A partir des paramètres fixés dans le tableau 3 et des différentes propriétés d’une micro-cavité Fabry–Perot contenant des absorbants saturables, on peut déjà en déduire quelques lignes directrices qui nous serviront pour la conception et la fabrication d’un composant optimal.
- Diminution du temps de réponse
Le débit du signal à traiter va imposer le temps de réponse maximum du composant. On a pu voir à la page 21, que le composant doit présenter, au maximum, un temps de réponse quatre fois inférieur au temps bit, soit 6 ps à 40 Gbits/s. Le temps de recouvrement d’un puits quantique classique étant 1 000 fois plus grand, il est nécessaire d’utiliser une des techniques exposées au chapitre 2 (section I.C) pour atteindre le temps de réponse désiré. Pour des raisons à la fois techniques et historiques, nous avons opté pour l’irradiation aux ions lourds. Cette technique est étudiée depuis de nombreuses années à l’IEF et au LPN (anciennement
CNET-Bagneux), et est très bien maîtrisée. Outre ce savoir-faire, cette technique permet d’obtenir précisément des temps de réponse de quelques dizaines de picoseconde à des temps inférieurs à la picoseconde, en modifiant seulement la dose d’irradiation. De plus, comme cette technique est utilisée après la croissance des couches semiconductrices (méthode ex-situ), elle permet d’obtenir des composants ayant différents temps de réponse à partir d’une seule et même plaque de croissance, ce qui n’est pas le cas pour les méthodes utilisant le dopage ou la croissance basse température, d’où une plus grande flexibilité pour mener nos recherches. Enfin, l’implanteur ionique étant situé sur le campus de l’université d’Orsay, nous y avons accès facilement et très rapidement.
- Puissance de fonctionnement faible
Un fonctionnement du composant AS avec des puissances en ligne de quelques dBm im-plique une puissance de commutation au plus du même ordre de grandeur. Nous avons mon-tré au chapitre précèdent que l’utilisation d’une cavité Fabry–Perot permet de diminuer cette puissance grâce à l’exaltation du champ optique intra-cavité. Comme nous le montrerons dans le chapitre suivant, cette diminution est d’autant plus importante que la finesse de la cavité est grande. Cela peut facilement s’interpréter par le lien entre la finesse et les inter-actions onde-matière. Plus la finesse est grande et plus ces interinter-actions sont importantes, ce qui a pour conséquence immédiate une diminution de la puissance de commutation. L’équa-tion (2.23) page 56 montre que pour augmenter la finesse il est nécessaire de faire tendre Rba vers 1 (Rf doit impérativement être inférieur à 1 pour permettre au faisceau optique de rentrer dans la cavité). Cela signifie que pour diminuer la puissance de commutation il faut que Rb soit proche de 1 et que l’absorption soit faible [cf. Eq. (2.18)], c’est à dire que le composant doit contenir un faible nombre de puits quantiques. Ces deux conditions sont démontrées sur la figure 36.a où l’on voit la finesse augmenter avec la diminution du nombre de puits et l’augmentation de Rb.
a) b)
Fig. 36 – a) Finesse d’une microcavité Fabry–Perot en fonction du nombre de puits quantiques et pour plusieurs valeurs de Rbet Rf. b) Evolutions du contraste (courbes) et des pertes d’insertion (symboles) d’une cavité en fonction de la réflectivité du miroir arrière et pour plusieurs valeurs de Nqwet de Rf.
- Large bande passante
La bande passante du composant est définie comme la largeur spectrale permettant d’obtenir une amélioration du taux de contraste suffisante (ici de 3 à 5 dB). Plus cette bande passante sera large et plus grand sera le nombre de longueurs d’onde que le composant pourra traiter en parallèle. Pour obtenir une grande bande passante il est donc nécessaire que la microcavité Fabry–Perot présente une large résonance de cavité. Or, d’après l’équation (2.21) page 56,
la résonance est d’autant plus large que l’épaisseur optique Lopde la microcavité est faible. Cela implique que les composants doivent avoir un Lopaussi faible que possible. Cependant, l’augmentation de la largeur de la résonance se fait au détriment de la finesse [cf. Eq. (2.23) page 56] et donc entraîne une augmentation de la puissance de commutation. Un compromis est donc nécessaire entre la bande passante du composant et sa puissance de commutation.
