Prsentation PowerPoint

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Circuits optiques optique intégrée
Yves MOREAU, Université Montpellier II
WDM, Baets, univ.Gent
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I-Introduction

• Contexte

• Histoire

• Optique intégrée

• Guides optiques

• Technologie

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Loptique pour les télécommunications

• Très faible atténuation (0 .1 dB/ km),

• Très large bande passante (25 THz)

• Faible poids, très petite taille

• Sécurité électrique isolation totale entre
  terminaux, utilisation en ambiance explosive
  insensible et non générateur de parasites,

• Inviolabilité

• Avantage économique inférieur au système de
  cuivre, progrès au niveau des raccordements.

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Avant-hier !
La communication optique, voire le multiplexage
en longueur donde (WDM) sont de vieilles idées
! Rê Horaky (le Soleil à midi) transmet un
faisceau lumineux multicolore à Tapéret (800-900
B.C.) Le Louvre, Paris
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• Le renouveau deux inventions

Le Laser (lumière cohérente) Townes, Schawlow
(1957)
La fibre optique

• Le montage optique en trois générations

Technologie Optique MicroOptique Optique
Intégrée conventionnelle
Composants Lasers à gaz LED, diodes
lasers Circuits intégrés lentilles fibres
multimodes optiques, lasers et miroirs microlen
tilles fibres unimodaux
Alignements nécessaires nécessaires
(difficiles) non nécessaires
Propagation faisceau (1 cm) multimode(1
mm) guide d'onde (µm) Taille contacts 1 cm 1
mm 1 µm Taille dispositifs 1 m2 10 cm2 qq cm2
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 LOptique intégrée  (Miller 1969)
Le circuit optique intégré a pour but de réaliser
une fonction (filtre, couplage, etc .) et non de
transmettre sans perte (fibres)
1 mm
Double Phasar X connect (Herben et al.,TU Delft)
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La troisième génération (loptique intégrée)
Elle est fondée sur l'optique ondulatoire.
L'intégration supprime le problème de
l'alignement. La propagation est plus facile à
contrôler (un seul mode), que ce soit par les
effets électro-optiques, acousto optiques, thermo
optiques. Les tensions électriques de commandes
et les longueurs d'interaction sont faibles.
Une vitesse de fonctionnement élevée (faibles
distances). Une densité de puissance élevée
Les effets non linéaires peuvent être utilisés.
Les dispositifs sont compacts et légers. La
production de masse devrait permettre un prix
réduit de la fonction.
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Optique intégrée des guides de lumière
La lumière est guidée dans la zone dindice plus
élevé
Guide enterré (buried)  par exemple échange
dions sur substrat de verre, ou matériau
organique polymérisé localement
10 µm
nc
nc
Guide en relief (ridge)
5 µm
9
Fabrication de guides d'ondes LiNbO3 par
diffusion de Titane
1
3
4
2
10
De nombreux matériaux possibles
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Une technologie faible coût pour loptique
intégrée
Réseau mineral
(sol-gel)gt

• Réticulation

Organique
Minéral
Réseau organique
?
?
Coût

• Polymerisation

(UV) gt
?
?
Température
?
?
Transparence
Augmenter localement lindice gt photo inscrire
des circuits optiques
?
?
Stabilité thermique
?
?
Stabilité mécanique
?
?
Dépôt de couches
12
Quelques circuits optiques de base
Diviseurs
coupleurs
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II- Propagation optique
Propagation (espace)
Vibration (temps)
localement courbure (dérivée seconde) maximale
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Equations de Maxwell, de Helmholtz

• onde  harmonique 

• Milieu neutre

• Milieu linéaire

• Propagation paraxiale, ondes planes

Contraction de l indice n
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Propagation dans un guide
Dans un guide, plusieurs milieux
Approche géométrique
Modes associés à langle dincidence


B

A

T

C
Réflexion totale aux interfaces, en fait au
voisinage ( Gooth Hanchen )
Rayons en phase après une double réflexion
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Propagation dans un guide plan

• modes TE (Transverse Electric) Ey, Hx et Hz

• modes TM (Transverse Magnétique) avec Hy, Ex et
  Ez

Les équations différentielles, associées à des
conditions aux limites au niveau des plans de
séparation, conduisent à un problèmes de valeurs
propres.
valeurs propres constantes de propagation ß
élevées au carré, des modes TE and TM possibles.
vecteurs propres profils des champs
correspondants.
L'indice effectif ne ß/ko caractérise la
propagation possible - sa vitesse (de phase) et
sa forme- dans le guide étudié, en fonction de la
longueur d'onde dans le vide l de l'excitation
lumineuse.
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Profils des modes dans un guide plan

• cosinusoïde à lintérieur du guide,

• exponentielles à arguments négatifs
  (décroissante) en dehors (les ondes sont dites
  évanescentes -gt0 à linfini).

