EP2460052A1 - Dispositif de controle de frequence optique, procede de fabrication d'un tel dispositif - Google Patents

Dispositif de controle de frequence optique, procede de fabrication d'un tel dispositif

Info

Publication number
EP2460052A1
EP2460052A1 EP10754357A EP10754357A EP2460052A1 EP 2460052 A1 EP2460052 A1 EP 2460052A1 EP 10754357 A EP10754357 A EP 10754357A EP 10754357 A EP10754357 A EP 10754357A EP 2460052 A1 EP2460052 A1 EP 2460052A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
cavity
membrane
layer
walls
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10754357A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Xavier Letartre
Pierre Viktorovitch
Jean-Louis Leclercq
Christian Seassal
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2460052A1 publication Critical patent/EP2460052A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3534—Three-wave interaction, e.g. sum-difference frequency generation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/005—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
    • G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
    • G02F1/01716—Optically controlled superlattice or quantum well devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2/00—Demodulating light; Transferring the modulation of modulated light; Frequency-changing of light
    • G02F2/004—Transferring the modulation of modulated light, i.e. transferring the information from one optical carrier of a first wavelength to a second optical carrier of a second wavelength, e.g. all-optical wavelength converter
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2201/00—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
    • G02F2201/34—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 reflector
    • G02F2201/346—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 reflector distributed (Bragg) reflector
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/15—Function characteristic involving resonance effects, e.g. resonantly enhanced interaction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/11—Comprising a photonic bandgap structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]

