Première réalisation d’un multiplexeur MIR sur InP

Paramètres géométriques

Le multiplexeur comporte 15 voies d’entrée et 5 voies de sortie comme montré sur la figure 2.12. Plusieurs voies de sortie ont été ajoutées afin de palier aux éventuelles imperfections de fabrication et aux erreurs du modèle pour les indices des matériaux pouvant mener à un décalage spectral. Les guides d’entrées avaient été initialement choisis avec une largeur de 6 µm pour un fonctionnement mono-mode sur l’ensemble des longueurs d’onde envisagées.

Le dessin est basé sur la configuration de Rowland [114]. Le réseau est situé sur le cercle de 750 µm de rayon, tandis que les guides d’onde d’entrée et de sortie de la zone de propagation libre sont situés sur un cercle deux fois plus petit. Le point d’intersection de ces deux cercles se situe au centre du réseau de diffraction. Le pas de celui-ci est de 6 µm et est composé de 125 périodes. Afin de respecter l’espacement intervoie de 100 nm, la distance entre deux guides d’onde en entrée de la zone de propagation libre est de 8,3 µm. La dispersion linéaire de ce multiplexeur, définie comme le ratio de la distance séparant deux guides adjacents sur l’espacement intervoie, est alors de 83 µm/µm à l’entrée du multiplexeur. Tous les guides d’onde pointent vers le pôle du réseau de diffraction afin de limiter les aberrations liées à la diffraction de second ordre. Des virages à 180^◦ ayant un rayon de courbure de 500

µm permettent de placer les guides de sortie en face de la barrette d’émetteurs. Le

multiplexeur occupe une surface de 2,8 x 3,1 mm2. C’est une solution très compacte comparée à la surface qu’occuperait un AWG ou un multiplexeur à base de jonctions

Figure 2.12 – Images MEB de (a) un multiplexeur à réseau échelle 15-vers-5 voies, (b) zoom sur les guides d’onde en entrée et (c) en sortie de la zone de propagation libre.

Y avec un même nombre de voies et une gamme spectrale identique. De plus, la longueur du chemin optique ≈ 8 mm) est inférieure au critère fixé dans la conclusion du chapitre 1, soit suffisamment courte pour que les pertes de propagation ne soient pas prédominantes. Une intégration des PCG sur filière InP est donc tout à fait envisageable.

Les spectres de transmission simulés des 15 voies du multiplexeur sont présentés à la figure 2.13. Les pertes d’insertion sont de 1,9 dB pour une valeur d’intersection intervoie de 7,8 dB. -1.9 dB 7.8 dB Longueur d'onde (µm) Tran smi ssion (dB)

Figure 2.13 – Réponses spectrales des 15 voies du multiplexeur couvrant la bande 7,1 - 8,5 µm.

Fabrication et métallisation du réseau de diffraction

La structure verticale, identique à celle présentée dans le chapitre 3, est réalisée en MOCVD sur substrat d’InP dopé fer de 2 pouces. Les guides d’onde sont définis dans un masque dur de silice par lithographie suivie d’un lift de Ti/Pt suivant le procédé décrit dans la section 1.4.3. Le masque dur est ouvert en RIE. Les couches de

semi-2.3. Multiplexage spectral sur filière InP

conducteurs sont ensuite gravées physiquement dans un bâti de RIE-ICP suivant la procédure de gravure de l’InP : Fe développée précédemment pour l’obtention des profils de gravure verticaux avec une rugosité limitée.

Le multiplexeur à réseau échelle fonctionnant en réflexion, les pertes d’insertion sont fortement dépendantes de la réflectivité de ses facettes. La réflexion que l’on peut considérer comme proche de celle de Fresnel dans l’approximation paraxiale peut mener pour des guides à fort contraste d’indice (∆n > 3) à une forte diminution du signal de sortie si aucun traitement n’est réalisé sur les facettes. En considérant des facettes parfaitement verticales, le coefficient de réflexion à la facette est évalué à partir de R = n₁− n₂ n1+ n₂ 2 (2.22)

entre l’air (n₁ = 1) et le semi-conducteur (n₂ = 3,1), les pertes par réflexion de Fresnel sont estimées à 5,8 dB. Afin d’augmenter la réflectivité de façon localisée sans introduire un excès de pertes, une métallisation des facettes peut être réalisée. Ces dépôts sont le plus souvent obtenus par évaporation de métaux fortement réflé-chissants tels que l’or ou l’argent sur un échantillon incliné pour couvrir les facettes verticales [115, 116].

