Étude et réalisation de structures hybrides actives/passives en optique intégrée sur verre

Study and realization of active/passive hybrid structures on glass integrated optics

• Auteur / Autrice : Florent Gardillou
• Direction : Jean-Emmanuel Broquin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Résumé

Les avancées majeures des télécommunications optiques ont nécessité l'élaboration de circuits intégrés optiques (ClOs) pour émettre, recevoir, traiter et distribuer l'information. Historiquement, de nombreuses technologies de ClOs ont été développées en parallèle. Cependant, dans le but de réduire les dimensions et les coûts des futurs ClOs, il est nécessaire de pouvoir intégrer plusieurs fonctions élémentaires sur un même substrat Pour cela, nous avons étudié la possibilité de réaliser des structures hybrides sur verre composées d'une couche mince guidante de matériau actif ou passif reporté sur un guide d'ondes de surface réalisé par échange d'ions. Nous nous sommes particulièrement intéressés à la réalisation d'un amplificateur. Optique hybride grâce à la mise au point d'une technique de collage par adhésion moléculaire d'un verre silicate contenant des guides d'ondes. Et d'un verre phosphate codopé Er3+/Yb3+. Pour cela, nous avons développé un procédé d'échange d'ions T1+/K+ laissant la surface du verre intacte, un procédé de collage à basse température ainsi qu'une technique d'amincissement permettant de réduire l'épaisseur du verre actif à moins de 10μm. Un amplificateur hybride a été réalisé et un coefficient de gain de 3,66 dB/cm a été obtenu, ce qui est comparable aux meilleures performances publiées pour des amplificateurs classiques réalisés par échange d'ions. Un gain net positif a même été démontré dans un autre amplificateur hybride réalisé par un échange d'ions Ag+/Na+ et aminci par rodage/polissage. La réalisation d'autres fonctions en configuration hybride (encapsulation d'un réseau de Bragg, isolateur optique) a ensuite été étudiée.

The need of optical fiber telecommunication systems has been the driving force for the tremendous development of integrated optical circuits (IOCs) with a vast number of technologies which are up to now incompatible. However, the integration of elementary functionson a single wafer seems to be required to reduce the dimension and the cost for future complex IOCs. Ln this perspective, we propose in this report the realization of hybrid structures on glass. These latter consist of a passive or active thin guiding layer on a glass wafer containing an ion-exchanged channel waveguide. This work has mainly been devoted to the study and the realization of an hybrid optical amplifier by wafer bonding and ion-exchange techniques. First, a T1+/K+ ion-exchange process has been developed in a passive silicate glass with the aim of keeping a fiat glass surface. Then, an Er3+/Yb3+ codoped phosphate glass layer with a thickness below 10 μm has been formed by a low temperature wafer bonding process (<150°C) foIlowed by a polishing thinning procedure. The realized hybrid structure has been characterized and a promising gain coefficient of 3. 66 dB/cm has been reached which is comparable with the best published values for standard ion-exchanged optical amplifiers. This result has been improved thanks to the implementation of an Ag+/Na+ ion-exchange and a grinding/polishing process and net gain operation has been demonstrated. Other hybrid structures have also been studied : a glass surface- and polarization-insensitive embedded Bragg filter and an hybrid optical isolator. Finally, the necessary future works for the integration of aIl hybrid structures on a single wafer have been described.