Projet ANR-12-IS10-0001 – POSISLOT : Amplificateur optique intégré à guides silicium à fente remplis par des polymères dopés Erbium
Programme : Blanc International II - SIMI 10 - Nanosciences (Blanc Inter II - SIMI 10)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Eric CASSAN (Institut d'Electronique Fondamentale (UMR 8622))
Partenaires : Institut d'Électronique Fondamentale; Jílín Dàxué; Huázhong Kejì Dàxué
Montant : 205504.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Démonstration d’un amplificateur optique intégré sur puceDémonstration d’un amplificateur optique intégrée sur silicium pour les interconnexions optiques et les télécommunications, par intégration de matériaux polymères dopés à l’erbium dans des guides d’ondes optiques fabriqués selon les techniques de la microélectronique
Intégration de matériaux polymères actifs à des guides à cœur creux en micro-nano-photonique siliciumLa photonique silicium s’est beaucoup développée ces dernières années et est sur le point d’être intégrée aux circuits de la microélectronique et des télécommunications, ou de trouver sa place dans un riche panel d’applications liées au domaine des capteurs et micro-capteurs, notamment biologiques.Dans ce contexte général, le projet POSISLOT vise à faire la démonstration d’un amplificateur sur puce pouvant servir à compenser les pertes optiques liées aux entrées/sorties des circuits photoniques et à la propagation de la lumière dans les guides submicroniques utilisés pour distribuer les signaux, la réalisation d’une telle fonction d’amplification représentant un enjeu important pour le développement de circuits photoniques complexes sur puce.
Intégration de polymères dopés à l’erbium dans des guides à fente à cristaux photoniques et pompage optique à 1480nm, pour une amplification dans le proche-IR autour de 1550nm.Le cycle complet des études menées comprend un niveau de simulations-modélisations électromagnétiques, un niveau de conception des structures et de mise au point de procédés technologiques (salle blanche), et un ensemble de caractérisations structurales/spectroscopiques (des propriétés optiques du matériau actif, notamment) et optiques (guides d’ondes, amplificateur complet sous pompage optique).Il s’avère également nécessaire d’opérer ce cycle à plusieurs reprises en s’appuyant sur une bonne communication entre partenaires du projet. Plusieurs itérations et de nombreuses étapes intermédiaires (chimie des polymères, fabrication de guides optiques, compréhension des mécanismes de gain en présence d’ondes guidées à faible vitesse de groupe, …) sont nécessaires en vue de la réalisation des objectifs du projet.
Résumé de la soumission : Le projet POSISLOT a pour objectif la réalisation d’un amplificateur optique intégré compact (de surface <500µm*500µm, et si possible plus faible), à fort gain (30dB), utilisant un faible signal de pompe (P<10mW) de longueur d’onde ?=1480nm. Ce type d’amplificateur est destiné à compenser les pertes d’insertion et de propagation induites dans les circuits de la nanophotonique silicium pour la réalisation de liaisons optiques à ultra-haut débit (100 Gbits.s-1 et au-delà) et le traitement tout-optique de l’information des futures générations de puces silicium.L’approche adoptée pour cela est la suivante ; elle exploite d’une part les propriétés de très fort confinement du champ électromagnétique induites par l’utilisation de guides d’ondes optiques silicium sur isolant (SOI) à très fort contraste d’indice de réfraction, et celles de polymères dopés Erbium, permettant l’amplification de la lumière par émission stimulée. La synthèse entre ces deux approches est opérée par l’utilisation de guides d’ondes silicium à fente, c’est-à-dire à cœur creux, qui peuvent être remplis par les polymères dopés. Par rapport à l’état de l’art, qui fait état d’amplificateurs de gain autour de 5dB pour des dimensions typiques de quelques centimètres et des puissances de pompe d’au moins 100mW, des progrès significatifs sont attendus, découlant de la très forte densité de champ électromagnétique et de son interaction avec les polymères. Le renforcement de l’intensité optique attendu découle, d'une part de l’utilisation de nano-guides silicium (fente typiquement comprise entre 100nm et 250nm), et d’autre part du ralentissement possible des ondes par l’utilisation de structures périodiques fonctionnant en régime d’ondes lentes (indice de groupe élevé).Le projet POSISLOT adresse l’ensemble des aspects, conception, fabrication, et caractérisations (structurales, optiques), de l’étude des matériaux (chimie des polymères, caractérisation des niveaux de transition, etc) jusqu’à la fabrication des démonstrateurs. Il est structuré en trois tâches ; la première concerne l’étude des polymères dopés Erbium ; la seconde concerne la conception et la réalisation de nano-guides silicium remplissables par les polymères (conception, étude des pertes de propagation, caractérisation du régime d’ondes lentes, etc) ; la troisième a trait à la réalisation de démonstrateurs, utilisant les informations, matériaux, et dispositifs étudiés dans les deux autres tâches.Le consortium de recherche associe une équipe française, issue de l’Institut d’Electronique Fondamentale (UMR CNRS 8622, Orsay), spécialiste de photonique silicium, et deux équipes chinoises issues des Universités JLU et HUST. Le groupe issu de JLU (coordinateur pour la partie chinoise) est le spécialiste chinois des propriétés optiques des polymères ; le groupe issu de HUST est, quant à lui, spécialiste de l’étude des amplificateurs optiques et des systèmes de communications optiques.
Résultats : A ce stade (septembre/octobre 2013), une modélisation complète de l’amplificateur à polymère dopé Erbium (EDWA : Erbium Doped Waveguide Amplifier) a été effectuée, les étapes de caractérisations spectroscopiques du polymère dopé sont en cours, et des efforts importants sont déployés en vue de la fabrication de guides à fente à faibles pertes optiques
(< 10dB/cm, voire <<10dB/cm).
Perspectives : La réalisation d’un amplificateur optique intégré et compact sur puce ouvre potentiellement la voie à la compensation de l’atténuation des signaux optiques, ouvrant des perspectives dans les domaines des interconnexions optiques (puces multicore) et des circuits télécoms (receivers), ainsi que des micro-capteurs sur puce (labs-on-chip).
Publications et brevets : A ce jour (septembre 2013) : 1 article en cours de rédaction.