Modulateur de phase et d'amplitude, et photonique intégrée pour les télécommunications en espace libre dans l'infra-rouge lointain

Optical phase and amplitude modulator and photonic integration for long wave infrared free space optical telecommunications

• Auteur / Autrice : Thomas Poletti
• Direction : Carlo Sirtori
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 07/03/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Grillot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carlo Sirtori, Mikhail Belkin, Sophie Bouchoule, Salvatore Pes, Daniel Dolfi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mikhail Belkin, Sophie Bouchoule

Mots clés

Mots clés libres

Optique intégrée

Guide d'onde

Modulation optique

Télécommunications en espace libre

Infra-rouge lointain

Photonic integrated circuit

Optical waveguide

Optical modulator

Free space optical communications

Long wave infrared

Résumé

Les communications optiques en espace libre (FSO) sont devenues un domaine d'intérêt crois- sant au cours des dernières années, dans lequel les dispositifs optoélectroniques fonctionnant dans la gamme des longueurs d'onde de l'infrarouges lointain (LWIR) pourraient être de sérieux concurrents des longueurs d'onde traditionnelles des télécommunications pour les liaisons at- mosphériques. En effet les grandes longueurs d'onde sont moins affectées par les perturbations atmosphériques. Toutefois, le déploiement des communications en espace libre dans le LWIR est limité par la disponibilité des éléments de base passifs et actifs tels que les modulateurs d'amplitude et de phase rapide et les recombineurs de faisceaux. Dans ce travail, nous présentons le développement d'un modulateur externe en géométrie guide d'onde basé sur l'effet Stark inter-sous-bande, fonctionnant à λ = 9 μm. Cet effet est particulièrement intéressant pour la modulation en raison de sa réponse intrinsèquement rapide, son accordabilité élevée et linéaire en longueur d'onde avec une tension appliquée, et sa faible consommation d'énergie. Nous avons intégré des puits quantiques asymétriques couplés dans un guide d'ondes InGaAs sur InP afin de maximiser l'interaction optique tout en minimisant la capacité géométrique. Le résultat est un modulateur polyvalent capable d'effectuer une mod- ulation d'amplitude ou de phase par un choix judicieux de la polarisation et de l'intensitée de la modulation RF appliquées. Dans l'optique d'une future intégration monholitique, nous avons conçu et fabriqué des recombineurs de faisceaux passifs en guide d'ondes basés sur des interféromètre multimodes (MMI) ansi que des détécteurs à cascade quantique (QCD) pour la détection cohérente. Nous présentons leurs performances, et en particulier celles d'un sépara- teur MMI 2x2 3dB et d'un MMI hybride 90 degrés 2x4, qui sont des éléments essentiels pour les émetteurs-récepteurs intégrés pour communications cohérentes.

Free-Space Optical (FSO) communications has become a field of growing interest over the past years in which optoelectronic devices operating in the Long Wave Infrared (LWIR) wavelength range could be serious competitors to traditional telecom wavelengths for atmospheric links as they are less impacted by atmospheric perturbations. However, the deployment of LWIR FSO communications is limited by the availability of basic passive and active building blocks such as high-speed modulators and beam combiners among others. In this work, we present an external integrated modulator based on inter-subband Stark effect operating at λ= 9 μm. This effect is of particular interest for modulation due to its intrinsically fast response, high wavelength tunability under applied bias and low RF power consumption. We embedded asymmetrical coupled quantum wells within a deep ridge InGaAs on InP core waveguide in order to increase the optical interaction and reduce the geometrical capacitance. The result is a versatile modulator able to perform either amplitude or phase modulation by an appropriate choice of applied DC bias and RF modulation. In addition, we designed and fabricated passive waveguide beam combiners based on Multi Mode Interferometer (MMI) and quantum cascade detectors (QCD). We present their performance and in particular 2x2 3dB MMIs splitter as well as 2x4 90 degree Hybrid MMIs which are critical building blocks for integrated transceivers based on complex modulation format and are planned to be integrated with a QCD.