2.4 Multiplexage spectral sur filière SiGe gradué
2.4.1 Multiplexeur AWG à bande spectrale étroite
Description
La fabrication des puces est réalisée au CEA LETI et suit le procédé des réfé-rences [108, 109]. La technologie est compatible avec les lignes de production CMOS et est réalisée sur substrat de 200 mm. La structure verticale repose sur le guide SiGe de composition graduée, enterré dans du silicium. La concentration maximale en silicium atteint 60% au centre du coeur. Les guides sont définis par lithographie conventionnelle et gravure RIE profonde suivant le procédé décrit dans [58]. La puce testée est détaillée sur la figure 2.34.
(a) (b)
Voies d'entrée Voies de sortie Section de phase Guide planaire d'entrée Guide planaire de sortie
Figure 2.34 – (a) Vue générale de la puce testée comportant quatre mul-tiplexeurs AWG sur substrat silicium. (b) Détail des différentes structures composant l’AWG.
Le multiplexeur comporte 35 entrées. Les guides ont une largeur de 4,6 µm pour un fonctionnement mono-mode sur la plage [5,55 - 5,88 µm]. Afin de caractériser une gamme spectrale plus large, 17 sorties sont présentes, couvrant de -48 à +48 cm−1 espacées de 6 cm−1. Le réseau de guides contrôlant la phase comporte 131 guides de 4,8 µm de large. Les guides en sortie de la seconde zone de propagation libre possèdent des MMI de 9 µm de large pour une meilleure adaptation du mode à la sortie de la seconde zone de propagation libre. L’élargissement du guide à cet endroit permet également d’aplanir la fonction de transfert au détriment d’une légère perte de transmission [122]. Les spectres simulés représentés sur la figure 2.35 indiquent des pertes d’insertion de 5 dB au centre de la plage. L’intersection intervoie et le taux de réjection sont de 10 dB et de 45 dB respectivement. La planéité interbande est de 4 dB et l’espacement intervoie est choisi en fonction d’une barrette d’émetteurs désignée au nombre d’onde central de 1750 cm−1 et au pas constant de 3 cm−1. Cet espacement intervoie ayant été fixé constant en nombre d’onde, l’unité la plus adaptée pour l’analyse des résultats est le nombre d’onde.
Mesures
Les mesures ont été réalisées sur le banc de caractérisation de la figure 2.16 pour une polarisation quasi-TM du laser injecté dans les sorties communes de l’AWG. La transmission absolue est obtenue par mesure des spectres aux différentes entrées de l’AWG et par comparaison avec le spectre d’un guide d’onde de référence situé sur la même puce. Les spectres de 9 sorties consécutives sont montrés sur la figure
T ransmission (dB) 0 -20 -40 -60 -80 -100 Longueur d'onde (µm) 5.6 5.65 5.7 5.75 5.8 5.85 1769.9 1785.7 1754.4 1739.1 1724.1 1709.4 Nombre d'onde (cm)
Figure 2.35 – Spectres de transmission simulés des 35 voies adjacentes espa-cées de 3 cm−1 de l’AWG centré à 1750 cm−1.
2.36(a). Le niveau de transmission de l’AWG est équivalent entre les voies et égal à 5 dB. L’intersection intervoie quant à elle autour de 6 dB. Les données expérimen-tales sont ajustées avec des courbes gaussiennes pour déterminer la position centrale des spectres de chaque voie. En comparant les valeurs théoriques avec celles expéri-mentales, un décalage constant de 3,5 cm−1 est présent comme montré sur la figure 2.36(b). Les points expérimentaux concordent avec une droite de pente 1,01 proche de la pente unité théorique. Le modèle utilisé pour les indices des matériaux repro-duit fidèlement les variations de l’indice avec la longueur d’onde mais possède un décalage constant sur toute la gamme. Les performances sont comparables avec les résultats déjà publiés sur cette plateforme à 4,5 et 7,4 µm, démontrant un niveau de maturité élevé et la capacité de réaliser des multiplexeurs AWG sur toute la gamme spectrale [4,5 - 7,4 µm]. (a) (b) 5.68 5.61 5.55 5.49 5.43 Longueur d'onde (µm) sortie théorie expérimental fit linéaire y = 1.01x+y0
Figure 2.36 – (a) Spectres de transmission de neuf voies adjacentes de l’AWG par injection dans la sortie +36 cm−1. (b) Nombre d’onde mesuré en fonction du nombre d’onde cible.
