Projet ANR-10-JCJC-0304 – PHLORA : Laser Raman bas bruit à cristaux photoniques silicium
Programme : JCJC : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Matériels et logiciels pour les systèmes, les calculateurs, les communications (JCJC SIMI 3)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Xavier Checoury (UNIVERSITE DE PARIS XI [PARIS- SUD])
Partenaires : Institut d'Électronique Fondamentale
Montant : 212784.0 euros
Date de début : 2010
Durée : 36 mois
Résumé : Laser Raman bas bruit à cristaux photoniques siliciumLe projet PHLORA vise à démontrer un laser Raman à cristal photonique sur SOI avec des propriétés en terme de bande passante de modulation et de bruit améliorées par rapport aux diodes laser à semi-conducteurs classiques dans le domaine du proche infrarouge.
Enjeux et objectifDurant ce projet, nous fabriquerons le premier laser entièrement en silicium avec des dimensions (typiquement 50 µm par 10 µm) compatibles avec l'intégration sur puce. On s'attend à ce que la pureté spectrale des lasers Raman silicium soit supérieure à celle des autres diodes lasers conventionnelles grâce à l'absence de l'augmentation de la largeur de raie résultant de la symétrie du spectre du gain Raman dans le silicium.
Méthodes1) Modélisation et dessin de lasers Raman bas bruit à cristal photonique silicium2) Fabrication des structures à CP et optimisation des procédés3) Caractérisation des lasers à cristaux photoniques
Résumé de la soumission : Malgré les récentes avancées dans le domaine de la photonique sur silicium, la fabrication de dispositifs optiques actifs et en particulier, la fabrication de lasers restent, jusqu'à présent, une des tâches les plus difficiles. Le silicium est inefficace pour émettre de la lumière à cause de sa bande interdite indirecte.  À part les approches reposant sur l'utilisation de matériaux III-V, seule l'utilisation d'un effet non linéaire, la diffusion Raman stimulée a permis d'obtenir un effet laser dans des guides en arrête gravés sur un substrat de silicium sur isolant (SOI).  Une des limitations de ces réalisations est que pour obtenir le gain nécessaire à l'effet laser, elle nécessitent de longues cavités (>1 cm) ou des résonateurs en anneaux à fort facteur de qualité et de grande surface (1 cm^2).  Pour dépasser ces limitations qui sont incompatibles avec l'intégration à large échelle sur puces de ces composants, les cristaux photoniques (CP) apparaissent comme des alternatives ultra-compactes. Le projet PHLORA vise à démontrer un effet laser continu Raman dans le proche infra-rouge dans des cristaux photoniques silicium et présentant une bande passante de modulation ainsi que des propriétés de bruit améliorées par rapport aux diodes laser semiconductrices classiques. Durant ce projet, nous fabriquerons le premier laser entièrement en silicium avec des dimensions (typiquement 50 µm par 10 µm) compatibles avec l'intégration sur puce. On s'attend à ce que la pureté spectrale des lasers Raman silicium soit supérieure à celle des autres diodes lasers conventionnelles grâce à l'absence de l'augmentation de la largeur de raie résultant de la symétrie du spectre du gain Raman dans le silicium. De plus certains des schémas de réduction du bruit d'intensité relatif proposés dans le cas des lasers Raman à fibre peuvent être transposés pour aboutir à des dispositifs ultra-compacts grâce aux propriétés des CP. Enfin, parce que les CP permettent la réalisation de cavités à fort facteur de qualité et petits volumes modaux, c-à-d avec un fort coefficient de couplage de l'émission spontanée, on s'attend à ce que la bande passante de modulation soit plus grande que dans un laser semi-conducteur conventionnel. De plus, comme le gain de l'émission Raman est symétrique dans le silicum, la modulation du gain Raman n'entraîne pas de modulations de fréquence parasite. Toute ces propriétés font que de tels lasers diretement modulés conviennent pour les systèmes de télécommunications à haute vitesse mais aussi pour des applications comme la détection, la photonique RF, la métrologie. Durant le projet, un effort particulier sera fourni sur la modélisation des lasers Raman à CP. Fondé sur nos résultats précédents concernant l'effet Purcell obtenu pour la diffusion Raman spontanée, ce modèle sera capable de prévoir précisément le seuil, l'efficacité, les caractéristiques de bruits et la dynamique du laser. D'après des résultats préliminaires, une puissance de pompe de 10 mW associée à un facteur de qualité de 10^6 à la longueur d'onde Stokes est suffisant pour obtenir un effet laser dans une cavité constituée d'une section de guides à CP de type W1. Ainsi, nous mettrons l'accent sur l'optimisation des facteurs de qualité des cavités, leur reproductibilité et le couplage efficace de la lumière dans les structures à CP. Ce sont les points clé pour obtenir un laser Raman à CP et nous nous attendons, en particulier, à démontrer des cavités de facteur de qualité supérieure à 2 millions, état de l'art actuel à l'IEF. Les lasers seront fabriqués à la fois en approche membrane et en approche SOI, c-à-d en laissant l'oxyde sous le cristal photonique puisque cette approche peut permettre une meilleure stabilité mécanique et dissipation thermique. Une des grandes forces de ce projet est que l'équipe porteuse dispose à l'IEF de tout le savoir et équipement nécessaires à l'achèvement de l'ensemble du projet: la modélisation, la fabrication et la caractérisation.
Résultats : Auto-oscillations dans des cavités à cristal photonique silicium à des fréquences supérieures au Gigahertz [Cazier2012].
Fort facteur de qualité pour des cavités sur SOI [Han2011]
Perspectives : New classes of high spectral purity emitters based on silicon and pumped by standard low cost semiconductor laser diodes can be envisioned.
Publications et brevets : [Han 2011] Zheng Han, Xavier Checoury, Laurent-Daniel Haret, and Philippe Boucaud. High quality factor in a two-dimensional photonic crystal cavity on silicon-on-insulator. Opt. Lett., 36(10), pp1749–1751, May 2011.
[Cazier 2012] N. Cazier, X. Checoury, L.-D. Haret, P. Boucaud, High-frequency self-induced oscillations in a silicon nanocavity, soumis
[Cazier 2012b] N. Cazier, X. Checoury, P. Boucaud, Doubly resonant photonic crystal cavities for enhanced Raman scattering, en préparation