Cette différence de phase est égale à 2πm pour la longueur d’onde centrale
λc= neff,p∆L
m (2.18)
résultant en une interférence constructive d’ordre m des ondes émergeant du réseau de sortie. A une longueur d’onde λ, les maxima de la condition d’interférence sont satisfaits dans la direction θ par rapport à l’axe du coupleur lorsque
neff,sΛ sin θ + neff,p∆L = mλ (2.19)
avec Λ le pas du réseau en entrée et en sortie de la section de phase, neff,s l’indice effectif du mode de la zone de propagation libre, aussi appelé mode de slab.
La différence de longueur entre les bras de l’AWG est fixée à partir de la longueur d’onde centrale λc, de l’indice de groupe ng et de l’ISL
∆L = λ
2 c
ngλF SR (2.20)
2.2 Solutions de multiplexage spectral dans le
MIR
2.2.1 Etat de l’art du multiplexage dans le MIR
PCG
Dans le MIR, les premiers multiplexeurs de type PCG ont été démontrés sur la plateforme SOI couvrant la gamme 3,77 - 3,85 µm [102]. Des pertes d’insertion basses de l’ordre de 1,6 dB et un taux de réjection faible de 19 dB en font un can-didat idéal pour des longueurs d’onde comprises entre 1,5 et 3,8 µm (figure 2.8(a)). Cette plateforme compatible avec la technologie CMOS bénéficie du savoir-faire de la microélectronique pour obtenir des guides d’onde avec des pertes de propagation très faibles de moins de 1 dB par mètre à la longueur d’onde des télécommunica-tions [103]. Le contraste d’indice est très fort et permet de réaliser des fonctélécommunica-tions complexes en un minimum de place. Au delà de 3,8 µm, l’oxide de silicium absorbe fortement et vient dégrader les performances. Des alternatives compatibles avec les lignes de production CMOS ont vu le jour à de plus hautes longueurs d’onde. Les circuits photoniques sur la filière Ge-sur-Si ont donc été développée peu de temps après. De 5,1 à 5,4 µm, un PCG possédant un réseau de diffraction à facettes de type réseau de Bragg a obtenu des pertes d’insertion de 4,2 dB et un taux de réjection de 23 dB en polarisation TM [62].
AWG
De nombreux équipes ont réalisé des multiplexeurs de type AWG dans le MIR. Les équipes de l’université de Ghent ont démontré pour la première fois en 2013 le premier AWG dans le MIR sur un wafer SOI [102]. De faibles pertes d’insertion à 1,75 dB ainsi qu’un taux de réjection des lobes secondaires supérieur à 23 dB en font une référence pour les autres équipes travaillant sur les filières MIR. Grace au fort
Figure 2.8 – Schémas de principe et réponses spectrales des multiplexeurs de la littérature réalisés dans le MIR. (a) PCG sur SOI [102], (b) AWG sur filière Ge-sur-Si [62], (c) MZI sur SOI [30] et (d) AMMI sur SOI [104].
2.2. Solutions de multiplexage spectral dans le MIR
contraste d’indice de la plateforme SOI, des virages très serrés à rayon de courbure de 60 µm ont permis de réduire la zone occupée par le multiplexeur. La deuxième démonstration a été réalisée sur filière Ge-sur-Si afin de travailler à de plus hautes longueurs d’onde [105]. Les performances sont légèrement détériorées avec des pertes d’insertion de 3,1 dB et un taux de réjection de 16 dB en polarisation TM (figure 2.8(b)).
Interféromètre de Mach-Zehnder
L’interféromètre de Mach-Zehnder (MZI) constitue une brique de base d’optique intégrée pour former des filtres spectraux et des modulateurs. Il possède une trans-mission périodique qui est fonction du retard de phase présent entre les deux bras constituant l’interféromètre. Les premières réalisations dans le MIR ont montré le fonctionnement d’un MZI de 1 vers 1 sur filière SOI avec des taux d’extinction de 27 dB et des pertes d’insertion très faible de l’ordre de 2 dB à 3,8 µm [106]. De façon équivalente, un MZI à 5,3 µm a été réalisé sur filière Ge-sur-Si [107]. En cascadant plusieurs étages de MZI ayant chacun une différence de chemin optique, couplé à un algorithme basé sur une analyse de transformées de Fourier, des spectromètres ont été réalisés de façon intégrée sur wafer SOI dans le MIR [30]. Quarante-deux MZI avec une différence de chemin optique variant linéairement ont permis de réaliser un spectromètre avec une résolution de 2,7 nm couvrant la gamme spectrale s’étalant de 3,71 à 3,8 µm, sur une surface de seulement 0,95 cm2 (figure 2.8(c)).
