Circuits photoniques intégrés incluant des lasers hybrides III-V sur silicium pour applications en télécommunication très haut débit

Photonic Integrated Circuits including hybrid III-V on Silicon lasers for very high-speed telecommunication applications

• Auteur / Autrice : Guillaume Levaufre
• Direction : Laurent Vivien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique et optoélectronique, nano- et microtechnologies
• Date : Soutenance le 03/10/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Abderrahim Ramdane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Vivien, Abderrahim Ramdane, Christian Seassal, Olivier Gauthier-Lafaye, Guang-Hua Duan, Christophe Jany, Christophe Peucheret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Seassal, Olivier Gauthier-Lafaye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommunications optiques

Optoélectronique

Photonique

Mots clés libres

Circuits Photoniques Intégrés

Lasers hybrides

III-V sur Silicium

Telecommunications

Ngpon2

Transmetteur

Photonic Integrated Circuits

Hybrid lasers

III-V on Silicon

Telecommunications

Ngpon2

Transceiver

Résumé

Les travaux de cette thèse portent sur le développement des Circuits Photoniques Intégrés issus de la plateforme d’intégration hétérogène de matériaux III-V sur silicium. Les avantages proposés par cette approche, dans laquelle le gain optique des matériaux III-V se marie aux faibles pertes de propagation des guides d’onde silicium, sont notamment les coûts réduits de fabrication, un haut degré de compacité, et une grande flexibilité dans les fonctionnalités réalisables. Dès lors, notre approche est basée sur l’exploitation de cette technologie pour la réalisation de dispositifs hybrides d’émission laser adressant les objectifs de performance à débits élevés des nouveaux réseaux de télécommunication à fibres optiques. Nous rappelons tout d’abord les transformations récentes amorcées dans les réseaux de télécommunication en vue de répondre à l’accroissement du trafic mondial de données, et présentons alors deux solutions techniques étudiées durant cette thèse. En premier lieu, nous détaillons l’architecture et les éléments de conception d’un émetteur à multiplexage en longueur d’onde (WDM) à 4 longueurs d’onde DFB et 4 Modulateurs à Electro-absorption intégrés dans un circuit photonique hybride III-V sur silicium. Ce circuit est destiné aux transmissions courtes distances (<2km) à 100Gb/s au sein des centres de données (datacenter). Nous avons plus particulièrement étudié l’optimisation de la transition modale entre la section de gain III-V de la cavité laser et le circuit passif de propagation en silicium, que ce soit pour des structures à base de puits ou de boîtes quantiques. L’emploi de ces architectures pour la conception de dispositif à N sources DFB, directement modulées, et à gestion du chirp intégrée, a également été abordé. Nous présentons alors les résultats des caractérisations statiques et dynamiques de ces sources lasers à 1,3µm ainsi que des modulateurs à électro-absorption (MEA) modulés jusqu’à 32Gb /s, et discutons des améliorations structurales que nous avons apportées en vue de renforcer les performances globales du dispositif. La seconde solution approfondie durant cette thèse porte sur les sources lasers accordables intégrant des résonateurs en anneaux, centrées à 1,55µm et directement modulables, en vue d’un déploiement au sein de la nouvelle génération de réseaux optiques passifs d’accès (NG-PON2). Après l’étude de la structure de ces composants, nos travaux sur les problématiques du comportement thermique, ainsi que sur la caractérisation des fonctionnalités d’accord en longueur d’onde et du comportement dynamique de ces cavités hybrides, sont développés. Ainsi, nous rapportons les performances d’un dispositif en boitier de démonstration que ces travaux ont permis de réaliser, pour des transmissions à 10Gbit/s en modulation directe jusqu’à 40km. Enfin, cette thèse s’achève par une conclusion générale et propose un aperçu des possibilités, à court et moyen termes, ouvertes par ces recherches.

The work conducted in this thesis focuses on the development of Photonic Integrated Circuits based on the technological platform of heterogeneous integration of III-V materials on silicon. The benefits brought by this approach, in which the optical gain from III-V materials is coupled with the low propagation losses of silicon waveguide, are in particular a low manufacturing cost, high compacity and scalabity, and a wide range of achievable functionalities. In this way, we aim to exploit this technology to develop hybrid laser devices which meet the performance objectives of high-bit-rate optical fiber transmission networks. From the recent transformations initiated in transmission networks to face the data global traffic increase, two technical solutions have been investigated during this thesis. First, we detail the architecture and the design elements of a WDM emitter with 4 DFB lasers and 4 Electro-Absorption Modulators integrated in a III-V on silicon hybrid Photonic Circuit. This circuit addresses short-distances 100Gb/s transmissions challenges (<2km) in datacenters applications. We specifically studied the optimization of modal transition from the III-V on silicon optical gain section of the laser cavity to the passive silicon circuit, for both quantum wells and quantum dots structure. The use of this architecture for the design of devices including N directly modulated DFB sources with integrated chirp management is also introduced. Static and dynamic characterization results of this laser source emitting at 1,3µm as well as the electro-absorption behavior at modulation rate up to 32Gb/s is reported . The improvement routes of the structure are also discussed to enhance device global performances. The second solution studied in this thesis is a directly modulated tunable laser source, emitting around 1.55µm with integrated ring resonators, for the deployment in the Next-Generation Passive Optical access Networks (NG-PON2). After the description of the structure, thermal problematic, wavelength tunability, and dynamic behavior of these hybrid cavities are presented. Finally, we report the performances of a packaged device for direct modulation transmissions at 10Gb/s over 40km. The thesis ends up with general conclusions, and provides an overview of the short and medium terms possibilities offered by this research.