Étude du gain d’un milieu amplificateur à Boîtes

Quantiques

G. Moreau1, J. Ribette1, J.C Simon1

C. Platz2, O. Dehase2, N. Bertru2, A. Le Corre2, S. Loualiche2

A. Martinez3, A. Ramdane3

Groupement d'Intérêt Scientifique "FOTON"UMR 6082 FOTONLaboratoire d'Optronique 1

LENS (INSA) 2

LPN UPR 20 3

11/04/23 UMR6082

2Collaborations

* LENS (Laboratoire d’Etude des Nano-Structures) de l’INSA Rennes (UMR 6082) croissance, interprétations.

C. Platz, C. Paranthoën, O. Dehase, N. Bertru, A. Le Corre

* LPN (Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, UPR 20)

réalisation de guides monomodes, dépôts d’anti-reflet.

A. Martinez, A. Ramdane

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3Objectifs de la collaboration

Composant à base de Boîtes Quantiques (BQs) dans la bande @1,55 µm :

• Laser à faible chirp => modulation directe > 10 GHz, réseaux

d ’excellence ePIXnet

• Amplificateur optique à semi-conducteurs, ACI

nanostructures

– large gain spectral (> 130 nm)

– dynamique temporelle de gain rapide (10, 40, 160 Gbit/s)

– traitement multi-longueur d’onde du signal (amplification, porte

optique, ..)

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4Plan

Éléments de théorie

gain, élargissement inhomogène & homogène

Résultats sur guides plans

structures étudiées

mesure spectral du gain

Résultats sur guides monomodes

structures étudiées

montage pompe - sonde

absorption petit signal en fonction de la polarisation

1er résultats de modulation d’absorption

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5Éléments de théorie

Énergie

état fondamental

1er état excité

Bande deConduction

Bande de Valence

Couche de mouillage

Schéma de bande simplifiée d’un système idéalà BQ unique

Transitions principales permises

BoîteQuantique

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6Éléments de théorie

Image d’un plan de Boîtes Quantiques (image AFM, INSA)

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7Éléments de théorie

Dispersion en taille des BQs

:

Élargissement inhomogène

Couplage

BQs/environnement :

Élargissement homogène

gain

E

Système idéal isolé (BQ unique)

Élargissementhomogène

Élargissementinhomogène

Applications : .traitement optique du signal multi-longueur d’onde sans diaphonie inter-canal.

.Laser faible chirp (H faible)

Gain spectral d ’un système à BQs

Sur GaAs @1,3 µm >>>>> h = 10 - 15 meV (13 - 20 nm)Sur InP(311)B @1,55 µm >>>>> h = ??

=> largeur homogène / inhomogène

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8Objectifs de nos travaux

1- Caractérisation statique du gain :

- valeur du maximum

- largeur d ’amplification disponible

2- Mesure de la largeur homogène :

- observer une saturation de l ’absorption

- évolution du contraste de modulation en fonction de l ’écart de

longueur d ’onde entre la pompe et la sonde => largeur homogène.

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9Plan

Éléments de théorie

gain, élargissement inhomogène & homogène

Résultats sur guides plans

structures étudiées

mesure spectral du gain

Résultats sur guides monomodes

structures étudiées

montage pompe - sonde

absorption petit signal en fonction de la polarisation

1er résultats de modulation d’absorption

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10Résultats sur guides plans

Structures étudiées :

InP (2 µm)

InP (75 µm)

N (x30 Å) plans de boîtes quantiques, séparés de 200 Å de Q1,18

Q1,18

Q1,18GuideoptiquePlan 400 nm

Axe de croissance

Conditions

expérimentales

des mesures de gain : Pompage optique

impulsionnel (F = 5 KHz)

@1,064 nm suivant l ’axe

de croissance.

