Conception, fabrication et caractérisation d'un modulateur optique à commande plasmonique sur nitrure de gallium à une longueur d'onde de 1,55 micron PDF Download
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Book Description
Les futurs modulateurs optiques doivent satisfaire à des exigences auxquelles les modulateurs électro-optiques actuels ne peuvent plus répondre (tension de commande et dimensionnement faible, fonctionnement dans la gamme 0-40GHz à faibles pertes). Il devient alors nécessaire d'envisager de nouveaux moyens de réaliser une modulation rapide à faible consommation. Ce travail s'inscrit au sein d'un projet amont de la DGA, afin d'évaluer le gain potentiel de la plasmonique sur semiconducteurs pour la modulation optique. Nous avons d'abord sélectionné des couches de GaN sur saphir avec d'excellentes propriétés optiques et des pertes de propagation de l'ordre de 0,6dB/cm. Ensuite, nous avons montré la génération d'une résonance plasmonique à l’interface Au/GaN. Un travail d'optimisation a été réalisé en vue de rendre sa modulation efficace par variation de l'indice du GaN. Plusieurs dispositifs de démonstration ont été fabriqués en salle blanche puis caractérisés. Si les résultats optiques obtenus ont montré un effet de variation d'indice nouveau jusqu'à Δn=10-2 pour plusieurs dizaines de volt, les pertes RF de propagation se sont révélées élevées, proches de 16dB/cm à 20GHz. En parallèle, une structure à effet d'électro-absorption utilisant un multipuits quantique sur InP a été conçue et caractérisée par couplage par prisme et a montré des variations d'indice de l'ordre de 2×10-3 à 2,5V. Ces travaux de thèse, précurseurs dans ce domaine au sein du laboratoire, vont permettre d'orienter les recherches futures vers de nouveaux matériaux pour l'optoélectronique, mais aussi de mettre en exergue les points durs de la plasmonique pour la modulation optique sur semiconducteurs.
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Les futurs modulateurs optiques doivent satisfaire à des exigences auxquelles les modulateurs électro-optiques actuels ne peuvent plus répondre (tension de commande et dimensionnement faible, fonctionnement dans la gamme 0-40GHz à faibles pertes). Il devient alors nécessaire d'envisager de nouveaux moyens de réaliser une modulation rapide à faible consommation. Ce travail s'inscrit au sein d'un projet amont de la DGA, afin d'évaluer le gain potentiel de la plasmonique sur semiconducteurs pour la modulation optique. Nous avons d'abord sélectionné des couches de GaN sur saphir avec d'excellentes propriétés optiques et des pertes de propagation de l'ordre de 0,6dB/cm. Ensuite, nous avons montré la génération d'une résonance plasmonique à l’interface Au/GaN. Un travail d'optimisation a été réalisé en vue de rendre sa modulation efficace par variation de l'indice du GaN. Plusieurs dispositifs de démonstration ont été fabriqués en salle blanche puis caractérisés. Si les résultats optiques obtenus ont montré un effet de variation d'indice nouveau jusqu'à Δn=10-2 pour plusieurs dizaines de volt, les pertes RF de propagation se sont révélées élevées, proches de 16dB/cm à 20GHz. En parallèle, une structure à effet d'électro-absorption utilisant un multipuits quantique sur InP a été conçue et caractérisée par couplage par prisme et a montré des variations d'indice de l'ordre de 2×10-3 à 2,5V. Ces travaux de thèse, précurseurs dans ce domaine au sein du laboratoire, vont permettre d'orienter les recherches futures vers de nouveaux matériaux pour l'optoélectronique, mais aussi de mettre en exergue les points durs de la plasmonique pour la modulation optique sur semiconducteurs.
