Erbium-doped POlymer SIlicon on Insulator SLOw LighT Optical AmPlifier – POSISLOT
Démonstration d’un amplificateur optique intégré sur puce
Démonstration 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 silicium
La 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.<br />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.<br />
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.
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).
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).
A ce jour (septembre 2013) : 1 article en cours de rédaction.
The POSISLOT project aims at demonstrating efficient optical amplification in silicon waveguiding structures by combining two approaches: i) the use of the strong index contrast and now mature silicon photonics, ii) the use of Erbium-doped-polymers for light amplification by stimulated emission. The common bridge between these two approaches relies on the use of silicon slot optical waveguides that will be filled by doped polymers for the realization of Erbium Doped silicon Waveguide Amplifiers (EDWAs). With respect to the state-of-the-art, significant breakthroughs in terms of high gain, low pumping power, and small footprint are expected from the strong interaction of electromagnetic field with low volumes of doped-polymers. The reason for the strong interaction are two-fold: i) the use of strong index contrast silicon slot nanowaveguides, ii) the additional consideration of photonic bandgap slot waveguides to slow down optical waves and increase the local electromagnetic density.
Within the POSISLOT project, design, fabrication, and characterizations of materials, intermediate proof-of-concepts structures, and full-prototype EDWAs will be carried out. The project is divided in three tasks. The first one is related to the study of polymers for light amplification. The second one deals with fillable silicon nano-waveguides, from design to characterization of optical losses, bandwidth, and group index. The third one is devoted to the fabrication of demonstrators.
The project research consortium associates one French team from the IEF laboratory (Univ. Paris-Sud/CNRS) and two Chinese teams, from JLU and HUST Universities. The French team brings its expertise in the design, fabrication, and characterization of silicon photonic structures, but has no knowledge of doped polymers for optical amplification. The JLU team brings its knowledge of polymers, from the chemistry and optics points of views, but has no skills in silicon integrated optics. The HUST team brings its expertise in the design and characterization of optical waveguide amplifiers.
The target prototype of the project is an integrated optical amplifier with 30dB optical gain, a footprint below 500µm*500µm, with an optical pump signal at lambda=1480nm with optical power below 10mW and potentially serving to supply several hybrid silicon-polymer EDWAs. Further shrinking of the device footprint will be considered by using slow wave to enhance the light-matter interaction.
Project coordination
Eric Cassan (Institut d'Electronique Fondamentale (UMR 8622)) – eric.cassan@u-psud.fr
The author of this summary is the project coordinator, who is responsible for the content of this summary. The ANR declines any responsibility as for its contents.
Partner
PSud/IEF Institut d'Electronique Fondamentale (UMR 8622)
SKLIO State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics (JLU university/Chine)
WNLO Wuhan National Laboratory for Optoelectronics (HUST university/Chine)
Help of the ANR 205,504 euros
Beginning and duration of the scientific project:
December 2012
- 36 Months
