HAL Id: jpa-00249186
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Submitted on 1 Jan 1994
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Optimisation de dispositifs en guide d’onde avec coupleur a réseau : application aux commutateurs
optiques
F. Bertrand, N. Paraire, P. Dansas, N. Moresmau
To cite this version:
F. Bertrand, N. Paraire, P. Dansas, N. Moresmau. Optimisation de dispositifs en guide d’onde avec coupleur a réseau : application aux commutateurs optiques. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1994, 4 (7), pp.1321-1334. �10.1051/jp3:1994204�. �jpa-00249186�
Classification Physic-s Abstiacts
42.85F 42.80L
Optimisation de dispositifs en guide d'onde avec coupleur h
rdseau : application aux commutateurs optiques
F. Bertrand, N. Paraire, P. Dansas et N. Moresmau
Institut d'Electronique Fondamentale, CNRS URA22, Universitd ParisXI, Bfit.220,
91405 Orsay Cedex, France
(Re~,u le 12 novembre 1993, idvisd le I~' aviil1994, acceptd le 14 avril J994)
Rdsumd. De nombreux dispositifs utilisds en photonique et optodlectronique sont constitu6s de
structures multicouches en semi-conducteurs comportant un guide d'onde non lin6aire et d'un
coupleur h r6seau. Leurs performances ddpendent, en particulier, des dpaisseurs optiques des diffdrentes couches constituantes et des caract6ristiques du r6seau de diffraction. Pour un 6chantillon, les parambtres nominaux des diff6rentes couches sont connus en premibre approxima- tion, mais il est ndcessaire de les prdciser pour ddfinir [es conditions de fonctionnement et les
caract6ristiques optimales du coupleur. Dans un cas particulier dchantillon de InP/InGaAsP/InP qui doit fonctionner en commutateur optique par transmission nous avons ddfini une structure optimale, puis nous avons mis au point un montage expdrimental permettant de mesurer [es
coefficients de r6flexion et de transmission en fonction de la polarisation, de la longueur d'onde et de l'angle d'incidence. Nous avons d6duit de ces mesures [es parties r6elle et imaginaire des indices. Ces r6sultats nous ont permis de rdoptimiser la structure (d6finie a priori) et de ddterminer
sa longueur d'onde de fonctionnement.
Abstract. Numerous devices used in the field of photonics and optronics are made of
semiconductor multilayered structures including a nonlinear waveguide and a grating coupler.
Optimization of such devices depends on the optical thicknesses of the various layers and on the
grating characteristics. For a given sample, the layer parameters are usually known as a first approximation, but a good accuracy is necessary to define the operating wavelength and the coupler characteristics. In a particular case- a InP/InGaASP/InP sample which operates for optical switching in the transmission mode we have first defined an optimized structure. Then,
we have built an experimental set-up able to measure reflection and transmission coefficients
versus polarization, wavelength and incidence angle. From transmission measurements performed
with this apparatus, we have deduced both real and imaginary parts of the layers refractive indices.
These calculated values allowed us to reoptimize the structure and to determine the operating wavelength.
Introduction.
L'6tude qui suit conceme des structures comportant un guide d'onde semi-conducteur-
pr6sentant des non-lin6arit6s optiques significatives dans lequel la lumikre est coup16e grfice
h un rdseau. Le nombre important de dispositifs basks sur des architectures de ce type diodes laser h Emission surfacique [1-4] par exemple montrent l'intdrfit que revfit l'optimisa-
(ion de telles structures. La connaissance des 6paisseurs optiques des diffdrentes couches, quand la longueur d'onde varie, est ndcessaire h l'optimisation du coupleur h r6seau, au choix de la longueur d'onde de fonctionnement (dans le cas d'un dispositif passifl ainsi qu'h une
mod61isation fiddle du fonctionnement du dispositif.
La commutation optique 6tant l'un des 616ments clefs du traitement optique de l'information,
nous 6tudions des dispositifs destin6s h r6aliser cette fonction essentielle.
Notre expos6 d6crit, en premier lieu, une d6marche g6n6rale conduisant h l'optimisation, a priori, de dispositifs guide d'onde avec coupleur h r6seau que nous avons appliqu6 au cas d'un
commutateur optique particulier. Les paramktres des structures 6pitax16es prdsentent d'in6vita-
bles dcarts aux valeurs nominales incompatibles avec une bonne optimisation de ces structures.