Le laser FP utilisé émettant à 1800 cm−1 possède une largeur spectrale de 60 cm−1, inférieure à la gamme spectrale de l’AWG. Les mesures ont été répétées dans chaque guide d’onde de sortie afin d’évaluer le décalage spectrale par rapport à la
2.4. Multiplexage spectral sur filière SiGe gradué
valeur cible. Les résultats des injections dans chacune des 17 sorties sont représentés sur la figure 2.37. Les pentes des sorties allant de +12 cm−1à +48 cm−1s’échelonnent linéairement entre 0,96 et 1,03. Ces valeurs toutes proches de la pente unité indiquent une très bonne prise en compte de la dispersion dans le modèle. Un décalage constant de 3,5 cm−1 est observé, correspondant à un décalage de une sortie pour l’intégration hypothétique avec la barrette cible. Ce décalage dans le cas du couplage hybride (se référer au chapitre 3) peut être compensé par le décalage physique de la barrette afin d’aligner le maximum de la transmission avec l’émetteur mono-fréquence le plus proche. Le deuxième paquet de mesures situé entre 1700 et 1750 cm−1 en valeurs cibles correspond aux longueurs d’onde relevées des sorties s’échelonnant de -12 à -48 cm−1. Ces spectres de transmission sont issues d’un ordre de diffraction supérieur. L’intervalle spectral libre expérimental déterminé par mesure de l’écart entre les deux courbes issues d’une injection dans le même canal de sortie est de 140,1 cm−1, pour une valeur cible de 157 cm−1. Nous remarquons ainsi que les spectres des sorties -48 cm−1 et +48 cm−1 se chevauchent. Une couverture sur 100 cm−1 est réalisée. L’AWG est aussi un candidat idéal pour la réalisation de multiplexeurs flexibles et adaptables aux barrettes de LCQ sur des plages de longueurs d’onde conséquente.
5.68 5.61 5.55 5.49 5.43 5.38 5.88 5.81 5.75
Longueur d'onde (µm)
Figure 2.37 – Nombre d’onde mesurée en fonction du nombre d’onde cible. Un décalage constant et égal à 3,5 cm−1est présent en moyenne sur l’ensemble des sorties.
Conclusion du deuxième chapitre
Dans le tableau 2.4 sont répertoriés les paramètres géométriques et les perfor-mances théoriques et mesurées des trois multiplexeurs PCG de la filière InP et de l’AWG de la filière SiGe gradué. Les dimensions des multiplexeurs comprennent éga-lement les guides d’onde d’accès espacés latéraéga-lement de 100 µm, partie intégrante du circuit photonique pour pouvoir combiner les émetteurs LCQ. Les deux confi-gurations reposent sur un réseau de diffraction, l’un en transmission et l’autre en réflexion, dont on ajuste le nombre de voie en entrée et en sortie en fonction de l’application. Les dimensions de l’AWG sont supérieures à celles des PCG pour un nombre de voies équivalent. De plus, une gamme spectrale plus étroite est plus fa-cilement accessible sur AWG. A partir de l’équation (2.20), nous pouvons constater qu’un intervalle spectral libre plus grand requiert une différence de longueur ∆L plus petite. Il n’est pas possible de descendre en dessous d’une certaine limite à partir de laquelle les bras de l’AWG se chevauchent. De plus, pour un ISL donné, la densification des canaux est rendue possible par augmentation du nombre de bras et par conséquent de la place occupée par le multiplexeur. Pour des multiplexeurs à gamme spectrale large, les réseaux échelles seront donc préférés aux AWG. Le point faible des multiplexeurs PCG se situe au niveau de la réflexion sur le réseau. Un mauvais contrôle de la gravure, de la lithographie ou de la réflectivité des facettes détériore rapidement les performances. Les AWG sont alors préférés pour des appli-cations demandant de faibles pertes d’insertion et une forte densité de canaux sur une gamme spectrale étroite.
Echelle 1 Echelle 2 Echelle 3 AWG1
Filière InP InP InP SiGe
Longueur [mm] 3,1 4,5 4,5 22
Largeur [mm] 2,8 3,2 6,8 9
Voies en entrée 15 30 60 35
Voies en sortie 5 5 1 17
Largeurs des guides [µm] 6 8 8 4,6
Gamme Spectrale [µm] 7 - 8,5 7 - 8,5 7 - 8,5 5,55 - 5,88 Gamme Spectrale [cm−1] 1180 - 1430 1180 - 1430 1180 - 1430 1700 - 1802 ∆λ [nm] 100 50 25 ∼ 9,6 ∆σ [cm−1] ∼ 16,6 ∼ 8,3 ∼ 4,2 3 Pertes d’insertion [dB] 18 - 31 5 8 4 - 5 Taux de réjection [dB] - 17 17 18 Intersection intervoie [dB] - 3,5 1 6 Disp. linéaire [µm/µm] 83 195 195 (800) ISL [cm−1] 1179 429 429 157 ISL [µm] 3,8 1,77 1,77 0,47
Tableau 2.4 – Récapitulatif des paramètres géométriques et des perfor-mances théoriques et mesurées des multiplexeurs étudiés dans cette section.
