Thèse Année : 2024

Design, fabrication and characterization of microlasers for data communications

Modélisation, fabrication et caractérisation de microlasers pour les communications de données

Résumé

The exponential growth of data flows over the recent decades has increased the pressure on interconnections between computing and communication systems. In this context, silicon photonics has concentrated significant interest in transferring the benefits of photonics closer to the ASICs through on-board modules, co-packaged optics, or optical network-on-chip. However, silicon faces limitations, particularly in light emission, necessitating innovative solutions and advanced materials. Bandwidth density, energy efficiency, and high-temperature operation of optical sources are crucial for integrating photonics and electronics.In this context, we investigate III-V membrane lasers on silicon using InAs quantum dots (QDs) as the emissive material. These lasers feature a thin III-V stack, just a few hundred nanometers thick, sandwiched between low refractive index dielectric layers, allowing for high optical confinement factors while minimizing the laser volume. This results in low threshold currents, high modulation speeds, and facilitates co-integration with silicon-on-insulator (SOI) photonic circuits and standard microelectronic back-end-of-line processes.In this thesis, we simulated and designed hybrid lasers featuring a III-V membrane coupled to an SOI photonic circuit. We developed an electro-optical model of quantum dot lasers, focusing on their high-temperature behavior and the mechanisms by which the p-doping of the active region can influence it. Applying this model to InAs QD III-V membrane lasers confirms their potential for optical interconnect applications. We also proposed an integration pathway for the fabrication of these devices. Prototypes fabricated on silicon substrates confirm the feasibility of this approach and were used to demonstrate light emission in GaAs-based membrane diodes. Morphological characterizations, especially using electron microscopy, and electro-optical measurements of the fabricated components provide deeper insights into their operation.
La croissance exponentielle des flux des données au cours des dernières décennies a accentué la pression sur les interconnexions entre systèmes de calcul et de communications. Dans ce contexte, la photonique sur silicium suscite un grand intérêt pour transférer en masse les bénéfices de la photonique au plus près des ASIC, via des modules bord-de-puce, l’optique co-packagée ou des réseaux optiques sur une puce. Mais le silicium présente aussi des lacunes, notamment pour l’émission de lumière, et nécessite le recours à des solutions innovantes et matériaux avancés. En particulier, la densité de bande passante, efficacité énergétique et capacité à opérer à haute température des sources optiques sont des figures de mérite importantes pour la co-intégration de la photonique et de l’électronique.Dans ce contexte, nous nous intéressons à des microlasers à membrane III-V sur silicium utilisant des boîtes quantiques (QD) d’InAs comme matériau émissif. Ces lasers se distinguent par un empilement III-V fin (quelques centaines de nanomètres) compris entre des couches de matériaux diélectriques à faible indice de réfraction, permettant d’obtenir des confinements optiques élevés tout en minimisant le volume du laser. Cela donne accès à des courants de seuil faibles, des vitesses de modulation élevées et facilite la co-intégration avec un circuit photonique en SOI (silicium sur isolant) et avec un back-end standard de la microélectronique.Dans le cadre de cette thèse, nous avons simulé et conçu des lasers hybrides comportant une membrane III-V couplée à un circuit photonique en SOI. Un modèle électro-optique de lasers à boites quantiques a notamment été développé, mettant l’accent sur le comportement à haute température de ces lasers, et les mécanismes par lesquels il peut être influencé par un dopage p de la zone active. L’application de ce modèle à des lasers à membrane III-V comportant des QD d’InAs confirme le potentiel de ces lasers pour des applications d’interconnexions optiques. En outre, une voie d’intégration a été avancée pour la fabrication de ces dispositifs. Des prototypes fabriqués sur substrat de silicium confirment la faisabilité de cette approche et ont permis de démontrer l’émission de lumière dans des diodes à membrane à base de GaAs. Les caractérisations morphologiques (utilisant notamment la microscopie électronique) et électro-optiques des composants fabriqués permettent de mieux comprendre leur fonctionnement.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04958568 , version 1 (20-02-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04958568 , version 1

Citer

Mattéo Chobe. Design, fabrication and characterization of microlasers for data communications. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2024. English. ⟨NNT : 2024GRALT083⟩. ⟨tel-04958568⟩
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