Nous pr6sentons donc, dans une deuxikme partie, une m6thode expdrimentale qui permet d'accdder aux valeurs effectives de ces paramktres et montre l'importance de leur ddtermination in situ. Les rdsultats obtenus avec notre dchantillon ont, en particulier, permis de d6terminer
l'indice des matdriaux constituants (InP et InGaASP) autour de leurs gaps respectifs. La connaissance des valeurs, d6termin6es sur [es structures elles-mdmes, permet l'ajustement des
paramktres libres des dispositifs (pas et profondeur de modulation du r6seau de couplage).
1. Optimisation d'un dispositif guide d'onde avec coupleur h rdseau :
I.I DfMARCHE G#NfRALE. L'oplimisalion d'Un dispositif mUni d'Un CoUpieUr h r6SeaU,
dont la couche active (non lindaire) est un semi-conducteur, a plusieurs aspects (al la prise en compte des paramktres non modifiables, essentiellement les variations (avec la longueur d'onde) des indices complexes de tous les matdriaux utilis6s pour rdaliser la structure (b) l'ajustement corr61atif des paramktres modifiables tels que, dpaisseur des couches, profondeur
de modulation et pas du r6seau, et enfin, forrne de la modulation (l'importance de ce dewier
paramktre n'est vraiment critique que si la profondeur de modulation est notable) (c) la ddtermination de « plages » de variation des paramktres pour lesquelles la to16rance sur l'dcart h l'optimisation est acceptable (d) l'61imination de «jeux» de valeurs de paramktres
conduisant th60riquement au meilleur rdsultat possible, mais qui ne peuvent dtre technologi- quement obtenus avec la prdcision voulue ; (e) corr61ativement, le choix ddlib6rd de « zones » de moindre sensibilit6 aux paramktres les moins « contr61ables
».
1.2 DESCRIPTION D'UN CAS PARTICULIER: COMMUTATEUR OPTIQUE EN TRANSMISSION.
Nous avons cherch6 h ddterminer les caract6ristiques d'une structure qui soit optimale du point
de vue de la commutation optique. Deux grandeurs permettent de caract6riser la qualit6 d'un
commutateur. La premikre est la sensibilitd S caractdris6e par la puissance minimale ndcessaire
au changement d'dtat (la sensibilit6 est d'autant plus grande que cette puissance minimale est
petite). La seconde est le contraste C mesurant la variation relative de la puissance de sortie du
systkme lors d'une commutation.
Le but est donc de rendre maximales ces deux quantit6s. On peut d6finir un facteur de m6rite F proportionnel au produit CS et qui caract6rise globalement la qualit6 du dispositif. Un tel
facteur a 6td dtudid dans le cas de cavit6s Fabry-Pdrot non lin6aires fonctionnant en
commutateur[5, 6]. Ces Etudes ont montr6 que, si les caractdristiques non lindaires interviennent dans la sensibilitd et le fonctionnement dynamique, F est trks sensible aux
caractdristiques physiques lin6aires du dispositif. Ce sont h ces paramktres que nous nous
sommes intdress6s. Dans le cas d'un dispositif guide d'onde avec coupleur h r6seau, (es valeurs
de C et de S varient trks sensiblement avec les dpaisseurs optiques de la couche guidante et la
profondeur de modulation du coupleur. Pour ce type de dispositif, on peut 6crire
F [7] sous la forme (voir Fig, I) :
~
~~ ~mln
A~~~ est la valeur maximale de l'absorption (qui conditionne l'amplitude des non-lin6arit6s).
AH est la largeur h mi-hauteur de la courbe d'absorption en fonction de l'angle d'incidence.
AS est la variation de puissance du faisceau de sortie durant la commutation. S~~~ est la valeur minimum de la puissance de sortie lors du changement d'dtat.
)mid. e Si
Tmax
~
T
52
o.5
Amex
Tmin
A o
0.7 1.2 1.7 2.2 27
Angle d'incidence Q
Fig. I. Moddlisation des efficacitds de transmission (T) et d'absorption IA en fonction de l'angle d'incidence pour la structure optimisde InP/InGaAsP/InP avec coupleur h rdseau.
[Modelling of the transmission (T) and absorption (A) efficiencies i>eisus the incidence angle
6 for the optimized device InP/InGaAsP/InP with a grating coupler.]
1.3 CHOIX D.uN DisPosiTif-oPTiMisATioN. Comme on vient de l'exposer, il est possible
d'optimiser un dispositif h guide d'onde fonctionnant en commutateur en ajustant sa g60m6trie.
Nous avons donc d6termin6 les caract6ristiques d'une telle structure rdalis6e en semi- conducteurs III-V. L'intdrEt de ces matdriaux est d'offrir, a priori, la possibilitd de concevoir des systdmes monolithiques intdgrant sources, d6tecteurs et composants.
