Effets de la dynamique et de la rétroaction optique sur les lasers à semi-conducteurs hybrides III-V/Si

Effects of dynamics and optical feedback on hybrid III-V/Si semiconductor lasers

• Auteur / Autrice : Sandra Cadavid Gomez
• Direction : Frédéric Grillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et optoélectronique
• Date : Soutenance le 04/03/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau ; 1977-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Vivien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Roncin, Ammar Sharaiha, George Fischer, Venkataraman Swaminathan, Vassilios Kovanis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Roncin, Ammar Sharaiha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommunications optiques

Mots clés libres

Circuits intégrés photoniques

Lasers à semi-conducteurs

Rétroaction optique

Hétérostructures III-V

Photonique sur silicium

Photonic integrated circuits

Semiconductor lasers

Optical feedback

Heterostructures III-V

Silicon photonics

Résumé

Les circuits intègres photoniques (PIC) sont devenus des éléments clés pour effectuer des fonctions de transmission et de réception à large bande dans les réseaux de communication optique. Cette thèse fournit des informations sur les lasers a semi-conducteurs hybrides (SCL) constitués d’une couche active de matériaux III-V sur un substrat de silicium sur isolant (SOI) pour exploser conjointement les propriétés d’émission des couches III-V et les nombreux avantages offerts par Si pour les applications sur chip. En raison des développements technologiques importants en électronique, cette approche hybride est bien positionnée pour répondre aux exigences de transmission et d’accès à courte distance à moindre cout. Cependant, plusieurs défis subsistent, comme le manque de sources lumineuses efficaces et de dispositif sans isolateur. Du point de vue de l’intégration monolithique d’une intégration hétérogène PIC, il est essential de s’assurer que les réflexions parasites qui peuvent provenir de plusieurs emplacement n’affectent pas la stabilité du laser. Plus précisément, les composants hybrides III-V sur Si semblent avoir de nombreuses sources potentielles de réflexions qui peuvent créer des centimètres de cavités externes en plus de celles naturellement produites à l’intérieur de la fibre de l’ordre de plusieurs mètres. Par conséquent, le travail présenté ici vise à comprendre le comportement des SCL III-V/Si lorsqu’ils sont soumis à une variation de réaction optique, explore les aspects fondamentaux de la dynamique chaotique et étudie les applications potentielles adaptées aux systèmes de télécommunications optiques dans une tentative de répondre aux exigences existantes en matière de haute vitesse.

Photonic Integrated Circuits (PIC) have become key elements to perform broadband transmission and reception functions in optical communication networks. This thesis provides information on hybrid semiconductor lasers (SCL) consisting of an active layer of III-V materials on a silicon-on-insulator (SOI) substrate to jointly explode the emitting properties of III-V layers and the numerous advantages offered by Si for on-chip applications. Due to the significant technological developments in electronics, this hybrid approach is well positioned to meet the high volume requirements for short distance transmission and access networks at a lower cost. However, several challengest still exist such as the lack of effective light sources and isolator-free devices. From a monolithic perspective of a PIC hetereogeneous integration, it is essential to ensure that the parasitic reflections that may stem from multiple locations do not affect the stability of the laser. Specifically, III-V hybrid components on Si appear to have many potential sources of reflections that can create centimeter external cavities in addition to those naturally produced inside the fiber in the order of several meters. Therefore, the work presented herein aims at understanding the behavior of III-V/Si SCLs when subjected to a variation of optical feedback, explores the basics aspects of chaotic dynamics, and investigates potential applications suitable for optical telecommunication systems in an attempt to meet the existing an emerging high speed requirements.