La difficulté réside dans l’obtention d’un dépôt métallique seulement sur la paroi verticale du réseau pour ne pas apporter de pertes par ailleurs. En effet, une métal-lisation partielle peut être réalisée soit par lift du métal, soit par un dépôt réalisé sur toute la surface de la plaque suivi d’une étape de masquage en résine puis d’une gravure ionique (Ion Beam Etching, IBE). La gravure IBE est proscrite car elle peut apporter de nombreux défauts sur la plaque par manque de contrôle de l’énergie du faisceau d’ions. Le lift couplé à un dépôt isotrope sur un substrat incliné permet de métalliser le réseau. Le retrait total du métal sur la partie haute des guides d’onde est assuré en conservant le masque dur de silice comme support pour le lift du métal. Un retrait chimique à l’acide fluorhydrique va à la fois retirer le restant du masque de silice ainsi que le métal déposé sur la partie haute des guides. La succession des étapes technologiques est présentée sur la figure 2.14. Le code couleur utilisé pour les matériaux est reporté à l’annexe A.1. Une couche de titane est déposée en premier lieu pour augmenter l’adhésion de la seconde couche composée d’or.

Figure 2.14 – Déroulement des étapes technologiques de gravure et de mé-tallisation du réseau de diffraction. (a) dépôt et ouverture du masque dur, (b) gravure du réseau, (c) résinage puis ouverture élargie au niveau du réseau, (d) métallisation isotrope, (e) lift du métal et (f) lift du masque dur.

La figure 2.15 montre le réseau pendant les étapes de fabrication et de métalli-sation. Sur la figure 2.15(a), le masque de silice est présent sur le semi-conducteur. Une rugosité de fond de tranchée est observée liée à une légère dérive du procédé de gravure. Après retrait du masque silice à l’acide fluorhydrique, la casquette de métal qui était présente sur le masque de silice est retombée et est venue se plaquer sur la partie haute du guide d’onde. Cela peut engendrer des pertes supplémentaires liées au champ électrique présent à la surface. Néanmoins, la distance d’interaction est suffisamment faible pour ne pas atténuer significativement le signal. La présence de métal dans le fond de la tranchée du réseau est quant à elle sans effet sur la transmission de par l’absence du champ en cet endroit.

Figure 2.15 – Images MEB des facettes du réseau de diffration (a) après gravure ICP du réseau, (b) après métallisation et (c) après lift à l’acide fluor-hydrique.

Techniques de mesure

Des améliorations sont apportées au banc de caractérisation en espace libre déjà présent au laboratoire. Le développement des fibres MIR permet notamment une injection plus précise et visuelle par alignement de la fibre avec la facette d’entrée de guide. Le faisceau d’une cavité externe accordable de 7,3 à 8,6 µm est couplé dans le guide d’onde d’entrée au moyen de la fibre en As_0.62Se_0.38à maintien de polarisation caractérisée à la section 1.3.3. La polarisation est contrôlée par orientation des axes principaux de la fibre en entrée du multiplexeur. La lumière de sortie est collectée par une fibre multi-mode mono-indice en As₂Se₃ et est envoyée vers le détecteur DTGS présent dans le FTIR pour son analyse spectrale. Le montage expérimental est représenté sur la figure 2.16. Une station de travail permet de contrôler le dépla-cement du réseau de la cavité externe pour le changement de la longueur d’onde et de synchroniser les mesures avec le spectromètre.

