Nanostructures-based 1.55 μm-emitting Vertical-(External)-Cavity Surface-Emitting Lasers for microwave photonics and coherent communications

par Salvatore Pes

Thèse de doctorat en Physique - Photonique

Sous la direction de Hervé Folliot et de Mehdi Alouini.

Soutenue le 26-09-2019

à Rennes, INSA , dans le cadre de École doctorale Matière, Molécules et Matériaux (Le Mans) , en partenariat avec Fonctions Optiques pour les Télécommunications (laboratoire) , Université Bretagne Loire (Comue) et de Institut FOTON (laboratoire) .

  • Titre traduit

    V(E)CSELs à nanostructures quantiques à 1,55 μm pour les applications à l’optique hyperfréquence et les communications cohérentes


  • Résumé

    Les travaux de thèse présentés en ce mémoire ont comme objectif principal le développement des sources lasers à semi- conducteurs en cavité verticale sur substrat InP, intègrent des régions actives à nanostructure quantiques, et émettent à des longueurs d’onde “télécom” (1550-1600 nm). Le développement d’un nouveau procédé technologique pour la réalisation de composants VCSEL compactes est détaillé. Ce procédé (nommé TSHEC) a été utilisé pour réaliser des émetteurs VCSELs en pompage optique sur plateforme hôte Si, ayant des performances très satisfaisantes. Ce même procédé a été adapté à la réalisation de VCSELs en pompage électrique, avec une étude préliminaire de la section de confinement électrique basée sur une BTJ en InGaAs, et le développement d’un nouveau jeu de masque dédié. Grace à la mise au point de la technologie des μ-cellules à cristaux liquides réalisé en partenariat avec LAAS, IMT Atlantique et C2N, on a pu adapter le procédé TSHEC pour la réalisation de dispositifs accordables. Une photodiode accordable autour de 1.55 μm a été réalisée, et des émetteurs VCSELs accordables basés sur la même technologie sont actuellement en cours de développement. Dans ces travaux on a également abordé le développement des VECSELs à base de bâtonnets quantiques InAs et émettent à 1.6 μm. Un premier dispositif a été réalisé et caractérisé en régime multimode et mono-fréquence. Finalement, la réalisation d’un banc expérimental pour la mesure directe de la constante de couplage dans des VECSELs bi-fréquence a été détaillée. Ce banc a permis de quantifier précisément le couplage existant entre deux états propres orthogonaux d’un VECSEL à puits quantiques émettent à 1.54 μm, et prochainement permettra la même étude dans des structures anisotropes, tels quels les bâtonnets quantiques ou le boites quantiques, dans le but d’investiguer l’effet de l’élargissement inhomogène présenté par ces milieux à gain en termes de couplage entre modes propres.


  • Résumé

    The work presented in this dissertation focus on the development of InP-based semiconductor vertical-cavity lasers, based on quantum nanostructures and emitting at the telecom wavelengths (1550-1600 nm). A new technological process for the realization of compact VCSELs is described. This process (named TSHEC) has been employed to realize optically-pumped VCSELs, integrated onto a host Silicon platform, with good performances. The same process has been adapted to develop an electrically-driven version of VCSELs: a preliminary study of the confinement section based on a InGaAs-BTJ is presented, together with the development of a mask set. Thanks to the development of the liquid crystals μ-cell technology (in collaboration with LAAS, IMT Atlantique et C2N), we realized a tunable photodiode at 1.55 μm, and a tunable VCSEL is currently under development. This work also presents the first realization of a 1.6 μm- emitting optically-pumped quantum dashes-based VECSELs, and its characterization in multi-mode and single-frequency regime. Finally, the realization of an experimental setup for the investigation of the coupling between two orthogonal eigenstates of a bi- frequency 1.54 μm-emitting SQW-VECSEL has been conceived and realized. This setup, which allowed the direct quantification of the coupling constant on such a device, in the near future will allow performing the same study on anisotropic structures like quantum dashes or quantum dots, with the objective of studying the inhomogeneous broadening effect observed in these gain regions.


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