Croissance par MBE et caractérisation de structures GaInAsP pour la réalisation de circuits intégrés photoniques à base d'amplificateurs optiques à très large bande spectrale

Molecular Beam Epitaxy Growth and characterization of GaInAsP-based Ultra-Wide Bandwidth Semiconductor Optical Amplifiers for Photonic Integrated Circuits applications.

• Auteur / Autrice : Quentin Hochart
• Direction : Hélène Carrère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectroniques
• Date : Soutenance le 28/09/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique et télécommunications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPCNO - Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets - Laboratoire de physique et chimie des nano-objets / LPCNO
• Jury : Président / Présidente : Guilhem Almuneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Noëlle Gogneau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Tournié, Nicolas Bertru

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Communication ultra large bande

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Mots clés libres

Épitaxie par jets moléculaires

GaInAsP

Amplificateur optique semi-Conducteur

Caractérisation

Ultra-Large Bande

Circuit photonique intégré

Molecular beam epitaxy

GaInAsP

Semiconductor optical amplifier

Characterization

Ultra-Large bandwidth

Photonic Integrated Circuits

Résumé

Les transferts de données par fibre optique sont en constante évolution et requièrent des débits toujours plus importants. L’efficacité spectrale des transmetteurs atteignant leur limite, il faut à présent s’orienter vers l’extension de la largeur spectrale utilisée dans les fibres. Pour les transmissions longues distances, dans la bande C+L (1530-1625 nm), pour laquelle l’absorption est minimale dans les fibres optiques, des amplificateurs à fibres dopées Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier – EDFA) sont actuellement utilisés. Cependant, leur bande passante est limitée à 40 nm. Les amplificateurs optiques à semiconducteur (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) et « Reflective » SOA (RSOA) sont de sérieux candidats pour les remplacer, avec des larges bandes optiques pouvant atteindre 100 nm. Durant cette thèse, nous avons conçu et réalisé des SOA et RSOA très large bande montrant des performances supérieures ou égales à l’état de l’art en bande C+L. Pour les transmissions courtes distances, en bande O (1260-1360 nm), correspondant au minimum de dispersion chromatique dans la fibre, il n’existe pas de solutions d’amplification large bande. Nous avons donc conçu et fabriqué des SOA large bande, afin d’améliorer les capacités des réseaux d’accès.Nous avons débuté la conception, en bandes C+L et O, de structures SOA très large bande par le design des structures de bande et du confinement des niveaux électroniques dans la zone active. Cette zone est faite de multi-puits quantiques (Multiple Quantum Wells – MQW) à base de GaInAsP. Nous avons ensuite conçu un super réseau de couches GaInAsP/InP à forts indices de réfraction sous la zone active (« Cladding » inférieur). Cette couche de confinement électronique et optique permet la régulation du confinement optique dans la zone active, en attirant le mode vers le bas de la structure, ce qui limite les pertes optiques. Nous avons ainsi conçu 4 structures en bande C+L et 2 en bande O.Nous avons fabriqué les structures de base des SOA par épitaxie par jets moléculaires (Molecular Beam Epitaxy – MBE). Ces structures possèdent des puits épais (14 et 11 nm), avec des contraintes en compression de l’ordre de 1%. Cette contrainte a dû être compensée dans les barrières des structures en bande O pour éviter la relaxation du matériau. 2 processus de fabrication ont ensuite été mis en œuvre : (i) le SIBH 2 étapes (pour Semi-Insulating Buried Heterostructure), processus classique utilisé pour la fabrication des SOA et (ii) le SIBH 1 étape, nouvellement développé au laboratoire, permettant une réduction du nombre d’étapes de fabrication ainsi qu’une meilleure injection de courant. Pour ces 2 processus, les rubans sont gravés dans les structures de base pour réaliser les étapes de reprise d’épitaxie nécessaires. La première reprise, commune aux deux processus, est la croissance d’InP:Fe de part et d’autre des rubans pour les isoler électriquement. Cette étape est réalisée par dépôt en phase chimique aux métal-organiques (MetalOrganic Chemical Vapor Phase Deposition – MOCVD). Pour le SIBH 2 étapes, une seconde reprise est nécessaire pour la croissance des couches de confinement électronique ainsi qu’une étape d’implantation de protons pour isoler électriquement les rubans entre eux. Les plaques sont ensuite amincies, métallisées et clivées pour permettre le montage sur embase des composants et leurs caractérisations.Les différents SOA et RSOA obtenus ont permis la comparaison des 2 processus de fabrication en terme de performances de composants. Ils présentent tous un comportement très larges bande (>90 nm), des valeurs de gain élevées (35 dB) et de faibles facteurs de bruit (Noise Figure – NF) (5 dB) en bande C+L. En bande O, les SOA atteignent des gains de 18,5 dB, avec un faible NF (5 dB) sur de larges bandes passantes allant jusqu’à 75 nm, faisant l’état de l’art de l’amplification large bande en bande O.