Definitions

  • OPTICAL FREQUENCY CONTROL DEVICE METHOD FOR MANUFACTURING SUCH A DEVICE
  • the present invention relates to the field of optical frequency control, in particular for the conversion of optical frequency and terahertz, as well as for their tunability.
  • This control is achieved by trapping the photons in a small volume - whose dimensions are ordered in terms of wavelength - for a controlled time and by controlling the spatial distribution of the optical modes as well as their interaction with the outside world.
  • the invention relates more particularly to an optical frequency control device around a central working frequency, comprising a vertical cavity formed of two parallel walls and partially reflecting, and a membrane having at least one structured layer under the shape of a photonic crystal.
  • It also relates to a method of manufacturing such a device.
  • the state of the art in this field comprises resonators made according to a so-called 2.5-dimensional approach, as disclosed in the patent document CN 1 897 375 A.
  • This document describes a microlaser comprising a photonic crystal membrane with within a Fabry-Perot cavity.
  • the positioning of the Bragg mirrors on either side of the photonic crystal membrane makes it possible to reduce the optical losses (by increasing the quality factor). and to improve the directivity of the laser.
  • the device operates in monomode (a single optical frequency), without optical frequency tunability.
  • the Fabry-Perot cavity interferes with light to select certain optical modes, said resonant modes, only able to remain in the cavity. From incident photons whose wavelength ⁇ corresponds to that of such a resonant mode, the photons radiated in the cavity are confined vertically by it to form these modes.
  • the photonic crystal has, at the wavelength ⁇ , an optical mode which has a group velocity (photon propagation velocity) zero in the plane of the membrane, thus ensuring the lateral confinement of the photons (mode of Bloch slow) guided in the membrane.
  • its diffractive properties allow it to couple to modes radiated in the normal direction to the plane of the membrane.
  • the optical modes respectively associated with the cavity and the photonic crystal being spatially superimposed and spectrally resonant, can enter a strong coupling regime. It is thus given birth to two eigen modes, called “hybrids", of frequencies Fl and F2 around the frequency FO corresponding to the central wavelength of work ⁇ . These two eigen modes have both a guided character and a radiated character.
  • the separation F2-F1 is directly proportional to the coupling strength between the optical modes associated with the cavity and the photonic crystal.
  • the lifetime of the photons in these modes is essentially controlled by the reflectivity of the mirrors forming the Fabry-Perot cavity.
  • An object of the present invention is to control the interactions between the two natural modes of optical resonance generated and to continuously monitor their natural frequencies Fl and F2.
  • an optical frequency control device around a central working frequency, as described above, wherein the two walls are separated by an optical distance substantially proportional to half of the wavelength corresponding to the central working frequency, the membrane is integrated between the walls of the cavity and arranged to present an optical resonance mode at this central working wavelength, and at least one layer of the device consists of at least a portion of a material having non-linear optical properties.
  • this material with non-linear optical properties makes it possible to create a very strong nonlinear interaction between the two own optical frequencies F1 and F2 of the existing cavity due to the association between the cavity and the photonic crystal, this interaction being all the more reinforced as each frequency is associated with a resonant clean mode. It is thus possible to parameterize the direct coupling between the resonant modes associated with the combination of the cavity and the photonic crystal, so as either to create photons to fill the modes Fl and F2, or to absorb photons at the same time. frequency F2 to emit at the frequency Fl (if F2 is greater than Fl), or to emit photons at the frequency F1-F2 or F1 + F2 from photons at the frequencies F1 and F2.
  • the wavelength of the slow Bloch mode of the photonic crystal is controlled by the opto-geometric properties of the latter, namely the indices of the materials and their distribution in the plane of the membrane, as well as the thickness of the the membrane.
  • the material having non-linear optical properties is disposed at a maximum of the vertical distribution of the electromagnetic intensity of at least one of the resonant modes generated by the device, which reinforces all the more the non-linear interaction between the two optical frequencies F1 and F2 corresponding to the two eigen modes generated by the cavity and the photonic crystal.
  • the walls of the cavity are flat and have high reflection coefficients, which reinforces the optical interactions inside the cavity. Coefficients greater than or equal to 95% are preferred.
  • these walls in terms of reflection coefficient, these consist of Bragg mirrors.
  • the cavity has dimensions of the order of the wavelength of work, which can be micrometric if one works in infrared. Because of the small volume of the cavity, a strong spatial confinement of the optical modes is therefore achieved.
  • the cavity has a higher quality factor than that of the photonic crystal of the membrane.
  • the quality factor of the cavity makes it possible to conserve the photons for a long time in the structure, which also reinforces the interaction between matter and light, and thus nonlinear interactions.
  • the quality factor of the photonic crystal manages the coupling between the cavity mode and the mode of the photonic crystal: the lower the quality factor, the stronger the coupling and the larger the difference F2-F1.
  • the structuring of at least one layer of the photonic crystal of the membrane is in the form of a mesh on one dimension
  • the structuring of at least one layer of the photonic crystal of the membrane is in the form of a mesh on two dimensions.
  • the material having non-linear optical properties is formed by one of a quantum well and a distribution of semiconductor quantum boxes.
  • the device comprises means for vertical displacement of the membrane.
  • These means of vertical displacement make it possible to control the position of the membrane in the cavity, which influences the spatial overlap of the two coupled optical modes and thus makes it possible to modulate the coupling force and, consequently, the spectral separation F2- F1.
  • the device comprises means for relative vertical displacement of one wall of the cavity relative to the other. These vertical displacement means make it possible to control the thickness of the cavity, which influences the central working wavelength ⁇ and, consequently, the values of the frequencies F1 and F2 of the two generated eigen modes.
  • At least one of the above displacement means is electro-mechanical in nature.
  • This type of displacement means indeed offers a significant accessible tunability rate, at least of the order of one tenth of the central working wavelength.
  • the addressing of the light towards this device can be operated as well following a configuration of the "dark field” type (the angle of incidence of the incident beam is less than the angle total reflection critical) or in an “evanescent wave” configuration (the angle of incidence of the incident beam is greater than the critical angle of total reflection).
  • the device can be used simultaneously, or even concomitantly, for "free space optics” and “guided optics” type applications.
  • the invention also relates to an optical frequency conversion system, comprising an optical frequency control device according to one of the embodiments above, as well as optical pumping means of only one of the two modes. generated.
  • the medium between the two walls of the cavity is an active medium in a saturable absorber regime. Therefore, in the case where the optical pumping means perform pumping for example only the mode at the frequency F2, the device allows the transfer of a signal carried by an incident optical carrier of frequency Fl (frequency of one of the two modes) to another frequency carrier F2 (frequency of the other mode).
  • the medium and the optical pumping means are determined so that only one clean mode does not saturate the absorbent while the superposition of the two eigen modes saturates it.
  • the medium between the two walls of the cavity is a medium having an optical gain. Therefore, in the case where only the frequency F2 is pumped, when the laser threshold is reached, the device converts the power received at the frequency F2 into a coherent signal at the frequency F1.
  • the presence of optical resonance not only for the laser mode but also for the pump signal, reduces the laser threshold, and therefore the power consumed, significantly.
  • the invention also relates to an optical frequency addition and subtraction system, comprising an optical frequency control device according to one of the embodiments described above, as well as optical pumping means of the two. generated eigen modes, the material of at least one layer of the device having non-linear properties of order 2.
  • the device being pumped at the frequencies F1 and F2, and given the non-linear effect of order 2 , signals of frequencies F1 + F2 and F2-F1 can be generated.
  • the strong confinement in one place of the two optical modes makes it possible to reinforce the conversion efficiency.
  • the invention finally relates to a method of manufacturing an optical frequency control device around a central working frequency (FO), comprising successively:
  • the device obtained by this manufacturing method has the advantage of being compact, of very strongly and non-linearly coupling the two generated eigenfrequencies, as well as of allowing a parameterization of this coupling, ensuring a control continuous of the two frequencies.
  • the addition of a part of the heterostructure consists of a first step of depositing an assembly formed by said part of the heterostructure and a substrate and a second step of removing the heterostructure. substrate of the whole.
  • the method comprises a posterior step of constitution of displacement means one of the CP membrane and at least one partially reflecting layer.
  • FIG. 1 a diagram showing a sectional view of the optical frequency control device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 diagrams representing a structured layer of the membrane
  • FIG. 3 a diagram showing a sectional view of the optical frequency control device according to a second embodiment of the invention comprising optical pumping means
  • FIG. 4 a diagram showing a sectional view of the optical frequency control device according to a third embodiment of the invention comprising means for moving certain elements, and
  • FIG. 5 a diagram showing the successive steps of the method of manufacturing an optical frequency control device according to a particular embodiment of the invention.
  • a resonant optical mode corresponds to a state in which the photons are located at a given wavelength in a given structure.
  • These modes can be filled with photons, either by injecting light or using a transmitter material within the structure.