Nous avons congu un dispositif devant fonctionner h une longueur d'onde de l'ordre de
A~~~~~ m 0,98 ~Lm (h laquelle des sources miniaturisables sont d6veloppdes) et commutable en
transmission. La longueur d'onde de fonctionnement doit se situer autour du bord de bande
d'absorption du matdriau constituant le guide non lindaire.
La rdalisation du guide d'onde impose une condition sur [es indices l'indice du guide doit Etre supdrieur h celui du substrat. De plus, le dispositif devant fonctionner en transmission, le
bord de bande A~ du guide doit se trouver dans une rdgion spectrale de transparence du
substrat.
Nous avons cherchd un matdriau (pour le guide) qui soit facilement dpitaxid sur un substrat
d'usage courant et qui satisfasse les conditions citdes plus haut. On a 6td amend h choisir le couple InP comme substrat et le quaternaire In,Gaj _,As~Pj
_~
h gap « rdglable » comme
couche non lin6aire non contrainte (I.e, en compatibilit6 de maille avec InP).
Une longueur d'onde de fonctionnement de 0,98 ~Lm impose une valeur d'alliage de y m 0,15.
La ddterrnination des paramktres g60m6triques de la structure est bien dvidemment life aux valeurs des indices des mat6riaux qui la composent. Il est donc ndcessaire de connaitre les valeurs des indices des mat6riaux que nous utilisons. Nous avons fait appel au moddle proposd
par ADACHI [8] qui perrnet d'dvaluer l'indice complexe du quatemaire In,Gaj ,As~Pj
~
quel
que soit y (avec accord de maille avec InP : xm 0,46 y) et pour des longueurs d'ondes
supdrieures h 0,2 ~Lm. Dans la litt6rature, on ne trouve des valeurs d'indices de cet alliage que pour des valeurs discrktes et peu nombreuses de y.
Une fois ces choix effectu6s, on a pu, pour satisfaire au critkre d'optimisation d6fini plus haut, d6terminer les caract6ristiques g60m6triques du dispositif pour un mode de fonctionne-
ment TEI Pour lequel le facteur de mdrite est plus stable que pour le mode TED, dans le cadre de
la ddmarche proposde au paragraphe I, I. Ce mode TEj est cependant moins confin6 dans le
guide. Or, la gravure du rdseau est gdndratrice de ddfauts. De manikre h ce que la zone active (la couche d'InGaAsP) ne soit pas ddgradde par la gravure, on a ddposd sur le guide une couche d'InP (d'indice voisin, mais transparent h la longueur d'onde de fonctionnement) dans laquelle
le rdseau de couplage sera gravd. La structure optimale est donc la suivante :
. dpaisseur de la couche superficielle d'InP ej = 0,12 ~Lm ;
. dpaisseur de la couche guidante d'InGaAsP e~ = 0,7 ~Lm
. pas du rdseau de couplage p
= 0,305 ~Lm
. profondeur de modulation du rdseau de couplage h
= 0,12 ~Lm.
La figure I montre les variations angulaires, prdvisibles autour de la rdsonance, des efficacitds transmise et absorbde.
2. Etude expkrimentale.
Les valeurs effectives des diffdrents paramdtres de la structure (dpaisseurs, indices) ne sont
foumies par les dpitaxieurs qu'avec une certaine prdcision 5 % pour les dpaisseurs, par
exemple ; la composition y
=
0,15 a dtd respectde mais la valeur de.I ne correspond pas h l'accord de maille, ce qui entraine un ddplacement du bord de la bande d'absorption et donc, pour une longueur d'onde donn6e, des variations de quelques % de la partie r6elle de l'indice et de plusieurs ordres de grandeur de sa partie imaginaire. Le dispositif devant fonctionner en bord de bande d'absorption, il nous est n6cessaire de connaitre prdcisdment les paramktres
effectifs de la structure afin de pouvoir y adapter ceux du coupleur et choisir la longueur d'onde de fonctionnement, optimisant ainsi le dispositif rdel en notre possession.
Pour prdciser les diffdrents paramdtres de la structure, nous avons donc effectud des mesures de transmission (h la longueur d'onde variable et angle d'incidence fixe, ou l'inverse) de la
structure constitude par l'empilement InP/1nGaAsP/1nP/AI~O~. C'est en effet la transmission
qui, dans le cas traits ici, prdsente la meilleure «sensibilit6» aux diff6rents paramktres physiques ou g60m6triques. C'est pourquoi la structure a 6t6 munie d'une couche antireflet en A120~, de manikre h attdnuer le plus possible les oscillations dans la rdgion de longueurs
d'onde off le substrat est transparent.
