From design to characterization of III-V on silicon lasers for photonic integrated circuits

par Hélène Duprez

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

Sous la direction de Christian Seassal et de Badhise Ben Bakir.

Soutenue le 12-02-2016

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec École centrale de Lyon (établissement opérateur d'inscription) , Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) (laboratoire) , Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (France) et de Institut des nanotechnologies de Lyon (laboratoire) .

Le président du jury était Bahaa E. A. Saleh.

Le jury était composé de Christian Seassal, Badhise Ben Bakir, Olivier Gauthier-Lafaye, Di Liang.

Les rapporteurs étaient Juan Ariel Levenson, Leif Katsuo Oxenløwe.

  • Titre traduit

    De la conception à la fabrication de sources lasers hybrides III-V sur silicium pour des circuits photoniques intégrés


  • Résumé

    Ces trois années de thèse balayent la conception, la fabrication et la caractérisation de lasers III V sur silicium à 1.31 µm pour les data-communications. Le design des sources englobe notamment l’optimisation du couplage entre l’empilement III V et le silicium, effectué grâce à un taper adiabatique, ainsi que l’étude de la cavité laser inscrite, comme le taper, dans le silicium. Trois types de cavités à base de réseaux ont été étudiées: les cavités à contre-réaction distribuée (DFB pour distributed feedback), celles à réseaux de Bragg distribuées (DBR pour distributed Bragg reflector) et enfin celles à réseaux de Bragg échantillonnées (SGDBR pour sampled-grating DBR). Deux solutions ont été abordées concernant les lasers DFB: le réseau, inscrit dans le guide silicium sous la zone de gain, est soit gravé au-dessus du guide Si, soit sur les côtés. La seconde possibilité, appelée ‘DFB lasers couplés latéralement’, simplifie la fabrication et élargit les possibilités de design.Les lasers DFB fabriqués sont très prometteurs en terme de puissance (avec jusque 20 mW dans le guide) ainsi que pour leur pureté spectrale (avec une différence de plus de 50 dB entre le mode principal et le mode suivant). Une accordabilité spectrale de plus de 27 nm a été obtenue en continu avec les lasers SGDBR tout en conservant une très bonne pureté spectrale et une puissance de plus de 7 mW dans le guide.


  • Résumé

    This 3 years work covers the design, the process and the characterization of III-V on silicon lasers at 1.31 µm for datacommunication applications. In particular, the design part includes the optimization of the coupling between III V and Si using adiabatic tapers as well as the laser cavity, which is formed within the Si. Three types of lasers were studied, all of them based on cavities which consist of gratings: distributed feedback (DFB) lasers, distributed Bragg reflector (DBR) lasers and finally sampled-grating DBR (SGDBR) lasers. Regarding the DFB lasers, two solutions have been chosen: the grating is either etched on top or on the edges of the Si waveguide to form so called vertically or laterally coupled DFB lasers. The latter type, quite uncommon among hybrid III V on Si technologies, simplifies the process fabrication and broadens the designs possibilities.Not only the lasers demonstrated show high output powers (~20 mW in the waveguides) but also very good spectral purities (with a side mode suppression ratio higher than 50 dB), especially for the DFB ones. The SGDBR devices turn out to be continuously tunable over a wavelength range higher than 27 nm with a good spectral purity as well and an output power higher than 7 mW in the waveguide with great opportunities of improvement.


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