  • an optical frequency control device 1 comprises two coupled resonant elements: a vertical cavity 2 and a photonic crystal membrane 6. This device combines these two elements 2 and 6, which are capable of acting individually as optical resonators. It works around a central working frequency FO, to which corresponds a working wavelength ⁇ , by generating two own optical frequencies whose values are located symmetrically on either side of the central optical frequency FO .
  • the vertical cavity 2 is a Fabry-Perot type cavity. It has two Bragg mirrors 3a and 3b. These mirrors are parallel and constitute partially reflective walls whose reflection coefficients are greater than 95%. They consist of a succession of high index layers (silicon - Si) and low index layers (silicon dioxide - SiO 2). Between these two walls, the cavity 2 comprises a medium 4, consisting for example of silicon dioxide (SiO 2).
  • the optical thickness of this cavity is equal to half of the central wavelength of work ⁇ multiplied by a natural number. Illuminated by an incident light 10, from which reflected light 11 and transmitted light 12 are generated, the cavity 2 is then able to radiate photons, previously confined within it, according to different modes of optical resonance.
  • the quality factor of this cavity 2 is high, of the order of 10,000.
  • the membrane 6 comprises a set of layers 7a, 7b and 8 constituting a photonic crystal, consisting for example of silicon (Si) in the case of a device "Passive” or heterostructure based on III-V semiconductor (GaAs or InP for example) integrating quantum wells (InGaAs for example) or quantum dot planes (InAs for example).
  • the photonic crystal is structured so as to have an optical resonance at the same wavelength ⁇ as that for which the cavity 2 resonates.
  • the mode of optical resonance resulting from the crystal is a slow mode, called "de Bloch", of the crystal.
  • the layers forming the photonic crystal of the membrane are structured in their thicknesses.
  • the layer 7a is structured according to a periodic two-dimensional mesh, comprising a set of structuring elements 9.
  • all the layers of the membrane 6, namely the layers 7a, 7b and 8, are structured identically to each other and identically to the mesh of Figure 2.
  • the structuring of the membrane 6 is parameterized by the shape the size and the relative position of the various structuring elements 9 constituting it.
  • the quality factor of the photonic crystal is also adjusted by its geometry.
  • the photonic crystal of the membrane 6 ensures a lateral confinement of the photons guided in the membrane.
  • This membrane 6 is integrated inside the cavity 2, that is to say between the two mirrors 3a and 3b, parallel to them.
  • the photonic crystal then allows, in addition to the lateral confinement, a diffractive coupling with the radiated photons and confined vertically by the cavity 2.
  • this membrane 6 is arranged with respect to the cavity 2 so as to reach the maximum of the field of the optical mode of this cavity.
  • the cavity 2 and the membrane 6 present optical resonance modes that are spatially superimposed and spectrally resonant.
  • the regime of strong coupling between their optical modes contributes to the birth of two eigen modes, called “hybrids", of optical frequencies Fl and F2, whose values are located symmetrically and on both sides of the value of the central working frequency FO. These modes have both a guided character and a radiated character.
  • any one may consist of a material having non-linear optical properties, which does not exclude that several input they are.
  • the layer comprising this material with nonlinear optical properties is integrated in the membrane 6. It is understood that the skilled person may have this layer otherwise within the membrane. In particular, it may form all the layers of the material membrane with non-linear optical properties or form only a portion of a single layer. According to different variants, this material with nonlinear optical properties is in the form of a well or a distribution of quantum dots of a semiconductor.
  • each system comprises a device 1 according to the invention and means 15 for optical pumping.
  • the medium 4 between the two walls 3a and 3b of the cavity 2 is an active medium in a saturable absorber regime, located more precisely in the membrane 6.
  • the two-mode structure forming the crystal photonic then allows the transfer of the signal carried by an incident optical carrier of frequency F1 (frequency of one of the two eigen modes generated by the device 1) to another frequency carrier F2 (frequency of the other eigenmode).
  • the optical pumping means 15 are arranged so as to perform the pumping only eigen mode corresponds to the optical frequency F2.
  • An optical information carried at frequency F1 reaches the device (signal "information").
  • the active medium is able to absorb at the two frequencies Fl and F2.
  • the power carried by the pump does not ensure the saturation of the absorption, while the combined powers of the information and the pump saturate the absorption. This transfers information from the carrier F1 to the carrier F2.
  • the medium 4 between the two walls 3a and 3b of the cavity 2 is a laser effect medium.
  • the device 1 receives optical information transported respectively to the frequencies F1 and F2, whose modulation frequencies are identical.
  • the active medium is able to absorb at the two frequencies Fl and F2.
  • the optical pumping means 15 are arranged in such a way that only the power at the frequency F2 makes it possible to ensure the saturation of the absorption.
  • the structure converts the power received at the frequency F2 into a coherent signal at the frequency F1.
  • the non-linear optical properties of the material constituting the photonic crystal layer of the membrane 6 are of order 2.
  • the device 1 receives optical information transported respectively at the frequencies F 1 and F 2, of which the modulation frequencies are identical.
  • the active medium is able to absorb at the two frequencies Fl and F2.
  • the optical pumping means 15 are arranged such that the power at the frequency F1 or the power at the frequency F2 indifferently allows to ensure the saturation of the absorption. Therefore, signals of frequencies F1 + F2 and F2-F1 can be generated.
  • the strong confinement in one place of the two eigen modes of optical resonance at the frequencies Fl and F2 makes it possible to reinforce the efficiency of the conversion of the optical frequencies.
  • FIG. 4 Examples of implementation of the invention for 1 wavelength tunability are illustrated in FIG. 4.
  • the device comprises for this purpose means 16 for vertical displacement of the membrane 6 and means 17 for relative vertical displacement of the wall 3a of the cavity 2 relative to the wall 3b.
  • These means 16 and 17 may be electromechanical.
  • the means 16 make it possible to control the relative position of the membrane with respect to the walls 3a and 3b of the cavity. This displacement makes it possible to modify the spatial overlap of the two coupled modes of optical resonance, of frequencies F1 and F2, and thus of modulating their coupling force. This results in a change in the spectral difference between these two optical frequencies.
  • the means 17 make it possible to control the optical thickness of the cavity 2.
  • the control of this thickness makes it possible to modify the value of the frequency FO workstation from which are generated the optical modes at frequencies Fl and F2. This results in a common offset of the values of these two optical frequencies.
  • the wavelength tunability of the device is thus achieved as a function of the position of the membrane 6 in the cavity 2 as well as the optical thickness of this cavity. We can therefore agree both the values of these two eigenfrequencies and their spectral difference.
  • the first Bragg mirror 3a is deposited, consisting of a succession of silicon and silicon dioxide layers, and then of the first part 4a. medium 4, silicon dioxide, of the cavity (step II).
  • the layer is made of a material having non-linear optical properties (well or plan quantum boxes of a semiconductor).
  • the membrane 6 is previously made on a substrate 22 after having deposited a stop layer 21.
  • the assembly is then reported by a bonding technique on medium 4a (step III).
  • This substrate 22 consists for example of indium phosphide (InP) and the stop layer 21 of indium gallium arsenide (InGaAs). After transfer, the substrate 22 and the stop layer 21 are removed (step IV) selectively to leave only the membrane 6 against the medium 4a.
  • InP indium phosphide
  • InGaAs indium gallium arsenide
  • the membrane is then structured in the form of a photonic crystal (step VI). Structuring is operated in such a way that the photonic crystal membrane 6 has an optical resonance mode at the working central wavelength ⁇ .
  • step II namely the deposit of an assembly formed by the second part 4b of the medium 4, the second Bragg mirror 3b.
  • This addition is made so that the mirrors 3a and 3b are separated by a distance proportional to half the central working wavelength ⁇ .
  • the entire membrane 6 is etched at the same time, that is to say that holes are made at the same time in the layers 7a, 7b and 8.
  • the electromechanical tunability can be obtained by means of selective etchings of all or part of the layer 4 and thus making the reflector 3 or the membrane "mobile” 6.
  • a posterior step of constitution of displacement means can be provided, one of the heterostructure forming the membrane 6 and at least one Bragg mirror.
  • the displacement means 16 and 17 ( Figures 3 and 4) are then appropriately added to the device from the manufacturing method of the invention.
  • An optical frequency control device can be used in many applications, particularly for wavelength conversion in the telecommunications field.
  • Other applications are possible, such as spectroscopy chemical in the terahertz domain, which corresponds to phonon energies or the rotation of molecules.
  • spectroscopy in which two consecutive laser signals of near frequencies are sent on a sample.
  • the first laser constitutes the pump (and modifying the properties of the medium) and the second laser the probe (probing the properties of the medium).
  • the two laser signals come from the same device that is the subject of the invention.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de contrôle de fréquence optique (F1,F2) autour d'une fréquence centrale de travail (F0). Ce dispositif comprend une cavité verticale (2) formée de deux parois (3a,3b) parallèles et partiellement réfléchissantes, et une membrane (6) comportant au moins une couche (7a,7b) structurée sous la forme d'un cristal photonique. Dans ce dispositif, les deux parois (3a,3b) sont séparées d'une distance optique sensiblement proportionnelle à la moitié de la longueur d'onde (?0) correspondant à la fréquence centrale de travail (F0). La membrane (6) est intégrée entre les parois (3a,3b) de la cavité (2) et agencée pour présenter un mode de résonance optique à cette longueur d'onde centrale de travail (?0). Au moins une couche du dispositif est constituée en au moins une portion d'un matériau présentant des propriétés optiques non-linéaires. La présente invention concerne également différents systèmes mettant en oeuvre des moyens de pompage optique et un tel dispositif de contrôle de fréquence optique, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel dispositifde contrôle de fréquence optique.

