Mémoire de thèse

N° d'ordre : 40147
UNIVERSITE LILLE 1 – SCIENCES ET TECHNOLOGIES
ECOLE DOCTORALE
SCIENCES POUR L'INGENIEUR
Mémoire de thèse
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DE LILLE
Discipline: Micro et Nano Technologies, Acoustique et Télécommunications
Présenté par
Stéphane GINESTAR
Réalisation et caractérisation d’un laser DFB bi-mode pour
applications radio sur fibre.
Soutenance du 4 décembre 2009
Rapporteurs: Jean LE BIHAN Professeur, Université Européenne de
Bretagne, Ecole Nationale d’Ingénieurs de
Brest
Abderrahim RAMDANE Directeur de recherche CNRS, Laboratoire
de Photonique et de Nanostructures
Directeur de thèse: Jean-Pierre VILCOT Directeur de recherches CNRS, Institut
d’Electronique, de Microélectronique et
de Nanotechnologie
Examinateurs: Laurent CHUSSEAU Directeur de recherches CNRS, Institut
d’électronique du Sud
Tuami LASRI Professeur, Université Lille1, Sciences et
Technologies
Frédéric VAN DIJK Ingénieur de Recherche, Alcatel-Thales
III-VLab, Palaiseau
Stéphane Ginestar, Lille 1, 2009
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"L’énumération des paramètres c’est l’agonie
de l’espérance. Rien ne peut jamais marcher
si l’on songe à tout ce qu’il faut
pour que ça marche."
Daniel Pennac,
Monsieur Malaussène
Stéphane Ginestar, Lille 1, 2009
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Remerciements
Cette thèse de doctorat a été effectuée au sein du groupe Optoélectronique de l'Institut
d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, dirigés respectivement par Monsieur
le Professeur Didier DECOSTER et par Monsieur le Professeur Alain CAPPY. Je leur exprime ma
gratitude pour m'avoir accueilli au sein du laboratoire.
Tous mes remerciements vont à Monsieur le Professeur Jean LE BIHAN, de l'Ecole
Nationale d'Ingénieurs de Brest, et à Monsieur Abderrahim RAMDANE, Directeur de Recherche
CNRS au Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, pour avoir accepté de juger ce travail
et d'en être les rapporteurs.
Merci à Monsieur Frédéric VAN DIJK, Ingénieur au sein d'Alcatel Thales III-VLab, de
m'avoir accueilli au sein de son établissement pendant de long mois, et de faire partie de ce jury.
Je tiens aussi à remercier Monsieur Laurent CHUSSEAU, Directeur de Recherche CNRS à
l'Institut d'Electronique du Sud ainsi que Monsieur le Professeur Tuami LASRI, de l'Université
Lille1 - Sciences et Technologies, d'avoir accepté de faire partie de ce jury.
Toute ma reconnaissance va à Monsieur Jean-Pierre VILCOT, Directeur de Recherche
CNRS, mon encadrant et directeur de thèse, pour son entière disponibilité, l'ensemble de ses
qualités tant scientifiques, humaines et sa constante bonne humeur.
Merci à l'ensemble des membres de l'équipe "Opto": Arnaud, Christophe, Naima, Antoine,
Marie, Michelle, Malek, Joseph, Vincent, Sophie, Dorothée, Mathieu, Cathy, Anisha, El Hadj...,
pour leurs conseils, leurs aides, leurs discussions scientifiques ou non... Merci aussi à Corinne
pour le temps passé dans son bureau pour préparer des déplacements hasardeux. Un immense
merci à l'ensemble des membres de la centrale de technologie pour l'aide qu'ils m'ont apportée,
leurs conseils.
Je tiens à remercier Alcatel-Thales III-VLab de m'avoir accueilli au sein de son
établissement pendant de longs mois au sein de l'équipe Telecom Laser de Guang-Hua Duan. Je
tiens à remercier particulièrement les technologues pour leurs conseils, aides... Merci donc à
Alain Accard, Francis Poingt, Frédéric Pommereau, Lionel Le Gouezigou, Odile Le Gouezigou,
François Lelarge, Benjamin Rousseau, Jean Landreau, Dalila Make, Alexandre Shen, Helene
Debrégeas-Sillard, Alexandre Garreau, Christophe Janny,...
Parallèlement à mon travail de recherche, il m'a également été possible d'enseigner à
l'Ecole Centrale de LILLE, à l'Ecole Polytechnique de LILLE, ainsi qu'à l'Institut Universitaire de
Technologie de Maubeuge. Je remercie les équipes pédagogiques de m'avoir fait confiance pour
assurer ces enseignements, pour l'accueil qu'elles m'ont réservé...
Et enfin merci du fond du cœur à ma famille, mes parents qui m'ont supporté au cours de
ces trois années, à mes amis : Thomas, Christophe, Patrice, Valérie, Julien, Thibault... les
membres du club d'aviron de Lille et d'Armentières, pour les sorties sur la Deule et la Lys avec de
la bonne humeur et de la joie... A mon petit chien Angenoir qui a su me faire oublier les mauvais
moments par son grain de folie et son envie de jouer à la balle.
Stéphane Ginestar, Lille 1, 2009
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Résumé:
La génération de signaux microondes, millimétriques, voire THz par voie optique est actuellement une
solution technique privilégiée pour la réalisation de systèmes de (télé)communications mobiles haut débit
mais encore, les réseaux de distribution d'oscillateurs locaux et de signaux d'observation ou de radar intra-
satellitaires, la distribution de signaux vidéo, la communication automobile, les systèmes de visualisation
THz pour la sécurité, etc…..