La transmission du multiplexeur est estimée par comparaison des puissances de sortie de chaque entrée à un guide d’onde de référence situé sur la même puce et à proximité du multiplexeur. A partir des notations de la figure 2.17(a), les différentes puissances sont définies ainsi : Pin(λi) puissance entrante dans le multiplexeur à la longueur d’onde λ_i, P_ref(λ_i) et P_outj(λ_i) puissances sortantes du guide d’onde de référence et du guide de sortie j, pour j compris entre 1 et 15. La transmission de la voie j pour une position du réseau de la cavité externe i est définie selon l’équation

2.3. Multiplexage spectral sur filière InP CE-LCQ 7.4-9.4µm Disposi�f sous test FT-IR FMP FMI Moteur linéaire

Figure 2.16 – Diagramme du montage expérimental de test d’un multi-plexeur. CE-LCQ, Cavité Externe LCQ ; FMP, Fibre à Maintien de Polarisa-tion ; FMI, Fibre Mono-Indice ; FT-IR, Spectromètre infrarouge à transformée de Fourier.

(2.23). Dans l’hypothèse d’une injection reproductible, la puissance d’entrée P_in(λ_i) reste la même sur le guide de référence et sur le guide d’entrée. La transmission est alors indépendante de la puissance d’entrée.

T_j(λ_i) = 10 · log(^Poutj(λ_i)

P_ref(λ_i)^{) (2.23)} La largeur spectrale de la cavité étant beaucoup plus étroite que la fenêtre de transmission d’une voie, la longueur d’onde de la cavité est scannée finement sur toute sa gamme d’accordabilité. Les relevés de la longueur d’onde et de l’intensité à chaque position de la cavité externe permettent de décrire l’enveloppe de la transmis-sion de chacune des voies et ainsi de les caractériser en transmistransmis-sion et spectralement (2.17(b)).

Figure 2.17 – (a) Schéma du multiplexeur sous test avec les puissances mises en jeu, la position du réseau de la cavité externe i et les sorties j comprises entre 1 et 15. (b) Spectre de transmission d’un canal du multiplexeur (rouge) construit à partir du balayage en longueur d’onde de la cavité externe.

Résultats expérimentaux

La figure 2.18(a) montre le spectre de transmission en polarisation TE de 13 des 15 voies du multiplexeur. Les deux voies restantes n’ont pu être mesurées car se situant en dehors de la plage d’accord de la source. L’espacement intervoie est de 98

± 20 nm. Les voies présentent des pertes d’insertion s’étalant de -18 à -24 dB avec une intersection intervoie de 3 dB. La transmission décroît linéairement entre 7,3 et 8,2 µm de -18 dB à -21 dB, attribuée à l’augmentation des pertes de propagation. Au dessus de 8,3 µm, la transmission s’effondre associée à un fonctionnement proche de la fréquence de coupure des guides d’onde courbes.

Longueur d'onde (µm) 7.2 7.4 7.6 7.8 8.0 8.2 8.4 8.6 Tran smi ssion (dB) -40 -35 -30 -25 -20 -15 Channel number 4 6 8 10 12 14 7,2 7,9 8,6 targeted experimental Longueur d'onde (µm) 7.2 7.4 7.6 7.8 8.0 8.2 8.4 8.6 Tran smi ssion (dB) -40 -35 -30 -25 -20 -15 Longueur d'onde (µm) (a) (b) λcible (µm) 7.5 7.7 7.9 8.1 8.3 λ^mesur ée (µm) 7.5 7.7 7.9 8.1 8.3 cible mesure y=0.92x+y0

Figure 2.18 – Réponses spectrales des entrées du multiplexeur (a) en pola-risation TE et (b) polapola-risation TM

La figure 2.18(b) montre quant à elle la transmission du même multiplexeur en polarisation TM. La plage de longueur d’onde couverte s’étend de 7,3 à 8,3 µm. Les quinze voies n’ont pu être mesurées, liés à une limitation de la source en dessous de 7,3 µm et à un signal de sortie trop faible en dessous du bruit expérimental au dessus de 8,3 µm. L’espacement intervoie est de 97 ± 27 nm, en accord avec la valeur théorique de 100 nm. La précision sur la mesure s’explique par le faible taux de réjection, comme expliqué à la section suivante. Comme montré dans l’encadré de la figure 2.18(b), une légère déviation de la longueur d’onde centrale des voies intervient menant à un coefficient de dispersion linéaire de 85,6 µm/µm (pour une valeur cible de 83 µm/µm). La régression linéaire réalisée sur la valeur mesurée en fonction de la valeur ciblée donne un coefficient directeur de 0,92, pour une cible de 1. Cet écart peut être attribué à des variations de composition de l’alliage ternaire InGaxAs_1−x, à une géométrie non-exacte liée aux tolérances de fabrication. De même, les modèles d’indices optiques pour les matériaux sont aussi très importants et devront être calibrés pour la réalisation de multiplexeurs de seconde génération.

