Amplification optique et émission laser dans des nanostructures hybrides III.V/SI pompées électroniquement

Light amplification and laser emission in electrically driven hybrid III-V semiconductor on SOI nanostructures

• Auteur / Autrice : Francesco Manegatti
• Direction : Fabrice Raineri, Isabelle Sagnes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Sara Ducci
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sara Ducci, Frédéric Gardes, Olivier Gauthier-Lafaye, Ségolène Olivier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Gardes, Olivier Gauthier-Lafaye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Nanophotonique

Nanotechnologie

Mots clés libres

Nanotechnologie

Nanophotonique

Optoélectronique

Photonique-sur-silicium

Crystals-photoniques

Nanolaser-en-semiconducteur

Nanoamplificateur-optique

Nanotechnology

Nanophotonics

Optoelectronics

Silicon-photonics

Photonic-crystals

Semiconductor-nanolaser

Optical-nanoamplifier

Résumé

L'exploitation de la lumière comme véhicule de l'information au lieu des électrons est considérée comme l'une des meilleures solutions pour dépasser les limites des interconnexions électriques. Alors que des solutions photoniques ont déjà remplacé les lignes électriques pour les applications à longue distance, une alternative optique aux interconnexions métalliques à l'intérieur des circuits intégrés n'existe pas encore : en particulier, même si les guides d'ondes en silicium représentent une excellente opportunité pour transférer le signal optique dans l'ensemble de la puce, des composants nanophotoniques actifs consommant peu d'énergie et présentant des dimensions réduites, une vitesse ultra-élevée et une compatibilité avec la technologie CMOS, n'ont pas encore été commercialisés. Cette thèse vise à développer deux dispositifs fondamentaux que l'on peut trouver à l'intérieur d'un circuit photonique intégré : un nanoamplificateur optique et une source nanolaser. Leur concept repose sur un cristal photonique bidimensionnel (2D-PhC) injecté électriquement constituant une structure hybride InP sur SOI. Tout d'abord, nous avons modélisé les deux dispositifs, démontrant l'efficacité de leur schéma d'injection électrique ainsi que leur interfaçage optique avec un guide d'onde de silicium. Ensuite, nous avons développé un procédé de technologie complet, permettant de fabriquer ces structures tout en respectant les limitations imposées par l'industrie de la microélectronique. Cette tâche méticuleuse nous a permis de valider le schéma d'injection électrique et de démontrer un nanolaser à injection électrique, fonctionnant à température ambiante et présentant une puissance de seuil laser ultra-faible (environ 75 µA à 1 V) sous une polarisation électrique AC. Finalement, l'étape technologique limitante a été identifiée et discutée. Sa résolution conduira à la démonstration de ces nanolasers en régime continu.

Exploiting light as a vehicle of the information instead of electrons is thought to be one of the best solutions to go beyond the electrical interconnects limitations. While photonic solutions have already replaced electrical lines for long-distance applications, an optical alternative to the lossy metallic interconnects inside integrated circuits is still missing: particularly, even though silicon waveguides represent a great opportunity to transfer the optical signal throughout the whole chip, active nanophotonic components for low-power applications presenting small footprint, ultra-high driving speed and compatibility with the CMOS-technology, suitable for the on-chip cointegration of photonic and electronic integrated circuits, have not been commercialized yet. This PhD aimed at developing two fundamental devices we can find inside an integrated photonic circuit: an optical nanoamplifier and a nanolaser source, both relying on an electrically injected hybrid InP on SOI bidimensional Photonic Crystal (2D-PhC). Firstly, we modeled the two devices, demonstrating their efficient electrical injection scheme as well as optical interfacing with a silicon-based passive circuitry, rendering them good candidates for low-power applications. Then, we developed a full technological process flow, fabricating these structures while respecting the limitations imposed by the microelectronic industry. This meticulous task allowed us to validate the designed electrical injection scheme and to demonstrate electrically driven nanolaser, working at room temperature and presenting ultra-low laser threshold power (around 75 µA at 1 V) under an AC electrical bias. Eventually, the limiting technological step was identified and discussed. Its resolution will lead to the demonstration of these nanolasers under a DC electrical signal.