Cahier des charges d‟un switch tout optique

Nous cherchons à concevoir un Switch tout optique à cristaux photoniques exploitant un effet non-linéaire, qui fonctionne dans la bande des longueurs d‟ondes télécoms . Ce dispositif doit présenter une minimisation de la puissance nécessaire à la commutation et être le plus compacte possible avec une facilité d‟intégration aux circuits d‟optiques intégrées existants.Ce commutateur doit exhiber un contraste d‟intensité significatif (>50%) entre ses deux états « ON et OFF » avec un temps de réponse assez rapide.

IV.3.4 Description de la structure étudiée : a. Structure initiale :

La structure initiale (Figure IV.6), est un réseau triangulaire de trous d‟air gravé dans un substrat silicium sur isolant (Silicon On Insulator, SOI) .C‟est un substrat semi-conducteur constitué d‟un empilement d‟une couche de silicium (Si) sur une couche de silice (SiO₂).il offre un fort potentiel dans le domaine de l‟optique intégrée.L‟indice de réfraction élevé du silicium et sa transparence aux longueurs d‟onde des télécommunications ( ) permettent la création de guides d‟ondes à fort confinement du champ électromagnétique car il est caractérisé par un contraste d‟indice important ( ).Les trous sont gravés dans une

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couche de de Si (n= 3.46) sur une couche enterrée de de SiO₂ (n=1.443) suffisamment épaisse pour réduire très fortement les pertes vers le substrat de silicium [18].

Comme il a été mentionné au paragraphe (§ II.3.4.1), pour ce type de substrat une gravure approche membrane est la mieux adaptée.

Figure IV.6: Représentation schématique de la structure initiale. Réseau triangulaire de trous d‟air un

substrat SOI. (a) Vue de haut du design (b) Vue latérale.

L‟approximation de l‟indice effectif a été exploitée pour simplifier le calcul en 3D en un calcul en 2D qui nécessite beaucoup moins de ressources informatiques via le logiciel « 2D Effective Index Mode Solver »[19] .L‟ indice effectif dépend fortement de l‟épaisseur de la couche de Si .Pour un mode TE et une longueur d‟onde de 1.55 , l‟indice effectif n_eff de la structure membranaire est de 3.1 ( =9.61),ce résultat est en accord avec celui de la littérature [18].

b. CP non-linéaire hybride :

Le cristal photonique non-linéaire (CP-NL) hybride (c‟est-à-dire pouvant guider par effet bandes interdites mais aussi par réflexion totale),est la structure initiale du CP 2D planaire SOI combiné avec un polymère. Les trous d‟air de la ligne centrale sont infiltrés par du polystyrène (PS, n=1.59) qui représente le milieu non linéaire à effet Kerr (Figure IV.7) .Le choix d‟une membrane hybride multicouche composée de ces matériaux a été motivé en grande partie par le fait que :

Le polystyrène est un polymère organique caractérisé par son coefficient Kerr non linéaire important ( ), sa vitesse de réponse ultrarapide (quelque femto seconde) ainsi que son faible cout. Mais les CP-NL à polystyrène présentent un inconvénient, celui de la difficulté d‟intégration avec d‟autres circuits optiques, en particulier (a) (b) Air Vue-latérale Substrat SOI

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ils sont incompatibles avec la photonique en silicium. Les CPs 2D planaire en silicium sont des excellents candidats pour la fabrication des circuits intégrés tout-optique, cependant leurs propriétés optiques non linéaires sont relativement faible et lent ce qui empêche le progrès de réduction de la puissance et le temps de réponse de commutation. Pour remédier à ce problème il a fallu combiner ces deux derniers, donc on a l‟avantage de l‟important contraste d‟indice du silicium, la non linéarité élevé du polystyrène et la facilité d‟intégration avec d‟autres composants optiques à silicium.

Figure IV.7: Représentation schématique du CP non-linéaire hybride conçu par infiltration du

polystyrène (PS) dans les trous centraux d‟un substrat SOI (marqué en noir). (a) Vue de haut du design (b) Vue latérale du substrat hybride (PS-SOI).

Le rayon de trou est r = 0,42a où a=0.465 est la constante du réseau. La méthode des ondes planes (PWM) 2D est utilisée pour modéliser le diagramme de dispersion montrant les fréquences normalisées en fonction du vecteur d'onde ( , Μ, Κ, ) (Figure IV.8). Le diagramme de bande illustre un intervalle de bande pour les modes TE et TM. Pour le mode TE, la BIP s'étend entre les fréquences normalisées ce qui correspond à une plage de longueurs d‟onde .

Polystyrène (PS) Air

Substrat SOI

Vue-latérale

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Figure IV.8: Courbe de dispersion de la structure photonique initiale, BIP pour le mode TE

([0.27-0.321] ), .

c. Conception du Switch tout optique :

La structure du commutateur tout optique représente un filtre composé d'une cavité non-linéaire résonante couplée à deux guides d‟onde qui constituent les ports entrée/sortie (Figure IV.9). Ces derniers ont été conçus en modifiant le rayon des trous qui les constituent au lieu de les omettre dans le but d‟augmenter l‟interaction lumière-matière afin d‟améliorer la non linéarité [20].Notre choix s‟est porté sur cette structure pour ces caractéristiques suivantes:

 Facilité d‟intégration du dispositif car il présente 2 ports entrée/sortie ;

 Capacité d‟atteindre une transmission de 100% pour la condition de résonance si on néglige la perte de rayonnement de la cavité vers la direction verticale ;

 Puisque la puissance de commutation est proportionnelle à ( ), ce système est idéal pour les commutateurs à faible puissance.

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Figure IV.9: Tracé d'un système composé d‟un résonateur optique couplé symétriquement à un port

Entrée/Sortie. Guide d‟onde 1 d‟entrée monomode avec amplitude du champ entrée/sortie , Guide d‟onde 2 de sortie monomode avec amplitude du champ entrée/sortie , un mode de résonance monomode

d‟amplitude de champ A et de fréquence , un temps de réponse [21].

Le CP comprend deux tronçons de guides conçus en modifiant le rayon des trous ( ) entre lesquels a été disposée une cavité à défaut ponctuel de substitution (augmentation de taille =0.5a) suivant la direction ГK du guide. Trois motifs ont également été disposés de part et d‟autre pour former une sorte de miroirs. Le fait de juxtaposée la cavité aux guides, cela va aboutir à une interaction latérale des modes de la cavité avec les modes du guide .Ce couplage permet d‟extraire une ou plusieurs fréquences qui peuvent être redirigée, de manière directive, vers le second guide également juxtaposée à la cavité. Donc seule la lumière dont la longueur d‟onde correspond à la résonance de la cavité sera transmise à travers le guide d‟onde de sortie par « effet tunnel résonant » [22].