Les puces optiques ou

Circuits intégrés photoniques

Raphaël K. Kribich kkribich@um2.fr

http://www.ies.univ-montp2.fr/~kribich 1

Contenu 1. Présentation.

2. Fabrication.

3. Principes fondamentaux:

1. Confinement de la lumière. 2. Propagation de la lumière dans un guide.

4. Principaux circuits:

1. Coupleur Y. 2. Coupleur en X. 3. Interféromètres. 4. Réseau de diffraction.

2

Intérêts de l’optique Rapidité Bande passante large Distance Faible atténuation Compatibilité électromagnétique Haute fréquence Sûreté Pas de charge électrique Sécurité Piratage difficile Observation Imagerie Analyse Interaction avec la matière

3

Applications de la photonique Biomédical

Industrie Instrumentation

Informatique Multimedia Transports

Éclairage Affichage

Défense

Télécoms

Sources lasers Fibres optiques

Circuits intelligents Photo détecteur

4

Observation

Présentation des puces optiques

5

Mise en boîtier de la puce

6

6

7

Fabrication d’une fibre optique en verre

Fusion du sable à 1500°C Fibrage Préformation (Chemical Vapor Deposition)

8

Verres Un verre est un solide non-cristallin présentant le phénomène de transition vitreuse.

Silice

Quartz (UV)

Verres d’oxyde: Visible, proche IR (< 2µm) SiO2, GeO2, TiO2, … Indice ≥ 1.45 (sauf Verres poreux) Chalcogénures: Moyen IR (1-2µm 20µm) Se, Te, S, … Indice # 2 - 3 + Cd, Ga, As, Ge, …

(Verres métalliques?) Le verre est un solide qui présente le désordre d’un liquide.

Fusion

Vitrification

8

KTP

Phosphate de

Potassium

titanyl Doublage YAG

Semi-conductors Si, GaAs, Ge, Csi, …

9

Cristaux

YAG Y3Al5O12

Ytterbium Aluminium Grenat Dopé Néodyme: Nd:YAG (inversion population) Laser @ 1064µm

Niobate de Lithium LiNbO3 ElectroOptic, AcoustoOptic )(EfP

Calcite CaCO3 Birefrigent

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Polymères Propriétés ajustables: Imperméable, poreux, résistance au feu, corrosion, anti-adhésion, transparence, … Applications variées: Emballages, isolants, conteneurs, joints, revêtement, optique, médical, textile, …

Polycarbonate

Fabrication de la puce

Substrat

Couche du matériau Photorésine

Ecriture

Développement

Attaque du matériau Suppression résine

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12

Croissance d’un cristal Evaporation des éléments par

chauffage

Vide poussé (10-8 Pa) évite les perturbations et les impuretés

Dépôt lent (1µm / h) de couches

monoatomiques

Pompage cryogénique refroidi le substrat et absorbe les impuretés

Température du substrat contrôle les réactions

Suivi cristallin par diffraction

électronique

Analyse de la composition par spectrométrie de masse

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Dépôt de résine polymère par spin coating 1 2 3 4 Arrêt Accélération Consigne Arrêt Dépôt Ejection Etalement Evaporation Stabilisation

1 2 3 4 Vitesse Arrêt Consigne Décélération Arrêt Trempage Stabilisation Dépôt Evaporation Ejection

… ou dip coating

13

14

Dessin des circuits

Révélation des images

15 15

16

Fabrication de circuits en polymère

4

RECUIT 110°C

1 SYNTHESE

H

H

H

3

LITHOGRAPHIE

R

2

+ H2O

DEPOT

Résultats

17

L’onde électromagnétique

18

Indice de réfraction et transmission

Vitesse de déplacement dans la matière: v = c / n Indice du matériau: n + j.k

19

20

Verres Un verre est un solide non-cristallin présentant le phénomène de transition vitreuse.

Silice

Quartz (UV)

Verres d’oxyde: Visible, proche IR (< 2µm) SiO2, GeO2, TiO2, … Indice ≥ 1.45 (sauf Verres poreux) Chalcogénures: Moyen IR (1-2µm 20µm) Se, Te, S, … Indice # 2 - 3 + Cd, Ga, As, Ge, …

(Verres métalliques?) Le verre est un solide qui présente le désordre d’un liquide.

Fusion Vitrification

20

Atténuation dans le verre

Confinement de la lumière

1/ Réflexion totale interne

21

Interférences

2/ Autocohérence

Interférences constructives

Interférences destructives

Modes guidés: Chemins possibles de propagation

22

Propriétés des modes guidés

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Le confinement et le nombre de modes augmente avec: • Taille du guide.

• Fréquence de l’onde. • Différence des indices.

Chemin/mode 0 existe toujours, le plus rapide et le moins étalé dans la gaine. La lumière se déplace indépendamment sur chaque mode/chemin (pas d’échange d’énergie lumineuse entre les modes).

Couplage vers un mode

24

Excitation

25

Guide courbes & pertes de courbure

0,00E+00

5,00E+04

1,00E+05

1,50E+05

2,00E+05

2,50E+05

1,00E-031,50E-032,00E-032,50E-033,00E-033,50E-034,00E-034,50E-035,00E-035,50E-036,00E-03

Pe

rte

s (

dB

/m)

Rayon de courbure (m)

1.31

1.55

Jonction Y: division

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Coupleur en étoile

27

Jonction Y: combinaison

28

Interféromètre Mach-Zehnder

29

Couplage par champ évanescent

30

Interférences modales

Les deux guides sont considérés comme un seul guide mais à double cœur. Ce guide est caractérisé par 2 modes: un symétrique et un antisymétrique. Le mode symétrique est toujours le mieux confiné. La différence entre les indices effectifs des modes est liées à la longueur d’échange d’énergie. Cet échange d’énergie est périodique.

+ =

+ =

+ =

+ =

+ =

+ =

+ =

+ =

+ =

0

p/2

p

3p/2

2p

DF 31

Interféromètre multimode:

x z 6Lp 3Lp

32

33

Séparateur/combineur de couleurs

Cercles de Rowland

34

Réseau de diffraction

,...2,1,0,. qKqab

a

b K a

b K

35

Réflecteur à réseau

Résonateurs

36

37

Cristaux photoniques

38

Active circuits …

Magnetooptic (Faraday)

Elastooptic Acoustooptic

Nonlinear optics

Electrooptic (Pockels, Kerr)

EEP

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