AVIS DE SOUTENANCE de Monsieur Pierre FANNEAU DE LA HORIE

L’Ecole doctorale : Ecole Doctorale de l’Institut Polytechnique de Paris

et le Laboratoire de recherche SAMOVAR – Services rĂ©partis, Architectures, ModĂ©lisation, Validation, Administration des RĂ©seaux

présentent

l’AVIS DE SOUTENANCE de Monsieur Pierre FANNEAU DE LA HORIE

AutorisĂ© Ă  prĂ©senter ses travaux en vue de l’obtention du Doctorat de l’Institut Polytechnique de Paris, prĂ©parĂ© Ă  TĂ©lĂ©com SudParis en :

Electronique et Optoélectronique

« Lasers Hétérogènes III-V/Si à Rétroaction Distribuée Avancés »

le LUNDI 4 DÉCEMBRE 2023 Ă  14h00

Ă 

Amphi 4
Institut Mines-Télécom 19 place Marguerite PEREY, 91120 Palaiseau

Membres du jury :

M. Badr-Eddine BENKELFAT, Professeur, TĂ©lĂ©com SudParis, FRANCE – Directeur de these
M. Joan RAMIREZ, IngĂ©nieur de recherche, III-V Lab, FRANCE – CoDirecteur de these
M. Abderrahim RAMDANE, Directeur de recherche, C2N (Centre de Nanosciences et Nanotechnologies) CNRS-UPSay, FRANCE – Rapporteur
M. Guang-Hua DUAN, Directeur de recherche, 3SP Technologies, FRANCE – Rapporteur
Mme Ghaya BAILI, IngĂ©nieure de recherche, Thales Research & Technologies, FRANCE – Examinateur

« Lasers Hétérogènes III-V/Si à Rétroaction Distribuée Avancés »

présenté par Monsieur Pierre FANNEAU DE LA HORIE

Résumé :

La plate-forme d’intĂ©gration III-V hĂ©tĂ©rogène sur silicium apparaĂ®t comme une solution Ă©lĂ©gante pour la co-intĂ©gration des fonctions optiques avec leurs pilotes Ă©lectroniques. L’un des principaux Ă©lĂ©ments constitutifs des rĂ©seaux de mĂ©tro et d’accès est la diode laser Ă  rĂ©troaction distribuĂ©e. La première implantation de ce composant en 1971 rĂ©vèle un rĂ©el potentiel pour les tĂ©lĂ©communications. Cependant, ce type de composant est limitĂ© en ce qui concerne l’accordabilitĂ© rapide en longueur d’onde et la largeur de raie. Dans la première partie de cette thèse nous prĂ©senterons la Croissance SĂ©lective de Zone (SAG) sur silicium greffĂ©. Il s’agit d’une technique d’Ă©pitaxie consistant en la mise en place de motifs de croissance bloquants sur la plaquette permettant des effets de diffusion crĂ©ant des variations d’Ă©paisseur qui sont directement liĂ©es Ă  la bande interdite des puits quantiques. Nous prĂ©senterons nos travaux sur le dĂ©veloppement de SAG pour l’intĂ©gration d’un rĂ©seau Ă  quatre canaux de lasers DFB modulĂ©s par Ă©lectro-absorption. Dans la deuxième et la troisième partie de cette thèse, nous prĂ©senterons deux variantes de conception pour faire face aux limites prĂ©cĂ©demment citĂ©es des lasers DFB. La deuxième partie porte sur l’Ă©tude d’un laser DFB capacitivement accordable. Dans ce composant, le guide d’ondes en silicium est dopĂ© de sorte que la structure P-Si/SiO2/N-InP forme une capacitĂ© semi-conducteur-isolant-semi-conducteur Ă  l’intĂ©rieur de la cavitĂ© laser permettant un rĂ©glage rapide, continu et Ă  faible consommation d’Ă©nergie de la frĂ©quence laser. nous dĂ©montrons un balayage de frĂ©quence continu de 10 GHz sur une Ă©chelle de temps de deux nanosecondes. La troisième partie prĂ©sente la dĂ©monstration expĂ©rimentale du verrouillage de mode dans une bande interdite III-V sur silicium DFB. Le rĂ©seau chirpĂ© forme un puits de potentiel photonique parabolique. ce type de puits prend en charge des modes hermite-gaussiens uniformĂ©ment espacĂ©s Ă  Q Ă©levĂ© qui peuvent ĂŞtre verrouillĂ©s en phase via des mĂ©canismes de verrouillage de modes. Nous prĂ©sentons les possibilitĂ©s de conception pour la variation de dimension du rĂ©seau et une caractĂ©risation du composant. Les spectres Ă©lectriques sont mesurĂ©s avec et sans signal de commande micro-onde pour stabiliser le peigne de frĂ©quences. Nous avons finalement tirĂ© des conclusions et prĂ©sentĂ© des perspectives Ă  court terme.


Abstract :

Heterogeneous III-V on silicon integration platform appears as an elegant solution for co-integration of optical functions with their electronic drivers. One of the main building block of metro and access networks is the Distributed Feedback laser diode. The first implementation of this component in 1971 reveals a real potential for telecommunications. However, this type of component is limited in regards to fast wavelength tunability and linewidth. In the first part of this thesis we will present Selective Area Growth (SAG) on bonded silicon. It is an epitaxy technique consisting in the implementation of blocking growth patterns on the wafer enabling diffusion effects creating thickness variations which is directly linked to quantum wells bandgap. we will present our work on the development of SAG for the integration of a four channel array of electro-absorption modulated DFB lasers. In the second and third part of this thesis we will present two design variations to cope with the previously cited limits of DFB Lasers. Second part is about the study of a capacitively tunable DFB lasers. In this component the silicon waveguide is doped so the P-Si/SiO2/N-InP structure forms a Semiconductor-Insulator-Semiconductor capacitance inside the laser cavity enable fast, continuous and low power consuming way to tune the lasing frequency. we demonstrate a 10 GHz continuous frequency sweep in a two nanosecond time scale. The third part presents the experimental demonstration of the mode locking in an engineered bandgap III-V on silicon DFB. The chirped grating forms a parabolic photonic potential well. this type of well supports High Q evenly spaced Hermite-Gaussian modes that can be phase locked through mode locking mechanisms. We present the design possibilities for variation of grating dimension and a characterisation of the component. The Electrical spectra is measured with and without microwave driving signal to stabilize the frequency comb. We eventually draw conclusions and present short term perspectives.