ae (ns2 nc2)/(ng2 ns2)
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Courbes de dispersion, guide plan
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Encadré
Résolution dune équation non-linéaire
f(x) 0 à résoudre
f(x) Dy/Dx(f(x)-0)/(x-x)
f(x) Dy/Dx(f(x)-f(xp)/(x-xp)
x
x
xp
x x- d avec d f(x-xp)/(f-fp)
solution
double delta 1e-3double oldU double
oldF while ((Math.abs(delta) gt epsilon)
(iter lt 99)) iter oldU u u -
delta if (ult0) u epsilon if (ugt1) u
1-epsilon oldF ff te?TEfct(m,u,ae)TMfct(
m,u,am) delta f/(oldF-f)(oldU - u)
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Résolution de léquation non linéaire indice
effectif pour chaque mode m
ugtne gt l l o/ne gt b 2p/lone gt
E(z)Eocos(bz)jsin(bz)
Profils dans le guide E(x,z)E(0,z)cos(kxx
f) dans la gaine E(x,z) E(0,z)exp(-mxxmo) kx
, f, mx expressions de ne,ns
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Guides à largeur limitée
Guide relief (ridge)
Guide enterré
Guide canal
Modes profils (en fonction de linjection)
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Calcul des modes
Calcul direct des modes dans une section 2D
A f lf équation aux valeurs propres (l)
Valeur propre ne2
Vecteur propre profil du champ
La résolution est essentiellement numérique.
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Résolution par différences finies
Courbure (Laplacien) au point i,j (Fi-1,j
Fi,j-1 Fi1,j Fi,j1 4Fi,j )/h²
En 1D
j
i
Fi,j
Fi-1,j Fi,j-1 Fi,j Fi,j1 Fi,j1
Fi-1,j Fi,j-1 Fi,j Fi,j1 Fi,j1
1/h²
(ko²n²-b²)
11 -4 11
11 -4 11
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Résolution par éléments finis
L équation différentielle D(u(x,y)) 0 en tout
point dun domaine D
?
pour tout p(x,y)
0
On se restreint à quelques p(x,y) choisis pour
simplifier les calculs
Les inconnues sont les valeurs aux nuds, on
exprime les intégrales grâce aux fonctions
dinterpolation paramétrées par les valeurs aux
noeuds
fonctions p(x ,y) celles qui permettent
dinterpoler à lintérieur de petites zones dites
éléments (souvent triangles) par rapport aux
valeurs aux nuds(sommets)
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Méthode de Marcuse de calcul des modes
Profils Solutions du type
F(x,y) exp(-ibz) å cij Sij(x,y)
avec Si,j(x,y) Ö(4 /Lx Ly) sin (i p x/Lx) sin
(j p y/Ly).
Un profil de mode somme pondérée de sinusoïdes
Inconnues Cij poids des sinusoïdes
Intérêt beaucoup moins dinconnues et donc
déquations quavec les différences finies ou
éléments finis
Lx
http//www.cem2.univ-montp2.fr/moreau/jModes
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Méthode de lindice effectif (pour géométries
simples)
Deux calculs dindice effectif dans guide plan
Profil produit des profils en x et en y
http//www.cem2.univ-montp2.fr/moreau/jWDM
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Exemple coupleur directionnel
Quand les guides sont rapprochés, la lumière sur
lun des guides excite la propagation sur lautre
guide
Phases retrouvées en 2Lc
(J1)l/nep J l /nei ,J entier
(J1)/J 1 (nep-nei)/nei
Jn/Dngt LcJl/(2n)
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Exemple interféromètre Mach Zehnder
Déphasage de p coupure
(J1/2)l/nep J l /nei ,J entier
Beaucoup utilisé la longueur dun bras ou
lindice dans un bras peut varier avec la
température, une tension électrique etc
gt Modulateurs, capteurs
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Approche directe de la propagation 
Méthode FDTD (Finite Difference Time Domain)
A partir des équations de Maxwell, on calcule
directement à chaque instant, en en chaque point
les champs électriques et magnétiques. Cette
méthode utilisée en hyperfréquence est très
lourde pour loptique, elle demande un maillage
x, z (2D) ou x,y,z franchement inférieur à la
longueur donde (pas typiquement le douzième de
la longueur donde).
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Méthode FDTD (Finite Difference Time Domain)
A chaque pas  Calcul de H à linstant n1/2 à
partir des valeurs de E à n Calcul de E à
linstant n a partir des H à linstant n1/2 Puis
on recommence A noter quà chaque pas il faut
calculer les valeurs de E et H (Ex, Hy, Hz) en
chaque point pour tous les i,j
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Beam Propagation Method (BPM)
Cette méthode numérique résout une équation
différentielle de proche en proche par calcul
direct du profil du champ électrique dans une
tranche dz en fonction des tranches précédentes
traversées
Les notions de mode ninterviennent pas.
Les notions de mode ninterviennent pas.
utilisable pour des guides dont la géométrie
change
Précise mais demande plus de ressources
informatiques que les précédentes.
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Equations de la BPM
Après séparation de d²Ey/dz² dans léquation de
Helmholtz
Vecteur Ez (ensemble des points en z)
E zdz
z
n(x,y)
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Excitation des modes, conversion de modes
Chaque mode se propage indépendemment
Lénergie lumineuse (faisceau) est portée par les
modes du guide (une base orthogonale
mathématiquement).
E(x,y)Somme Cm.Em(x,y), m0nb 1
Au passage dun guide vers un guide différent, le
même profil Ez porté par les modes du guide
sortant est porté les modes du guide entrant
Intégrale de recouvrement
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Réseaux de Bragg
Structure périodique avec alternances de couches
(lt 1µm) à fort et faible indice
couplage
Entrée-sortie
Filtre en longueur donde
Distributeur de lumière
déflecteur
Lentille intégrée
focalisation
35
La photonique pour les Telecoms
?
100000
Débit de transmission dans une fibre
10000
Aujourdhui qq Terabits/sec
1000
Recherche
100
Gbit/s
10
1
Commercial
coût 4 x 10 Gb/s lt 40 Gb/s
0,1
0,01
Source
1980
1985
1990
1995
2000
2005
36
Transmission de plusieurs canaux sur la même
fibre (Dé)multiplexage en longueurs donde (WDM)
37
La lumière peut être contrôlée
Changement local et temporaire de lindice de
réfraction par effet

