Nanodiodes laser hybrides InP sur Silicium injectées électriquement

par Guillaume Crosnier

Thèse de doctorat en Matière condensée et interfaces

Sous la direction de Rama Raj et de Frédéric Bœuf.


  • Résumé

    Face au défi que représente l'interconnect bottleneck, l'industrie microélectronique se doit de mettre en place une nouvelle technologie pour le transfert de données aux échelles inter- et intra-puces. Sur la base des performances démontrées pour les grandes distances de propagation, les interconnexions optiques constituent aujourd'hui la solution la plus étudiée pour résoudre ce défi. Si le transport de l'information au travers d'interconnexions optiques peut profiter de la technologie développée autour des guides d'onde SOI, les fonctionnalités actives n'ont pas encore atteint le même niveau de maturité. Un des points critiques restant à développer est la source laser qui doit répondre à des critères de faible seuil, d'efficacité énergétique, de taille réduite et de bande passante élevée. Au cours de cette thèse, nous avons proposé un nouveau design de nanolaser hybride InP sur SOI reposant sur une cavité rib à cristaux photoniques 1D. Cette nouvelle architecture permet d'injecter efficacement du courant électrique dans des cavités optiques de grands facteurs de qualité couplées à une circuiterie de guides d'onde en silicium. Dans ce travail, nous nous sommes d'abord intéressés à la conception des nanodiodes lasers en mettant en place les simulations électriques et optiques nécessaires. Ceci nous a permis de déterminer un design résolvant le problème du pompage électrique, jalon incontournable pour l'utilisation de tels dispositifs. Nous avons développé la technologie nécessaire à leur fabrication en s'imposant comme contrainte l'utilisation de procédés compatibles avec la technologie CMOS en matière de température. Ces études et ces développements ont abouti à la première démonstration de nanolasers pompés électriquement intégrés sur des guides d'ondes en silicium. Ces lasers émettent autour de 1. 55um et ont pu être opérés en régime continu avec des seuils de l'ordre de 100 uA à 1 V de tension.


  • Résumé

    Confronted with the challenge of the interconnect bottleneck, microelectronics industry must develop a new technology for data transfer over inter- and infra-chip distances. Based on the demonstrated performance for long distances, optical interconnects are right now the most studied solution to take up to this challenge. If data transfer through optical interconnects can benefit from the developed technologies for silicon photonics, active components are still lacking maturity. One of the critical points that needs to be addressed is the development of an ultrasmall, low-power, energy-efficient laser source with high bandwidth. During this PhD, we proposed a new design of hybrid InP on SOI nanolaser relying on a 1D rib Photonic Crystal (PhC) cavity. This new architecture allows us to efficiently inject electrical current in high quality factors optical cavities coupled to silicon waveguides circuitry. In this work, we first looked at the conception of nanolasers by carrying out the required electrical and optical simulations. This allowed us to define a design solving the problem of electrical injection, a necessary step for the use of that kind of components. We also developed the technology needed for their fabrication by limiting us to processes that are CMOS-compatible in terms of temperature. These developments led to the first demonstration of electrically-pumped nanolasers fully integrated on silicon waveguides. Those nanolasers emitting around 1. 55um were operated in continuous regime with threshold values of 100 uA at a voltage of 1 V.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (176 p.)
  • Annexes : 87 réf. Annexes

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  • Cote : TS (2015) 144
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