Lasers inp sur circuits silicium pour applications en telecommunications

Hybrid III-V on silicon lasers for telecommunication applications

• Auteur / Autrice : Marco Lamponi
• Direction : Laurent Vivien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/03/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016) - Institut d'électronique fondamentale
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Alcatel-Lucent
• Jury : Président / Présidente : Béatrice Dagens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Vivien, Béatrice Dagens, Lorenzo Pavesi, Pierre Viktorovitch, Guang-Hua Duan, Jean-Marc Fideli, Daniel Dolfi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lorenzo Pavesi, Pierre Viktorovitch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Télécommunications optiques

Lasers à semi-conducteur

Lasers accordables

Mots clés libres

Semiconducteurs III-V

Optique intégrée

Coupleur adiabatique

Lasers à puits quantiques

Silicium sur isolant

Laser sur silicium

Photonique du silicium

Collage

Intégration hétérogène

III-V semiconductors

Integrated optics

Adiabatic taper

Quantum well lasers

Silicon-on-insulator

Silicon laser

Silicon photonics

Bonding

Heterogeneous integration

Résumé

La photonique du silicium a connu un développent massif pendant les dix derniers années. Presque toutes les briques technologiques de base ont été réalisées et ont démontrées des performances remarquables. Cependant, le manque d’une source laser intégrée en silicium a conduit les chercheurs à développer de composants basés sur l’intégration entre le silicium et les matériaux III-V.Dans cette thèse je décris la conception, la fabrication et la caractérisation des lasers hybrides III-V sur silicium basés sur cette intégration. Je propose un coupleur adiabatique qui permet de transférer intégralement le mode optique du guide silicium au guide III-V. Le guide actif III-V au centre du composant fourni le gain optique et les coupleurs, des deux cotés, assurent le transfert de la lumière dans les guides silicium.Les lasers mono longueur d’onde sont des éléments fondamentaux des communications optiques. Je décris les différentes solutions permettant d’obtenir un laser mono-longueur d’onde hybride III-V sur silicium. Des lasers mono longueur d’onde ont été fabriqués et caractérisés. Ils démontrent un seuil de 21 mA, une puissance de sortie qui dépasse 10 mW et une accordabilité de 45 nm. Ces composants représentent la première démonstration d’un laser accordable hybride III-V sur silicium.

Silicon photonics knew an impressive development in the last ten years. Almost all the fundamental building blocks have been demonstrated and reveal competitive performances. However, the lack of an efficient silicon integrated laser source has led the researchers to develop heterogeneous integration of III-V materials on silicon.In this thesis I describe the design, the fabrication and the performances of these hybrid III-V on silicon lasers. I propose the use of an adiabatic coupler that totally transfers the optical mode between the III-V and the silicon waveguides. The active waveguide on III-V materials at the center of the device provides the optical gain, while, on both side, adiabatic couplers allow a loss-less transfer of the optical mode to the silicon waveguide. Single wavelength emitting lasers are fundamental elements for high bandwidth optical links. I review all the effective solutions enabling single waveguide hybrid III-V on SOI lasers. DBR, microring based, DFB and AWG laser solutions were analysed. Single wavelength operating lasers have been fabricated and characterized. A laser threshold of only 21 mA, an output power of more than 10 mW and tunability over 45 nm with a SMSR of 45 dB have been measured. These devices represent the first demonstration of a monolithically integrated hybrid III-V/Si tunable laser made by wafer bonding technique.