Description

DISPOSITIF DE CONTROLE DE FREQUENCE OPTIQUE, PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL DISPOSITIF
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[0001] La présente invention se rapporte au domaine du contrôle de fréquence optique, notamment pour la conversion de fréquence optique et terahertz, ainsi que pour leur accordabilité . Ce contrôle s'opère en piégeant les photons dans un petit volume - dont les dimensions ont pour ordre de grandeur la longueur d' onde - pendant un temps contrôlé et en contrôlant la distribution spatiale des modes optiques ainsi que leur interaction avec le monde extérieur.
[0002] L' invention concerne plus particulièrement un dispositif de contrôle de fréquence optique autour d'une fréquence centrale de travail, comprenant une cavité verticale formée de deux parois parallèles et partiellement réfléchissantes, et d'une membrane comportant au moins une couche structurée sous la forme d'un cristal photonique.
[0003] Elle concerne également un procédé de fabrication d'un tel dispositif.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
[0004] L'état de la technique dans ce domaine comporte des résonateurs réalisés selon une approche dite à 2,5 dimensions, comme divulgués dans le document de brevet CN 1 897 375 A. Ce document décrit un microlaser comprenant une membrane cristal photonique au sein d'une cavité Fabry-Pérot.
[0005] Dans le document de brevet CN 1 897 375 A mentionné ci-dessus, le positionnement des miroirs de Bragg de part et d'autre de la membrane de cristal photonique permet de diminuer les pertes optiques (en augmentant le facteur de qualité) et d'améliorer la directivité du laser.
[0006] Cependant, dans ce document, le dispositif fonctionne en monomode (une seule fréquence optique) , sans accordabilité de fréquence optique. [0007] La cavité de Fabry-Pérot fait interférer la lumière afin de sélectionner certains modes optiques, dits modes résonants, seuls aptes à rester dans la cavité. A partir de photons incidents dont la longueur d' onde λθ correspond à celle d'un tel mode résonant, les photons rayonnés dans la cavité sont confinés verticalement par celle-ci pour former ces modes.
[0008] Le cristal photonique possède, à la longueur d'onde λθ, un mode optique qui possède une vitesse de groupe (vitesse de propagation des photons) nulle dans le plan de la membrane, assurant ainsi le confinement latéral des photons (mode de Bloch lent) guidés dans la membrane. De plus, ses propriétés diffractives lui permettent de se coupler à des modes rayonnés dans la direction normale au plan de la membrane.
[0009] Dès lors, les modes optiques associés respectivement à la cavité et au cristal photonique, étant superposés spatialement et résonants spectralement , peuvent entrer en régime de couplage fort. Il est ainsi donné naissance à deux modes propres, dits « hybrides », de fréquences Fl et F2 autour de la fréquence FO correspondant à la longueur d'onde centrale de travail λθ . Ces deux modes propres présentent à la fois un caractère guidé et un caractère rayonné. La séparation F2-F1 est directement proportionnelle à la force du couplage entre les modes optiques associés à la cavité et au cristal photonique. La durée de vie des photons dans ces modes est essentiellement contrôlée par la réflectivité des miroirs formant la cavité Fabry-Pérot .
[0010] Préalablement à cette approche de microrésonateur à 2,5 dimensions, qui permet un confinement tridimensionnel des photons, une cavité de Fabry-Pérot et un cristal photonique, considérés isolément l'un de l'autre, ne fournissaient des solutions respectivement qu'à une et deux dimensions. [0011] Ces résonateurs à 2,5 dimensions constituent des composants compacts (de par le confinement spatial opéré), sensibles en longueur d'onde et de faible consommation. Ils permettent, du fait du fort confinement spatial des photons et de leur grande durée de vie, d'obtenir, à partir d'une puissance incidente faible, une forte densité d'énergie électromagnétique pour chacun des modes de résonance générés.
[0012] Néanmoins, l'inconvénient d'un tel dispositif réside dans l'impossibilité de contrôler de manière continue les deux fréquences Fl et F2 des modes de résonance optique générés .
EXPOSE DE L' INVENTION
[0013] Un but de la présente invention est de contrôler les interactions entre les deux modes propres de résonance optique générés et de contrôler de manière continue leurs fréquences propres Fl et F2.
[0014] Ce problème est résolu selon l'invention par un dispositif de contrôle de fréquence optique autour d'une fréquence centrale de travail, tel que décrit précédemment, dans lequel les deux parois sont séparées d'une distance optique sensiblement proportionnelle à la moitié de la longueur d' onde correspondant à la fréquence centrale de travail, la membrane est intégrée entre les parois de la cavité et agencée pour présenter un mode de résonance optique à cette longueur d'onde centrale de travail, et au moins une couche du dispositif est constituée en au moins une portion d'un matériau présentant des propriétés optiques non- linéaires .
[0015] L'adjonction selon l'invention de ce matériau aux propriétés optiques non-linéaires permet de créer une très forte interaction non-linéaire entre les deux fréquences optiques propres Fl et F2 de la cavité existant du fait de l'association entre la cavité et le cristal photonique, cette interaction étant d'autant plus renforcée que chaque fréquence est associée à un mode propre résonant. Il est ainsi rendu possible de paramétrer le couplage direct entre les modes résonants associés à l'association de la cavité et du cristal photonique, de façon soit à créer des photons permettant de remplir les modes Fl et F2, soit à absorber des photons à la fréquence F2 pour en émettre à la fréquence Fl (si F2 est supérieur à Fl), soit à émettre des photons à la fréquence F1-F2 ou F1+F2 à partir de photons aux fréquences Fl et F2.
[0016] La longueur d'onde du mode de Bloch lent du cristal photonique est contrôlée par les propriétés opto- géométriques de ce dernier, à savoir les indices des matériaux et leur distribution dans le plan de la membrane, ainsi que l'épaisseur de la membrane.
[0017] De préférence, le matériau présentant des propriétés optiques non-linéaires est disposé au niveau d'un maximum de la distribution verticale de l'intensité électromagnétique d'au moins l'un des modes résonants générés par le dispositif, ce qui renforce d'autant plus l'interaction non-linéaire entre les deux fréquences optiques Fl et F2 correspondant aux deux modes propres générés par la cavité et le cristal photonique.
[0018] De préférence, les parois de la cavité sont planes et présentent des coefficients de réflexion élevés, ce qui permet de renforcer les interactions optiques à l'intérieur de la cavité. Des coefficients supérieurs ou égaux à 95 % sont préférés.
[0019] Selon un mode de réalisation particulièrement efficace de ces parois en terme de coefficient de réflexion, celles-ci sont constituées de miroirs de Bragg.
[0020] De façon à disposer d'un dispositif de contrôle de fréquence qui soit compact, la cavité présente des dimensions de l'ordre de la longueur d'onde de travail, ce qui peut être micrométrique si on travaille dans l'infrarouge. Du fait du faible volume de la cavité, on réalise donc un fort confinement spatial des modes optiques.
[0021] Afin de permettre un confinement efficace des photons, la cavité présente un facteur de qualité plus élevé que celui du cristal photonique de la membrane. En effet, le facteur de qualité de la cavité permet de conserver longtemps les photons dans la structure, ce qui renforce aussi l'interaction matière-lumière, et donc les interactions non- linéaires. Le facteur de qualité du cristal photonique gère quant à lui le couplage entre le mode de cavité et le mode du cristal photonique : plus ce facteur de qualité est faible plus le couplage est fort et plus la différence F2-F1 est grande .
[0022] Selon des modes particuliers de mise en œuvre du cristal photonique :
la structuration d'au moins une couche du cristal photonique de la membrane se présente sous la forme d'un maillage sur une dimension,
la structuration d'au moins une couche du cristal photonique de la membrane se présente sous la forme d'un maillage sur deux dimensions.
[0023] Selon une variante particulière de réalisation du matériau présentant des propriétés optiques non-linéaires, celui-ci est formé par l'un parmi un puits quantique et une distribution de boîtes quantiques de semi-conducteur.
[0024] Selon un autre mode de réalisation de l'invention pour 1 ' accordabilité de fréquence optique, le dispositif comporte des moyens de déplacement vertical de la membrane. Ces moyens de déplacement vertical permettent de contrôler la position de la membrane dans la cavité, ce qui influe sur le recouvrement spatial des deux modes optiques couplés et donc permet de moduler la force de couplage et, par-là même, la séparation spectrale F2-F1.