Conclusion du deuxième chapitre
Les longueurs d’onde couvertes pas ces deux filières sont équivalentes. D’un point de vue du matériau, les guides en SiGe commencent à absorber à partir de 8 µm en raison de la forte concentration en silicium dans le cœur et autour des guides. La filière InP présente quant à elle de faibles pertes à travers le MIR de l’absorption inter-bande à haute énergie (920 nm pour l’InP et 1700 nm pour l’InGaAs) jusqu’aux absorptions multi-phonons de l’InP : Fe aux hautes longueurs d’onde à partir de 14
µm (se référer aux mesures de transmission du chapitre 1).
Le choix de la plateforme se fera donc principalement sur le choix de la solution d’intégration avec la source de lumière. La première solution consiste à réaliser à bas coût des multiplexeurs en SiGe afin de profiter des capacités de production des fonderies silicium et bénéficier de surfaces larges sur substrat de 200 mm et pro-chainement 300 mm pour la photonique. Le couplage avec une source de lumière est obtenu soit par collage moléculaire de plaques de matériaux III-V, soit par assem-blage hybride de type bout-à-bout, facette laser contre facette guide. De manière semblable, la filière III-V permet l’intégration homogène sur un même substrat d’InP de la partie active et de la partie passive. Avec une fabrication compatible avec les matériaux composant le LCQ, un transfert de lumière basé sur un coupleur direc-tionnel permettant l’intégration monolithique des fonctions de génération de lumière et de mise en forme du signal est envisagé sur un substrat unique d’InP. Ces solutions sont examinées au chapitre 3.
La dernière remarque concerne un changement dans le mode de fonctionnement utilisé jusqu’ici dans le multiplexage de barrettes d’émetteurs. Nous avons démontré dans ce travail la transmission sur plusieurs ordres de diffraction, pour un AWG avec un chevauchement des spectres des différents ordres, et pour un PCG sur des plages discontinues. Les multiplexeurs optiques peuvent avoir un ISL étroit résultant en une transmission cyclique se recouvrant avec la gamme spectrale d’origine. Afin de supprimer ce recouvrement, il est d’usage de le choisir beaucoup plus grand que la gamme spectrale couverte par les voies de sortie. Dans ce cas, un écart spectral est présent entre les spectres de transmission de l’ordre m et ses plus proches voisins. La représentation du spectre total est présentée sur la figure 2.38(a). Lorsque l’ISL diminue pour atteindre exactement N fois l’espacement intervoie, le spectre de sortie présente une sortie continue en forme de peigne par juxtaposition des ISL adjacents (figure 2.38(b)).
Le spectre de sortie ressemble alors à un peigne dont les maxima sont équidis-tants. Tandis que la longueur d’onde centrale d’un multiplexeur peut varier signi-ficativement en fonction des dérives de fabrication, l’espacement intervoie est plus précisément contrôlé. Dans le cas d’un multiplexeur traditionnel, il est nécessaire que les longueurs d’onde de tous les canaux soient enregistrées suivant la même séquence que les émetteurs lasers de la barrette. Pour ce nouveau mode de fonc-tionnement, il est seulement nécessaire d’aligner le laser avec l’entrée la plus proche en longueur d’onde, quelques soient l’ordre et le canal utilisés. La longueur d’onde centrale devient alors secondaire par rapport à l’espacement intervoie. Grâce à cette liberté, la démarche d’enregistrement des longueurs d’onde des multiplexeurs peut-être grandement simplifiée. Les émetteurs et les multiplexeurs sont développés de façon concomitante et non plus séquentielle, pour une flexibilité accrue.
ISL ordre m-1 ISL ordre m ISL ordre m+1
Ecart spectral Espacement Ecart spectral intervoie ISL ordre m-1 ISL ordre m ISL ordre m+1
Ecart spectral Espacement Ecart spectral intervoie
(a)
(b)
Figure 2.38 – Représentation des spectres de sortie (a) d’un multiplexeur étudié dans la section 2.3 et (b) d’un multiplexeur dont la transmission totale est ajustée pour former un peigne.
