Transceivers cohérents intégrant des lasersIII-V sur silicium pour lestransmissions à 400 Gbit/s

Coherent transceivers integrating III-V on silicon lasers for 400 Gbit/s transmissions

• Auteur / Autrice : Hajar Elfaiki
• Direction : Henri Benisty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/06/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Nanophotonique - Alcatel-Thales III-V Lab / III-V Lab
• Jury : Président / Présidente : Delphine Marris-Morini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Henri Benisty, Maria-Pilar Bernal-Artajona, Yannick Dumeige, Christophe Caillaud, Daniel Dolfi, Ségolène Olivier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria-Pilar Bernal-Artajona, Yannick Dumeige

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à semi-conducteur

Télécommunications optiques

Ondes électromagnétiques

Dispositifs optoélectroniques

Nanophotonique

Mots clés libres

Circuit intégré photonique

Optique guidée hybride

Modulation en phase et quadrature

Silicium-Sur-Isolant

Sources cohérentes à modulation rapide

Télécommunication optiques

Photonic Integrated Circuit

Hybrid guided optics

In-Phase and Quadrature Modulation

Silicon-On-Insulator

High-Rate coherent sources

Optical telecommunications

Résumé

Les transmetteurs cohérents se sont imposés dans les systèmes de transmission longue distance sur fibres optiques depuis une dizaine d’année du fait de l’explosion du trafic de données. Les fibres sont aujourd’hui introduites dans les réseaux métropolitains et les connections entre data-centers. Actuellement, les recherches sont très actives pour développer des émetteurs et des récepteurs cohérents intégrés à faible coût, faible consommation électrique et petite taille, avec des annonces régulières de nouveaux records en termes de densité d’intégration et de capacité de transmission. Cette thèse s’inscrit pleinement dans ce contexte de développement de circuit photoniques intégrés dans le cadre des applications en télécommunications optiques.Le sujet de cette thèse porte particulièrement sur les transmetteurs cohérents à diversité de polarisation intégrant des matériaux III-V et des modulateurs silicium pour les applications de transmission cohérente à 400 Gb/s et au-delà. Le signal émis par un laser accordable en mode TE (Transverse Électrique) est séparé dans deux bras, puis chacun est modulé par un modulateur de phase basé sur des interféromètres Mach-Zehnder (MZ) intégrés, générant 4 symboles déphasés de 90°(IQ). Le signal modulé est amplifié par un amplificateur optique à semi-conducteurs (Semiconductor Optical Amplifier : SOA). Un rotateur de polarisation est intégré en sortie d’un des deux MZ, afin de convertir le mode TE en mode TM (Transverse Magnétique). Un combinateur de polarisation est ensuite utilisé pour obtenir le signal multiplexé en polarisation (TE + TM). Ce schéma permet de multiplier au moins par 4 le débit des transmissions. Les travaux de recherche de cette thèse sont articulés selon trois axes : 1) Réalisation de lasers largement accordables pour l’émetteur IQ ; 2) Conception et réalisation de modulateurs de phase innovants ; 3) Conception et réalisation de transmetteur cohérents complets avec émetteur et récepteur intégrés sur une même puce.

Coherent transceivers have become established in long-distance fibre-optic transmission systems over the last ten years or so due to the explosion in data traffic. Fibres are now being introduced in metropolitan networks and data centre connections. Currently, research is very active to develop coherent integrated transmitters and receivers with low cost, low power consumption and small size, with regular announcements of new records in terms of integration density and transmission capacity. This thesis is fully in line with the development of integrated photonic circuits for optical telecommunications applications.The subject of this thesis focuses on polarization diversity coherent transmitters integrating III-V materials and silicon modulators for coherent transmission applications at 400 Gb/s and beyond. The signal emitted by a TE (Transverse Electricity) mode tunable laser is separated into two arms, each one is modulated by a phase modulator based on integrated Mach-Zehnder (MZ) interferometers, generating four 90°-phase-shifted symbols (IQ). The modulated signal is amplified by a Semiconductor Optical Amplifier (SOA). A polarization rotator is integrated at the output of one of the two MZs, in order to convert the TE mode into TM (Transverse Magnetic) mode. A polarization combiner is then used to obtain the polarization multiplexed signal (TE + TM) in the same fiber. This scheme allows the transmission rate to be multiplied by at least 4. The research work of this thesis is articulated along three axes: 1) Realization of widely tunable lasers for the IQ transmitter; 2) Design and realization of innovative phase modulators; 3) Design and realization of coherent transmitters complete with transmitter and receiver integrated on the same chip.