Circuits intégrés photoniques - umontpellier.fr · 2017. 4. 14. · Pompage cryogénique refroidi...
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Les puces optiques ou
Circuits intégrés photoniques
Raphaël K. Kribich [email protected]
http://www.ies.univ-montp2.fr/~kribich 1
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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.
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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
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Applications de la photonique Biomédical
Industrie Instrumentation
Informatique Multimedia Transports
Éclairage Affichage
Défense
Télécoms
Sources lasers Fibres optiques
Circuits intelligents Photo détecteur
4
Observation
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Présentation des puces optiques
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Mise en boîtier de la puce
6
6
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Fabrication d’une fibre optique en verre
Fusion du sable à 1500°C Fibrage Préformation (Chemical Vapor Deposition)
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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
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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
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Fabrication de la puce
Substrat
Couche du matériau Photorésine
Ecriture
Développement
Attaque du matériau Suppression résine
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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
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Dessin des circuits
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Révélation des images
15 15
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Fabrication de circuits en polymère
4
RECUIT 110°C
1 SYNTHESE
H
H
H
3
LITHOGRAPHIE
R
2
+ H2O
DEPOT
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Résultats
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L’onde électromagnétique
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Indice de réfraction et transmission
Vitesse de déplacement dans la matière: v = c / n Indice du matériau: n + j.k
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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
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Atténuation dans le verre
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Confinement de la lumière
1/ Réflexion totale interne
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Interférences
2/ Autocohérence
Interférences constructives
Interférences destructives
Modes guidés: Chemins possibles de propagation
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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).
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Couplage vers un mode
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Excitation
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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
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Jonction Y: division
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Coupleur en étoile
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Jonction Y: combinaison
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Interféromètre Mach-Zehnder
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Couplage par champ évanescent
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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
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Interféromètre multimode:
x z 6Lp 3Lp
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Séparateur/combineur de couleurs
Cercles de Rowland
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34
Réseau de diffraction
,...2,1,0,. qKqab
a
b K a
b K
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Réflecteur à réseau
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Résonateurs
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37
Cristaux photoniques
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38
Active circuits …
Magnetooptic (Faraday)
Elastooptic Acoustooptic
Nonlinear optics
Electrooptic (Pockels, Kerr)
EEP
.,0