Présentation du banc de mesure par la tranche

Afin de caractériser les puces découpées et clivées, il est nécessaire de monter un banc optique permettant d’injecter la lumière dans un guide, de la récupérer et de mesurer les effets introduits par les composants optiques sur le faisceau initial. Dans un premier temps, le banc utilisé dans ces

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travaux sera exposé dans son ensemble. Ensuite, les spécifications techniques de chaque sous- éléments (sources, mécaniques, etc.) seront détaillées.

3.2.1.Vue d’ensemble

Le banc de caractérisation par la tranche est composé des trois éléments indispensables à un système de caractérisation optique : une source, un système de mise en forme du faisceau et un détecteur (Figure III-10). La source est un laser émettant dans l’infrarouge moyen. Le faisceau émis est collimaté par une première lentille et ensuite envoyé dans une deuxième lentille dite d’injection. Celle-ci focalise le faisceau sur la tranche de la puce où affleure la section des guides optiques. Une fois en sortie de puce, la lumière est récupérée par une lentille dite de collection imageant la sortie du guide à l’infini. Le faisceau est alors envoyé, soit vers une caméra InSb afin de visualiser la facette de sortie de la puce, soit redirigé à l’aide de miroirs amovibles vers un photodétecteur rapide ou un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR : Fourier Transformed InfraRed spectrometer).

Figure III-10 : Schéma d’ensemble du banc de caractérisation par la tranche.

3.2.2.Sources lasers

Sur le banc mis en place, deux sources lasers infrarouges sont disponibles : un laser ICL de chez Nanoplus GmbH et un laser QCL provenant du III-V Lab. Le premier est un laser à réseau de Bragg dit DFB (DFB : Distributed FeedBack) émettant de façon continue à une longueur d’onde de 4546 nm avec une très faible largeur spectrale, typiquement 0,498 nm de largeur à mi-hauteur (Figure III-11-a). Le laser est piloté à l’aide d’une alimentation ILX-LDC3722B qui fait office à la fois de source de courant et de commande en température du module Peltier intégré au laser. Typiquement le laser opère dans un régime continu à 66 mA et à une température de -4 °C. Il est possible de moduler le laser en courant à l’aide d’un générateur basse fréquence Tektronix AFG 2021 branché sur l’entrée analogique de l’alimentation ILX. Le deuxième laser est de type Fabry- Pérot émettant sur une large gamme spectrale allant de 4380 nm à 4444 nm (i.e. 2250 cm-1 _à

2283 cm-1_{) (Figure III-11-b). Contrairement à l’autre laser, celui-ci opère dans un régime pulsé. Il}

est commandé via une alimentation Agilent 81110A envoyant des impulsions de type créneau à une fréquence de répétition de 100 kHz, une largeur de 300 ns et une amplitude typique de 13,6 V. Le laser Fabry-Pérot est également régulé en température à 20 °C. Les deux lasers émettent dans un mode TM0, soit un champ électrique polarisé perpendiculairement par rapport au plan de la puce. QCL VIGO FTIR Caméra InSb Alimentation ILX GBF Oscilloscope PC Puce Miroirs amovibles

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Figure III-11 : Spectre d’émission des deux sources laser présentes sur le banc. a) Le laser ICL de Nanoplus émet à 4546 nm pour un courant de 66 mA et une température régulée à - 4 °C. b) Le laser QCL

du III-V Lab est alimenté de façon pulsée. Les pulse sont des créneaux de largeur 300 ns avec une fréquence de répétition de 100 kHz et une tension crête à crête de 13,6 V.

3.2.3.Optomécanique du banc

Le faisceau infrarouge gaussien émis par le laser choisi est ensuite envoyé sur une lentille asphérique de focale effective 1,874 mm. Celle-ci focalise le faisceau sur la puce photonique. En sortie de la puce une deuxième lentille asphérique de focale effective 4 mm image à l’infinie la sortie du guide optique. Les lentilles sont faites en chalcogénure black diamond avec un antireflet 3 - 5 µm. La lentille de collection nécessite une grande ouverture numérique car le faisceau en sortie du guide a une très grande divergence. Il est aussi nécessaire d’avoir une petite focale pour ne pas récupérer de flux parasite qui fausserait la mesure. Dans l’idéal, il faudrait la même lentille en collection qu’en injection, soit une focale de 1,874 mm. Cependant le champ de vision très restreint offert par une focale courte rend l’alignement optique de la puce difficile à la caméra. Le choix de la focale 4 mm en collection est donc un compromis entre ouverture numérique et étendu du champ de vision. Les deux lentilles sont montées sur des micro-positionneurs cinq axes X, Y, Z, θ et φ de chez Newport. Les axes X, Y et Z sont également équipés de piézoélectriques permettant des déplacements d’une résolution de 20 nm. Ceux-ci sont pilotés par contrôleur d’actuateur haute résolution Newport ESA-C. La puce photonique est montée sur une embase en cuivre usinée sur mesure. La puce est maintenue en place grâce à une succion assurée par un réseau de vide. Le tout est placé sur un micro-positionneur trois axes Y, θ et φ (Figure III-12).

Figure III-12 : Photographie de l’ensemble optomécanique permettant l’injection et la collection de la lumière par la tranche d’une puce photonique.

2150 2200 2250 Nombre d'onde (cm-1) -50 -40 -30 -20 -10 0 Intensité normalisée(dB) 2220 2240 2260 2280 2300 Nombre d'onde (cm-1) -40 -30 -20 -10 0 Intensité normalisée (dB) a) b)

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3.2.4.Photodétecteurs

Le faisceau sortant de la puce est imagé à l’infini grâce à la lentille de collection. L’image du guide optique est obtenue sur une caméra InSb ONCA 4697 de chez Xenics dont l’objectif est réglé à l’infini. La caméra permet de visualiser la puce et la lumière sortant du ou des guides optiques. Elle permet également de faire les premiers réglages pour ajuster la position de la puce et maximiser l’intensité lumineuse sortant de la puce. Une fois la lumière correctement injectée dans la puce, celle-ci peut être soit envoyée vers un photodétecteur photovoltaïque rapide PVI-4TE5 de chez Vigo, soit vers un spectromètre à transformée de Fourier Nicolet iS50R, suivant les besoins de caractérisation. Le spectromètre est purgé à l’azote afin que les mesures ne soient pas perturbées par l’absorption des gaz atmosphériques.

Figure III-13 : Photographie de l’ensemble des moyens de mesure du faisceau. Sur la gauche le faisceau sort de la lentille de collection et est redirigé au choix vers le détecteur rapide, vers le FTIR ou directement

sur la caméra grâce à un jeu de miroir amovible. La densité optique est utilisée lorsque la caméra InSb est saturée par le faisceau.