Coupleur d’interférence multimode angulaire
Deux réalisations ont été proposées dans la littérature sur la plateforme SOI au-tour de 3,8 µm [104, 106]. Le multiplexage est basé sur un coupleur d’interférence multimode (MMI) avec des guides d’onde d’entrée et sortie tiltés par rapport à la direction longitudinale de la zone de propagation multimode (figure 2.8(d)). Le pre-mier exemple est un multiplexeur 3 voies couvrant la gamme 3,73 - 3,83 µm [106]. Il présente des pertes d’insertion autour de 4-5 dB, un taux de réjection de 12 dB mais la présence de peu de voies et la nécessité d’avoir une zone d’interférence de grande longueur sont problématiques pour l’obtention d’un multiplexeur compacte comportant de nombreuses voies compact. Afin de densifier les canaux dans la même gamme spectrale, une variante du premier dessin utilisant deux AMMI et un interfé-romètre de Mach-Zehnder ont permis de réduire l’espacement intervoie pour doubler le nombre de canaux sur la même gamme, tout en diminuant les pertes d’insertion (3-4 dB) et le taux de réjection (15-18 dB) [104] (figure 2.8(d)).
Bilan sur les performances
Le tableau 2.1 reprend les différents combineurs présentés précédemment ainsi que les gammes spectrales, les performances, les paramètres géométriques ainsi que leurs dimensions.
Bien qu’arborant d’excellentes performances en termes de pertes, le taux de réjection présenté par quelques groupes comme important pour le multiplexage de barrettes d’émetteurs, ne constitue pas une nécessité pour obtenir une puissance de sortie constante sur l’ensemble des longueurs accessibles. La couverture d’une
Combineur sur Filière
Gamme spectrale[µm]
Performances Géométrie Réf
SOI PCG 3,75 - 3,84 Pertes d’insertion 1,6 dB Diaphonie -18,3 dB ∆λ 10 nm 8 voies 1,8x1,7 mm2 [102] Ge-sur-Si PCG 5,18 - 5,32 Pertes d’insertion 4,2 dB Diaphonie -23 dB ∆λ 25 nm 6 voies 1,5x1,2 mm2 [62]
SOI AWG 3,74 - 3,81 Pertes d’insertion 1,7 dB Diaphonie -23,2 dB ∆λ 9,6 nm 6 voies 1,1x0,7 mm2 [102] Ge-sur-Si AWG 5,35 - 5,44 Pertes d’insertion 3,1 dB Diaphonie -16 dB ∆λ 18 nm 5 voies 1,0x1,0 mm2 [105]
SiGe AWG 4,38 - 4,58 Pertes d’insertion 5,0 dB Diaphonie -20 dB
∆λ 6 nm
35 voies
2,0x1,0 cm2 [108]
SiGe AWG 7,32 - 7,90 Pertes d’insertion 3,0 dB Diaphonie -20 dB
∆λ 21,9 nm
35 voies
1,5x0,9 cm2 [109]
SOI MZI 3,7 - 3,9 Pertes d’insertion 2,0 dB Diaphonie -27 dB
∆λ 13,3 nm
2 voies
1,0x0,1 mm2 [106]
SOI MZI 3,71 - 3,8 Pertes d’insertion n.a. Diaphonie XX dB ∆λ 2,7 nm
42 voies 0,95 cm2
[30]
SOI MZI 3,71 - 3,8 Pertes d’insertion n.a. Diaphonie XX dB ∆λ 2,9 nm 20 voies 0,57 cm2 [30] Ge-sur-Si MZI 5,2 - 5,4 Pertes d’insertion 0-1 dB Diaphonie -20 dB ∆λ 25 nm 2 voies 1,5x0,1 mm2 [107]
SOI AMMI 3,73 - 3,83 Pertes d’insertion 4-5 dB Diaphonie -12 dB ∆λ 30 nm 3 voies 5,0x0,1 mm2 [106] SOI AMMI Interdigités 3,72 - 3,81 Pertes d’insertion 3-4 dB Diaphonie -15/18 dB ∆λ 13 nm 6 voies 8,0x0,5 mm2 [104]
Tableau 2.1 – Récapitulatif des performances et des paramètres géomé-triques des multiplexeurs de la littérature dans le moyen-infrarouge.
