Étude du gain d’un milieu amplificateur à Boîtes Quantiques

1. 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 FOTON Laboratoire d'Optronique 1 LENS (INSA) 2 LPN UPR 20 3

2. Collaborations * 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 UMR6082

3. Objectifs de la collaboration Composant àbase 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, ..) UMR6082

4. Plan • 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 UMR6082

5. Éléments de théorie Schéma de bande simplifiée d’un système idéal à BQ unique Énergie Couche de mouillage Boîte Quantique 1er état excité Bande de Conduction état fondamental Transitions principales permises Bande de Valence UMR6082

6. Éléments de théorie Image d’un plan de Boîtes Quantiques (image AFM, INSA) UMR6082

7. Éléments de théorie gain E Gain spectral d ’un système à BQs Dispersion en taille des BQs : Élargissement inhomogène Couplage BQs/environnement : Élargissement homogène Système idéal isolé (BQ unique) Élargissement inhomogène Élargissement homogène => largeur homogène / inhomogène Applications : .traitement optique du signal multi-longueur d’onde sans diaphonie inter-canal. .Laser faible chirp (H faible) Sur GaAs@1,3 µm >>>>> h = 10 - 15 meV (13 - 20 nm) Sur InP(311)B@1,55 µm >>>>> h = ?? UMR6082

8. Objectifs 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. UMR6082

9. Plan • 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 UMR6082

10. Résultats sur guides plans Conditions expérimentales des mesures de gain : Pompage optique impulsionnel (F = 5 KHz) @1,064 nm suivant l ’axe de croissance. Structures étudiées : InP (2 µm) N (x30 Å) plans de boîtes quantiques, séparés de 200 Å de Q1,18 Q1,18 Guide optique Plan 400 nm Q1,18 InP (75 µm) ESA Axe de croissance Q1,18 (InAsGaP) g= 1,18 µm UMR6082

11. 20 15 10 5 1,40 1,45 1,50 1,55 1,60 Transition fondamentale Transition excitée Résultats sur guides plans Évolution spectrale du gain 6 plans de BQs InAs/InP 9 plans de BQs InAs/InP Pth laser  4 kW/cm² Pth laser  2 kW/cm² 35 30 25 20 15 10 5 Ppompe/Pseuil laser Ppompe/Pseuil laser 10 9 7 6 5 4 coeffcient d'amplification (cm-1) 1,40 1,45 1,50 1,55 1,60 1,65 longueur d'onde (µm) longueur d'onde (µm) Gain max = 30 cm-1 (+/-5%) = 13 dB/mm 150 nm à 25 cm-1 (10.8 dB/mm) Gain max = 20 cm-1 (+/-5%) = 8.5 dB/mm 120 nm à 15 cm-1 (6.5 dB/mm) Akiyama & al. Gain = 6,5 dB/mm (40 dB pour 6,13 mm) UMR6082

12. Plan • 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 UMR6082

13. Résultats sur guides monomodes Structures étudiées : Problèmes technologiques => pompage électrique continu impossible (pour le moment ...) Pompage optique à lambda adéquate ( = 1,22 - 1,28 µm) => en test Guide ridge monomode + anti-reflet (LPN) Obtention de gain impossible  Travail en absorption Objectif : mesurer la largeur homogène UMR6082

14. OSA Résultats sur guides monomodes Principe du montage pompe -sonde : Contrôleurs de polarisation Sonde : source accordable CW s 10% 10% Guide d’onde à BQs photodiode Pompe : source impulsionnelle p=5 ps p=1540 nm 90% 90% s Passe bande UMR6082

15. Résultats sur guides monomodes TM TE Absorption petit signal (sonde seule) : Pertes de Couplage identique pour TE et TM. Polarisation TE « seule» PerteTE - PerteTM > 30 dB (dans notre guide ) Guide trop long ! UMR6082

16. 85 84 83 82 81 Puissance (u.a) 80 79 78 0,4 41 42 43 44 45 46 temps (ns) 0,3 0,2 C (dB) 0,1 0,0 -15 -10 -5 0 Pompe in en dB (u.a) Résultats sur guides monomodes Pompe : F = 450 MHz  = 5 ps Modulation de la sonde en fonction de la puissance de pompe : Contraste : mesure du temps de vie (composante longue) de l’état fondamental  = 1 ns UMR6082

17. Conclusion & 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. UMR6082

18. Éléments de théorie V Gain théorique Puit de potentiel 1D x a 0 Image AFM d ’un plan de BQs inh < Eef -Eee inh > Eef -Eee Dispersion en taille des BQs : Élargissement inhomogène Lever & al. 2004 UMR6082