Géométrie des guides passifs

100 101 10² 1.4x1017 5.4x1017 Longueur d'onde (µm) Coefficient d'absor ption (cm -1 ) 100 101 102 4x1016 2x1017 4x1017 (a) (b) 1 10 100

Figure 1.25 – Coefficients d’absorption de (a) l’In_0.9Ga_0.1As [84] et de (b) l’InP [85] pour différents dopages à une température de 300K.

1.4.2 Géométrie des guides passifs

Confinement vertical

La plateforme photonique basée sur des guides d’onde en InGaAs et InP recevra à terme une structure active située au dessus du guide passif. Pour des raisons qui seront évoquées plus en détail dans le chapitre 3 du manuscrit, une couche tampon d’InP est utilisée entre la zone active et la couche guidante d’InGaAs. Cette couche joue le rôle d’isolateur optique afin que le mode optique du laser se recouvre bien avec les puits quantiques et ne fuit pas vers le guide en InGaAs possédant un indice effectif proche. La structure de la figure 1.26 a été simplifiée. Les couches non-représentées de faibles épaisseurs influent faiblement sur l’indice effectif du mode et n’ont pas été inclues dans la simulation. La zone active est basée sur un dessin de référence utilisé pour la calibration du bâti de croissance. La zone active émettant à

7,4 µm a une épaisseur de 2,1 µm. La gaine supérieure compatible avec les réseaux DFB a une épaisseur typique de 3 µm. L’épaisseur e du guide en InGaAs ainsi que l’épaisseur t de la couche tampon intermédiaire s’étalant entre le guide passif et le bas de la zone active sont à déterminer.

Figure 1.26 – (a) Coupe transverse du guide comportant la partie active et la partie passive en superposition. (b) Coupe transverse du guide seul avec définition des dimensions importantes.

L’épaisseur de la couche guidante e est fixée par le choix de l’indice effectif du guide passif, compris entre deux valeurs limites. La borne supérieure est fixée par l’indice effectif du mode laser afin que le mode de la cavité laser garde un bon recouvrement avec les puits quantiques. La borne inférieure est fixée par l’indice du substrat afin que le mode du guide passif soit suffisamment confiné dans la couche d’InGaAs et ainsi limiter les pertes par porteurs libres apportées par le substrat. L’épaisseur devra satisfaire l’encadrement suivant

n^substrat < n^{guide passif}_eff < n^{guide laser}_eff

Les résultats de simulation réalisés sous Fimmwave par la méthode des éléments finis sont représentés sur la figure 1.27(a) afin de suivre l’évolution de l’indice en fonction de l’épaisseur du guide. L’indice effectif du mode du guide laser seul à 3,177 et l’indice optique du substrat à 3,084 sont également représentés. L’épaisseur e se trouve encadrée entre une épaisseur minimale de 0,6 µm et une épaisseur maximale de 1,05 µm. Afin de confiner davantage le mode dans la couche d’InGaAs et de réduire les pertes par absorption dans le substrat, une épaisseur e de 0,9 µm est retenue.

L’épaisseur t est choisie en suivant le coefficient de recouvrement du mode du guide laser avec la couche en InGaAs. L’épaisseur t de la couche intermédiaire devra être à la fois suffisamment fine pour coupler les deux modes dans des longueurs de propagation inférieures à 1 mm et suffisamment épaisse pour conserver un bon recouvrement du mode laser avec la zone active. Pour ce premier dimensionnement, une valeur seuil de 5 % de recouvrement du mode laser dans le guide passif est retenue. A partir de la figure 1.27(b), une épaisseur t de 2,4 µm est alors choisie. A titre d’exemple, les profils d’intensité du mode fondamental TM sont représentés sur la figure 1.28. La présence du guide délocalise une partie du mode vers le guide passif et fait intervenir des super-modes, combinaisons des modes des guides LCQ et passif.