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LE MODULATEUR OPTIQUE TROUVE SON APPLICATION DANS LE CADRE D'UN RESEAU DE TELECOMMUNICATIONS, AU SEIN D'UN MODULE D'EMISSION-RECEPTION. (EX: POSTE EMETTEUR-RECEPTEUR CHEZ L'ABONNE D'UN RESEAU TELEPHONIQUE, INFORMATIQUE, DOMOTIQUE,) LE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU MODULATEUR REPOSE SUR LA MODIFICATION DE LA FONCTION DIELECTRIQUE DU MATERIAU SILICIUM (INDICE DE REFRACTION ET COEFFICIENT D'ABSORPTION) PAR INJECTION DE PORTEURS. UN INTERFEROMETRE DE MACH-ZEHNDER EN REFLEXION EST REALISE SUR LE TRAJET D'UN FAISCEAU OPTIQUE 1,3 OU 1,5 MICRONS, D'INTENSITE CONSTANTE. LES ZONES INTRINSEQUES DE DEUX DIODES PIN CONSTITUENT LES DEUX BRAS DE L'INTERFEROMETRE. ON Y CONTROLE L'INJECTION DE TROUS ET D'ELECTRONS ET DONC L'INTENSITE DU SIGNAL OPTIQUE EN SORTIE DU MACH-ZEHNDER. LES BANDES PASSANTES D'EMISSION ET DE RECEPTION MESUREES SUR LES PREMIERS PROTOTYPES POUR UN INDICE DE MODULATION DE 20% SONT DE 10 ET 250 MHZ RESPECTIVEMENT. L'ASPECT FAIBLE COUT DE LA REALISATION DE CE COMPOSANT D'OPTIQUE INTEGREE, SA COMPATIBILITE DE FABRICATION AVEC LES TECHNOLOGIES DE MICRO-ELECTRONIQUE CLASSIQUE SUR SILICIUM PERMETTENT D'ENVISAGER LA REALISATION D'UN MICRO-SYSTEME MONOLITHIQUE (OPTIQUE ACTIVE-ELECTRONIQUE DE COMMANDE) QUI RENDRA CE COMPOSANT COMPETITIF EN REGARD DES SYSTEMES HYBRIDES (MODULATEUR SUR NIOBATE DE LITHIUM, LASER A SEMICONDUCTEUR A L'ALTERNA,) ACTUELLEMENT A L'ETUDE
Author: Mohammed El Gibari Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 151
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Les polymères électro-optiques devraient permettre de réaliser à terme des modulateurs de meilleures performances au moindre coût que ceux à base des cristaux inorganiques comme LiNbO3 et des semi-conducteurs comme GaAs. Cette thèse porte sur la conception de la structure optique et hyperfréquence d’un modulateur Mach-Zehnder sur polymère, en vue de démontrer la faisabilité de sa réalisation à base du polymère électro-optique PIII (PGMA/DR1). L’étude de la structure optique à l’aide du logiciel OptiBPM a permis d’abord de dimensionner la section droite du guide d’onde monomode avec un fort taux de confinement, afin de minimiser l’absorption de l’onde évanescente par l’électrode métallique et la tension de commande du modulateur. L’étude des jonctions Y a abouti à un compromis entre les pertes par absorption du polymère PIII et celles par courbure, tout en respectant la distance minimum requise entre les deux bras de l’interféromètre Mach-Zehnder permettant d’éviter que le champ appliqué à un bras ne déborde sur l’autre. Afin de réduire le coût de fabrication des modulateurs et de faciliter leur caractérisation sur wafer avec des pointes CPW, nous avons étudié des transitions coplanaire et microruban très large bande sans via-holes ni motif dans le plan de masse. Les résultats de mesures et de simulations effectuées à l’aide du logiciel HFSS sont en très bon accord pour les transitions aussi bien sur le substrat commercial NH9338 que sur le polymère SU8 en couche mince de 8 μm. Les simulations prévoient une bande passante de 420 MHz à 60 GHz pour une transition GCPW-MS-GCPW sur le polymère NOA61 en couche mince avec une métallisation d’argent de 6 μm.
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Le modulateur électro-optique à ondes progressives est un bon candidat pour la modulation à haute fréquence. Une revue des différents types de modulateurs sur niobate de lithium et sur semi-conducteur III-V met en relief les bénéfices de l'utilisation d'une ligne microruban et la nécessité d'utiliser un matériau mieux adapté à cette application. De ce point de vue, les polymères se révèlent des matériaux de choix : ce sont généralement des diélectriques à faible pertes, ils sont facilement adaptables dans une configuration micro-ruban et l'efficacité de leur fonction électro-optique peut s'avérer supérieure à celle des matériaux inorganiques. Cette étude reprend les différentes étapes de la conception et de la réalisation du modulateur : -caractérisation des polymères aux longueurs d'ondes millimétriques et optiques ; -conception de la ligne hyperfréquence et du guide optique ; -mise en place d'un procédé de fabrication ; -caractérisation de guides optiques et de lignes hyperfréquences sur polymères.
Author: Arnaud Stolz
Author: Arnaud Stolz
Author: VINCENT.. VOIRIOT
Author: Mohammed El Gibari
Author: Jean-François Larchanché