2.3. Multiplexage spectral sur filière InP

L’intersection intervoie est de l’ordre de 2 dB et garantie une bonne uniformité de la puissance de sortie. Néanmoins, les pertes d’insertion sont fortes et s’étendent de -18 dB à -31 dB de 7,3 à 8,3 µm respectivement. L’identification des mécanismes de pertes est menée dans la section suivante.

Bilan sur les pertes

Pour une polarisation d’entrée TM, les voies du multiplexeur sont espacées régu-lièrement de 97 nm, en très bon accord avec la théorie. La bande de longueur d’onde couverte s’étend de 7,1 à 8,3 µm, correspondant à une largeur de gamme spectrale jamais atteinte jusqu’à présent. Cependant, les pertes d’insertion sont trop élevées pour garantir une puissance de sortie suffisante pour l’utilisation du faisceau sur une chaîne de détection de gaz. Quatre sources de pertes sont identifiées et discutées dans la suite de cette section : les pertes de propagation, les pertes radiatives, le taux trop élevé de réjection des pics secondaires, et les pertes du réseau de diffraction.

Les pertes de propagation, liées à l’interaction du mode guidé avec la rugosité des flancs de gravure, sont estimées par mesure du contraste des franges Fabry-Pérot résultant des réflexions sur les facettes d’un guide droit [37]. Les pertes de propagation pour un guide d’onde mono-mode de 6 µm de large sont de 2,9 dB/cm à la longueur d’onde de 7,4 µm en polarisation TM. A partir de la différence de chemin optique entre la voie de référence et la voie de mesure, les pertes de propagation contribuent à hauteur de 0,5 dB à 7,4 µm et augmentent avec la longueur d’onde. Bien que relativement faibles, des étapes de réduction de la rugosité peuvent suivre la gravure des rubans pour diminuer ces pertes de propagation [117].

Les pertes radiatives sont souvent négligeables pour des modes fortement confi-nés, éloignés de leur fréquence de coupure [83]. Lorsque la longueur d’onde augmente et se rapproche de la fréquence de coupure, le mode se délocalise du centre du guide d’onde. Une partie de son énergie est transférée à des modes radiatifs du substrat et engendre alors des pertes. Cela est d’autant plus vrai pour des guides d’onde courbes pour lesquels le mode optique se délocalise de façon asymétrique. Il perd alors de l’énergie suite à la non-conservation de la phase du mode en périphérie extérieure du guide courbe ainsi qu’à une interaction exaltée avec la rugosité des flancs. A partir de simulations optiques de type différences finies, les pertes radiatives du guide d’onde de sortie pour un rayon de courbure de 500 µm sont extrêmement dépendantes de la longueur d’onde, de la profondeur de gravure et de la largeur du guide et montre un fonctionnement proche de la fréquence de coupure. Ces pertes contribuent à hau-teur de 4,5 dB à 7,3 µm pour le mode fondamental en polarisation TM. Sur notre multiplexeur, l’augmentation quasi-linéaire des pertes d’insertion avec la longueur d’onde ainsi que le haut niveau de pertes s’expliquent principalement par ce méca-nisme. Étant donnée la large gamme spectrale du multiplexeur, il devient difficile de satisfaire à la fois un caractère mono-mode et des pertes radiatives faibles pour un guide d’onde à fort contraste d’indice de largeur unique. Néanmoins, la largeur du guide pourrait être élargie graduellement pour un fonctionnement allant des basses aux hautes longueurs d’onde pour satisfaire ces deux critères.

