La topologie de convertisseur retenue peut ne pas nécessiter de reprise d'épitaxie. Dans ce cas, la couche active est présente tout au long du composant et nécessite une électrode de manière à amener celle-ci à la transparence et minimiser les pertes au niveau du convertisseur de mode. Une reprise d'épitaxie peut aussi être effectuée en remplaçant la couche active par une couche transparente, ce qui enlève la nécessité de réaliser une électrode au niveau du convertisseur de mode.
On peut remplacer la couche active au niveau du convertisseur par une couche de matériau transparent à la longueur d'onde de travail. Dans ce cas une reprise d'épitaxie avec couplage en bout ("butt-joint") est nécessaire.
Ces deux cas sont équivalents au niveau de la modélisation si tant est que la couche transparente (composition et épaisseur) soit déterminée de manière à fournir le même indice effectif de propagation à l'onde guidée. C'est ce qui a été fait par la suite du travail et nous traiterons l'étape de conception indifféremment avec l'utilisation d'une couche active ou d'une couche transparente obtenue par reprise d'épitaxie. Les couches les plus représentatives de la structure épitaxiale sont les suivantes (Tableau 3-I); elles servent à réaliser la continuité de la couche guidante "active" au niveau du laser (couches 1 à 3) et du guide déconfiné au niveau du convertisseur de profil de mode (couches 3 à 5). n° de couche Matériaux 1 InP P 2 Q1,05 3 InP n 4 Q1,05 5 InP n 6 Substrat
Tableau 3-I: Structure épitaxiale du convertisseur de mode à optimiser.
3.2.1 - Optimisation des dimensions du convertisseur
Nous voyons que nous avons différents paramètres latéraux à optimiser, W, L1 et L2 (voir Figure 3-7). Dans un premier temps, nous allons cibler la valeur W correspondant à une première mise en forme du faisceau. Pour cela, nous fixons la longueur de la première (L1) et de la seconde (L2) section du convertisseur de mode à une valeur identique de 400µm. Ces valeurs sont, a priori, choisies de manière arbitraire mais nous visons une longueur totale du convertisseur de mode de l'ordre du millimètre. Le guide ruban en entrée du convertisseur de mode possède une largeur de 2,5µm. La Figure 3-9 montre les résultats de simulation pour différentes largeurs W.
Comment lire ces courbes?
Sur chaque couple de figures, la figure de gauche représente une coupe du composant dans le sens de la propagation (vue de profil) où l'intensité du faisceau est représentée par un code de couleur (échelle située à droite) et la partie droite la répartition du champ dans chaque guide (actif -laser, courbe bleue- et passif -convertisseur de mode, courbe verte-).
Sur la figure de gauche, la partie active (ruban laser de 2,5µm de large) se situe en bas de la figure et la partie "clivée" (extrémité du convertisseur de mode) du composant en haut. Le substrat se situe sur la gauche et la partie supérieure du composant sur la droite.
Sur la figure de droite, le guide émanant de la structure laser est toujours situé en bas et la sortie du composant en haut
a) b)
c) d) Figure 3-9: Propagation du mode optique (mode TE) en fonction de la largeur W:
a) W = 200nm. b) W = 1000nm. c) W = 1400nm. d) W = 2500nm.
La modélisation montre que l'on obtient plus de 70% de transfert à partir d'une largeur W de 1400nm (Figure 9c)). Cette valeur est aussi atteinte pour une valeur très faible (200nm, Figure 3-9a)). Néanmoins, cette valeur risque d'amener des problèmes lors de l'étape de lithographie des rubans, nous préférons donc conserver une valeur plus élevée, 1,4µm dans ces exemples mais qui sera optimisée globalement par la suite. Dans le dernier cas, cela revient à ne pas faire de transition de largeur intermédiaire (puisque W = 2,5 µm qui est la largeur du guide d'origine) et nous voyons que le transfert est moindre (65%).
Le convertisseur est actuellement composé de deux sections de 400µm. Nous allons étudier l'influence de la longueur de chaque section. Dans un premier temps, nous fixons la longueur L2 à 400µm et nous faisons varier L1 entre 100µm et 1000µm, nous observons le résultat de la propagation sur la Figure 3-10. Dans un second temps, L1 sera fixée à 400 µm et L2 variera de 100µm et 1000µm, nous en observons le résultat sur la Figure 3-11.
a) b)
c) d) Figure 3-10: Propagation du mode optique (mode TE) en fonction de la longueur L1:
a) L1 = 100µm, b) L1 = 300µm, c) L1 = 600µm, d) L1 = 1000µm.
c) d) Figure 3-11: Propagation du mode optique (mode TE) en fonction de la longueur L2:
a) L2 = 100µm, b) L2 = 300µm, c) L2 = 600µm, d) L2 = 1000µm.
