Conception, fabrication et réalisation de sources lasers hybrides III-V sur silicium

par Antoine Descos

Thèse de doctorat en Electronique, micro et nano-électronique, optique et laser

Sous la direction de Pierre Viktorovitch.

Soutenue le 18-12-2014

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut des nanotechnologies de Lyon - Site d'Ecully / INL (laboratoire) et de Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Christian Seassal.

Le jury était composé de Badhise Ben Bakir, Dries Van Thourhout.

Les rapporteurs étaient Delphine Marris-Morini, Alain Chantre.


  • Résumé

    Avec le développement de l’usage d’internet et les nouveaux services tout en ligne, la quantité de données traitée par les data-centers ne cessent de croître. Ainsi, si la mise en parallèle de plusieurs serveurs permet de répondre à cette demande, un problème structurel apparaît. Comme dans les supercalculateurs entre les noeuds de calculs, les données ne circulent plus suffisamment rapidement entre les serveurs sur les câbles électriques classiques. Pour pallier à ce goulot d’étranglement, l’utilisation de l’optique permet d’obtenir des débits plus importants. Si les câbles actifs existants permettent une solution rapide, la photonique sur silicium présente un avantage certain. L’intégration des composants optiques au plus près des puces électroniques permet de réduire considérablement le chemin des interconnexions ainsi que leurs coûts énergétiques. Une chaine de communication optique complète nécessite différents composants. Si les modulateurs, multiplexeurs, coupleurs fibres, démultiplexeurs et photodetecteurs ont déjà été démontrés, les sources lasers utilisées sont toujours extérieures à la puce photonique. Il s’agit en effet du chainon manquant dans l’intégration complète de l’optique grâce à la photonique sur silicium. Plusieurs architectures ont déjà été proposées mais cette thèse s’appuie sur l’intégration hybride d’un matériau III-V sur le silicium. Le travail de cette thèse a consisté en la conception, la fabrication et la caractérisation de sources laser hybrides III-V sur silicium et a été entièrement accompli aux CEA/LETI. L’architecture du LETI d’un guide III-V couplé à un guide silicium a été améliorée grâce à un critère adiabatique pour obtenir une zone active de laser efficace et robuste. Cette architecture a été déclinée en différents types de lasers (Fabry-Pérot, DBR, racetrack et DFB). La fabrication de ces lasers a nécessité des développements de procédés de structuration du matériau III-V reporté sur du silicium dans les laboratoires du CEA/LETI. Les premiers résultats ont permis la validation de l’architecture utilisée. Les lasers DBR présentent des seuils inférieurs à 20mA et des puissances optiques maximales supérieures à 20mW dans le guide silicium. Ces lasers ont également un fonctionnement monomode avec un SMSR de plus de 50dB. Les lasers DFB possèdent quant à eux des seuils de 30mA et des puissances optiques maximales supérieurs à 40mW dans le guide silicium. Ils sont monomodes avec un SMSR de 40dB. Ces résultats sont à l’état de l’art mondial sur les sources lasers hybrides en photonique sur silicium.


  • Résumé

    With the development of the Internet and the new cloud services, the amount of data processed by data-centers is increasing. Though, if the paralleling of multiple server answer to this growing quantity, a structural problem arises. As in super calculators between nodes calculations, data are not transmitted quickly enough between servers on classical electric cables. This bottleneck can be overcome thanks to the optic which can access greater data rates. If existing active cables allow a quick resolution, silicon photonic has a clear benefit. The integration of the optical components closer to the electronic chips reduces substantially the path of interconnections and their energetic costs.An optical transmitter and receptor need different components. If modulators, multiplexers, fiber coupler, multiplexer and photo-detectors are already achieved, laser sources used are still outside the photonic chip. This is the missing link for a complete optical integration thanks to the silicon photonic. Several architectures have been proposed but this thesis relies on hybrid integration of III-V material on silicon.The work of this thesis consisted on the conception, the fabrication and the characterization of hybrid III-V on Silicon laser sources and was completely done at the CEA/LETI. The LETI architecture composed by a III-V waveguide coupled to a silicon waveguide was improved thanks to a adiabatic criterion to obtain an efficient and robust active area of the laser. This architecture was declined in different kinds of lasers (Fabry-Pérot, DBR, Racetrack and DFB). The fabrication required technological development for the structuration of the reported III-V material on silicon at the laboratories of the CEA/LETI. The first results validates the proposed architectures. The DBR lasers have threshold of less than 20mA and maximal optical power of more than 20mW inside the silicon waveguide. Those lasers are monomode with a SMSR of more than 50dB. The DFB Lasers have threshold of 30mA and maximal optical power of more than 40mW inside the silicon waveguide. They are monomode with SMSR more than 40dB. Those results are world state-of-the-art for hybrids laser sources in silicon photonic.


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Informations

  • Détails : 1 vol. (154 p.)
  • Notes : Thèse soumise à l'embargo de l'auteur jusqu'au 18 octobre 2015
  • Annexes : Références bibliogr. en fin de chapitres

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T2434
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  • Cote : T2434 mag
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