Laser à semiconducteurs dans une cavité à haut facteur de qualité par intégration hybride

Hybrid semiconductor laser with a high quality factor optical cavity.

• Auteur / Autrice : Emmanuel Bourgon
• Direction : Frederic Grillot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Information, communications, électronique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : GTO : Télécommunications Optiques

Mots clés

Mots clés libres

Laser à semiconducteur

Physique des lasers

Intégration hétérogène

Laser à verrouillage de mode

Cavité optique à haut facteur de qualité

Semiconductor laser

Laser physics

Heterogeneous integration

Mode-locked laser

High quality factor optical cavity

Résumé

Les réseaux télécom et datacom sont soumis ces dernières années à une demande accrue en débit de transmission, notamment issue des particuliers. Les équipementiers fournissant des systèmes de transmission doivent suivre cette évolution en proposant des sous-systèmes composés de transmetteurs et de récepteurs avec des débits agglomérés de plus en plus élevés, typiquement plus de 10 Tb/s par fibre optique. Les sous-systèmes à base de circuits photoniques intégrés (Photonic Integrated Circuits, PIC), constitués d'un grand nombre de composants optiques miniaturisés, s'imposent actuellement sur le marché du fait de leur forte compétitivité. En effet, la miniaturisation des composants permet de réduire le coût de fabrication et de fonctionnement des systèmes de transmission. Deux approches d'intégration photonique sont en cours de développement dans les laboratoires de R&D : l'intégration monolithique sur InP, et l'intégration hétérogène III-V/Si, ou III-V/SiN, voire III-V/LNOI (niobate de litihium sur isolant). De grands efforts sont actuellement déployés pour le développement de l'intégration hétérogène, celle-ci offrant plus de fonctionnalités et des coûts réduits en comparaison de l'intégration monolithique. Le III-V Lab en collaboration avec le CEA-LETI s'est engagé depuis plusieurs années dans le développement de circuits hybrides par collage moléculaire d'une couche de semiconducteurs III-V sur un substrat SOI. Le III-V Lab a également démontré des lasers hybrides en accolant ‘bout à bout' un circuit III-V et un circuit passif SiN. La thèse de M. Emmanuel Bourgon s'inscrit pleinement dans ce contexte de développement des PICs par intégration hétérogène de III-V sur Si ou sur LNOI. Les plateformes photoniques hybrides souffrent de plusieurs lacunes. Si la source de peigne de fréquences est certes connue et démontrée grâce aux lasers à verrouillage de modes monolithique sur InP, une telle source en technologie hybride III-V/Si ou III-V/LNOI reste à démontrer et présente un défi technologique réel. De plus, la réduction des bruits d'amplitude et de phase d'une telle source laser reste un problème scientifique d'actualité en général; en particulier, la réduction du bruit de partition a un intérêt crucial pour les applications WDM. Cette thèse propose d'étudier, entre autre, ce bruit de partition, et d'apporter des solutions viables économiquement afin de démontrer la faisabilité d'une telle source peigne de fréquences à ultra-faible bruit. L'étude d'une source peigne de fréquences dans l'espace dual, c'est-à-dire dans le domaine temporel, présente un second intérêt scientifique de ce sujet de thèse. En effet, la mesure de la gigue temporelle d'impulsions ultra-courtes présente un défi scientifique en soi, elle permet également une caractérisation précise du bruit de phase dans ce type de source laser, et permet ainsi une avancée majeure dans la stabilisation de telles sources. Les domaines d'applications s'ouvrent alors également aux domaines autres que télécoms ou datacoms : la métrologie, l'étude des phénomènes ultra-brefs seront ainsi bénéficiaires des retombées de cette thèse. Un premier défi consiste en la démonstration d'une source laser de peigne de fréquences en technologie III-V/Si, en utilisant une nouvelle structure de laser DFB démontrée récemment au III-V Lab, mais en concevant une structure dérivée permettant d'atteindre des ISL compatibles avec les applications WDM en télécom. Un second défi réside dans la conception puis la démonstration d'un laser hybride III-V/LNOI à verrouillage de modes, et à mettre en œuvre une technique de filtrage des harmoniques afin d'obtenir, ici encore, un espacement inter-canal compatible avec les applications WDM. Enfin, un troisième défi sera à relever dans le domaine de la rétroaction dans les lasers afin d'en réduire le bruit de phase, autrement dit, d'en réduire la largeur des raies spectrales, ce qui est une autre exigence des applications WDM pour la transmission cohérente.

Consumer needs are currently sustaining the ever-increasing demand for bandwidth that has weighted on Telecom and Datacom networks for many years. Network hardware manufacturers must cope with the demand and propose new sub-systems composed of transmitters and receivers having larger and larger aggregated bandwidths: typically 10 Tb/s per optical fiber. Sub-systems based on Photonic Integrated Circuits (PIC) are very competitive, and therefore are becoming the leading optical network sub-system technology. Indeed, photonic integration allows lower fabrication and integration costs, thanks notably to volume production, simplified packaging and shared thermal control. Currently, two photonic integration platforms compete: monolithic integration in InP, and heterogeneous integration (III-V on SOI, or III-V on SiN, or III-V on LNOI (LNOI: Lithium Niobate On Insulator). Very recently, heterogeneous integration has benefited from large research efforts since it promises lower costs and much more functionalities compared to monolithic integration. For many years, the III-V Lab has developed hybrid III-V on SOI photonic circuits in close collaboration with the CEA LETI by heterogeneous integration through molecular bonding. The III-V Lab has also demonstrated hybrid lasers based on butt coupling of an active III-V circuit to a passive SiN circuit. The thesis of Mr. Emmanuel Bourgon is based upon this expertise acquired by the III-V Lab in heterogeneous integration and is aimed towards the development of new hybrid III-V on SOI or III-V on LNOI photonic components. Indeed, in current hybrid photonic platforms, key photonic components are still lacking. One such component is the optical frequency comb. Mode locked lasers designed in the monolithic InP platform have been developed for many years and are now mature components. However, frequency combs have not been demonstrated yet in the hybrid III-V/Si and III-V/LNOI platforms and their design remains a real technical challenge. Moreover, the reduction of intensity and phase noise of such a laser source remains an important scientific issue; in particular, the reduction of partition noise is crucial for WDM applications. Thus, the study of partition noise is one of the goals of this thesis. From this study, the thesis will try to demonstrate the (technical and economical) feasibility of such a hybrid ultra-low noise frequency comb. Furthermore, the study of an optical frequency comb source in dual space (temporal space) is another goal of this thesis. First, the PhD candidate will have to measure the temporal jitter of an ultra-short pulse train emitted by the comb source. This measurement will then enable the PhD candidate to characterize precisely the phase noise of this type of laser source, what will allow main advances in the stabilization of such sources. Many scientific fields other than the Telecom and Datacom fields will benefit from this thesis: metrology, ultra-short phenomena study The first goal of this thesis is the demonstration of a frequency comb laser source in the hybrid III-V/Si platform based on a new DFB laser structure recently demonstrated at the III-V Lab. The PhD candidate will have to modify the DFB structure to reach the FSRs (Free Spectral Range) compatible with WDM (Wavelength Division Multiplexing) standards. The second goal of this thesis is to demonstrate a hybrid III-V/LNOI mode-locked laser and to implement a harmonic filtering technique, again in order to comply with WDM standards. Finally, the third goal of this thesis is to implement feedback schemes for the laser source in order to reduce its phase noise. This amounts to reduce the spectral linewidth of each comb line, what is another requirement of WDM coherent communications.