Vers des lasers à semi-conducteurs pour le moyen infrarouge sur des circuits photoniques intégrés en silicium

Toward mid-infrared semiconductor lasers on silicon photonic integrated circuits

• Auteur / Autrice : Laura Monge bartolomé
• Direction : Eric Tournié
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Électronique
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IES - Institut d'Electronique et des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Olivier Gauthier-lafaye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Tournié, Fabrice Raineri, Enrique Calleja-pardo, Cyril Paranthoen, William Whelan-curtin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Gauthier-lafaye, Fabrice Raineri

Mots clés

Mots clés libres

Circuits photoniques

Matériaux semiconducteurs GaSb

Laser

Photonic circuits

III-Sb materials

Laser

Résumé

La gamme spectrale du moyen infra-rouge (2-20 µm) est très attractive car beaucoup de molécules y ont leurs raies d’absorption caractéristiques, et elle est donc adaptée aux applications de type capteurs. Les capteurs optiques sont sensibles et sélectifs mais reposent actuellement sur des composants discrets qui les rendent massifs et chers. La photonique silicium est une technologie pouvant permettre de résoudre ces problèmes : l’intégration de ces composants sur un circuit photonique à base de silicium permettrait d’obtenir des capteurs miniatures, robustes et bons marchés. Cependant, l’intégration de sources lasers avec la photonique silicium reste un défi. En outre, la technologie GaSb permet de couvrir toute la gamme du moyen infra-rouge. Dans ce contexte l’objectif de ma thèse était de développer des lasers GaSb monolithiquement intégrés sur une plateforme de photonique silicium. Dans ce but, j’ai tout d’abord fabriqué et étudié des diodes laser GaSb émettant à 2,3 µm épitaxiés par épitaxie par jets moléculaires (EJM) sur des substrats silicium planaires d’orientation nominale (001). J’ai étudié l’impact de diverses (en termes d’épaisseurs, de matériaux et de technique de croissance) couches tampons sur les performances des lasers. Tous les lasers ont présenté de bonnes performances : faible densité de courant de seuil et haute température de fonctionnement en régime continu. De plus, j’ai développé un procédé technologique basé sur de la gravure sèche pour fabriquer des lasers à facettes gravées en vue de leur intégration sur une plateforme photonique. Les lasers à facettes gravées présentaient des performances similaires aux lasers clivés. Enfin, j’ai étudié des lasers épitaxiés sur des substrats de silicium gravés comprenant un guide d’onde en Si3N4 confiné par des couches de SiO2. J’ai démontré la compatibilité de la croissance EJM et de la fabrication des lasers avec ce type de substrats. Les performances des diodes lasers étaient comparables à celles des lasers équivalents fabriqués sur substrats silicium planaires. L’ensemble de ces résultats représente une avancée majeure en vue d’intégrer des lasers GaSb avec des circuits photoniques.

The mid-infrared spectral range (2-20 µm) is very attractive because many molecules exhibit their fingerprint absorption lines at these wavelengths, and it is thus well suited for sensing applications. Optical sensing is a sensitive and selective technique that currently relies on discrete devices making it bulky and expensive. Silicon photonic is a potential technology to overcome these drawbacks: the integration of these discrete devices on silicon photonic circuits would lead to miniaturized, robust and cost-effective sensors. However, integrating laser sources with silicon photonics remains a challenge. On the other hand, GaSb-based lasers have emerged as a technology able to cover the mid-infrared wavelength range. Thus, the main objective of this thesis is the monolithic integration of a GaSb-based lasers on a silicon photonic platform. To this aim, I first fabricated and studied GaSb-based laser diodes emitting at 2.3 µm grown by molecular-beam epitaxy (MBE) on on-axis planar (001) silicon wafers. I studied the impact of different (in terms of thickness, materials, growth technique) buffer layers on the device performances. All sets of samples exhibited high performance: low threshold current densities and continuous wave operation at high temperatures. In addition, I developed a technological process – based on dry etching techniques – to fabricate etched-facets GaSb-based laser diodes in view of their integration on a photonic platform. Etched-facets lasers exhibited similar performance than cleaved ones. Finally, I studied lasers on PIC-like recessed Si substrates comprising a Si3N4 waveguide clad by SiO2 layers. I demonstrated the compatibility of MBE overgrowth and laser fabrication with such substrates. The laser diodes exhibited similar performance as its counterparts grown in planar silicon substrates. Altogether, these results represent a step forward toward photonic circuit integration of GaSb- based lasers.