Nous reportons ici la réalisation et la caractérisation d'une source optique ultra-compacte en
matériau semiconducteur permettant de générer deux modes optiques séparés de la fréquence que l'on
désire créer au niveau de la photodétection. Cette source prend la forme d'un laser DFB bi-longueur d'onde
émettant dans la gamme de longueurs d'onde autour de 1,55µm. Le composant a été fabriqué chez Alcatel-
Thales III-VLab à partir d'une technologie propriétaire de laser DFB et dans le cade du projet Européen
IPHOBAC. Différents objectifs avaient été fixés pour ce composant: accordabilité de l'écartement
intermodal jusque 300 GHz, largeur de raie de l'ordre du MHz et divergence dans le plan horizontal et
vertical de 10°.
Le premier objectif a été atteint par la réalisation de deux lasers DFB dont l'écart de pas de réseau
est différent de 0,3nm et par la variation des courants d'injection de chaque section. Le second a été
globalement atteint par l'utilisation d'une structure active à puits quantiques, une nouvelle version du
composant utilisant des boites quantiques devrait remplir complètement cet objectif. Le dernier objectif a
été partiellement atteint par la conception et l'adjonction d'un adaptateur de mode en sortie de composant, la
divergence obtenue est de 10°x17° (HxV). Dans le plan vertical, les 10° de divergence n'ont pas pu être
obtenus principalement à cause de la structure du composant et des limitations que l'on s'était imposées sur
la longueur totale de celui-ci.
Mots-clefs: Systèmes de télécommunications, lasers accordables, lasers à semi conducteur, conception
technique, puits quantique, dispositifs ondes millimétriques, télécommunications optique, radio sur fibre,
source bi-mode, réseau de Bragg
Title: Fabrication and characterisation of a dual-mode DFB laser for radio over fibre applications
Summary:
Generation of microwave, millimetre-wave even THz signals by optical means is currently a
favoured technique for a lot of system applications such as: high bit-rate wireless telecommunications, local
oscillator or radar signal distribution within satellites, video signal distribution, automotive
communications, THz security systems, etc….
We report here the fabrication and the characterization of an ultra-compact optical source made of
semiconductor material. It allows generating two optical modes that are separated by the frequency that is
requested at the photodetector level. This source is composed of two DFB lasers constituting a dual-mode
laser emitting in the 1.55µm wavelength range. The device has been fabricated at Alcatel-Thales III-VLab
using a proprietary DFB technology and the work has been supported under the "IPHOBAC" European
project. Several targets were fixed for this device: tunability of intermodal spacing up to 300GHz, optical
linewidth close to the MHz as well as horizontal and vertical divergences around 10°.
The first goal has been achieved by using two DFB structures with a 0.3nm difference in the grating
pitch and tuning the drive current of each section. The second goal has been globally achieved by using a
quantum well based active layer. A new version including quantum dot based active layer should answer
positively to this target. Last objective was partially obtained by the design and the integration of a spot size
converter. The divergence has been measured as 10°x17° (HxV). Concerning the vertical divergence, the
target of 10° was not obtained mainly linked to the device structure and the limitations we fixed on the
overall length of the device.
Keywords: Telecommunication systems, tunable lasers, semiconductor laser, technical design,
quantum well, millimetre-wave components, optical telecommunications, radio over fibre, dual-
mode source, Bragg grating.
Stéphane Ginestar, Lille 1, 2009
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SOMMAIRE
Introduction 1
Chapitre 1 9
1- Génération de signaux radio-fréquences par voie optique.11
1.1 – Principe de base ..................................................................................................................11
1.2 – Techniques de génération....................................................................................................11
2 - Généralités sur les lasers accordables .................................13
2.1 - Lasers accordables à cavité externe.....................................................................................13
2.2 - Lasers accordables intégrés .................................................................................................15
2.2.1 - Les lasers émettant verticalement (VCSEL).................................................................15
2.2.2 - Les lasers émettant par la tranche (DFB, DBR)...........................................................16
2.2.2.1 Longueur d'onde d'émission.....................................................................................17
2.2.2.2 Le laser à rétroaction distribuée (DFB)....................................................................18
2.2.2.3 Le laser à réflecteur de Bragg distribué (DBR) .......................................................19
2.2.2.4 Les lasers bi-modes accordables..............................................................................19
3 – Solution développée ..............................................................21
Bibliographie du Chapitre 1 ......................................................22
Chapitre 2 27
1 - Introduction ...........................................................................29
2 - Dimensionnement du réseau ................................................29
2.1 - Le pas du réseau...................................................................................................................30
2.2 - Le coefficient de couplage k................................................................................................32
3 - Fabrication des réseaux de Bragg........................................32
3.1 - Lithographie holographique (par interférences)..................................................................33
3.1.1 - Principe.........................................................................................................................33
3.1.2 - Fabrication....................................................................................................................34
3.2 - Lithographie électronique....................................................................................................37
3.2.1 - Procédé utilisant un masque diélectrique .....................................................................37
3.2.2 - Procédé utilisant un masque de résine électronique PMMA........................................41
3.2.3 - Procédé utilisant un masque de résine électronique de type HSQ................................44
3.2.3.1 La résine Hydrogène SilsesQuioxane (HSQ)...........................................................44
3.2.3.2 - Gravure RIE des réseaux réalisés avec un masque de résine électronique HSQ...46
3.2.3.3 - Gravure ICP-RIE des réseaux réalisés avec un masque de résine électronique HSQ
..............................................................................................................................................48
4 - Conclusion..............................................................................50
Bibliographie du Chapitre 2 ......................................................52
Stéphane Ginestar, Lille 1, 2009
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