2.I MONTAGE EXPfRIMENTAL. Nous avons mis au point un montage (Fig. 2) qui posskde
un trds grand nombre de degrds de libertd. Il permet des mesures de la r6flexion ou de la transmission d'dchantillons en fonction, soit de l'angle d'incidence, soit de la longueur d'onde du faisceau excitateur. Ces mesures peuvent Etre faites pour n'importe quelle polarisation
(notamment TE et TM).
M, Laser b Argon
~
table tragante
Laser Iitane-saphir
~~~~
i
~~~
Echanflllon
Lame 1r2
~~~~~~
~~~~~~ ~rous~
kgiag~~
de r#~a$~rr~~vm
~'~
o jRj amodbies Thermopile
~ + lentille au
au Barrette de
Ml. Mz= mirolrs mulfld141ectrioues 'iltrespatial photodlodes
D,, Dz dktecleurs
Fig. 2. Montage expdrimental.
[Experimental set-up.]
Sur ce montage, on dispose d'une source lumineuse infrarouge (IR) accordable. Elle est constitu6e d'un laser titane-saphir pomps par un laser h argon continu de forte puissance. Cet ensemble permet d'obtenir un signal de longueur d'onde ajustable entre 750 nm et I loo nm.
La puissance de sortie du laser h titane-saphir devant Etre (pour des raisons de stabilit6) assez 61ev6e, nous disposons d'un att6nuateur variable constitu6 d'une lame retard et d'un polariseur
de Glan. Ce polariseur sert 6galement h fixer la polarisation de la lumikre tombant sur
l'6chantillon.
Afin de mesurer des coefficients de transmission (pour s'affranchir des fluctuations
d'intensitd du faisceau incident), it est ndcessaire de mesurer simuitandment la puissance
transmise et la puissance incidente. Nous assurons la mesure de ces puissances grfice h deux ddtecteurs au silicium qui prdlbvent chacun, au moyen d'une lame sdparatrice, une fraction de
la lumidre qui les traverse. Les signaux ddiivrds par ces ddtecteurs sont envoyds sur (es entrdes d'un diviseur qui en effectue le rapport. L'obtention d'une vaieur absoiue de la transmission
requiert l'dtalonnage de ce systkme de mesure que l'on obtient en effectuant des mesures pour
une transmission unitaire (I,e. en l'absence d'dchantillon sur le trajet du faisceau).
2.2 ANALYSE DES R#SULTATS EXP#RIMENTAUX.
2.2. I Uniformitd des dchantilloiis. Avant de procdder h toute mesure devant permettre de ddterminer (es caractdristiques gdomdtriques (dpaisseurs des couches) et physiques (indices complexes des matdriaux), nous avons contr61d l'uniformitd des dchantiilons car it est intdressant de connaitre ie degrd d'homogdnditd des dchantillons. En effet, si une ldgkre dispersion des caractdristiques permettrait d'obtenir localement, aprds la gravure du rdseau, un meilieur ajustement, la prdsence de gradients importants pourrait rdduire notabiement la zone utile de l'dchantillon. Nous avons donc effectud des mesures du coefficient de transmission (sous incidence normale et h la iongueur d'onde fixe) en fonction de la position de la zone de
l'dchantillon dclairde. Ces mesures. effectudes avec un faisceau de section droite d'environ
1,5 mm de diambtre h lle~, montrent que,
aux dchelles qui nous intdressent (diamdtre du faisceau excitateur de l'ordre du millimbtre), la transmission est uniforme. En effet, (es valeurs obtenues (Fig. 3) reprdsentent essentiellement la convolution de la section du faisceau incident
par l'ouverture circulaire (de diamdtre 6 mm) du porte-dchantillon. Ces constatations
d'uniformitd ont confirms l'int6rEt de poursuivre [es caractdrisations.
Courbesd'isetransmission
6
, 5
' '
.---)---1- 3 y(mm)
o
0 I 2 3 4 5 6
x(mm)
Fig. 3.-Umformit6 d'un dchantillon: courbe~ d'isotransmission (incidence normale, longueur
d'onde 1,02 ~m) en fonction de la position ix. y) de la zone dclairde.
[Sample uniformity checking isotransmission curves (incidence angle o°, wavelength 1,02 ~m)
iersus position (x, y) of illuminated area.]
