Modélisation, conception, fabrication, caractérisation et valorisation d'amplificateurs optiques à semiconducteur de très large bande spectrale

Design, Modeling, Fabrication, Characterization and Applications of very Wideband Semiconductor Optical Amplifiers

• Auteur / Autrice : Agnes Verdier
• Direction : Hélène Carrère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et systemes optoelectroniques
• Date : Soutenance le 04/09/2018
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPCNO- Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets - III-V Lab - Laboratoire de physique et chimie des nano-objets / LPCNO - Alcatel-Thales III-V Lab / III-V Lab
• Jury : Président / Présidente : Chantal Fontaine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Carrère, Joel Jacquet, Michael Connelly, Delphine Morini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joel Jacquet, Michael Connelly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Multiplexage en longueur d'onde

SOA

Mots clés libres

Amplificateur Optique à Semiconducteur

SOA

Large Bande Spectrale

Laser Accordable

Circuit photonique intégré

PIC

Figure de Bruit

NF

Puissance de Saturation

Forte Puissance

Confinement Optique

WDM

Semiconductor Optical Amplifiers

SOA

Wideband

Large Optical Bandwidth

Tunable Laser

Photonic Integrated Circuit

PIC

Noise Figure

NF

Saturation Output Power

High Power

Optical Confinement

Asymmetric Cladding

Wavelength Division Multiplexing

WDM

Résumé

Les réseaux de transport optique connaissent une constante évolution et requièrent des débits de plus en plus importants par fibre optique. Depuis quelques années, l’efficacité spectrale des fibres atteint un plafond, et semble proche de sa limite ultime. La meilleure manière d’augmenter les débits consisterait à étendre la largeur spectrale utilisée dans les fibres optiques. Actuellement, cette largeur est limitée à 35 nm, à cause de la bande optique restreinte des amplificateurs utilisés, les EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifiers). Dans le cadre de projets précédents la capacité des SOAs (Semiconductor Optical Amplifiers) à pouvoir un jour remplacer les EDFA en offrant une plage spectrale nettement plus étendue a été évaluée. Les résultats en ont été très prometteurs, mais nous avons identifié un certain nombre de points bloquants concernant notamment la puissance de saturation et le bruit des SOAs. Durant la thèse nous avons développé des solutions à ces blocages pour tirer le meilleur profit de l’approche SOA large-bande de puissance.La thèse a débuté par la conception des SOAs large-bande de puissance. Cette phase a consisté en campagnes de simulation matériaux au LPCNO pour comprendre et valider la structure active des amplificateurs. Des simulations optiques au III-V Lab ont également été réalisées afin d’optimiser la puissance de saturation des SOAs à travers l’utilisation d’une couche de matériau à fort indice de réfraction sous le guide. De plus différentes géométries ont été proposées pour optimiser les performances des composants. Une fois la conception terminée les composants ont été fabriqués et caractérisés au sein du III-V Lab.Les SOAs réalisées ont démontré une bande passante optique record de 120 nm en bande S+C+L avec un gain de 18.5 dB. Le champ lointain des puces est relativement circulaire avec une divergence très faible à mi-hauteur autour de 17° qui nous a permis d’améliorer les pertes de couplage et tendre vers une mise en module optimisée. Nous avons obtenu une puissance de saturation des SOAs de 23 dBm à 25°C en module. Enfin grâce aux améliorations apportées, le facteur de bruit de nos SOA atteint 4 dB en bande L.Plusieurs applications ont d’ores et déjà été testées avec ces composants à commencer par leur utilisation en télécommunication optique pour des transmissions longue distance avec d’excellents résultats. Ils ont également été intégrés dans des lasers en cavité externe avec des performances remarquables en termes d’accordabilité et de largeur de raie des lasers.Au sein du laboratoire III-V Lab, la thèse a été étroitement encadrée par Romain Brenot et Hélène Debrégeas pour les parties conception, expérimentation et valorisation. Au sein du Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets (UMR INSA-CNRS-UPS) de Toulouse, Hélène Carrère a encadré les travaux sur la partie modélisation des matériaux large bande optique.

Optical networks are constantly evolving toward higher transmission rates in optical fiber. However in the past few years optical fiber spectral efficiency seems to be reaching its upper limit. Best solution to keep increasing data rates consists then in increasing spectral bandwidth used in optical fibers, currently limited to 35 nm due to restricted bandwidth of erbium-doped fiber amplifiers (EDFAs) used for in-line amplification. Previous studies have been conducted to evaluate whether semiconductor optical amplifiers (SOAs) could replace EDFAs and offer an extended bandwidth. Promising results have been obtained but blocking points have also been identified regarding SOAs saturation output power and noise figure. During the thesis we have developed solutions to these issues to make use of SOAs a realistic option.Beginning of the thesis was dedicated to design of wideband SOAs consisting of material simulations at LPCNO to understand and optimize active structure of the amplifiers. This study was completed by optical simulations at III-V Lab in order to integrate an asymmetric cladding to the SOA for increased saturation output power and lower noise. Different chip geometries were also proposed for improved performances. These designs were fabricated and characterized at III-V Lab.Resulting SOAs have demonstrated a spectral bandwidth of 120 nm in S+C+L band with optical gain within 3 dB of 18.5dB maximal value. Chip optical far-field is quasi-circular with full-width at half maximum divergence angle as low as 17° which greatly participated in reducing coupling losses. In module, we obtained saturation output power of 23 dBm at 25°C. Improvement of noise figure is also visible as it reaches 4 dB in L-band. Several applications using our SOAs have already been tested notably as repeater in longhaul optical communications with great results. They have also been integrated to tunable external cavity lasers where their wide gain bandwidth has permitted record tuning range. These lasers also showed record narrow linewidth in the kHz range and output power of 10 dBm. At III-V Lab the thesis was supervised by Romain Brenot and Hélène Debregeas for design, characterization and valorization of the SOAs. At LPCNO (Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets) Hélène Carrère supervised wideband material modeling and simulations.