride

Caractéristiques optiques


Int gration fonctionnelle sur iii v

Intégration fonctionnelle sur III/V

  • Matériaux de gain

    • Auto-assemblage organisé

    • Guérison des défauts induits

  • Nouvelles structures laser

  • Compensation de dispersion

    • Lasers impulsionnels

    • Emission large bande

  • Lasers tout CP à pompage électrique

Flat surface

Patterned surface

[-110]

2µm

2µm


Technologies hybrides alternatives

Technologies hybrides/alternatives

  • Composants photoniques/verre

    • Réseaux résonants et lasers

    • Cavités bas indice

    • Emetteurs hybrides

  • Résonateurs haute qualité

    • Opto-fluidique

Nitrogen bubble network with 3 bubbles defect


Conclusion

Conclusion

  • Développer une intégration fonctionnelle optique

    • Avec des principes amont et génériques

      • Cristaux photoniques et structures périodiques

      • Collaborations avec théoriciens

    • Sur SC III/V

      • Structures actives (lasers) en intégration planaire

      • Collaborations internes et externes

    • Avancer dans le domaine de l’hybridation technologique

      • Structures alternatives (Si3N4, bulles, nanocristaux)

      • Technologies alternatives

  • Pour réaliser des composants avancés multifonctionnels


Merci

Merci…..

  • De votre attention

  • A tous ceux et toutes celles qui m’ont aidé dans ces travaux, à commencer parFrédo, V. Berger, F. H. Julien, J.-M. Lourtioz, B. Thedrez, F. Lozes, S. Bonnefont, P. Arguel, A. Monmayrant, M. Boutillier, S. Hernandez, O. Bouchard, A. Larrue, J. Campos, X. Buet, C. Fontaine, G. Almuneau,tous les doctorants passés et à venir, l’équipe du service TEAM, 2I en général et X. Dollat et C. Tourte en particulier…


Rapport amra photonique cnrs et insis

Rapport « Amra » photonique CNRS et INSIS

7 . NANOSTRUCTURES PHOTONIQUES

L’intégration d’une structure sub-longueur d’onde au sein de composants et dispositifs photoniques

permet d’atteindre un contrôle ultime de la lumière. Un tel contrôle s’entend à la fois dans le domaine spatial (confinement ultime) et dans le domaine temporel (contrôle du temps de stockage des photons). … il est nécessaire de modéliser le fonctionnement de ces composants optiques ultimes et complexes. … Ensuite, il

est bien souvent nécessaire de recourir à des outils de nanofabrication performants et reproductibles.

Enfin, l’utilisation de moyens de nanocaractérisation adaptés…

Depuis une dizaine d’années, ces différents outils sont développés et accessibles, ce qui permet au domaine des « nanostructures photoniques » de

poursuivre son expansion.

8 . SOURCES DE LUMIERE

Avec l’apparition du laser dans les années 60 et des sources à base de matériaux semi-conducteur, les technologies disponibles pour la génération de lumière ont connu une véritable explosion. Ces

progrès ont conduit à l’apparition de nouveaux outils qui sont aujourd’hui incontournables dans de nombreux domaines d’application : télécommunications, médical, procédés industriels, instruments scientifiques, défense et sécurité…

Ces sources de lumière sont basées sur de véritables ruptures technologiques qui doivent encore progresser afin d’aboutir à des systèmes encore plus performants ou offrant des fonctionnalités nouvelles.


Comment faire laser ces structures

Comment faire laser ces structures ?

  • Utiliser les filtres comme réflecteur externe

    • Thèse X. Buet, en cours

  • Un laser compatible silicium ?

    • Hybridation de matériaux sur composés compatibles Si?

    • Nanocristaux de silicium

    • Epitaxie III-V sur silicium

    • Report de couches III-V sur silicium

      • Continuer sur III-V à développer des nouveaux concepts de lasers ?


Vers un laser de type dfb cavit w2 3 m

Analyse par la théorie des modes couplés

S. Olivier, H. Benisty, et al.,

Opt. Express, 2003, 11, 13, pp. 1490-1496

th.= 400cm-1

Vers un laser de type DFB cavité W2-3 ΓM

  • Travailler au repliement :

    • Structure « corruguée » de type DFB


W2 3 m tude xp rimentale

Détermination expérimentale

exp.= 440cm-1

W2-3 ΓM : étude éxpérimentale

Projet RNRT CRISTEL : pompage optique d’un guide W2-3 ΓM (IEF)


Probl matique du gain unipolaire1

Problématique du gain unipolaire


Polarization insensitivity

R

s

p

i

,2 cos()

0

Polarization insensitivity

  • Polarization insensitivity can be achieved using:

  • e12 = 0

  • cos(f) = 0


Miroirs lat raux vs traversant

Miroirs latéraux vs traversant

Miroirs latéraux

Miroirs traversants

  • Miroirs latéraux : faible R, fortes pertes

  • Miroir traversant : fort R, faibles pertes


Miroirs lat raux

Miroirs latéraux


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