2.2. Solutions de multiplexage spectral dans le MIR
gamme spectrale étendue ne constitue pas non plus un objectif clairement établi. Les groupes de recherche s’intéressant aux multiplexeurs MIR semblent avoir reproduits les multiplexeurs présents dans le proche infrarouge, ce qui limite leur domaine d’application. Les paramètres importants dans le domaine de la communication de données ont été conservés bien que n’étant plus pertinents. Une redéfinition des nouvelles figures de mérite est alors réalisée dans la section suivante pour répondre au besoin des applications.
2.2.2 Adaptation aux barrettes de LCQ
L’objectif des multiplexeurs de barrettes de LCQ est tout autre. Il consiste à réaliser une source mono-mode possédant les qualités spectrales d’un laser DFB, accordable sur toute la plage de longueurs d’onde de la barrette de lasers avec une puissance de sortie constante sur une sortie unique. Les facteurs de mérite des multiplexeurs en longueur d’onde pour barrettes de LCQ sont donc nécessairement différents de ceux utilisés dans le domaine des télécommunications. A partir de ceux définies sur la figure 2.1, la gamme spectrale doit être la plus large possible pour utiliser au maximum le potentiel et l’intérêt du moyen infrarouge pour la détection de gaz. L’espacement intervoie doit être plus petit que l’accordabilité d’un émetteur de la barrette pour assurer un balayage en longueur d’onde continu sur toute la gamme spectrale. Afin de garantir une puissance constante de sortie, la transmission sur cette plage doit être la plus plate possible. Pour cette raison, l’intersection intervoie doit être petite. Les pertes d’insertion doivent être faibles. Enfin, la contrainte sur le taux de réjection est relaxée. Le fonctionnement non-simultané des lasers permet de s’en affranchir.
La fonction de photonique intégrée non-résonnante réalisant parfaitement cette fonction de multiplexage tout en gardant une puissance de sortie constante est la jonction Y cascadée (figure 2.9). La fabrication est relaxée par le caractère non-résonnant des interférences pouvant se produire dans la jonction. Les interférences entre le mode fondamental et le mode anti-symétrique peuvent seulement provoquer un déséquilibre de la puissance de sortie entre les bras, n’empéchant pas le fonc-tionnement. Pour une plage de longueurs d’onde large, les pertes radiatives dans les sections courbes sont différentes causant une non-uniformité de la puissance de sortie. En supposant un rayon de courbure large et une répartition de 50 % entre les bras, les pertes d’insertion apportées par une jonction à n étages entraînent des pertes totales minimales de 3n dB. L’utilisation est avantageuse si la somme de l’intersection intervoie et des pertes d’insertion pour un PCG ou un AWG passe au dessus des 3n dB, c’est à dire pour un nombre limité de cascades. La surface occupée par un tel multiplexeur est de 0,9 x 7 mm2 pour un multiplexeur 8 voies à trois étages. Un multiplexeur de ce genre a déjà était réalisé de façon monolithique pour le multiplexage de 8 LCQ [110].
En fonction des notes reportées dans le tableau 2.2 pour les différentes figures de mérite des multiplexeurs large bande, nous avons décidé de réaliser les multiplexeurs de type PCG et AWG. Les pertes ainsi que l’envergure du multiplexeur à base de jonctions Y sont trop importantes pour pouvoir l’envisagé sur la filière InP pour un nombre de voies supérieur à dix. L’AWG avec sa transmission élevée et le PCG pouvant couvrir une grande étendue spectrale ont été choisies pour leurs bonnes
Figure 2.9 – Schema de multiplexage pour une série d’émetteurs à base de jonctions Y cascadées [94].
performances globales et pour leurs complémentarités.
Étendue Gamme Spectrale Transm. Int. Intervoie DiaphonieEsp. Intervoie Y - - - ++ n.a. n.a. AWG - + ++ + + Faible PCG + ++ + + ++ Large
Tableau 2.2 – Notation des figures de mérite d’un multiplexeur MIR large bande : (++ : bien), (+ : assez bien), (- : passable), n.a. : non-applicable.