[0025] Toujours selon un autre mode de réalisation de l'invention pour 1 ' accordabilité de fréquence optique, le dispositif comporte des moyens de déplacement vertical relatif d'une paroi de la cavité par rapport à l'autre. Ces moyens de déplacement vertical permettent de contrôler l'épaisseur de la cavité, ce qui influe sur la longueur d'onde centrale de travail λθ et, par conséquent, sur les valeurs des fréquences Fl et F2 des deux modes propres générés .
[0026] Dès lors, par la combinaison de ces deux moyens de déplacement, il est ainsi rendu possible d'accorder en longueur d'onde, aussi bien les longueurs d'onde des deux modes résonants de la structure formée de la cavité et de la membrane, que leur écart spectral.
[0027] De préférence, au moins l'un des moyens de déplacement ci-dessus est de nature électro-mécanique. Ce type de moyens de déplacement offre en effet un taux d' accordabilité accessible significatif, au moins de l'ordre du dixième de la longueur d'onde centrale de travail.
[0028] L'homme du métier notera ici que l'adressage de la lumière vers ce dispositif peut être opéré aussi bien suivant une configuration de type « champ sombre » (l'angle d'incidence du faisceau incident est inférieur à l'angle critique de réflexion totale) ou suivant une configuration de type « ondes évanescentes » (l'angle d'incidence du faisceau incident est supérieur à l'angle critique de réflexion totale) . Il en résulte que le dispositif peut être utilisé à la fois, voire de manière concomitante, pour des applications de type « optique d'espace libre » et de type « optique guidée ».
[0029] L' invention concerne également un système de conversion de fréquence optique, comprenant un dispositif de contrôle de fréquence optique selon l'un des modes de réalisation ci-dessus, ainsi que des moyens de pompage optique d'un seul des deux modes propres générés.
[0030] Selon un premier mode de mise en œuvre de ce système, le milieu compris entre les deux parois de la cavité est un milieu actif en régime d'absorbant saturable. Dès lors, dans le cas où les moyens de pompage optique réalisent le pompage par exemple seulement du mode à la fréquence F2, le dispositif permet le transfert d'un signal porté par une porteuse optique incidente de fréquence Fl (fréquence de l'un des deux modes) vers une autre porteuse de fréquence F2 (fréquence de l'autre mode) .
[0031] Dans ce dernier cas, afin que le transfert d'un signal vers l'autre se fasse au rythme de la modulation numérique de l'onde incidente, le milieu et les moyens de pompage optique sont déterminés de sorte qu'un seul mode propre ne sature pas l'absorbant tandis que la superposition des deux modes propres le sature.
[0032] Selon un deuxième mode de mise en œuvre de ce système, le milieu compris entre les deux parois de la cavité est un milieu présentant un gain optique. Dès lors, dans le cas où seule la fréquence F2 est pompée, lorsque le seuil laser est atteint, le dispositif convertit la puissance reçue à la fréquence F2 en un signal cohérent à la fréquence Fl . La présence de la résonance optique, non seulement pour le mode laser mais aussi pour le signal de pompe, permet de réduire le seuil laser, et donc la puissance consommée, de façon significative .
[0033] L' invention concerne également un système d'addition et de soustraction de fréquences optiques, comprenant un dispositif de contrôle de fréquence optique selon l'un des modes de réalisation décrits ci-dessus, ainsi que des moyens de pompage optique des deux modes propres générés, le matériau d'au moins une couche du dispositif présentant des propriétés non-linéaires d'ordre 2. Ainsi, le dispositif étant pompé aux fréquences Fl et F2, et étant donné l'effet non-linéaire d'ordre 2, des signaux de fréquences F1+F2 et F2-F1 peuvent être générés. Le fort confinement en un même lieu des deux modes optiques permet de renforcer l'efficacité de conversion. [0034] L'invention concerne enfin un procédé de fabrication d'un dispositif de contrôle de fréquence optique autour d'une fréquence centrale de travail (FO), comprenant successivement :
- l'adjonction d'une couche partiellement réfléchissante et d'un milieu sur un substrat,
l'adjonction de la première partie d'une hétérostructure constituant une membrane formée par un ensemble de couches dont au moins une est constituée en au moins une portion d'un matériau présentant des propriétés optiques non-linéaires,
la structuration d' au moins une couche de ladite première partie sous la forme d'un cristal photonique,
l'adjonction de la deuxième partie de ladite hétérostructure de sorte qu'elle présente un mode de résonance optique à la longueur d' onde correspondant à la fréquence centrale de travail, et
l'adjonction d'un milieu et d'une couche partiellement réfléchissante sur ladite deuxième partie de sorte que les couches partiellement réfléchissantes soient séparées d'une distance proportionnelle à la moitié de ladite longueur d'onde.
[0035] On réalise ainsi un dispositif de contrôle de fréquence optique autour d'une fréquence centrale de travail, présentant les avantages du dispositif objet de la présente invention. Entre autres, le dispositif obtenu par ce procédé de fabrication présente l'avantage d'être compact, de coupler très fortement et de manière non-linéaire les deux fréquences optiques propres générées, ainsi que de permettre un paramétrage de ce couplage, assurant un contrôle continu des deux fréquences.
[0036] Selon un mode particulier de réalisation, l'adjonction d'une partie de 1 ' hétérostructure consiste en une première étape de dépôt d'un ensemble formé par ladite partie de 1 ' hétérostructure et un substrat et une deuxième étape de retrait du substrat de l'ensemble. [0037] En vue de réaliser des applications d' accordabilité de fréquence optique, le procédé comporte une étape postérieure de constitution de moyens de déplacement l'un parmi la membrane CP et au moins une couche partiellement réfléchissante.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0038] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent :
- la figure 1, un schéma représentant une vue de coupe du dispositif de contrôle de fréquence optique selon un premier mode de réalisation de l'invention,
la figure 2, des schémas représentant une couche structurée de la membrane,
- la figure 3, un schéma représentant une vue de coupe du dispositif de contrôle de fréquence optique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention comportant des moyens de pompage optique,
la figure 4, un schéma représentant une vue de coupe du dispositif de contrôle de fréquence optique selon un troisième mode de réalisation de l'invention comportant des moyens de déplacement de certains éléments, et
la figure 5, un schéma représentant les étapes successives du procédé de fabrication d'un dispositif de contrôle de fréquence optique selon un mode particulier de réalisation de l'invention.
[0039] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION
[0040] On comprendra dans le présent brevet qu'un mode optique résonant correspond à un état dans lequel se trouvent les photons à une longueur d' onde donnée dans une structure donnée. Ces modes peuvent être remplis avec des photons, soit en injectant de la lumière, soit en utilisant un matériau émetteur au sein de la structure.
[0041] En référence à la figure 1, un dispositif de contrôle de fréquence optique 1 selon un premier mode de réalisation de l'invention comprend deux éléments résonants couplés : une cavité verticale 2 et une membrane 6 à cristal photonique. Ce dispositif associe ces deux éléments 2 et 6, qui sont susceptibles d'agir individuellement comme des résonateurs optiques. Il travaille autour d'une fréquence centrale de travail FO, à laquelle correspond une longueur d'onde de travail λθ, en générant deux fréquences optiques propres dont les valeurs sont situées de façon symétrique de part et d' autre de la fréquence optique centrale FO .
[0042] La cavité verticale 2 est une cavité de type Fabry-Pérot. Elle comporte deux miroirs de Bragg 3a et 3b. Ces miroirs sont parallèles et constituent des parois partiellement réfléchissantes dont les coefficients de réflexion sont supérieurs à 95 %. Ils sont constitués en une succession de couches de haut indice (silicium - Si) et de couches de bas indice (dioxyde de silicium - Si02) . Entre ces deux parois, la cavité 2 comporte un milieu 4, constitué par exemple en dioxyde de silicium (Si02) .
[0043] L'épaisseur optique de cette cavité, c'est-à- dire la distance entre les deux miroirs 3a et 3b, est égale à la moitié de la longueur d'onde centrale de travail λθ multipliée par un entier naturel. Eclairée par une lumière incidente 10, à partir de laquelle sont générées une lumière réfléchie 11 et une lumière transmise 12, la cavité 2 est alors apte à rayonner des photons, préalablement confinés en son sein, selon différents modes de résonance optique. Le facteur de qualité de cette cavité 2 est élevé, de l'ordre de 10.000.
[0044] La membrane 6 comporte un ensemble de couches 7a, 7b et 8 constituant un cristal photonique, constitué par exemple en silicium (Si) dans le cas d'un dispositif « passif » ou d'une hétérostructure à base de semiconducteur III-V (GaAs ou InP par exemple) intégrant des puits quantiques (InGaAs par exemple) ou de plans de boîtes quantiques (InAs par exemple) . Le cristal photonique est structuré de façon à présenter une résonance optique à la même longueur d'onde λθ que celle pour laquelle la cavité 2 résonne. Le mode de résonance optique issu du cristal est un mode lent, dit « de Bloch », du cristal.