2.2.2 Mesuies de transmission d longiieur d'onde variable. La figure 4 reprdsente la variation du coefficient de transmission mesurd sous une incidence de 0°, en fonction de la
longueur d'onde, comparde h celles obtenues thdoriquement en utilisant le moddle d'Adachi pour des valeurs de parambtres d'alliage compris entre 0,15 et 0.21. La courbe expdrimentale
s'inscrit en fait dans une
« grille» de courbes correspondant h une plage de », et par
consdquent, il est difficile d'attribuer h y une valeur ddterminde. Si un dcart h la valeur de 0,15 dtait prdvisible (il est en effet difficile d'obtenir avec prdcision une valeur prdddterminde de y, lorsque cette valeur est aussi faible), la situation ddcrite par la figure 4 ne l'dtait pas. En fait, il est impossible de rendre compte, mdme qualitativement, de la courbe expdrimentale sur la
base d'une gradualitd en y. Si le moddle d'Adachi a le mdrite de prdvoir la valeur des indices dans une large gamme d'dnergie du photon, (es valeurs d'indices fournies pour des Energies
photoniques voisines du seuil d'absorption sont ndcessairement entachdes d'erreur. En
1.00
AJrflnPflnGaAsP(y)finP/AJ203/Air 0,12/ 0.7 /300/0.143§1m)
Incidence normale
T TE #1bar.
ym--->
0,15/D,16/D,17/D.lB/D.19/D.2o/0.21
~ o
# fl E
w O-W
"
4. -
continues,
[Comparison of xperimental (black squares) and
theoretical continuous
compositions y) ransmission
particulier, il n'est pas tenu compte de l'existence dventuelle en'bord de bande interdite de InP et (ou) de InGaASP, de queues d'absorption (Urbach tails) ou encore de la prdsence d'excitons.
En partant de bords de bande situds autour de 1,01 ~Lm (selon les dpitaxieurs) au lieu de 0,98 ~Lm pour le quaternaire InGaASP et de 0,92 ~Lm pour InP, il est apparu que la courbe
« optimale » de transmission h adopter comme point de ddpart pour une analyse des rdsultats
est celle correspondant h y = 0,18. En effet, elle coincide sensiblement avec la courbe
expdrimentale h des longueurs d'onde voisines de 0, 97-0, 98 ~Lm qui sont situdes, sensiblement au-dessous de celle correspondant h celle du gap de InGaASP (m 1,01 ~Lm) et sensiblement au- dessus de celles proches du gap de InP (= 0,92 ~Lm).
La coupure « prdmaturde » de transmission h basse longueur d'onde (m 0,94 ~Lm) peut Etre raisonnablement attribude h une queue d'absorption en bord de bande (Urbach tail) de InP. Si
en effet, on calcule (pour des longueurs d'onde allant de 0,94 h 0,97 ~Lm) la valeur
n" h donner h la partie imaginaire de l'indice de InP pour obtenir l'attdnuation conduisant h la
valeur mesurde de la transmission, l'absorption correspondante reprdsentde sur la figure 5 est
ioooo
,
#160r~ue
, ,
1000 ,' (d'apr6s ADACHI)
, , , , , , , ,
. . ,
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100
~
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queue d'absorpfion
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Q exp6rimentai
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g ,
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' , ., ,
l '
o-i
1.28 1-W 1.30 1.31 1.32 1-n 1.34 1-M 1.36 1-H I-M
Energie (ev~
Fig. 5. Comparaison de l'absorption mesurde et calculde dans InP.
[Comparison of measured and calculated absorption coefficients of InP.]
tout h fait compatible avec la queue d'absorption calculde par Benett [9], sur la base du meilleur ajustement des valeurs compildes par Palik [10]. L'hypothkse de pertes existant dans InGaASP (pour parvenir h la mdme attdnuation de la transmission) conduirait h envisager, pour
des longueurs d'onde voisines de 0,94 ~Lm, des valeurs de n" prks de six fois supdrieures h celles prdvues par Adachi, ce qui parait tout h fait improbable.
De la mEme manidre, on a calculd la valeur n"(A qu'il serait ndcessaire d'introduire dans l'indice du quaternaire In,Gaj _,As~Pj _~(y = 0,18) pour obtenir une coincidence entre le
coefficient de transmission calculd et celui mesurd. La figure 6 permet une comparaison de n"(A) ddduit de l'expdrience et de n"(A) obtenu h partir du moddle d'Adachi pour
y = 0, 18. On trouve darts ce cas h la fois une queue d'absorption suppldmentaire en dessous du
seuil d'absorption et un surcroit d'absorption dans une gamme d'dnergie supdrieure au gap du
quaternaire.
1.00E-01
m
"
n"[lnGaAsP] exp.
8
~ 4 ~
E
f
fin E
.
+
~
a .00E-03
0.97