- Amélioration du taux d’extinction
L’amélioration du taux d’extinction va dépendre à la fois du signal incident (puissance moyenne et taux d’extinction initial) et du composant (puissance de commutation et contraste). Afin d’obtenir une amélioration du taux d’extinction suffisante sur une large bande spectrale, le contraste maximal du composant AS doit être supérieur à 5 dB. Pour satisfaire cette condi-tion, un bon compromis est d’avoir un Rmin de l’ordre de quelques %. Il faut cependant éviter une trop importante amélioration du taux d’extinction, car ceci entraînerait une com-pression des impulsions (à cause de la supcom-pression des « ailes » des impulsions [3]) néfaste à la propagation du signal. Il faut donc éviter de fonctionner trop près de l’adaptation d’impé-dance. La figure 36.b montre la variation du contraste en fonction des paramètres Nqw, Rf et Rb.
- Faibles pertes d’insertion
Les pertes d’insertion, définies comme le rapport entre la puissance moyenne de sortie et la puissance moyenne d’entrée, doivent être aussi faibles que possible afin de limiter l’utilisa-tion de l’amplifical’utilisa-tion, générateur de bruit optique. Cela signifie que la microcavité doit pré-senter une réflexion dans l’état passant aussi proche de 100 % que possible. Ceci est possible lorsque Rmaxtend vers 1 [cf. Eq. (2.27)]. Pour y parvenir, deux solutions sont envisageables, soit Rf=1 ou soit Rb=1. Si Rf=1, le faisceau ne pourra pas rentrer dans la cavité optique, et donc aucun effet d’absorption non-linéaire ne sera possible. Par conséquent, on en déduit que pour minimiser les pertes d’insertion, il est nécessaire d’avoir un miroir arrière avec une réflectivité aussi proche de 1 que possible, comme il est montré sur la figure 36.b. On peut noter que des pertes d’insertion nulles sont impossibles à obtenir ne serait-ce qu’à cause de l’absorption non-saturable des puits quantiques.
- Amélioration de la dissipation thermique
Comme on le verra dans la suite de ce chapitre, la quasi totalité de la chaleur est produite au niveau de la couche active, c’est à dire par les puits quantiques. Pour que cette chaleur puisse rapidement s’évacuer, il est nécessaire d’avoir un composant ayant une résistance thermique (Rth) faible. La principale voie d’évacuation de la chaleur étant la face arrière du composant, c’est à dire via le miroir arrière et le substrat hôte, il est donc important d’utiliser des matériaux de bonne conductivité thermique. En conséquence, outre la nécessité d’avoir une haute réflectivité, le miroir arrière devra aussi présenter une bonne conductivité thermique.
- Insensibilité à la polarisation
Afin d’éviter tout dichroïsme d’absorption, il est nécessaire de privilégier les puits quantiques ayant des atomes communs tel que InGaAs/InAlAs (cf. page 48). Enfin, l’utilisation du com-posant à incidence normale permet d’obtenir une réflectivité indépendante de la polarisation du signal.
Le tableau 4 récapitule les différents axes de recherche envisagés dans le but d’optimiser le fonctionnement du composant AS.
Tab. 4 – Solutions retenues pour l’optimisation du composant à absorbants saturables.
Optimisations conséquences
Lopfaible BP %
Rb−→ 1 Pi& et Psat&
Rmin∼ qq % contraste mesuré adéquate
faible nombre de puits Psat& mais BP &
Rth& bonne dissipation thermique
irradiation ionique τ &
QW avec atomes communs dichroïsme d’absorption nul