Nous avons ainsi déterminer les épaisseurs e de 0,9 µm et t de 2,4 µm des couches d’InGaAs et d’InP respectivement. Nous pouvons maintenant déterminer les diffé-rents régimes de fonctionnement du guide passif en fonction de sa largeur.

1.4. Développement d’une filière III-V pour guide passif (µm) Epaisseur t (µm) t 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 Recouvr ement (%) 0 2.5 5 7.5 10 Epaisseur e 0.5 1 1.5 2 2.5 Indice effectif 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35

n_eff^{guide laser}

nsubstrat

e

(a) (b)

(µm)

Figure 1.27 – (a) Indice effectif du guide passif en fonction de l’épaisseur e de la couche d’InGaAs, encadré par l’indice effectif du guide laser et l’indice du substrat. (b) Recouvrement spatial du mode de la cavité laser avec le guide passif en fonction de l’épaisseur t de la couche tampon.

Horizontal (µm) 0 5 10 15 20 25 0 8 2 12 4 10 6 14 Vertical (µm) (a) Horizontal (µm) 0 5 10 15 20 25 0 8 2 12 4 10 6 14 _(b)

Figure 1.28 – Profil de l’intensité du mode fondamental TM confiné dans le guide laser (a) avec et (b) sans la présence du guide passif. Le recouvrement du mode avec la couche d’InGaAs passe de 0,4 à 4,8 %.

Confinement horizontal

Il est nécessaire d’avoir un guide d’onde mono-mode pour réaliser des fonctions complexes de filtrages spatial et spectral. Ces fonctions sont dépendantes de l’indice effectif du mode et sont généralement réalisées que pour un seul mode. Des modes d’ordres supérieurs ayant des indices trop proches présentent des sources potentielles de couplage. Le confinement horizontal du mode est assuré par la gravure latérale du guide. La figure 1.29 regroupe les différents régimes de fonctionnement du guide en fonction de sa largeur et la la longueur d’onde, pour des modes en polarisations quasi-TE et quasi-TM. Nous pouvons le diviser en trois zones. La zone de coupure est celle où la longueur d’onde devient trop grande devant la largeur du guide telle que la lumière n’est plus guidée. La zone opposée délimitée par la courbe jaune définit la limite à partir de laquelle des modes d’ordres supérieures apparaissent. Un guide d’onde plus étroit réduira le nombre de modes guidés pouvant se propa-ger à une longueur d’onde fixée. Ces résultats sont issus d’un solveur numérique et peuvent être mis en relation par rapport à ceux présentés dans la section 1.1.2. La dernière zone nous intéressant le plus se situe entre la courbe orange et la courbe

jaune. Elle correspond à un fonctionnement mono-mode du guide d’onde avec une cohabitation des modes fondamentaux TE et TM. L’intersection entre la courbe bleue et la courbe orange correspond à l’annulation de la biréfringence, point inté-ressant pour obtenir un accord de phase entre les deux polarisations et augmenter les effets non-linéaires liés à l’interaction des deux ondes dans le guide. Pour une géométrie donnée, le caractère mono-mode du guide ne peut être assuré que sur une plage limitée de longueur d’onde. Garantir un fonctionnement mono-mode du guide sur la plage de longueur d’onde [3 - 10 µm] tout en garantissant de faibles pertes de propagation est réalisable en adaptant la largeur du guide. Trois largeurs différentes permettent de couvrir toute cette plage : un guide de 2,5 µm pour la plage [2-5 µm], un guide de 5 µm pour la plage [5-8 µm] et un guide de 8 µm pour la plage [7-10

µm]. Plusieurs largeurs de guide seront réalisées expérimentalement pour vérifier

le fonctionnement mono-mode et estimer les pertes de propagation du guide. Deux méthodes de définition des guides par gravure humide et par gravure sèche seront également comparées. Largeur de guide (µm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Longu eur d'o nde (µm) 3 4 5 6 7 8 9