Réalisation de sources laser III-V sur silicium

Sous la direction de Pierre Viktorovitch
Thèse soutenue le 19 janvier 2011: Ecole centrale de Lyon
Le substrat SOI (Silicon-On-Insulator) constitue aujourd’hui le support de choix pour la fabrication de fonctions optiques compactes. Cette plateforme commune avec la micro-électronique favorise l’intégration de circuits photoniques avec des circuits CMOS. Néanmoins, si le silicium peut être utilisé de manière très avantageuse pour la fabrication de composants optiques passifs, il présente l’inconvénient d’être un très mauvais émetteur de lumière. Ceci constitue un obstacle majeur au développement de sources d’émission laser, briques de constructions indispensables à la fabrication d’un circuit photonique. La solution exploitée dans le cadre de cette thèse consiste à reporter sur SOI des épitaxies laser III-V par collage direct SiO2-SiO2. L’objectif est de réaliser sur SOI des sources lasers à cavité horizontale permettant d’injecter au moins 1mW de puissance dans un guide d’onde silicium inclus dans le SOI. Notre démarche est de transférer un maximum des fonctions du laser vers le silicium, dont les procédés sont familiers au monde de la micro-électronique. Dans l’idéal, le III-V ne devrait être utilisé que comme matériau à gain ; la cavité laser pouvant être fabriquée dans le silicium. Mais cette ligne de conduite n’est pas forcément aisée à mettre en œuvre. En effet, les photons sont produits dans le III-V mais doivent être injectés dans un guide silicium placé sous l’épitaxie. La difficulté est que les deux matériaux sont séparés par plus d’une centaine de nanomètres d’oxyde de collage faisant obstacle au transfert de photons. Le développement de lasers III-V couplés à un guide d’onde SOI demande alors de nouvelles conceptions du système laser dans son ensemble. Notre travail a donc consisté à concevoir un laser hybride III-IV / silicium se pliant aux contraintes technologiques du collage. En s’appuyant sur la théorie des modes couplés et les concepts des cristaux photoniques, nous avons imaginé, réalisé, puis caractérisé un laser à contre-réaction distribuée hybride (en anglais : « distributed feedback laser », laser DFB). Son fonctionnement optique original, permet à la fois un maximum de gain et d’efficacité de couplage grâce à une circulation en boucle des photons du guide III-V au guide SOI. Sur ces dispositifs, nous montrons une émission laser monomode (SMSR de 35 dB) à température ambiante en pompage optique et électrique pulsé. Comme attendu, la longueur d’onde d’émission est dépendante du pas de réseau DFB. Les lasers fonctionnent avec une épaisseur de collage de silice de 200 nm, ce qui offre une grande souplesse quant au procédé d’intégration. Tous les lasers fonctionnent jusqu’à des longueurs de 150 μm (la plus petite longueur prévue sur le masque). Malgré les faibles niveaux de puissances récoltés dans la fibre lors des caractérisations, la prise en compte des pertes optiques induites pas les coupleurs fibres nous indique que la puissance réellement injectée dans le guide silicium dépasse le milliwatt. Notre objectif de ce point de vue est donc rempli. Malheureusement le fonctionnement des lasers en injection électrique continue n’a pas pu être obtenu dans les délais impartis. Cependant, les faibles densités de courant de seuil mesurées en injection pulsée (300A / cm2 à température ambiante sur les lasers de 550 μm de long) laissent présager un fonctionnement prochain en courant continu.
-Source laser III-V
-Substrat SOI
-Silicium
-Circuits photoniques
-Circuits CMOS
-Laser DFB
Silicon-On-Insulator (SOI) is today the utmost platform for the fabrication of compact optical functions. This common platform with microelectronics favors the integration of photonic circuits with CMOS circuits. Nevertheless, if silicon allows for the fabrication of compact passive photonic functions, its poor light emission properties constitute a major obstacle to the development of an integrated laser source. The solution used within the framework of this thesis consists in integrating III-IV laser stacks on 200 mm SOI wafers by the mean of SiO2-SiO2 direct bonding. The aim of this work is to demonstrate a III-V on SOI laser that couples at least 1mW to a silicon waveguide. Our approach is to transfer a maximum of the laser complexity to the silicon, which processes are familiar to microelectronics. Ideally, III-V should be just used as a gain material ; the laser cavity being made out of silicon. However, this approach is not so easy to put into practice. Indeed, photons are generated by the III-V waveguide but have to be transferred into the silicon waveguide located under the stack. The difficulty is that both waveguides are separated by a low index bonding layer, which thickness ranges from one hundred to several hundreds of nanometres. The development of a III-V on SOI laser then requires a new thinking of the whole laser system. Therefore, our work has consisted in designing a III-V on silicon hybrid laser that takes into consideration the specific constraints of the integration technology. Based on the coupled mode theory and on the photonic crystals concepts, we have designed, fabricated and characterized an hybrid Distributed Feedback Laser (DFB). Its original work principle allows for both a high amount of gain and coupling efficiency, thanks to a continuous circulation of photons from the III-V to the SOI waveguide. On these devices, we show a monomode laser emission at room temperature (with a side mode suppression ratio of 35dB) under pulsed optical and electrical pumping. As expected, the lasing wavelength is function of the DFB grating pitch. The lasers work with a bonding layer as thick as 200nm, that greatly relaxes the constraints of the bonding technology. Lasers work down to a minimum length of 150 μm, which is the shortest laser lenght of the mask. Despite the low power levels collected by the fibre during the characterizations, accounting for the high optical losses due to the fiber couplers, the optical power effectively injected to the silicon waveguide should be in the miliwatt range. Unfortunately, the low threshold current densities measured under pulsed operation (300 A / cm2 at room temperature) suggest that the continuous-wave regime should be reached in a very near future.
-III-IV laser stacks
-Silicon-On-Insulator (SOI)
-Silicon waveguide
-Photonic circuits
-CMOS circuits
-Distributed Feedback Laser (DFB)
Source: http://www.theses.fr/2011ECDL0001/document