Les nécessités de compacité et de fiabilité intrinsèques au système LiDAR poussent à in-tégrer les différentes fonctions optiques sur un même substrat passif [105]. L’intégration de la source laser et des étages d’amplification sur le substrat passif constituent une étape fondamen-tale pour l’obtention d’un système monolithique [105]. L’hybridation verticale d’un superstrat actif et l’intégration tridimensionnelle se proposent à nouveau comme un passage obligé vers la réalisation d’un composant monolithique, robuste et compact. En effet, la fabrication sur un seul substrat de tous les composants optiques de l’architecture du LiDAR, présentée en figure 1.28(b), diminuerait les dimensions du système et augmenterait sa stabilité en éliminant toutes les connexions fibrées entres les différents composants [105]. Il devient ainsi crucial de démontrer la compatibilité de l’hybridation verticale avec l’intégration tridimensionnelle pour la réalisation d’amplificateurs et de lasers hybrides tridimensionnels.
1.6 Objectifs de l’étude
Lorsque des dispositifs optiques complexes sont analysés, qu’ils soient destinés à des appli-cations en télécommuniappli-cations ou à des capteurs, des besoins en stabilité, en compacité ainsi qu’en réduction des coûts de production et de maintenance sont toujours rencontrés. Une des façons de répondre au mieux à ces exigences est l’intégration et l’hybridation des différentes fonctions optiques sur un même substrat passif.
En optique intégrée sur verre, des stratégies originales ont été développées afin d’aug-menter l’intégration et l’hybridation. L’hybridation verticale permet d’intégrer de nouvelles fonctions sur le substrat passif [94, 98], tout en garantissant en même temps une grande sou-plesse de dimensionnement. L’intégration tridimensionnelle exploite effectivement la surface et la profondeur du verre pour réaliser des fonctions passives en augmentant leur densité tout en préservant, ou améliorant, leur performances [87, 111]. L’union de ces deux approches conjugue l’hétérogénéité des matériaux et des fonctions optiques, qui caractérisent l’hybrida-tion verticale, avec l’excellent couplage entre les fibres optiques et les guides enterrés ainsi que la forte densité de fonctions passives, atteignables par l’intégration tridimensionnelle. La liberté de conception de l’hybridation verticale est accrue par l’intégration tridimensionnelle, car l’interaction des modes guidés avec le superstrat est établie en contrôlant la profondeur des guides dans le substrat passif. En conséquence, les guides du substrat peuvent interagir de manière locale avec le superstrat, lorsqu’ils affleurent à l’interface avec ce dernier : toutes les contraintes d’alignement précis, entre substrat et superstrat, peuvent alors être relâchées. De plus, l’intégration tridimensionnelle et l’hybridation verticale contribuent intrinsèquement, et de manière complémentaire, à la robustesse du dispositif isolant au maximum les guides de l’environnement externe. En effet, un guide qui remonte à la surface uniquement pour inter-agir avec le superstrat est encapsulé par ce dernier et par conséquence isolé des perturbations externes.
Chapitre 1. Intégration 3D et hybridation : problématiques et intérêts
de l’approche hybride tridimensionnelle a permis de proposer l’architecture d’amplificateur hybride tridimensionnelle [87] illustrée en figure 1.25, dont on a parlée précédemment. Si la réalisation de ce dispositif est principalement envisagée pour les télécommunication optiques, des amplificateurs hybrides du même genre, ainsi que des sources laser hybrides, sont amenés à jouer un rôle clé dans la réalisation monolithique de systèmes optiques complexes tels que LiDAR embarqué que nous venons de décrire. Néanmoins, il n’y a eu aucune preuve expéri-mentale de la compatibilité, électromagnétique et technologique, de l’hybridation verticale et de l’intégration tridimensionnelle.
L’objectif de ce travail est donc de démontrer la compatibilité de l’hybridation verticale et de l’intégration tridimensionnelle pour implémenter des fonctions actives sur substrat passif et ouvrir ainsi la route vers la réalisation de dispositifs monolithiques complexes. Pour ce faire, nous avons choisi de réaliser un laser DFB hybride tridimensionnel monomode, représenté en figure 1.30, opérant aux alentours de 1550 nm. L’approche hybride tridimensionnel sera en conséquence validée pour les applications concernant les télécommunications et les capteurs
eye-safe. En effet, la démonstration de ce composant valide la faisabilité d’une source laser hybride tridimensionnelle et atteste au même temps la possibilité d’obtenir du gain optique dans la section amplificatrice du dispositif, qui est nécessaire pour réaliser tout amplificateur ou laser. Cette condition est d’autant plus difficile à obtenir dans un laser DFB car le réseau de Bragg, réalisé le long du guide, introduit des pertes de propagation supplémentaires à la longueur d’onde de pompe.
r´eseau de Bragg
guide plan
superstrat
substrat
guide canal
x
y
z
Figure1.30 –Proposition d’un laser DFB hybride tridimensionnel.
