Dynamic and nonlinear properties of quantum dot lasers for photonic integrated circuits on silicon

par Jianan Duan

Thèse de doctorat en Electronique et Optoélectronique, Nano et Microtechnologies

Sous la direction de Frédéric Grillot.

Le président du jury était Alexeï Baranov.

Le jury était composé de Cheng Wang, Béatrice Dagens, Johann Peter Reithmaier.

Les rapporteurs étaient Marek Osiński, Xavier Letartre.

  • Titre traduit

    Propriétés dynamiques et non linéaires des lasers à boîtes quantiques pour circuits intégrés photoniques sur silicium


  • Résumé

    La photonique sur silicium permet de palier au faible rendement et la consommation énergétique élevée des liens télécoms exploitant les câbles à paires torsadées ou les câbles coaxiaux. Cette technologie offre une versatilité exceptionnelle, de nouvelles fonctionnalités et des performances accrues pour les communications à haut-débit, les systèmes d’interconnexions optiques à courte portée et le déploiement de liaisons optiques d’une puce à une autre, d’une carte à une autre, ou d’un rack à un autre (datacom). Le silicium est un matériau semi-conducteur très efficace pour le guidage de la lumière, notamment en raison du fort contraste d’indice avec la silice. Cependant, sa bande interdite indirecte ne permet pas une émission radiative efficace. La réalisation de lasers repose donc sur des technologies hybrides de collage ou de report du matériau actif III- V (wafer-bonding, flip-chip) sur le silicium passif. Cependant, cette intégration hétérogène présente des inconvénients comme par exemple un coût élevé et une évolutivité limitée. Les lasers hybrides sur silicium sont aussi plus sensibles aux réflexions parasites provenant des transitions des différentes interfaces passives/actives. Un moyen permettant de surmonter ces inconvénients consiste à faire croître directement le matériau III-V sur le silicium. Dans ce contexte, les lasers à boîtes quantiques utilisant des atomes semi-conducteurs comme milieu de gain sont des candidats très prometteurs en raison de leur compacité, de leur grande stabilité thermique et d’une tolérance accrue aux défauts structuraux. Certaines applications comme les systèmes cohérents, les futures horloges atomiques intégrées sur puces et les radars où la sensibilité aux bruits de fréquence et d’intensité influe fortement le taux d’erreur binaire requièrent l’utilisation d’émetteurs optiques à très faible bruit. Dans une première partie, cette thèse révèle le potentiel de lasers à boîtes quantiques InAs/InP présentant une largeur de raie spectrale intrinsèque de 80 kHz et un bruit relatif d’intensité inférieur à -150 dB/Hz. A cet effet, il est montré qu’un faible couplage vertical entre les états liés est plus approprié pour une réduction du bruit d’intensité notamment grâce à la suppression du bruit de porteurs associée à l’état excité. Dans une deuxième partie, les propriétés dynamiques et non- linéaires des lasers à boîtes quantiques directement épitaxiés sur silicium sont étudiées. Comme susmentionné, les lasers intégrés de manière hétérogène sur le silicium sont plus sensibles aux réflexions parasites. Combinées à une rétroaction optique externe, la stabilité du laser peut s’en trouver fortement affectée. Sachant qu’il n’existe pas à ce jour d’isolateurs optiques intégrés sur puce ayant un taux d’isolation suffisant, le développement d’émetteurs insensibles aux rétroactions est un objectif majeur. Cette thèse présente notamment un résultat de transmission sans erreur à partir d’un laser à boîtes quantique directement épitaxié sur silicium soumis à une modulation externe à 10 Gb/s ainsi qu’à une rétroaction optique maximale de 100%. Cette insensibilité aux réflexions résulte de plusieurs propriétés remarquables comme un facteur d’élargissement spectral proche de zéro, un facteur d’amortissement élevé, un fort contraste entre les seuils d’émission des états liés, et une durée de vie des porteurs plus courte. Ces résultats permettent d’envisager le développement de futurs circuits intégrés photoniques sur silicium à haute performance et fonctionnant sans isolateur optique.


  • Résumé

    Silicon photonics have been introduced to overcome low efficiency and high energy consumption of telecom links using twisted pairs or coaxial cables. This technology provides novel functionality and high performance for applications in high speed communication systems, short reach optical interconnects, and the deployment of optical links from chipto-chip, board-to-board or rack-to-rack (datacom). Silicon is known as a very efficient semiconductor material for waveguiding light in particular owing to the strong index contrast with silica. However, the indirect bandgap of silicon makes light emission from silicon inefficient, and other techniques such as wafer- or flipchip bonding must be investigated if light emission is to be realized. The drawbacks of such heterogeneous integration concentrate on the high cost and the limited scalability. Lasers heterogeneously integrated on silicon are also more sensitive to optical reflections originating from the transition between passive/active interfaces. The best way to overcome these drawbacks is to move on to direct epitaxial growth of IIIV materials on silicon for photonics integration. In this context, quantum dot lasers using semiconductor atoms as a gain medium are ideal because they enable smaller devices, amplification with large thermal stability and high tolerance to epitaxial defects. Ultra-low noise optical transmitters are required not only for the coherent systems but also for future chipscale atomic clocks and radar related applications because of the sensitivity to the frequency noise and intensity noise can strongly affect the bit error rates. To this end, the first part of the thesis reports an intrinsic spectral linewidth as low as 80 kHz and a relative intensity noise less than - 150 dB/Hz in InAs/InP quantum dot lasers. In particular, it is shown that a small vertical coupling is more suitable for low intensity noise operation due to the suppression of the carrier noise in the excited state. The second part of the thesis investigates the dynamic and nonlinear properties of epitaxial quantum dot lasers on silicon. As mentioned above, lasers heterogeneously integrated on silicon are more sensitive to parasitic reflections. When combined with external optical feedback, the laser stability can be dramatically affected. As no on-chip optical isolators integrated with lasers and having sufficient isolation ratio exist, the development of feedback insensitive transmitters remains a major objective. This thesis presents an error-free transmission of an epitaxial quantum dot laser on silicon externally modulated at 10 Gb/s and subjected to 100% optical feedback. Such remarkable feedback insensitivity directly results from the near-zero linewidth enhancement factor, the large damping factor, the strong contrast between the ground state and excited states and a shorter carrier lifetime. These results pave the way for future high-performance photonics integrated circuits on silicon operating without optical isolators.


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