Peignes de fréquences optiques pour applications WDM en photonique intégrée silicium

Optical frequency combs for WDM applications in silicon integrated photonics

• Auteur / Autrice : Thibaut Renaud
• Direction : Frédéric Grillot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Information, communications, électronique
• Date : Inscription en doctorat le 15/10/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : GTO : Télécommunications Optiques

Mots clés

Mots clés libres

Physique des lasers

Photonique

Peigne de frequences

Boîtes quantiques

Laser physics

Frequency combs

Photonics

Quantum dots

Résumé

La photonique sur silicium (Si) permet l'intégration de plusieurs composants optiques sur une même puce. Cette intégration ouvre de nombreuses perspectives pour la réalisation de fonctions plus complexes et plus performantes dans diverses applications allant des capteurs aux systèmes de transmissions de données. Actuellement, deux technologies de composants à matériaux semi-conducteurs sont utilisées pour assurer les fonctions de transmission et réception de données optiques: la technologie « phosphure d'indium » (InP) utilisant des composants discrets, dont d'excellents lasers, fabriqués sur substrat InP, et la technologie d'intégration de composants sur Si. La première approche a atteint un niveau de maturité élevé après plus de 25 ans d'utilisation dans les transmissions optiques longues distances. Elle est coûteuse notamment du fait du coût du matériau InP, de la taille limitée à 75mm des substrats InP, et de la grande difficulté d'intégrer les composants sur un circuit intégré (assemblage de composants discrets à la main). La deuxième technologie ‘Photonique Si' permet d'intégrer tous les composants nécessaires à une transmission/ réception optique sur un circuit intégré en Si, hormis les lasers. Cette technologie, beaucoup plus récente années bénéficie des moyens technologiques de la microélectronique CMOS et des produits sont commercialisés depuis 2013 pour les applications de transmissions optiques courtes distances (< 2km, applications datacenters). Par sa capacité de production et ses faibles coûts, la Photonique Si est en effet bien placée pour répondre à des applications gros volumes telles que les transmissions courtes distances (datacenters et réseaux d'accès), les systèmes d'interconnexion optique à large bande passante, et les supercalculateurs. De plus, les technologies de multiplexage en longueur d'onde classiquement exploitées dans les télécommunications optiques sont également d plus en plus prégnante pour les futurs circuits intégrés photoniques sur Si. Le but de la thèse va consister à travailler sur des lasers à peigne de fréquence exploitant une zone active constituée d'ilots quantiques. Les solutions à boites quantiques sont déjà très étudiées au sein de Télécom Paris et permettent de réaliser des composants bas-coûts peu gourmant en énergie. Le doctorant devra s'attacher à comprendre la dynamique des lasers à peignes de fréquence pour les applications WDM. Dans le cadre de la thèse, les composants lasers seront fabriqués par la société HP Labs en partenariat avec l'Université de Californie à Santa Barbara (UCSB). Lors de son travail de thèse le doctorant s'attachera à se focaliser notamment sur les points suivants : 1) Mener des études expérimentales visant à interconnecter les propriétés du matériau aux différents phénomènes observés. En particulier, le doctorant devra se concentrer sur la largeur de raie de chaque peigne, le bruit d'intensité du laser, la sensibilité aux différentes sources de réflexions, et la réponse à la modulation directe de la lumière. 2) Le doctorant devra proposer en lien avec HP Labs des axes d'optimisation des structures lasers de manière à pouvoir accroitre leurs performances via par exemple l'augmentation de la bande passante du peigne ainsi que sa platitude. 3) Le doctorant développera en lien avec HP Labs un modèle numérique permettant de comprendre la physique sous-jacente ainsi que les phénomènes mis en jeu dans la dynamique des peignes comme par exemple le mélange d'onde et la saturation de gain. Le modèle pourra aussi permettre de mieux appréhender les comportements laser à verrouillage de mode automatique en utilisant des coefficients de mélange à quatre ondes ad hoc. 4) Ecrire des articles de journaux dans des revues de premiers plans (OSA, NPG, SPIE, IEEE, APS). Participer aux grandes conférences internationales du domaine (CLEO, ECOC, OFC,…). 5) Faire du « reporting » auprès des ingénieurs de HP Labs de manière régulière.

Silicon photonics (Si) allows the integration of several optical components on a single chip. This integration opens up many perspectives for the realization of more complex and more efficient functions in various applications ranging from sensors to data transmission systems. Currently, two main technologies using semiconductor materials are deployed to ensure transmission and reception of optical data. The first one based on all-InP technology is able to produce discrete components, including excellent lasers, manufactured on a single substrate whereas the second option relies on bonding the III-V material on Si. The first approach has reached a high level of maturity after more than 25 years of use in long distance optical transmission systems. However, it remains expensive in particular because of the cost of the InP material, the size limited to 75 mm of the InP substrates, and the great difficulty of integrating such components on a photonic integrated circuit. The second technology allows the integration of all optoelectronics components required for optical transmission / reception on a Si integrated circuit, except lasers. Current integrated photonic technology benefits from the CMOS microelectronics and products have been marketed since 2013 for short distance optical transmission applications (<2km, data center applications). Thanks to its production capacity and low costs, Si Photonics is indeed well placed to meet high volume applications such as short distance transmissions (data centers and access networks), high bandwidth optical interconnection systems, and supercomputers. In addition, wavelength division multiplexing technologies conventionally used in optical telecommunications are also increasingly important for future photonic integrated circuits on Si. The goal of the thesis is to work on frequency comb lasers using an active area made up of quantum dots. Quantum dot solutions are already well studied within Télécom Paris since it allows make the development of low-cost components that consume little energy. The doctoral student will focus on understanding the dynamics of frequency comb lasers for WDM applications. As part of the thesis, the laser components will be manufactured by the company HP Labs in partnership with the University of California at Santa Barbara (UCSB). During his thesis work, the doctoral student will focus in particular on the following points: 1) Carry out experimental studies at the intersection between the material and the various phenomena driving the frequency comb properties. In particular, the doctoral student will focus on the spectral linewidth of each comb line, the intensity noise of the laser, the sensitivity to different sources of reflections, and the response to direct light modulation. 2) The doctoral student will have to propose, in conjunction with HP Labs, axes for optimizing laser structures so as to be able to increase their performance via, for example, increasing the bandwidth of the comb spectrum as well as its flatness. 3) The doctoral student will develop, in conjunction with HP Labs, a numerical model making it possible to understand the underlying physics as well as the phenomena involved in the dynamics of combs such as, for example, wave mixing and gain saturation. The model will also be able to better understand the automatic mode-locked laser behaviors by using ad hoc four-wave mixing coefficients. 4) Write journal articles in leading journals (OSA, NPG, SPIE, IEEE, APS). Participate in major international conferences in the field (CLEO, ECOC, OFC, etc.). 5) Make 'reporting' to the engineers of HP Labs on a regular basis.