Les guides d’onde canal seront réalisés dans le substrat passif avec un échange Ag+/Na+
et enterrés sélectivement à l’entrée et à la sortie du dispositif. Cela garantit la compatibi-lité technologique du laser hybride tridimensionnel avec les fonctions passives tridimension-nelles [87, 111, 112] ou enterrées [45, 113] déjà existantes. Le guide enterré vise à assurer l’isolation des modes de pompe et de signal de la surface et à améliorer le couplage avec les autre guides d’onde du système. Néanmoins, la mise en place d’un enterrage sélectif permet au guide d’atteindre l’interface entre le substrat passif et le superstrat actif. Ainsi, les modes guidés peuvent interagir à la fois avec le réseau de Bragg, situé à la surface du substrat passif, et avec le verre actif. La bonne interaction des modes guidés avec le milieu actif est l’élément
1.6. Objectifs de l’étude
clé pour permettre l’amplification optique nécessaire pour obtenir l’effet laser. Pour augmenter cette interaction, Gardillouet al.[94] ont proposé d’utiliser un superstrat d’indice de réfrac-tion supérieur à celui du guide canal afin d’augmenter la quantité de puissance guidé dans le superstrat. Comme nous l’avons vu précédemment, cette approche nécessite des procédures de rodage et de polissage du superstrat pour réduire son épaisseur à quelques micromètres et garantir le confinement vertical de la structure. Or, cette étape reste délicate pour la produc-tion d’un composant hybride. Afin de l’éliminer, nous proposons de contrôler l’interacproduc-tion des modes guidés avec le verre actif à l’aide d’un guide plan, réalisé à la surface du superstrat actif avec un échange Ag+/Na+.
On remarque la solidité intrinsèque de ce dispositif où le guide canal sélectivement enterré, suite au report de plaque, est totalement isolé des éventuelles perturbations externes. De plus, ce dispositif constitue une nette amélioration en terme de robustesse par rapport aux lasers DFB réalisés sur verre actif, dont les motifs sub-microniques du réseau de Bragg, gravés à la surface du substrat et ainsi exposés à l’environnement externe, constituent un point faible. La protection de la surface par le dépôt d’une couche diélectrique ou de polymère constitue une solution partielle à ce problème, car des inhomogénéités ou des défauts de dépôt dégradent les propriétés du réseau et par conséquence du dispositif. La figure 1.30 montre de façon évidente que l’hybridation tridimensionnelle encapsule naturellement le réseau de Bragg, qui est alors protégé de l’environnement extérieur.
Trois enjeux principaux ont été identifiés pour la réalisation de ce laser DFB hybride tridimensionnel :
• les modes guidés, à la longueur d’onde de pompe,λp= 976 nm, et de signal,λs= 1534 nm, doivent être supportés tout au long du dispositif et, en même temps, interagir de ma-nière efficace avec le superstrat actif afin d’obtenir le gain optique nécessaire à l’émission laser ;
• la région du dispositif où les modes de pompe et de signal interagissent avec le superstrat actif doit être caractérisée par des faibles pertes de propagation. En effet, des pertes de propagation importantes réduisent le gain optique net, ce qui nuit à l’émission laser ;
• le réseau de Bragg, qui assure la rétroaction nécessaire pour l’émission laser, introduit des pertes à la longueur d’onde de pompe. Or, ces pertes doivent être suffisamment faibles pour ne pas faire chuter l’efficacité de pompage.
Le travail conduisant à la réalisation du laser DFB hybride tridimensionnel sera mené de la manière suivante. Avant d’aborder la réalisation du laser DFB, on se souciera de vérifier si le gain optique peut être atteint dans une telle structure en se concentrant sur un ampli-ficateur hybride tridimensionnel. Ce composant présente le même dimensionnement du laser DFB hybride tridimensionnel final, mais n’est pas contre-réactioné par un réseau de Bragg. Le chapitre 2 sera ainsi dédié au dimensionnement de l’amplificateur hybride tridimensionnel, alors que le chapitre 3 validera théoriquement et expérimentalement la présence du gain op-tique dans ce dernier. Finalement, le chapitre 4 sera consacré à la fabrication du laser DFB tridimensionnel hybride, à sa caractérisation ainsi qu’aux perspectives ouvertes par ce travail.
Chapitre 1. Intégration 3D et hybridation : problématiques et intérêts