Circuits photoniques intégrés III-V/Si pour les applications en télécommunications optiques

par Xavier Pommarede

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Michel Kiat, Pierre Lecoy et de Guang-Hua Duan.

Le président du jury était Éric Cassan.

Le jury était composé de Ségolène Olivier, Anne Talneau.

Les rapporteurs étaient Xavier Letartre, Dries Van Thourhout.


  • Résumé

    Afin de poursuivre leur montée en débit, les composants des télécommunications par fibre optique nécessitent l'élaboration de nombreuses briques de base : laser, modulateur, photo-détecteur, multiplexeur... et leur intégration avec les circuits de traitement du signal. Cette thèse a pour objectifs de concevoir et de caractériser ces différentes briques actives et passives en utilisant la technologie hybride III-V/Si. Ces briques sont ensuite utilisées dans des circuits photoniques intégrés (PIC) complets d'émission et de réception, qui présentent des avantages tels qu'une. taille réduite, une consommation et un coût de fabrication faibles. . Après une partie d'introduction, plusieurs éléments passifs sont étudiés en détail dans la 2ème partie : guides d 'ondes, virages, diviseurs de puissance, croisements de guides et hybride 90°. Tous ces dispositifs présentent de bonnes performances compatibles avec leur utilisation dans les PICs.La 3ème partie traite le problème du (dé)-multiplexage en longueur d'onde. Trois dispositifs sont étudiés : le démultiplexeur basé sur des résonateurs en anneau, des réseaux échelle et des AWG (arrayed waveguide grating). Pour les réseaux échelles, des performances à l'état de l'art ont été démontrées, d'une part sur un composant de 16 canaux séparés de 100GHz et d'autre part sur un composant de 4 canaux séparés de 20nm avec un profil aplati. Une méthode de simulation d'AWG a ensuite été présentée avec des résultats expérimentaux et théoriques à l'appui. La dernière partie traite des composants dits "actifs" et de l'intégration de toutes les fonctions précédentes dans des circuits photoniques intégrés. Les composants actifs étudiés sont les lasers, les Amplificateurs optiques en semi-conducteurs (SOA), les modulateurs à électro-absorption (EAM) et enfin les jonctions PN sur silicium comme modulateur de phase. Les PICs présentés sont d'abord deux générations de laser accordable intégré avec un EAM avec une transmission à 10Gbit/s sur 50km. Puis sont étudiés des modulateurs I/Q avec source laser accordable intégrée, d'une part avec des jonctions PN en silicium et d'autre part avec des EAM comme modulateurs pour des débits cibles de 25Gbaud/s.Une conclusion générale est tirée à la fin de la thèse. Des perspectives à court et moyen termes sont également tracées.

  • Titre traduit

    Hybrid III-V/Si photonic integrated circuits for optical communication applications


  • Résumé

    In order to follow the new needs in terms of optical bandwidth, optical fiber communications require the elaboration of numerous building blocks: laser, modulator, photo-detector...and their integration with signal processing circuits. This thesis has for objective the conception and caracterisation of various active and passive building blocks using the hybrid III-V/Si technology. These building blocks are then used in photonic integrated circuits (PIC) with all the necessary emission and reception functions. This enables a reduced footprint, a lower power consumption and fabrication cost.After an introduction section, several passive elements are studied in detail in the second part: waveguides, bends, power splitters, waveguide crossings and hybrid 90°. All these designs present good performances compatible with their integration in PICsThe third part treats the problem of wavelength (de)-multiplexing. Three types of device were studied: a demultiplexer based on ring resonators, echelle gratings and arrayed waveguide gratings (AWG). For the echelle gratings, state-of-the-art performances were demonstrated, first on a sample with 16 channels separated 100GHz and on the other hand a sample with 4 channels separated 20nm with a flettened profile. A simulation method for the AWG was presented with experimental and theoretical results to support the method.The last part is about "active" devices and the integration of all the previous designs in PICs. The studied active components are the lasers, semi-conductor optical amplifiers (SOA), electro-absorption modulators (EAM) and finally silicon PN junctions used as phase modulators. Two generations of a tunable laser integrated with an EAM were studied with a transmission at 10Gbit/s over 50km. The next section studied I/Q modulators with an integrated tunable laser source, using either PN silicon junction modulators or EAM with a target speed of 25Gbaud/s.A general conclusion is drawn at the end of the thesis. Short term and mid-term perspectives were also drawn.


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