Micro-sources laser à Cascade Quantique III-V/Si

III-V/Si Quantum Cascade Laser Microsources

• Auteur / Autrice : Alexis Hobl
• Direction : Badhise Ben bakir, Christian Seassal
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (LETI)

Mots clés

Mots clés libres

Laser hybride QCL sur silicum

Photonique intégrée Moyen InfraRouge

Optoélectronique

Intégration hétérogène

QCL hybrid laser on silicon

Integrated photonics Medium Infrared

Optoelectronics

Heterogeneous integration

Résumé

Au cours de la dernière décennie, le domaine de la Micro-Nano-Photonique intégrée sur silicium a connu une croissance significative, portée par l'implication majeure d'acteurs industriels de renom à l'échelle internationale. Cette expansion ouvre des perspectives prometteuses dans des domaines variés tels que les datacoms, les télécommunications, les interconnexions optiques, et la biophotonique. Ces développements sont notamment rendus possibles par l'émergence d'une plateforme technologique offrant compacité et fonctionnalités avancées grâce à l'intégration des fonctions optiques sur puce. En parallèle, cela ouvre des opportunités d'intégration avec la microélectronique CMOS, créant ainsi un écosystème technologique diversifié. Dans ce contexte dynamique, la spectrométrie moyen-infrarouge (MIR) émerge comme une technique essentielle pour la caractérisation et la détection spécifique de composés gazeux, solides, ou liquides. Les avantages reconnus de la plateforme de Micro-Nano-Photonique intégrée sur silicium positionnent cette dernière comme une candidate idéale pour le développement de sources laser MIR. Cette intégration offre non seulement des solutions compactes, mais elle ouvre également la voie à des fonctionnalités avancées grâce à l'assemblage de fonctions complexes, tout en offrant des perspectives d'intégration avec la microélectronique CMOS. L'approche incontournable de l'intégration hétérogène et fonctionnelle de matériaux semiconducteurs III-V avec le silicium constitue un pilier de cette recherche. La combinaison stratégique du silicium avec des matériaux à faible indice, selon des scénarios de nanostructuration variés, permet la réalisation de composants dotés de caractéristiques de confinement optique exceptionnelles, tels que les cristaux photoniques. Ces derniers offrent un contrôle précis des photons dans l'espace et le temps, favorisant ainsi des avancées significatives dans la conception de dispositifs optiques complexes. Les matériaux semiconducteurs III-V apportent une contribution unique avec leurs propriétés d'émission, jusqu'alors inaccessibles au silicium. C'est dans ce contexte novateur que cette thèse se positionne, s'inscrivant dans la réalisation de micro-sources lasers innovantes. Cette approche combine habilement des matériaux émetteurs de type III-V à Cascade Quantique avec des Cristaux Photoniques en Silicium pour concevoir des lasers hybrides à émission par la surface, opérant dans le moyen infrarouge. Au coeur de ce projet, le candidat sera amené(e) à proposer des conceptions novatrices de micro/nanosources lasers hybrides III-V/Si, exploitant pleinement les procédés technologiques avancés développés au CEA-LETI. Les activités principales de la thèse engloberont la conception-modélisation, la fabrication, ainsi que la caractérisation des dispositifs.

Over the last decade, the field of integrated Micro-Nano-Photonics on silicon has experienced significant growth, driven by the major involvement of internationally renowned industrial players. This expansion opens up promising prospects in various fields such as datacoms, telecommunications, optical interconnections, and biophotonics. These developments are made possible in particular by the emergence of a technological platform offering compactness and advanced functionalities thanks to the integration of optics on chip. In parallel, this opens up opportunities for integration with CMOS microelectronics, thus creating a diversified technological ecosystem. In this dynamic context, mid-infrared spectrometry (MIR) appears as an essential technique for the characterization and specific detection of gaseous, solid, or liquid compounds. The recognized advantages of the integrated Micro-Nano-Photonics platform on silicon position it as an ideal candidate for the development of MIR laser sources. This integration not only offers compact solutions, but also paves the way for advanced functionalities through the assembly of complex functions, while offering integration prospects with CMOS microelectronics. The essential approach of heterogeneous and functional integration of III-V semiconductor materials with silicon is a pillar of this research. The strategic combination of silicon with low-index materials, according to various nanostructuring scenarios, allows the realization of components with exceptional optical confinement characteristics, such as photonic crystals. The latter offer precise control of photons in space and time, thus promoting significant advances in the design of complex optical devices. III-V semiconductor materials make a unique contribution with their emission properties, hitherto inaccessible to silicon. It is in this innovative context that this thesis is positioned, being part of the realization of innovative laser micro-sources. This approach skillfully combines III-V Quantum Cascade emitting materials with Silicon Photonic Crystals to design hybrid surface-emitting lasers operating in the mid-infrared. At the heart of this project, the candidate will contribute to propose innovative designs of III-V/Si hybrid laser micro/nanosources, fully exploiting the advanced technological processes developed at CEA-LETI. The main activities of the thesis will include the design-modeling, the fabrication, as well as the characterization of the devices.