On remarque que la longueur L1 n'influe pas significativement sur la répartition des modes dans le convertisseur; en sortie de celui-ci la proportion du champ transmis est toujours d'environ 70% quelle que soit la valeur de L1. En revanche, la longueur L2 a une influence beaucoup plus marquée.
Etant donné que la longueur L1 n'intervient que très peu, nous décidons de simplifier la topologie du convertisseur en ne prenant plus qu'une seule longueur globale. Nous aboutissons alors au schéma de la Figure 3-12 ne comprenant qu'un convertisseur de 800 µm de long. Les longueurs Le et Ls sont les longueurs des guides d’entrée et de sortie du convertisseur de mode. Le clivage des convertisseurs de mode auront lieu dans ces guides. La technologie de fabrication par lithographie optique que nous possédons au laboratoire ne nous permet pas d’obtenir des motifs inférieurs à 0,4µm. Réaliser un convertisseur de mode en forme de pointe est très difficile. Nous réalisons donc une pointe dont la dimension finale sera de 0,4µm.
Figure 3-12: Schéma du convertisseur de mode
2,5µm
Le µm
Ls µm
800µm
( ) ( )(1 u)
V u = −B B−A −
La Figure 3-13a) montre le mode présent dans la couche active en entrée du convertisseur
de mode (mode de la structure laser), la Figure 3-13b) le mode présent dans la couche passive en sortie du convertisseur de mode. La Figure 3-13(c) montre la propagation du mode dans la structure. La conversion est peu efficace, seulement 50% du mode se retrouve en fin de convertisseur.
Nous allons étudier le profil du convertisseur de mode de manière à voir si la modification de celui-ci permet d'améliorer ce niveau de pertes de conversion.
a) b)
c)
Figure 3-13: (a) Profil du mode dans la couche active (en entrée du convertisseur de mode) (b) profil du mode présent dans la couche passive (en sortie du convertisseur de mode)
(c) Répartition longitudinale lors de la propagation 3.2.2 - Optimisation du profil latéral du convertisseur de mode
Pour diminuer les pertes de conversion, une modification du profil latéral du convertisseur de mode peut être judicieuse. Nous étudions donc l'influence d'un profil exponentiel, parabolique et quadratique en lieu et place du profil linéaire. La Figure 3-14 montre le résultat des modélisations pour une longueur de zone de transition toujours fixée à 800µm.
La modélisation montre que le profil quadratique diminue sensiblement le niveau des pertes de conversion au niveau du convertisseur. On atteint un taux de transfert de l'ordre de 80% et un résiduel de l'ordre de 5%. Ce type de profil sera donc retenu. La dimension latérale (2 V(u)) du guide varie alors de 2,5µm à 0,4µm. Elle est simplement régie par
avec:
A : demi-largeur du guide en entrée du convertisseur de mode. B : demi-largeur du guide en sortie du convertisseur de mode. L : longueur du convertisseur de mode.
a) b)
c)
Figure 3-14: Propagation du mode optique (mode TE) pour un profil latéral de zone de transition: (a) exponentiel
(b) parabolique (c) quadratique
Figure 3-15: Champ lointain du convertisseur de mode optimisé. La longueur est de 800µm avec un profil quadratique: sa largeur variant de 2,5µm à 0,4µm
Le convertisseur optimisé possède la structure épitaxiale du Tableau 3-I, une longueur de 800µm, un profil quadratique, une largeur de guide qui varie de 2,5µm à 0,4µm. Avec ces données, le champ lointain est calculé avoir une divergence horizontale de 11,6° et une divergence verticale de 20,6° (à mi-hauteur). La Figure 3-15 montre les résultats de la modélisation.
Maintenant que nous avons dimensionné le convertisseur de mode, nous allons l'associer à la structure laser. Le laser que nous voulons réaliser est un laser DFB ou DBR dont la couche active est composée de boites ou de puits quantiques. Nous allons donc modéliser la propagation le long de la structure complète du laser couplé avec le convertisseur de mode.