Lasers hétérogènes III-V/Si à rétroaction distribuée avancés

Advanced heterogeneous III-V/Si integrated distributed feedback lasers

• Auteur / Autrice : Pierre Fanneau de la horie-Clavier
• Direction : Badr-Eddine Benkelfat, Joan Manel Ramírez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Information, communications, électronique
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Télécom SudParis (Evry ; 2012-....) - Institut Polytechnique de Paris / IP Paris - Département Electronique et Physique / EPH - Information, Signal et Technologies des Communications / ISTeC-SAMOVAR
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom SudParis (Evry ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Guang-Hua Duan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abderrahim Ramdane, Ghaya Baili
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guang-Hua Duan, Abderrahim Ramdane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique électronique

Télécommunications

Électronique

Mots clés libres

Photonique sur silicium

Epitaxie sélective

DFB à accord capacitif

Laser à verrouillage de modes

Silicon photonics

Selective Area Epitaxy

Capacitively tuned DFB

Mode Locked Laser

Résumé

La plate-forme d'intégration III-V hétérogène sur silicium apparaît comme une solution élégante pour la cointégration des fonctions optiques avec leurs pilotes électroniques. L'un des principaux éléments constitutifs des réseaux de métro et d'accès est la diode laser à rétroaction distribuée. La première implantation de ce composant en 1971 révèle un réel potentiel pour les télécommunications. Cependant, ce type de composant est limité en ce qui concerne l'accordabilité rapide en longueur d'onde et la largeur de raie. Dans la première partie de cette thèse nous présenterons la Croissance Sélective de Zone (SAG) sur silicium greffé. Il s'agit d'une technique d'épitaxie consistant en la mise en place de motifs de croissance bloquants sur la plaquette permettant des effets de diffusion créant des variations d'épaisseur qui sont directement liées à la bande interdite des puits quantiques. Nous présenterons nos travaux sur le développement de SAG pour l'intégration d'un réseau à quatre canaux de lasers DFB modulés par électro-absorption. Dans la deuxième et la troisième partie de cette thèse, nous présenterons deux variantes de conception pour faire face aux limites précédemment citées des lasers DFB. La deuxième partie porte sur l'étude d'un laser DFB capacitivement accordable. Dans ce composant, le guide d'ondes en silicium est dopé de sorte que la structure P-Si/SiO2/N-InP forme une capacité semi-conducteur-isolant-semi-conducteur à l'intérieur de la cavité laser permettant un réglage rapide, continu et à faible consommation d'énergie de la fréquence laser. nous démontrons un balayage de fréquence continu de 10 GHz sur une échelle de temps de deux nanosecondes. La troisième partie présente la démonstration expérimentale du verrouillage de mode dans une bande interdite III-V sur silicium DFB. Le réseau chirpé forme un puits de potentiel photonique parabolique. ce type de puits prend en charge des modes hermite-gaussiens uniformément espacés à Q élevé qui peuvent être verrouillés en phase via des mécanismes de verrouillage de modes. Nous présentons les possibilités de conception pour la variation de dimension du réseau et une caractérisation du composant. Les spectres électriques sont mesurés avec et sans signal de commande micro-onde pour stabiliser le peigne de fréquences. Nous avons finalement tiré des conclusions et présenté des perspectives à court terme.

Heterogeneous III-V on silicon integration platform appears as an elegant solution for co-integration of optical functions with their electronic drivers. One of the main building block of metro and access networks is the Distributed Feedback laser diode. The first implementation of this component in 1971 reveals a real potential for telecommunications. However, this type of component is limited in regards to fast wavelength tunability and linewidth.In the first part of this thesis we will present Selective Area Growth (SAG) on bonded silicon. It is an epitaxy technique consisting in the implementation of blocking growth patterns on the wafer enabling diffusion effects creating thickness variations which is directly linked to quantum wells bandgap. we will present our work on the development of SAG for the integration of a four channel array of electro-absorption modulated DFB lasers.In the second and third part of this thesis we will present two design variations to cope with the previously cited limits of DFB Lasers. Second part is about the study of a capacitively tunable DFB lasers. In this component the silicon waveguide is doped so the P-Si/SiO2/N-InP structure forms a Semiconductor-Insulator-Semiconductor capacitance inside the laser cavity enable fast, continuous and low power consuming way to tune the lasing frequency. we demonstrate a 10 GHz continuous frequency sweep in a two nanosecond time scale.The third part presents the experimental demonstration of the mode locking in an engineered bandgap III-V on silicon DFB. The chirped grating forms a parabolic photonic potential well. this type of well supports High Q evenly spaced Hermite-Gaussian modes that can be phase locked through mode locking mechanisms. We present the design possibilities for variation of grating dimension and a characterisation of the component. The Electrical spectra is measured with and without microwave driving signal to stabilize the frequency comb.We eventually draw conclusions and present short term perspectives.