Modulateur vertical intégré à un VCSEL pour les interconnexions optiques ultra-rapides

Integrated vertical modulator onto VCSEL for ultra high speed optical interconnects

• Auteur / Autrice : Lucas Laplanche
• Direction : Guilhem Almuneau, Christophe Viallon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectroniques
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Bouchoule
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Cerutti, Christophe Peucheret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode ERTOMIS

Photonique

Lasers à émission par la surface à cavité verticale

Mots clés libres

VCSEL

EAM

Photonique

VCSEL

EAM

Photonic

Résumé

Le besoin d'un accès plus rapide aux données est à l'origine de la croissance d'énormes centres de données et d'infrastructures de distribution. Le trafic internet a été multiplié par 107 entre 1995 et 2020, et le nombre d'appareils connectés et de connexions de machine à machine a considérablement augmenté. L'essor de la télévision 4K, des vidéoconférences, du travail à distance, des jeux et de la diffusion en continu a alimenté la croissance mondiale de la bande passante. Alors que le trafic internet double tous les deux ans, les débits des lignes doublent tous les quatre ans, créant un écart entre l'offre et la demande qui nécessite des interconnexions supplémentaires pour répondre à la demande. Les VCSEL jouent un rôle essentiel dans les centres de données, qui ont été créés dans le monde entier pour répondre à la demande croissante de bande passante d'applications telles que le commerce électronique, la vidéo à la demande et l'internet des objets. La taille des centres de données varie d'une petite pièce à un grand bâtiment, et les interconnexions optiques ont été largement adoptées en raison de leur rentabilité, de leur flexibilité, de leur taille réduite, de leur poids plus léger, etc. Les câbles optiques permettent également une meilleure circulation de l'air, ce qui réduit l'encombrement et permet d'améliorer les solutions de refroidissement. Dépasser une bande passante de 40 GHz avec des VCSELs a été un défi. Pour augmenter les débits de données, deux méthodes sont possibles : utiliser plusieurs puces VCSEL ou employer des formats de codage de données à plus grande efficacité spectrale. Le NRZ-OOK a une faible efficacité spectrale mais des circuits simples, tandis que le PAM-4 offre une efficacité plus élevée et le M-QAM OFDM la plus élevée. Toutefois, une efficacité supérieure exige un meilleur RSB et davantage de circuits, ce qui augmente les coûts, la consommation d'énergie, la chaleur et l'encombrement. Pour surmonter les limitations des VCSEL, une option consiste à séparer l'émission et la modulation en utilisant un modulateur à électro-absorption (EAM) à côté des VCSEL, ce qui offre une largeur de bande théorique plus élevée et des circuits minimaux. Cependant, la complexité et l'alignement optique rendent cette approche encombrante. Une alternative consiste à intégrer l'émission et la modulation dans un seul composant, ce qui constitue une troisième solution. La première partie de ce travail présentera la théorie physique sous-jacente des VCSEL et des EAM. La seconde partie se concentrera sur la conception et la modélisation de notre EAM intégré sur un VCSEL. La conception générale de la cavité, l'évacuation des porteurs de charge, l'impédance et le couplage entre les deux cavités seront étudiés et optimisés. La troisième partie présentera le processus de fabrication et mettra en évidence les pièces critiques et leurs améliorations afin de réaliser le dispositif. Enfin, la dernière partie présentera les caractérisations optiques ainsi que le fonctionnement à haute fréquence du dispositif, et conclura sur les perspectives dans le contexte des tendances actuelles en matière de communications optiques.

The need for faster data access is driving the growth of massive data centers and delivery infrastructure. Internet traffic has surged 107 times from 1995 to 2020, and the number of connected devices and machine-to-machine connections has increased significantly. The rise of 4K TV, video conferences, remote work, gaming, and streaming has fueled global bandwidth growth. While internet traffic doubles every two years, line rates are doubling every four years, creating a supply-demand gap that requires additional interconnects to meet the demand. VCSELs play a vital role in data centers, which have been established worldwide to meet the increasing bandwidth demands of applications like e-commerce, video-on-demand, and the Internet of Things. Data centers range in size from small rooms to large buildings, and optical interconnects have become widely adopted due to their cost-effectiveness, flexibility, smaller size, lighter weight,... Optical cables also provide better airflow, reducing congestion and enabling improved cooling solutions. Surpassing a bandwidth of 40GHz with VCSELs has been challenging. To increase data rates, two methods are available: using multiple VCSEL chips or employing higher spectral efficiency data encoding formats. NRZ-OOK has low spectral efficiency but simple circuitry, while PAM-4 offers higher efficiency and M-QAM OFDM provides the highest. However, higher efficiency requires better SNR and more circuitry, increasing costs, power consumption, heat, and clutter. To overcome VCSEL limitations, an option is to separate emission and modulation using an Electro-Absorption Modulator (EAM) alongside VCSELs, offering higher theoretical bandwidth and minimal circuitry. However, the complexity and optical alignment make this approach cumbersome. An alternative is integrating emission and modulation into a single component, presenting a third solution. The first part of this work will present the underlying physics theory behind VCSEL and EAMs. The second part will focus on the design and the modelling of our EAM integrated on a VCSEL. The general cavity design, the evacuation of charge carriers, the impedance and the coupling between the two cavities will be investigated and optimised. The third part will present the manufacturing process and highlight the critical parts and their improvements in order to realise the device. Finally the last part will present the optical characterisations as well as the high frequency operation of the device, and conclude on the perspectives in the context of the current trends in optical communications.