De l’ ingéniérie quantique du gain aux cavités photoniques

1. Université Paul Sabatier - Toulouse III De l’ingéniérie quantique du gain aux cavités photoniques Habilitation à diriger des recherches Présentée par O. Gauthier-Lafaye Jury : F. de FornelDR, Lab. Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (rapporteur) X. LetartreDR, Institut des Nanotechnologies de Lyon (rapporteur) F. Lozes-Dupuy DR, Lab. Analyse et Architecture des Systèmes A. MlayaProf., Centre d’Elaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales A. RamdaneDR, Lab. de Physique des Nanostructures E. TourniéProf., Institut d’Electronique du Sud (rapporteur)

2. Mon parcours • 39 ans • Ingénieur ESPCI • Docteur Université Paris XI (IEF) • Ingénieur R&D Alcatel Opto+ • Chercheur au CNRS • 39 publications dans des revues • > 100 communications dans des conférences • 4 directions ou co-directions de thèse (2 soutenues) 1972 1996 2000 2003 2007 2011

3. Les thèmes scientifiques • Doctorat : transitions optiques inter-sous-bandes, hétéro-structures 2D à 0D • Alcatel : diodes laser 1.3µm, matériau de gain, cavités optiques DFB et FP, performances en modulation directe… • LAAS : cavités laser GaAs, technologies de fabrication, cavités à base de cristaux photoniques, nanocristaux de silicium, filtres à réseaux résonants… Le Laser à semi-conducteur et la fonction d’onde 1972 1996 2000 2003 2007 2011

4. Plan de l’exposé • Parcours scientifique • Milieux de gain dans les lasers SC • Inter-sous-bande vs interbande • Confinement 2D, 1D ou 0D • Cavités laser • FP, DFB, C3? • Cavités à cristaux photoniques • Filtres à réseaux résonants • Perspectives

5. Laser Conventionnel

6. Milieu à gain • Gain dans un laser SC (cas 2D) Espace réel Espace réciproque

7. Problématique du gain unipolaire

8. Thèse : démonstration du laser à fontaine quantique O. Gauthier-Lafaye et al., Appl. Phys. Lett. 71 (25), 3619 (1997). O. Gauthier-Lafaye et al., Appl. Phys. Lett. 74 (11), 1537 (1999).

9. Gain bipolaire à 1.3 µm T0 (K)

10. InGaAsN sur GaAs • Gain espérés : • Extension en l / GaAs • Forts T0 • Amélioration de dG/dN • Problématiques • Croissance • Modélisation • Optimisation design GaInNAs: A NovelMaterial for Long-Wavelength-Range Laser Diodes with Excellent High-Temperature PerformanceMasahiko Kondow, KazuhisaUomi, AtsukoNiwa, TakeshiKitatani, SeijiWatahiki and YoshiakiYazawaJpn. J. Appl. Phys. 35 (1996) 1273

11. InGaAsN/GaAs • Une « brève conclusion » • InGaAsN très bon si [N]=0% • InGaAsN/InP : vers les grands lambda (> 1.6µm) • InGaAsN/GaAs : • Absorbant saturable réglable ? • Impact des barrières GaAsP : augmenter offset de bande de valence • Peut être pas aussi prometteur qu’espéré !!!

12. Boîtes quantiques / GaAs et InP • Apports espérés • Extension en λ/ GaAs • Faibles seuils • Insensibilité à la température • Lasers « Chirp-free » • Problématiques • Croissance • Modélisation • Optimisation M. Henini, "Properties and applications of quantum dot heterostructures grown by molecular beam epitaxy," Nanoscale Research Letters, vol. 1, pp. 32-45, 2006

13. BQ InAs/GaAs • Projet FP6 GSQ • Démonstration 1.3µm/GaAs • Evaluation potentiel telecom • Principaux résultats • Laser 1.3µm (EPFL) • Evaluations télécom • Lasers 2 couleurs • Facteur de Henry • Transmissions (BER) A. Markus & al., Appl. Phys. Lett. 82, pp. 1818, 2003 A. Markus et al., IEEE JSTQE, vol. 9, pp. 1308, 2003.

14. Plan de l’exposé • Parcours scientifique • Milieux de gain dans les lasers SC • Inter-sous-bande vs interbande • Confinement 2D, 1D ou 0D • Cavités laser • FP, DFB, C3? • Cavités à cristaux photoniques • Filtres à réseaux résonants • Perspectives

15. Le rôle de la cavité optique • Pertes • Rendement différentiel • Gain différentiel • Modulation

16. Cavités optimisées pour les télécom optiques • PQ InAsP/InP • Nqw optimisé • PQ contraints (-1.4%) • Cavité faible pertes • Cavité DFB • 10 Gbit/s impossible en FP • Detuning optimisé • Fort K -> dG/dN et ωrelevés • Rendement monomode OK • Seuils et rendement corrects O. Gauthier-Lafaye & al.," El. Lett., vol. 38, pp. 275-7, 2002.