[ 0045] Comme représenté en figure 2, les couches formant le cristal photonique de la membrane sont structurées dans leurs épaisseurs. En l'espèce, la couche 7a est structurée suivant un maillage périodique à deux dimensions, comprenant un ensemble d'éléments de structuration 9. Conformément à la figure 1, toutes les couches de la membrane 6, à savoir les couches 7a, 7b et 8, sont structurées de façon identique les unes par rapport aux autres et de façon identique au maillage de la figure 2. Pour atteindre la résonance à la longueur d'onde centrale de travail λθ, la structuration de la membrane 6 est paramétrée par la forme, la dimension et la position relative des différents éléments de structuration 9 la constituant. Le facteur de qualité du cristal photonique est également ajusté par sa géométrie.
[ 0046] Ainsi constitué par ce maillage, le cristal photonique de la membrane 6 assure un confinement latéral des photons guidés dans la membrane.
[ 0047 ] Cette membrane 6 est intégrée à l'intérieur de la cavité 2, c'est-à-dire entre les deux miroirs 3a et 3b, de manière parallèle à ces derniers. Le cristal photonique permet alors, en plus du confinement latéral, un couplage diffractif avec les photons rayonnés et confinés verticalement par la cavité 2. De préférence, cette membrane 6 est agencée par rapport à la cavité 2 de sorte à atteindre le maximum du champ du mode optique de cette cavité.
[ 0048 ] Du fait de leur association et de leurs configurations respectives, la cavité 2 et la membrane 6 présentent des modes de résonance optique qui se superposent spatialement et qui résonnent spectralement . Le régime de couplage fort entre leurs modes optiques participe à la naissance de deux modes propres, dits « hybrides », de fréquences optiques Fl et F2, dont les valeurs sont situées de façon symétrique et de part et d' autre de la valeur de la fréquence centrale de travail FO . Ces modes présentent à la fois un caractère guidé et un caractère rayonné.
[0049] L'homme du métier notera ici que la différence entre les valeurs de Fl et de F2 est directement proportionnelle à la force du couplage. Il est ainsi possible de contrôler ces deux valeurs par un paramétrage adéquat du couplage entre les modes de résonance optique respectifs de la cavité 2 et de la membrane 6.
[0050] Parmi l'ensemble des couches 7a, 7b et 8 constituant le cristal photonique de la membrane 6, n'importe laquelle peut être constituée d'un matériau présentant des propriétés optiques non-linéaires, ce qui n'exclue pas que plusieurs d'entrés elles le soient.
[0051] La couche comportant ce matériau aux propriétés optiques non-linéaires est intégrée dans la membrane 6. Il est entendu que l'homme du métier pourra disposer cette couche autrement au sein de la membrane. En particulier, il pourra former l'ensemble des couches de la membrane de matériau aux propriétés optiques non-linéaires ou n'en former qu'une portion d'une seule couche. Selon différentes variantes, ce matériau aux propriétés optiques non-linéaires se présente sous la forme d'un puits ou d'une distribution de boîtes quantiques d'un semi-conducteur.
[0052] L'adjonction de ce matériau non-linéaire permet de créer une très forte interaction non-linéaire entre les deux fréquences optiques Fl et F2. Cet avantage est procuré grâce au confinement spatial et spectral des modes optiques (facteur de qualité élevé, faible volume) et au fort recouvrement spatial des deux modes. [0053] Les premiers exemples de mise en œuvre du dispositif décrit ci-dessus pour la réalisation d'un système de conversion, d'addition ou de soustraction de fréquences, sont illustrés par la figure 3. Dans ces exemples, chaque système comporte un dispositif 1 selon l'invention et des moyens 15 de pompage optique.
[0054] Selon un premier exemple, le milieu 4 compris entre les deux parois 3a et 3b de la cavité 2 est un milieu actif en régime d'absorbant saturable, situé plus précisément dans la membrane 6. La structure bi-mode formant le cristal photonique permet alors le transfert du signal porté par une porteuse optique incidente de fréquence Fl (fréquence de l'un des deux modes propres générés par le dispositif 1) vers une autre porteuse de fréquence F2 (fréquence de l'autre mode propre) . Pour cela, les moyens 15 de pompage optique sont agencés de sorte à ne réaliser le pompage que du mode propre correspond à la fréquence optique F2. Une information optique transportée à la fréquence Fl atteint le dispositif (signal « information ») . En même temps, celui-ci reçoit le signal périodique transporté à la fréquence F2, dont la fréquence de modulation est identique à celle de l'information portée par Fl (signal « pompe ») . Le milieu actif est capable d'absorber aux deux fréquences Fl et F2. La puissance portée par la pompe ne permet pas d'assurer la saturation de l'absorption, tandis que les puissances conjuguées de l'information et de la pompe saturent l'absorption. On transfère ainsi l'information de la porteuse Fl à la porteuse F2.
[0055] Selon un deuxième exemple de réalisation, le milieu 4 compris entre les deux parois 3a et 3b de la cavité 2 est un milieu à effet laser. Le dispositif 1 reçoit des informations optiques transportées respectivement aux fréquences Fl et F2, dont les fréquences de modulation sont identiques. Le milieu actif est capable d'absorber aux deux fréquences Fl et F2. Les moyens 15 de pompage optique sont agencés de sorte à ce que seule la puissance à la fréquence F2 permette d'assurer la saturation de l'absorption. Lorsque le seuil laser est atteint, la structure convertit la puissance reçue à la fréquence F2 en un signal cohérent à la fréquence Fl .
[0056] Selon un troisième exemple de réalisation, les propriétés optiques non-linéaires du matériau constituant la couche du cristal photonique de la membrane 6 sont d'ordre 2. Le dispositif 1 reçoit des informations optiques transportées respectivement aux fréquences Fl et F2, dont les fréquences de modulation sont identiques. Le milieu actif est capable d'absorber aux deux fréquences Fl et F2. Les moyens 15 de pompage optique sont agencés de sorte que la puissance à la fréquence Fl ou la puissance à la fréquence F2 permette indifféremment d'assurer la saturation de l'absorption. Dès lors, des signaux de fréquences F1+F2 et F2-F1 peuvent être générés. Le fort confinement en un même lieu des deux modes propres de résonance optique aux fréquences Fl et F2 permet le renforcement de l'efficacité de la conversion des fréquences optiques.
[0057] Des exemples de mise en œuvre de l'invention pour 1 ' accordabilité de longueur d'onde sont illustrés par la figure 4. Le dispositif comporte à cet effet des moyens 16 de déplacement vertical de la membrane 6 et des moyens 17 de déplacement vertical relatif de la paroi 3a de la cavité 2 par rapport la paroi 3b. Ces moyens 16 et 17 peuvent être électromécaniques.
[0058] Les moyens 16 permettent de contrôler la position relative de la membrane par rapport aux parois 3a et 3b de la cavité. Ce déplacement permet de modifier le recouvrement spatial des deux modes couplés de résonance optique, de fréquences Fl et F2, et donc de moduler leur force de couplage. Il en résulte une modification de l'écart spectral entre ces deux fréquences optiques.
[0059] Les moyens 17 permettent de contrôler l'épaisseur optique de la cavité 2. Le contrôle de cette épaisseur permet de modifier la valeur de la fréquence centrale de travail FO à partir de laquelle sont générés les modes optiques aux fréquences Fl et F2. Il en résulte alors un décalage commun des valeurs de ces deux fréquences optiques .
[0060] On réalise donc ainsi 1 ' accordabilité en longueur d'onde du dispositif, en fonction de la position de la membrane 6 dans la cavité 2 ainsi que de l'épaisseur optique de cette cavité. On peut donc accorder à la fois les valeurs de ces deux fréquences propres et leur écart spectral.
[0061] On décrit maintenant un mode de réalisation du procédé de fabrication d'un dispositif selon l'invention, en référence à la figure 5.
[0062] A partir d'un substrat 20 en silicium (étape I), il est procédé au dépôt du premier miroir de Bragg 3a, constitué d'une succession de couches en silicium et en dioxyde de silicium, puis de la première partie 4a du milieu 4, en dioxyde de silicium, de la cavité (étape II) .
[0063] Il est ensuite procédé à l'adjonction de la première partie d'une hétérostructure constituant la membrane 6. Parmi l'ensemble des couches formant cette membrane, la couche est constituée en un matériau présentant des propriétés optiques non-linéaires (puits ou plan de boîtes quantiques d'un semi-conducteur).. Pour opérer cette adjonction, la membrane 6 est préalablement réalisée sur un substrat 22 après avoir déposé une couche d'arrêt 21. L'ensemble est alors reporté par une technique de collage sur le milieu 4a (étape III) . Ce substrat 22 est constitué par exemple de phosphure d' indium (InP) et la couche d'arrêt 21 en arsénide d' indium-gallium (InGaAs) . Après report, le substrat 22 et la couche d'arrêt 21 sont retirés (étape IV) de manière sélective pour ne laisser plus que la membrane 6 contre le milieu 4a.