Le spectre de transmission d’une voie présente une valeur faible du taux de ré-jection des pics secondaires des deux voies adjacentes. A partir de la figure 2.19, les puissances optiques contenues dans les pics secondaires sont de mêmes amplitudes que celle comprise dans le lobe central (j = 7) et leurs maxima correspondent aux

longueurs d’onde des maxima de transmission des voies adjacentes (j = 6, 8). Il de-vient alors difficile d’évaluer la bande passante de chacune des voies. En comparant les puissances des voies adjacentes à la longueur d’onde de 7,7 µm, les pertes de couplage intervoie sont estimées à 2,2 et 4,2 dB en polarisation TE et TM respec-tivement. En augmentant la distance entre les guides d’onde en entrée de la zone de propagation libre, une isolation plus efficace des différents canaux permettrait de descendre le niveau de ce taux de réjection. De plus, les angles mal définis au niveau du réseau de diffraction entrainent un couplage intervoie plus fort [118].

j=6 j=7 j=8

Longueur d'onde (µm)

Intensit

é normalisée

(dB)

Figure 2.19 – Comparaison des réponses spectrales expérimentales (j = 6, courbe bleue continue) et théoriques de trois voies adjacentes (j = 5, j = 6 et j = 7, courbe rouge, bleue et verte en pointillés)

Sur les 19 dB de pertes observées à 7,3 µm de longueur d’onde, les pertes dans la partie guide incluant les pertes de propagation et les pertes radiatives sont estimées à 5 dB, ainsi que 4 dB provenant des pertes optiques par couplage avec les voies adjacentes. Il reste alors 10 dB de pertes que nous attribuons au réseau de diffrac-tion : imperfecdiffrac-tions lors de la lithographie, flancs des dents du réseau non verticaux, réflexion de Fresnel à l’interface semi-conducteur/air. La figure 2.20 contenant trois clichés pris avec une caméra infrarouge de type QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector) pointant la surface du multiplexeur permet d’observer la lumière diffusée à la surface de l’échantillon dans la direction orthogonale à sa surface. Sur la figure 2.20(a), les sources de pertes sont au nombre de trois : les coupleurs, le virage à 180^◦ et le réseau de diffraction. Les puissances injectées aux trois longueurs d’onde n’étant pas constantes, la comparaison des intensités entre les trois clichés est difficile. Néanmoins, on constate la diminution de l’intensité au niveau du ré-seau, et l’augmentation des pertes de couplage et de propagation. La troisième zone lumineuse située en face des guides d’onde d’entrée correspond à la lumière perdue dans les guides courbes. La zone s’élargit avec la longueur d’onde en même temps que les pertes radiatives augmentent. De plus, nous avons vu dans la section que la fréquence de coupure des guides droits de 6 µm se situe entre 8,7 et 9,1 µm. A 8,4 µm (figure 2.20(c)), les pertes radiatives sont plus élevées. le mode optique se couple davantage aux modes rayonnants situés dans le cône de lumimère, illuminant l’échantillon dans son ensemble.

2.3. Multiplexage spectral sur filière InP (b) Réseau de diffraction Guide de sortie Guides d'entrée (a) (c)

Limites du multiplexeur Couplage ^Radiatives

Réseau de diffaction

Figure 2.20 – Images MIR de la surface supérieure du multiplexeur montrant les surfaces préférentielles de diffusion de la lumière à différentes longueurs d’onde ; (a) 7,83 µm, (b) 8,13 µm et (c) 8,40 µm

la non-verticalité des facettes. Pour des guides de plusieurs micromètres d’épaisseur fonctionnant à 1,5 µm, il est primordial d’obtenir des facettes verticales au degré près, sous peine de subir des pertes additionnelles de plus de 4 dB [116]. La figure 2.21 représente pour le multiplexeur les pertes calculées supplémentaires apportées pour différents angles des facettes par rapport à la verticale. A partir de clichés MEB des facettes du réseau, l’angle par rapport à la verticale est estimé à 1,5^◦ et contribue à hauteur de 0,2 dB aux pertes totales. Ces pertes sont donc négligeables devant les autres.

Figure 2.21 – Pertes simulées supplémentaires en fonction de l’angle de la facette par rapport à la verticale.