Q1,18 (InAsGaP) g= 1,18 µm

ESA

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11

Gain max = 20 cm-1 (+/-5%) = 8.5 dB/mm120 nm à 15 cm-1 (6.5 dB/mm)

Gain max = 30 cm-1 (+/-5%) = 13 dB/mm150 nm à 25 cm-1 (10.8 dB/mm)

Akiyama & al. Gain = 6,5 dB/mm (40 dB pour 6,13 mm)

1400 1450 1500 1550 1600 16500

5

10

15

20

25

30

35Puissance de pompe ennombre de Pseuil laser

14 12 8 6 5

coef

fici

ent

d'a

mp

lific

atio

n (

cm-1

)longueur d'onde (nm)

1,40 1,45 1,50 1,55 1,60

5

10

15

20

Ppompe/Pseuil laser

10 9 7 6 5 4

coef

fcie

nt

d'a

mp

lific

atio

n (

cm-1

)

longueur d'onde (µm)

Résultats sur guides plans

6 plans de BQs InAs/InP 9 plans de BQs InAs/InP

Évolution spectrale du gain

Transition fondamentaleTransition excitée

Ppompe/Pseuil laserPth laser 4 kW/cm² Pth laser 2 kW/cm²35

30

25

20

15

10

5

1,40 1,45 1,50 1,55 1,60 1,65 longueur d'onde (µm)

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12Plan

Éléments de théorie

gain, élargissement inhomogène & homogène

Résultats sur guides plans

structures étudiées

mesure spectral du gain

Résultats sur guides monomodes

structures étudiées

montage pompe - sonde

absorption petit signal en fonction de la polarisation

1er résultats de modulation d’absorption

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13Résultats sur guides monomodes

Structures étudiées :

Guide ridge monomode + anti-reflet (LPN)

Problèmes technologiques => pompage électrique continu impossible (pour le moment ...)

Pompage optique à lambda adéquate ( = 1,22 - 1,28 µm) => en test

Obtention de gain impossible Travail en absorption

Objectif : mesurer la largeur homogène

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14Résultats sur guides monomodes

Pompe : sourceimpulsionnelle

p=5 psp=1540 nm

Sonde : sourceaccordable

CWs

90%

10%

90%

10%Guided’ondeà BQs

s

Passe bande

OSA

Contrôleurs de polarisation

Principe du montage pompe -sonde :

photodiode

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15Résultats sur guides monomodes

Absorption petit signal (sonde seule) :

Pertes de Couplage identique pour TE et TM.

1500 1520 1540 1560 1580 1600

-50

-45

-40

-35

-30

TE

per

te f

ibre

à f

ibre

(d

B)

longueur d'onde (nm)

1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

plancher de bruit du détecteur

TM TE

pe

rte

fib

re à

fib

re (

dB

)p

ert

e d

e co

up

lag

e +

ab

sorp

tio

n

longueur d'onde (nm)

Polarisation TE « seule»

PerteTE - PerteTM > 30 dB(dans notre guide )

TMTE

Guide trop long !

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16Résultats sur guides monomodes

Modulation de la sonde en fonction de la puissance de pompe :

41 42 43 44 45 467879808182838485

Pu

issa

nce

(u

.a)

temps (ns)

-15 -10 -5 0

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

C (

dB

)

Pompe in en dB (u.a)

Contraste :

max 0

min 0

V VC

V V

mesure du temps de vie (composante longue) de l’état fondamental = 1 ns

Pompe :F = 450 MHz = 5 ps

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17Conclusion & perspectives

* Mesure du gain des BQs InAs/InP fabriquées à l ’INSA:

gain = 10.8 dB/mm sur 150 nm. À conforter avec guide monomode.

* Mise en évidence de l ’importance de la polarisation :

=> vers un montage à polarisation contrôlée.

* Mise en évidence d ’une modulation de l ’absorption

induite en pompe- sonde :

=> vers une mesure de la largeur homogène en saturation de l ’absorption.

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18Éléments de théorie

Lever & al. 2004

Gain théorique

inh < Eef -Eee

inh > Eef -Eee

Dispersion en taille des BQs :

Élargissement inhomogène

Image AFM d ’un plan de BQs0 a x

V

Puit de potentiel1D