Chapitre 3
Coupleurs actif-passif
Après les démonstrations expérimentales de guides d’onde sur les filières InP et SiGe comprenant les briques photoniques élémentaires ainsi que des schémas com-plexes de multiplexage dans le MIR, nous allons nous intéresser à l’intégration de ces fonctions avec les sources MIR. La problématique est de contrôler le passage de la lumière entre le milieu actif et la filière passive, pour une efficacité de transfert mai-trisée, efficace et robuste aux imperfections de fabrication. La section 1 rapporte les résultats relatifs aux barrettes de LCQ DFB réalisées au laboratoire précédemment et au cours de cette thèse. La section 2 retrace l’intégration monolithique hétérogène d’une barrette de LCQ DFB sur un substrat de silicium. Dans la section 3 sont pré-sentées les bases du couplage résonnant et du couplage adiabatique. Nous tâchons de dimensionner le coupleur le plus efficace et tolérant réalisant l’intégration monoli-thique sur substrat d’InP. Les performances optiques sont évaluées de façon passive par injection d’un laser externe. La section 4 présente la réalisation monolithique et homogène d’une puce intégrant la source, le coupleur et le multiplexeur sur substrat d’InP. Finalement, la section 5 relate de la réalisation d’un couplage hybride entre une matrice de lasers et un multiplexeur PCG pour l’obtention d’une source intégrée monolithique comportant cinq lasers DFB, fonctionnelle et accordable.
Introduction
Une source intégrée est composée d’une source laser permettant la génération de lumière et d’un circuit passif de mise en forme de cette lumière. La partie laser est composée d’un milieu à gain et d’une cavité optique. Elle doit être fabriquée de telle sorte à assurer l’injection de porteurs dans la structure et à conserver un fort recouvrement du mode optique avec les puits quantiques pour assurer un gain modal fort. Le circuit passif doit être facilement intégrable et présenter des pertes de propagation faibles pour la réalisation de fonctions complexes.
Nous avons pour ambition de développer de nouveaux objets bénéficiant des propriétés des deux filières prises séparément : de la génération de lumière du côté matériaux III-V et de la mise en forme du signal sur filières pour guides passifs. Le problème repose sur le contrôle du chemin emprunté par la lumière, c’est à dire sur la structuration des matériaux pour guider et échanger de la lumière tout en garantissant un minimum de pertes. Les trois approches abordées dans ce chapitre sont présentées succinctement :
La première solution consiste en l’intégration monolithique homogène du guide constituant le laser et du guide passif. Les guides sont réalisés l’un au dessus de l’autre. Les matériaux étant tous cristallins et compatibles avec les substrats d’InP, une seule croissance est nécessaire pour la réalisation des deux guides. Cette architec-ture présente l’avantage d’une filière avec des composants définis après la croissance. Une structure épitaxiale unique peut être réalisée en avance de phase, sans avoir a priori la description détaillée des composants.
La deuxième solution consiste en l’intégration appelée hétérogène. Elle cherche à assembler des matériaux différents afin de les traiter de manière monolithique et ainsi de bénéficier des propriétés de l’ensemble. La différence de maille entre le Si et l’InP rend l’hétéroépitaxie très difficile à réaliser. Les techniques de collage adhésif et moléculaire montrent de bonnes performances [123, 124] mais restent sensibles à la rugosité de surface et aux épaisseurs des couches intermédiaires nécessaires au collage [125].
L’intégration hybride consiste à joindre bout-à-bout (butt-coupling) de façon directe les deux guides. Elle présente l’avantage de pouvoir réaliser de façon séparée les fonctions actives et passives afin de les tester individuellement. Des premiers tests électriques et optiques permettent de trier les puces défectueuses et de quantifier les déviations par rapport à la fonction cible. Les fonctions passives plus complexes telles que les filtres et les multiplexeurs sont également caractérisées. L’assemblage des deux composants permet de corriger si besoin les décalages pour bénéficier de meilleures performances sur l’ensemble. Cette intégration est la technique la moins complexe à mettre en place. Par contre, les pertes d’injection restent élevées, avec des pertes provenant d’un recouvrement défectueux des modes dans la plupart des cas, et des réflexions de Fresnel aux facettes pouvant également perturber le fonctionnement du laser.
3.1. Ensemble de sources LCQ DFB
3.1 Ensemble de sources LCQ DFB
La réalisation d’un capteur de gaz basé sur la spectroscopie laser dans le moyen infrarouge passe par l’obtention d’une source de lumière. Nous avons choisi de nous intéresser aux LCQ DFB pour de nombreuses raisons : gamme spectrale dépen-dante des matériaux et de l’ingénierie quantique, finesse spectrale, spatialement mono-mode, puissance optique disponible, fonctionnement à température ambiante en pulsé et en continu. Dans cette section sont reportées les grandeurs importantes permettant de quantifier les performances des lasers. La réalisation de barrettes de LCQ DFB par un nouveau procédé est détaillée. Les caractéristiques électro-optiques et spectrales sont présentées pour les barrettes réalisées au laboratoire jusqu’en 2013. Le développement pendant cette thèse d’un nouveau procédé de lithographie appli-qué à la réalisation de barrette est finalement évalué.