[0064] La membrane est ensuite structurée sous la forme d'un cristal photonique (étape VI) . La structuration est opérée de manière à ce que la membrane 6 à cristal photonique présente un mode de résonance optique à la longueur d'onde centrale de travail λθ .
[0065] Enfin, il est procédé à l'adjonction de la deuxième partie 4b du milieu 4 et du deuxième miroir de Bragg 3b sur la membrane 6. Cela se réalise de façon analogue à l'étape II, à savoir le dépôt d'un ensemble formé par la deuxième partie 4b du milieu 4, le deuxième miroir de Bragg 3b. Cette adjonction est opérée de sorte que les miroirs 3a et 3b soient séparés d'une distance proportionnelle à la moitié de la longueur d'onde centrale de travail λθ . On aboutit ainsi au dispositif de contrôle de fréquences optiques Fl et F2 selon l'invention, autour d'une fréquence optique centrale de travail FO .
[0066] Dans ce procédé, il peut être prévu que l'ensemble de la membrane 6 soit gravée en même temps, c'est- à-dire que des trous sont pratiqués en même temps dans les couches 7a, 7b et 8.
[0067] Selon des variantes de ce procédé de fabrication, 1 ' accordabilité électro-mécanique peut être obtenue par le biais de gravures sélectives de tout ou partie de la couche 4 et permettant de rendre ainsi « mobiles » soit le réflecteur 3 soit la membrane 6. Par ailleurs, il peut être prévu une étape postérieure de constitution de moyens de déplacement l'un parmi 1 ' hétérostructure formant la membrane 6 et au moins un miroir de Bragg. Les moyens de déplacement 16 et 17 (figures 3 et 4) sont alors adjoints de façon adéquate au dispositif issu du procédé de fabrication objet de l'invention.
[0068] Un dispositif de contrôle de fréquence optique selon l'invention peut être utilisé dans de nombreuses applications, en particulier pour la conversion de longueur d'onde dans le domaine des télécommunications. D'autres applications sont envisageables, comme la spectroscopie chimique dans le domaine térahertz, qui correspond à des énergies de phonons ou de rotation de molécules.
[0069] Une autre application est la spectrscopie « pompe-sonde », lors de laquelle deux signaux lasers consécutifs de fréquences proches sont envoyés sur un échantillon. Le premier laser constitue la pompe (et modifiant les propriétés du milieu) et le deuxième laser la sonde (sondant les propriétés du milieu) . En l'espèce, les deux signaux lasers sont issus du même dispositif faisant l'objet de l'invention.
[0070] Les modes de réalisation précédemment décrits de la présente invention sont donnés à titre d'exemples et ne sont nullement limitatifs. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de contrôle de fréquence optique (F1,F2) autour d'une fréquence centrale de travail (FO), comprenant une cavité verticale (2) formée de deux parois
(3a, 3b) parallèles et partiellement réfléchissantes, et d'une membrane (6) comportant au moins une couche (7a, 7b) structurée sous la forme d'un cristal photonique, lesdites deux parois (3a, 3b) étant séparées d'une distance optique sensiblement proportionnelle à la moitié de la longueur d'onde (λθ) correspondant à la fréquence centrale de travail (FO), ladite membrane (6) étant intégrée entre les parois (3a, 3b) de la cavité (2) et agencée pour présenter un mode de résonance optique à ladite longueur d'onde centrale de travail (λθ), et au moins une couche (8) du dispositif étant constituée en au moins une portion d'un matériau présentant des propriétés optiques non-linéaires, caractérisé en ce que les deux parois et la membranes sont agencées pour que le dispositif présente deux modes optiques résonants par couplage fort des modes optiques correspondant à la cavité et au cristal photonique.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le matériau présentant des propriétés optiques non-linéaires est disposé au niveau d'un maximum de la distribution verticale de l'intensité électromagnétique d'au moins l'un des modes résonants générés par le dispositif .
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les parois (3a, 3b) de la cavité (2) sont planes et présentent des coefficients de réflexion élevés.
4. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel les parois (3a, 3b) de la cavité (2) sont constituées de miroirs de Bragg.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la cavité (2) présente des dimensions de l'ordre de la longueur d'onde de travail . (λθ ) .
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la cavité (2) présente un facteur de qualité plus élevé que celui du cristal photonique de la membrane (6) .
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la structuration d'au moins une couche
(7a) du cristal photonique de la membrane (6) se présente sous la forme d'un maillage (9) sur une dimension.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la structuration d'au moins une couche (7a) du cristal photonique de la membrane (6) se présente sous la forme d'un maillage (9) sur deux dimensions.
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau présentant des propriétés optiques non-linéaires est formé par l'un parmi un puits quantique et une distribution de boîtes quantiques de semi-conducteur.
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant des moyens (16) de déplacement vertical de la membrane (6) .
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant des moyens (17) de déplacement vertical relatif d'une paroi (3a) de la cavité (2) par rapport à l'autre (3b) .
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins l'un des moyens (16,17) de déplacement est de nature électromécanique.
13. Système de conversion de fréquence optique (F1,F2), comprenant un dispositif de contrôle de fréquence optique (F1,F2) selon l'une des revendications 1 à 12, ainsi que des moyens (15) de pompage optique d'un seul des deux modes propres générés.
14. Système selon la revendication 13, dans lequel le milieu (4) compris entre les deux parois (3a, 3b) de la cavité (2) est un milieu actif en régime d'absorbant saturable .
15. Système selon la revendication précédente, dans lequel le milieu (4) et les moyens (15) de pompage optique sont déterminés de sorte qu'un seul mode propre ne sature l'absorbant tandis que la superposition des deux modes propres le sature.
16. Système selon la revendication 13, dans lequel le milieu (4) compris entre les deux parois (3a, 3b) de la cavité (2) est un milieu présentant un gain optique.
17. Système d'addition et de soustraction de fréquences optiques (F1,F2), comprenant un dispositif de contrôle de fréquence optique (F1,F2) selon l'une des revendications 1 à 12, ainsi que des moyens (15) de pompage optique des deux modes propres générés, le matériau présentant des propriétés non-linéaires d'au moins une couche du dispositif présentant des propriétés non-linéaires d'ordre 2.
18. Procédé de fabrication d'un dispositif de contrôle de fréquence optique (F1,F2) autour d'une fréquence centrale de travail (F0), caractérisé en ce qu' il comprend successivement :
l'adjonction (II) d'une couche (3a) partiellement réfléchissante et d'un milieu (4a) sur un substrat (20),
- l'adjonction (III, IV) de la première partie (7a, 8) d'une hétérostructure (6) constituant une membrane formée par un ensemble de couches (7a, 8) dont au moins une (8) est constituée en au moins une portion d'un matériau présentant des propriétés optiques non-linéaires, la structuration (V) d' au moins une couche (7a, 8) de ladite première partie (7a, 8) sous la forme d'un cristal photonique,
l'adjonction (VI) de la deuxième partie (7b) de ladite hétérostructure (6) de sorte qu'elle présente un mode de résonance optique à la longueur d'onde (λθ) correspondant à la fréquence centrale de travail (FO), et
l'adjonction (VII, VIII) d'un milieu (4b) et d'une couche (3b) partiellement réfléchissante sur ladite deuxième partie (7b) de sorte que les couches (3a, 3b) partiellement réfléchissantes soient séparées d'une distance optique sensiblement proportionnelle à la moitié de ladite longueur d' onde (λθ) .
19. Procédé de fabrication selon la revendication 18, dans lequel l'adjonction (III, IV) d'une partie de 1 ' hétérostructure (6) consiste en une première étape (III) de dépôt d'un ensemble formé par ladite partie de 1 ' hétérostructure (6) et un substrat (21,22) et une deuxième étape (IV) de retrait du substrat (21,22) de 1 ' ensemble .
20. Procédé de fabrication selon la revendication 18 ou 19, comportant une étape postérieure de constitution de moyens (16,17) de déplacement l'un parmi 1 ' hétérostructure (6) et au moins une couche (3a) partiellement réfléchissante.
EP10754357A 2009-07-30 2010-07-26 Dispositif de controle de frequence optique, procede de fabrication d'un tel dispositif Withdrawn EP2460052A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0903758A FR2948777B1 (fr) 2009-07-30 2009-07-30 Dispositif de controle de frequence optique, procede de fabrication d'un tel dispositif
PCT/FR2010/051578 WO2011020961A1 (fr) 2009-07-30 2010-07-26 Dispositif de controle de frequence optique, procede de fabrication d'un tel dispositif

