Diodes lasers hybrides pour les communications cohérentes avancées dans les datacenters

Hybrid semiconductor lasers for advanced coherent formats in datacenter interconnects

• Auteur / Autrice : Théo Verolet
• Direction : Abderrahim Ramdane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 03/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - III-V Lab
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Béatrice Dagens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Gallion, Christophe Peucheret, Joël Jacquet, Alexandre Shen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Gallion, Christophe Peucheret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit de phase

Photonique

Systèmes de communication à laser

Diodes laser

Mots clés libres

Diode laser

Transmission cohérente

Circuit photonique

Bruit de phase

Peigne de fréquence

Laser diode

Coherent transmission

Photonic integrated circuit

Phase noise

Frequency comb

Résumé

Alors que le trafic de donnée intra-datacenter augmente exponentiellement, de nouvelles générations de transpondeurs optiques sont étudiées. Ces transpondeurs doivent délivrer un fort débit, tout en restant faible consommation. Les technologies cohérentes –sur lesquelles sont établies les liens intercontinentaux- doivent voir leur taille et bilan énergétique réduits. L’utilisation de formats cohérents avancés améliorera les performances des systèmes cohérents tout en les gardant compacts et efficaces énergétiquement. Cependant ces formats peuvent être déployés seulement si des lasers faibles bruits sont utilisés. C’est dans ce cadre que cette thèse étudie la réduction du bruit de phase de trois types de diodes lasers. Premièrement, nous étudions un nouveau type de laser à rétroaction distribué ayant une faible largeur de raie. Des simulations montrant les paramètres de conceptions optimaux de ce type de laser III-V/Si sont présentées. Dans le chapitre suivant, nous analysons les propriétés de reconfiguration rapide de lasers accordables faible bruit. Ici, nous proposons d’abord une nouvelle méthode de mesures permettant d’analyser précisément un saut de mode, ensuite nous présentons des résultats record de transmission cohérentes de paquets optiques. Dans un dernier chapitre, nous montrons que la rétroaction optique permet de stabiliser un laser à verrouillage de mode. Après avoir analysé les différents régimes de fonctionnement, nous confirmons les hautes performances de lien de communication cohérente utilisant ces lasers peigne de fréquence.

As data traffic is exponentially increasing in datacenters, new generation of mass producible optical transceivers delivering high data throughput at very low energy consumption are required. Optical coherent technology has been widely used in the past decade to support intercontinental data traffic, as it benefits from higher performance over direct modulation systems though at the cost of complexity and price. To be efficiently used in datacenters, the size and energy consumption of coherent transceivers need to be scaled down while keeping relatively high data throughput. This could be achieved using higher order coherent formats, improving the transmission link spectral efficiency. However, these advanced communication formats can only be supported by low noise lasers. This thesis hence focuses on the phase noise optimization of three types of compact laser diodes using passive/active integration suitable for datacenter interconnects. First, a novel design of III-V/Si narrow linewidth high quality factor DFB laser based on a chirped grating is thoroughly studied. Detailed numerical simulations that yield grating parameters leading to optimal performances are presented for the first time to our knowledge. In a second study, we investigate the fast switching properties of a newly designed narrow linewidth extended cavity III-V/Si laser. After detailing the laser operating principles, we propose an experimental method to precisely characterize laser switching dynamics. Record coherent slot switching experiments are then demonstrated using this new laser. In the final part, we first investigate optical feedback regimes in single section quantum dash MLL and show that coherent feedback can induce a drastic phase noise reduction of the MLL longitudinal modes. The potential use of this comb source in a DWDM coherent link is demonstrated through highly spectrally efficient transmission experiments.