• électro-optique

• acousto-optique

• mécanique

• magnéto-optique

• thermique

• optique (non-linéaire)

38
Optique intégrée pour lecteur de CD
39
De loptique intégrée vers la nanophotonique
Lanalogie avec lélectronique
Plus petit, meilleur, plus rapide, moins cher
Transistors/carte
Electronique VLSI
Tubes/chassis
Optique intégrée (après 35 ans)
40
Recherche et développement
du PNB
Dépenses RD
Japan

3.0
USA
2.5
2.0
EU
1.5
(source OCDE Courrier International, Jan-04)
Mais pour lemploi 1 M investi ---gt 100
emplois directs dans la construction ---gt 2
emplois directs en photonique, S.C. !
H. Rajbenbach, commision européenne
JNOG - 25 Octobre 2004, Paris
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La miniaturisation ?

• Les circuits interférométriques 100 à 10000
  fois la longueur donde

• Pas de blocs universels

• Pertes très dépendantes des rayons de courbure

• Fonctionnalités plutôt statiques

• Qualité de fabrication

Néanmoins la photonique entre dans lère des
nanosciences

• avec fort contraste dindice

Micro anneau résonateur

• mais encore beaucoup de pertes!

Brent Little (OMNT 2004)
42
Exemples de miniaturisation
Démultiplexeur AWG 60 canaux 100 GHz
43
Résonateurs optiques
Contraste dindice important
ajouter
extraire
sortie
entrée
44
 Le cristal photonique  (Yablonovich, 87)
Structure périodique, période longueur donde (lt
µm)
1 D air/AsGa
Particularités
2D air/InSp

• Vitesse de groupe faible

• Bande photonique

• Nombreux paramètres de contrôle de la propagation

3D air/opale inverse
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Le  cristal photonique 

• Haute intégration

• Haute densité dénergie

• propriétés optiques ajustables avec les dimensions

Mais pertes !!
Nouvelles fonctions

• Biologie

• Source à un seul photon application en
  cryptologie

Mc Nab, Vlasov et al., OE 11- 2927
(2003) Suspended Si (SOI technology) , 24 dB/ cm
Couches suspendues (membranes) pour réduire les
pertes verticales
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Cristaux photoniques et effets non-linéaires
Energie très localisée haute densité dénergie
effets non linéaires interaction avec la matière
Génération de second harmonique diviser la
longueur donde/2 changer de couleur
Faisceau de commande

• Contrôle de lindice de réfraction par la lumière
• Interrupteur rapide (/thermique, mécanique, LCD
  msec, µs)
• Composants logiques

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Conclusion
Loptique est une vieille science qui connaît son
renouveau

• en Télécoms (performances des fibres et puces
  optiques)

• en mesure (capteurs, détecteurs, analyse)

La photonique est dans le sillon des
nanotechnologies
Loptique propose des solutions? Reste à trouver
les problèmes !
Merci de votre attention!
Photonic crystal laser, Y-H Lee et al, Science
305, 1444(2004)
www.cem2.univ-montp2.fr/moreau/