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2460052A1 true EP2460052A1 (fr) 2012-06-06

Family

ID=42144995

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP10754357A Withdrawn EP2460052A1 (fr) 2009-07-30 2010-07-26 Dispositif de controle de frequence optique, procede de fabrication d'un tel dispositif

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8885247B2 (fr)
EP (1) EP2460052A1 (fr)
FR (1) FR2948777B1 (fr)
WO (1) WO2011020961A1 (fr)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150033079A (ko) * 2013-09-23 2015-04-01 한국전자통신연구원 메타물질 구조물
JP6440138B2 (ja) 2014-02-28 2018-12-19 国立大学法人京都大学 レーザ装置
US9524881B2 (en) * 2015-04-30 2016-12-20 Texas Instruments Incorporated Method for fabricating specific termination angles in titanium tungsten layers
NO348540B1 (en) * 2015-10-05 2025-03-03 Sintef Tto As Infrared source
US10191454B2 (en) * 2016-06-13 2019-01-29 William Marsh Rice University Methods and related systems of ultra-short pulse detection
CN110568525B (zh) * 2019-08-08 2020-08-25 武汉大学 基于微纳起偏器及f-p腔结构的彩色纳米印刷器件
WO2022249360A1 (fr) * 2021-05-26 2022-12-01 ソニーグループ株式会社 Élément laser et dispositif électronique
US20240235157A1 (en) * 2021-05-26 2024-07-11 Sony Group Corporation Laser element and electronic device
JP2023054990A (ja) * 2021-10-05 2023-04-17 国立大学法人京都大学 面発光レーザ素子

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10284806A (ja) * 1997-04-10 1998-10-23 Canon Inc フォトニックバンド構造を有する垂直共振器レーザ
US6711200B1 (en) * 1999-09-07 2004-03-23 California Institute Of Technology Tuneable photonic crystal lasers and a method of fabricating the same
GB2366666B (en) * 2000-09-11 2002-12-04 Toshiba Res Europ Ltd An optical device and method for its manufacture
US6466709B1 (en) * 2001-05-02 2002-10-15 California Institute Of Technology Photonic crystal microcavities for strong coupling between an atom and the cavity field and method of fabricating the same
JP2005535141A (ja) * 2002-07-30 2005-11-17 独立行政法人科学技術振興機構 高屈折率材料内で電界が最大の半波長マイクロポスト・マイクロキャビティ
JP4027392B2 (ja) * 2005-04-28 2007-12-26 キヤノン株式会社 垂直共振器型面発光レーザ装置
CN100349340C (zh) 2005-07-15 2007-11-14 中国科学院半导体研究所 2.5维光子晶体面发射激光器
US7778296B1 (en) * 2006-05-12 2010-08-17 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Optical microcavity emitter arrangements and methods therefor

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None *
See also references of WO2011020961A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2011020961A1 (fr) 2011-02-24
US20120170109A1 (en) 2012-07-05
FR2948777B1 (fr) 2011-12-02
FR2948777A1 (fr) 2011-02-04
US8885247B2 (en) 2014-11-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2460052A1 (fr) Dispositif de controle de frequence optique, procede de fabrication d'un tel dispositif
EP0575227B1 (fr) Procédé et dispositif de modulation et d'amplification de faisceaux lumineux
EP2676166B1 (fr) Modulateur terahertz
FR2811139A1 (fr) Dispositif optoelectronique a filtrage de longueur d'onde integre
FR2751796A1 (fr) Microlaser soilde, a pompage optique par laser semi-conducteur a cavite verticale
EP0432009A1 (fr) Source optique miniature, et procédé de réalisation
EP0460978B1 (fr) Laser de puissance à miroir actif
EP2291711B1 (fr) Dispositif optique de conversion de longueur d'onde, et source de lumiere coherente utilisant un tel dispositif
FR2893184A1 (fr) Structure optique de localisation d'un champ electro-magnetique et dispositif detecteurs ou emetteurs comprenant une telle structure
EP3469668B1 (fr) Module d'affinement spectral, dispositif à raie spectrale affinée et procédé afférent
EP1306941A1 (fr) Cavité optique résonante sur une plage continue de fréquence
EP1896896B1 (fr) Micro-oscillateur paramétrique optique à cavités couplées
EP3948409B1 (fr) Modulateur ultra-rapide de l'amplitude d'un rayonnement laser
WO2012101367A1 (fr) Cavite laser bifrequences accordable et procede de reglage de la difference de frequence entre une onde ordinaire et une onde extraordinaire d'un laser bifrequences
EP1745531B1 (fr) Emetteur de rayonnement avec faisceau de pompage incline
EP4627684A1 (fr) Dispositif à émission de surface, système optique et procédé associé
FR3020188A1 (fr) Source laser
Chung et al. Broadband subwavelength grating mirror and its application to vertical-cavity surface-emitting laser
EP0736791A1 (fr) Dispositif photoréfractif à puits quantiques
FR2785099A1 (fr) Laser a l'etat solide, notamment microlaser, capable d'emettre des impulsions longues
WO2004017477A1 (fr) Laser largement accordable sur cristal photonique
WO2002099941A1 (fr) Laser amplificateur accordable a cavite verticale
FR2717631A1 (fr) Source laser accordable.
FR2817630A1 (fr) Dispositif d'emission d'onde lumineuse dans la gamme du teraherz

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20120124

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK SM TR

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: SEASSAL, CHRISTIAN

Inventor name: LECLERCQ, JEAN-LOUIS

Inventor name: VIKTOROVITCH, PIERRE

Inventor name: LETARTRE, XAVIER

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20180215

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20181116

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: SEASSAL, CHRISTIAN

Inventor name: LECLERCQ, JEAN-LOUIS

Inventor name: LETARTRE, XAVIER

Inventor name: VIKTOROVITCH, PIERRE

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20190327