Data transfer in optical fibers is constantly evolving and requires ever increasing data rates. As the spectral efficiency of transmitters is reaching its limit, it is now necessary to extend the spectral bandwidth used in the fibers. For long distance transmissions, in the C+L band (1530-1625 nm), for which absorption is minimal in optical fibers, Erbium Doped Fiber Amplifiers (EDFA) are currently used. However, their bandwidth is limited to 40 nm. Semiconductor Optical Amplifier (SOA) and Reflective SOA (RSOA) are serious candidates to replace them, with wide optical bandwidth up to 100 nm. During this thesis, we have designed and fabricated ultra-wideband SOAs and RSOAs showing performances equal to or better than the state of the art in C+L band. For short distance transmissions, in O band (1260-1360 nm), corresponding to the minimum chromatic dispersion in the fiber, there are no wideband amplification solutions. We have therefore designed and manufactured wideband SOAs to improve the capabilities of Access networks.We have started the conception of ultra-wideband SOA structures in C+L and O-Bands by designing the band structures and the confinement of the electronic levels in the active region. This region is made of multiple quantum wells (MQW) based on GaInAsP. Then, we designed a super lattice of GaInAsP/InP layers with high refractive indices under the active region (bottom cladding). This electronic and optical confinement layer allows the regulation of the optical confinement in the active area, by attracting the mode towards the bottom of the structure, which limits the optical losses. We have designed 4 structures in C+L band and 2 in O band.We grew the base SOA structures by Molecular Beam Epitaxy (MBE). These structures have thick quantum wells (14 and 11 nm), with compressive strain of about 1%. This strain had to be compensated in the barriers of the O-band structures to avoid material relaxation. 2 fabrication processes were then implemented: (i) the 2-step SIBH (for Semi-Insulating Buried Heterostructure), a classical process used for the fabrication of SOA and (ii) the 1-step SIBH, newly developed in the laboratory, allowing a reduction of the number of fabrication steps as well as a better current injection. For these 2 processes, ridges are etched into the base structures to perform the necessary epitaxy regrowth steps. The first step, common to both processes, is the regrowth of InP:Fe on both sides of the ridges to electrically insulate them. This step is performed by MetalOrganic Chemical Vapor Phase Deposition (MOCVD). For the 2-step SIBH, a second regrowth step is necessary to grow the electronic confinement layers, as well as a proton implantation step to electrically insulate the ridges from one another. The wafers are then thinned, metallized and cleaved to allow the mounting of the chips on carriers and their characterization.The different SOAs and RSOAs obtained allowed the comparison of the 2 fabrication processes in terms of device performances. They all show an ultra-wideband behavior (>90 nm), high gain values (35 dB) and low noise figure (NF) (5 dB) in C+L band. In O band, the SOAs reach gains of 18.5 dB, with a low NF (5 dB) on wide bandwidths up to 75 nm, making the state of the art of wide band amplification in O-band.