17. Cavités tout Cristal Photonique • Cristal photonique • Confinement ultime des photons • Maîtrise de la dispersion • Intégration planaire • Projet CNRS • « sources laser planaires à cristaux photoniques,compatibles avecune intégration planaire dans dessystèmes photoniques »

18. Source laser « tout CP » • Projet RNRT Cristel • Pompage optique • Obtention de l’effet laser • Mise en évidence de l’effet DFB • Pompage électrique • Cavités W5 • Cavités DFB ou couplées X. Checoury et al., IEEE JSTQE 11(5), 1180 (2005).

19. Source laser « tout CP » • Projet RNRT Cristel • Pompage optique • Obtention de l’effet laser • Mise en évidence de l’effet DFB • Pompage électrique • Cavités W3 et W5 ГK • Cavités en réseaux carrés • Stabilité modale ? Accordabilité ?

20. Et un composant tout CP sur GaAs • Massif : • Technologie problématique • Pompage électrique • Procédé « long », • appelle des architectures « stabilisées » • Membrane : • Technologie « simple » • Pompage optique • Exploration de schémas de cavité

21. Laser tout CP sur GaAs Dry etching (ICP Cl2/N2) MBE growth E-beamlithography Thinning, cleaving Wetetching

22. DFB tout CP sur GaAs

23. Accordabilité • Par déformation affine Alexandre Larrue et al., IEEE Phot. Tech. Lett. 20 (24), 2120 (2008).

24. Optimisation complète

25. Robustesse modale Alexandre Larrue et al., accepté dans IEEE JSTQE.

26. Et un composant tout CP à pompage électrique ? Bulk Membrane T. D. Happ, APL, 2001. ANR CRISPI, coll. IES Montpellier

27. Process Lasers C3

28. Composant C3 sur GaAs Accordabilité fine et par sauts Ith=25mA η =0.27W/A

29. Vers des lasers tout CP • Sur GaAs, λ~1µm • a~300 nm • Φ~ 150 nm • h~2.5µm • Gravure avec un facteur d’aspect ~ 15

30. Process flow technologique 200 nm SiO 2 50 nm Cr 500 nm SiO 2 GaAs ou AlGaAs / GaAs Empilement Enduction Zep 520 Gravure ICP - RIE 200nm SiO 2 Lithographie (CHF ) 3 électronique Gravure ICP - RIE 50nm Cr Gravure ICP - RIE 500nm SiO Gravure ICP-RIEGaAs • Multi-step Cl2/N2-O2-N2 2 ( Cl /N /O ) (CF /O ) 2 2 2 4 2 Validation sur des motifs nanométriques Optimisation de la verticalité des flancs

31. Résultats clés SIO2 Cr Φ = 300nm 2.48µm SIO2 120 nm 200 nm GaAs ~6° Alexandre Larrue et al., Journal of Vacuum Science and Technology B 29 (2), 021006 (2011).

32. Plan de l’exposé • Parcours scientifique • Milieux de gain dans les lasers SC • Inter-sous-bande vs interbande • Confinement 2D, 1D ou 0D • Cavités laser • FP, DFB, C3? • Cavités à cristaux photoniques • Filtres à réseaux résonants • Perspectives

33. Motivations • Technologie silicium • Bien maitrisée • Disponible au LAAS • Substrat de qualité optique visible • Peu de composants « nanophotoniques » sur verre • Besoins en instrumentation • Contraste d’indice faible • Composants de grande surface ? • Etudes complémentaires / III-V

34. Principe des filtres à réseaux résonants couplage découplage Mode guidé + Mode guidé réseau

35. Indépendance à la polarisation • Autres solutions: • Géométrie du réseau (2 atomes par maille) • 2 guides d’onde p k+ k- E- E+ Symmetric TE mode k+ k- E+ s E- Anti-symmetric TE mode

36. Schéma de principe retenu • Réseau : • Période 590nm • trous ~ 120 nm • Traitement AR : • 2 couches • AR ~ 1% @850 nm

37. Meilleurs résultats S. Hernandez et al., Appl. Phys. Lett., vol. 92, pp. 131112, 2008. Rmax = 54 % (95% th.) FWHM = 0.38 nm (0.22 th.)

38. Analyse fine de défauts • La réponse du filtre est l’intégrale des réponses locales A.-L. Fehrembach et al., JOSA A, vol. 27, pp. 1535, 2010.

