Lasers à îlots quantiques sur silicium : propriétés non-linéaires, dynamique et applications

Quantum-dot lasers on silicon : nonlinear properties, dynamics, and applications

• Auteur / Autrice : Bozhang Dong
• Direction : Frédéric Grillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et optoélectronique
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau, Essonne ; 1878-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Jaouën
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Grillot, Yves Jaouën, Alexeï Baranov, Angélique Rissons, Damien Rontani, Gaelle Lucas-Leclin, John E. Bowers, Fan-Yi Lin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alexeï Baranov, Angélique Rissons

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à semi-conducteur

Mots clés libres

Laser à îlots quantiques

Photonique sur silicium

Circuits intégrés photoniques

Dynamique non-Linéaire

Peigne de fréquences optiques

Mélange à quatre ondes

Quantum dot laser

Silicon photonics

Photonic integrated circuits

Nonlinear dynamics

Optical frequency combs

Four-wave mixing

Résumé

La photonique sur silicium est une technologie prometteuse pour les systèmes de communication à haut débit, les interconnexions optiques à courte portée et pour le déploiement des technologies quantiques. La croissance de matériaux III-V sur silicium constitue également une solution idéale pour la prochaine génération de circuits photoniques intégrés (PIC). Dans ce contexte, les lasers à îlots quantiques (QD) utilisant des atomes semi-conducteurs comme milieu de gain sont des candidats très prometteurs en raison de leur compacité, de leur grande stabilité thermique et d’une tolérance accrue aux défauts structuraux. L'objectif de cette thèse est d'étudier les propriétés non-linéaires et les dynamiques des lasers QD sur Si en vue des applications susmentionnées. La première partie se polarise sur les lasers QD directement épitaxiés sur Si en présence de contre-réaction optique (EOF). Dans le régime de cavité courte, les résultats rapportent des tolérances élevées aux réflexions parasites ce qui rend possible l’intégration de ces sources sur des PIC dépourvus d’isolateur optique. Par ailleurs, la réduction du facteur d’élargissement spectral est un déterminant fondamental permettant d'atteindre cet objectif. La deuxième partie analyse les propriétés statiques et dynamiques d'un laser QD à rétroaction optique distribuée (DFB) pour des applications sans isolateur et sans Peltier. Pour ce faire, la conception du laser intègre un désaccord entre le pic de gain et le pic d’émission DFB contrôlable par la variation de température. Par conséquent, les performances du laser sont substantiellement améliorées avec l'augmentation de la température. La troisième partie du manuscrit aborde les lasers QD sur Si pour la génération de peigne de fréquences optiques (OFC). Les techniques de contrôles externes comme la contre-réaction et l'injection optique sont utilisées pour régénérer les performances notamment le bruit de phase, la gigue temporelle et la bande passante d'émission du peigne. La dernière partie s'articule autour des non-linéarités optiques dans les lasers QD sur Si notamment sous l'angle du mélange à quatre ondes (FWM). L'étude montre que l'efficacité FWM du laser QD est supérieure de plus d'un ordre de grandeur à celle d'un laser à puits quantiques prouvant ainsi que les milieux QD sont très efficaces pour obtenir des peignes de fréquence de grande qualité et de l’auto blocage de mode. Ce travail démontre l'importance des solutions lasers QD en particulier pour les technologies photoniques intégrées sur Si.

Silicon photonics is promising for high-speed communication systems, short-reach optical interconnects, and quantum technologies. Direct epitaxial growth of III-V materials on silicon is also an ideal solution for the next generation of photonic integrated circuits (PICs). In this context, quantum-dots (QD) lasers with atom-like density of states are promising to serve as the on-chip laser sources, owing to their high thermal stability and strong tolerance for the defects that arise during the epitaxial growth. The purpose of this dissertation is to investigate the nonlinear properties and dynamics of QD lasers on Si for PIC applications. The first part of this thesis investigates the dynamics of epitaxial QD lasers on Si subject to external optical feedback (EOF). In the short-cavity regime, the QD laser exhibits strong robustness against parasitic reflections hence giving further insights for developing isolator-free PICs. In particular, a near-zero linewidth enhancement factor is crucial to achieve this goal. The second part is devoted to studying the static properties and dynamics of a single-frequency QD distributed feedback (DFB) laser for uncooled and isolator-free applications. The design of a temperature-controlled mismatch between the optical gain peak and the DFB wavelength contributes to improving the laser performance with the increase of temperature. The third part of this dissertation investigates the QD-based optical frequency comb (OFC). External control techniques including EOF and optical injection are used to optimize the noise properties, reduce the timing-jitter, and increase the frequency comb bandwidth. In the last part, an investigation of the optical nonlinearities of the QD laser on Si is carried out by the four-wave mixing (FWM) effect. This study demonstrates that the FWM efficiency of QD laser is more than one order of magnitude higher than that of a commercial quantum-well laser, which gives insights for developing self-mode-locked OFCs based on QD. All these results allow for a better understanding of the nonlinear dynamics of QD lasers and pave the way for developing high-performance classical and quantum PICs on Si.