39. Une nouvelle génération : le 1D croisé • Réseaux 1D croisés • Insensible à la polarisation • Changement de paradigme • Passer de 2 modes orthogonaux dégénérés en un point • à 2 modes quasi dégénérés orthogonaux en un point O. Gauthier-Lafaye et al., demande de brevet en cours K. Chan shinyu & al., accepté dans OpticsLetters

40. Plan de l’exposé • Parcours scientifique • Milieux de gain dans les lasers SC • Inter-sous-bande vs interbande • Confinement 2D, 1D ou 0D • Cavités laser • FP, DFB, C3? • Cavités à cristaux photoniques • Filtres à réseaux résonants • Perspectives

41. Recherche en composants photoniques Pertinence Impact sur les travaux Composants Réalisme Concepts génériques Application Fonctionnalités Intégrables Fabrication Filières technologiques Matériaux Caractéristiques optiques Axe de recherche vers l’intégration de fonctionnalités : vers du more than Moore photonique

42. Orientation des travaux Impact sur les travaux Concepts génériques Cristal photonique planaire Intégrables Filières technologiques Technologies Si et III/V Matériaux Hybridation/Report ? Technologies hybrides Intégration hybride Caractéristiques optiques

43. Intégration fonctionnelle sur III/V • Matériaux de gain • Auto-assemblage organisé • Guérison des défauts induits • Nouvelles structures laser • Compensation de dispersion • Lasers impulsionnels • Emission large bande • Lasers tout CP à pompage électrique Flat surface Patterned surface [-110] 2µm 2µm

44. Technologies hybrides/alternatives • Composants photoniques/verre • Réseaux résonants et lasers • Cavités bas indice • Emetteurs hybrides • Résonateurs haute qualité • Opto-fluidique Nitrogen bubble network with 3 bubbles defect

45. Conclusion • Développer une intégration fonctionnelle optique • Avec des principes amont et génériques • Cristaux photoniques et structures périodiques • Collaborations avec théoriciens • Sur SC III/V • Structures actives (lasers) en intégration planaire • Collaborations internes et externes • Avancer dans le domaine de l’hybridation technologique • Structures alternatives (Si3N4, bulles, nanocristaux) • Technologies alternatives • Pour réaliser des composants avancés multifonctionnels

46. Merci….. • De votre attention • A tous ceux et toutes celles qui m’ont aidé dans ces travaux, à commencer parFrédo, V. Berger, F. H. Julien, J.-M. Lourtioz, B. Thedrez, F. Lozes, S. Bonnefont, P. Arguel, A. Monmayrant, M. Boutillier, S. Hernandez, O. Bouchard, A. Larrue, J. Campos, X. Buet, C. Fontaine, G. Almuneau,tous les doctorants passés et à venir, l’équipe du service TEAM, 2I en général et X. Dollat et C. Tourte en particulier…

47. Rapport « Amra » photonique CNRS et INSIS 7 . NANOSTRUCTURES PHOTONIQUES L’intégration d’une structure sub-longueur d’onde au sein de composants et dispositifs photoniques permet d’atteindre un contrôle ultime de la lumière. Un tel contrôle s’entend à la fois dans le domaine spatial (confinement ultime) et dans le domaine temporel (contrôle du temps de stockage des photons). … il est nécessaire de modéliser le fonctionnement de ces composants optiques ultimes et complexes. … Ensuite, il est bien souvent nécessaire de recourir à des outils de nanofabrication performants et reproductibles. Enfin, l’utilisation de moyens de nanocaractérisation adaptés… Depuis une dizaine d’années, ces différents outils sont développés et accessibles, ce qui permet au domaine des « nanostructures photoniques » de poursuivre son expansion. 8 . SOURCES DE LUMIERE Avec l’apparition du laser dans les années 60 et des sources à base de matériaux semi-conducteur, les technologies disponibles pour la génération de lumière ont connu une véritable explosion. Ces progrès ont conduit à l’apparition de nouveaux outils qui sont aujourd’hui incontournables dans de nombreux domaines d’application : télécommunications, médical, procédés industriels, instruments scientifiques, défense et sécurité… Ces sources de lumière sont basées sur de véritables ruptures technologiques qui doivent encore progresser afin d’aboutir à des systèmes encore plus performants ou offrant des fonctionnalités nouvelles.

48. Comment faire laser ces structures ? • Utiliser les filtres comme réflecteur externe • Thèse X. Buet, en cours • Un laser compatible silicium ? • Hybridation de matériaux sur composés compatibles Si? • Nanocristaux de silicium • Epitaxie III-V sur silicium • Report de couches III-V sur silicium • Continuer sur III-V à développer des nouveaux concepts de lasers ?

49. Analyse par la théorie des modes couplés S. Olivier, H. Benisty, et al., Opt. Express, 2003, 11, 13, pp. 1490-1496 th.= 400cm-1 Vers un laser de type DFB cavité W2-3 ΓM • Travailler au repliement : • Structure « corruguée » de type DFB

50. Détermination expérimentale exp.= 440cm-1 W2-3 ΓM : étude éxpérimentale Projet RNRT CRISTEL : pompage optique d’un guide W2-3 ΓM (IEF)