Conception, fabrication et réalisation de sources lasers

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N° d’ordre 2014-50 Année 2014
Thèse
Conception, fabrication et réalisation de
sources lasers hybrides III-V sur silicium
Présentée devant
L’Ecole Centrale de Lyon et l’Université de Lyon
Pour l’obtention du grade de
Docteur
Formation doctorale :
Electronique, Micro&Nano électonique, optique et laser
École doctorale : École doctorale Electronique, Electrotechnique et Automatique
Par
Antoine Descos
(Ingénieur)
Soutenue le devant la Commission d’examen
Jury MM.
B. BEN BAKIR Encadrant de thèse (CEA/Léti)
Rapporteur A. CHANTRE Ingénieur, HDR (ST Microelectronics)
Invitée H. DEBREGEAS Ingénieure (Alcatel-Lucent)
Rapporteur D. MORINI Maitre de conférence, HDR (IEF, U. Paris Sud)
C. SEASSAL Directeur de recherche CNRS (INL)
D. VANTHOURHOUT Professeur, HDR (IMEC)
Directeur P. VIKTOROVITCH Directeur de recherche CNRS, HDR (INL)
Laboratoire de recherche : INL et CEA/Léti/Dopt/Laboratoire Composant pour la
Photonique CMOS

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Résumé
Avec le développement de l’usage d’internet et les nouveaux services tout en ligne, la
quantité de données traitée par les data-centers ne cessent de croître. Ainsi, si la mise en
parallèle de plusieurs serveurs permet de répondre à cette demande, un problème structurel
apparaît. Comme dans les supercalculateurs entre les nœuds de calculs, les données ne
circulent plus suffisamment rapidement entre les serveurs sur les câbles électriques classiques.
Pour pallier à ce goulot d’étranglement, l’utilisation de l’optique permet d’obtenir des débits
plus importants. Si les câbles actifs existants permettent une solution rapide, la photonique sur
silicium présente un avantage certain. L’intégration des composants optiques au plus près des
puces électroniques permet de réduire considérablement le chemin des interconnexions ainsi
que leurs coûts énergétiques.
Une chaine de communication optique complète nécessite différents composants. Si les
modulateurs, multiplexeurs, coupleurs fibres, démultiplexeurs et photodetecteurs ont déjà été
démontrés, les sources lasers utilisées sont toujours extérieures à la puce photonique. Il s’agit
en effet du chainon manquant dans l’intégration complète de l’optique grâce à la photonique
sur silicium. Plusieurs architectures ont déjà été proposées mais cette thèse s’appuie sur
l’intégration hybride d’un matériau III-V sur le silicium.
Le travail de cette thèse a consisté en la conception, la fabrication et la caractérisation de
sources laser hybrides III-V sur silicium et a été entièrement accompli aux CEA/LETI.
L’architecture du LETI d’un guide III-V couplé à un guide silicium a été améliorée grâce à un
critère adiabatique pour obtenir une zone active de laser efficace et robuste. Cette architecture
a été déclinée en différents types de lasers (Fabry-Pérot, DBR, racetrack et DFB). La
fabrication de ces lasers a nécessité des développements de procédés de structuration du
matériau III-V reporté sur du silicium dans les laboratoires du CEA/LETI.
Les premiers résultats ont permis la validation de l’architecture utilisée. Les lasers DBR
présentent des seuils inférieurs à 20mA et des puissances optiques maximales supérieures à
20mW dans le guide silicium. Ces lasers ont également un fonctionnement monomode avec
un SMSR de plus de 50dB. Les lasers DFB possèdent quant à eux des seuils de 30mA et des
puissances optiques maximales supérieurs à 40mW dans le guide silicium. Ils sont
monomodes avec un SMSR de 40dB. Ces résultats sont à l’état de l’art mondial sur les
sources lasers hybrides en photonique sur silicium.
Abstract
With the development of the Internet and the new cloud services, the amount of data
processed by data-centers is increasing. Though, if the paralleling of multiple server answer to
this growing quantity, a structural problem arises. As in super calculators between nodes
calculations, data are not transmitted quickly enough between servers on classical electric
cables. This bottleneck can be overcome thanks to the optic which can access greater data
rates. If existing active cables allow a quick resolution, silicon photonic has a clear benefit.
The integration of the optical components closer to the electronic chips reduces substantially
the path of interconnections and their energetic costs.
An optical transmitter and receptor need different components. If modulators,
multiplexers, fiber coupler, multiplexer and photo-detectors are already achieved, laser
sources used are still outside the photonic chip. This is the missing link for a complete optical
integration thanks to the silicon photonic. Several architectures have been proposed but this
thesis relies on hybrid integration of III-V material on silicon.
The work of this thesis consisted on the conception, the fabrication and the
characterization of hybrid III-V on Silicon laser sources and was completely done at the
CEA/LETI. The LETI architecture composed by a III-V waveguide coupled to a silicon

waveguide was improved thanks to a adiabatic criterion to obtain an efficient and robust
active area of the laser. This architecture was declined in different kinds of lasers (Fabry-
Pérot, DBR, Racetrack and DFB). The fabrication required technological development for the
structuration of the reported III-V material on silicon at the laboratories of the CEA/LETI.
The first results validates the proposed architectures. The DBR lasers have threshold of
less than 20mA and maximal optical power of more than 20mW inside the silicon waveguide.
Those lasers are monomode with a SMSR of more than 50dB. The DFB Lasers have
threshold of 30mA and maximal optical power of more than 40mW inside the silicon
waveguide. They are monomode with SMSR more than 40dB. Those results are world state-
of-the-art for hybrids laser sources in silicon photonic.

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Abréviations
AWG : Array Waveguide Grating
BCB ou DVS-BCB : divinylsiloxane benzocyclobutene : polymère utilisé pour le collage
ou l’encapsulation
BER : Bit-Error-Rate
BOX : Buried Oxide : Dans un SOI, couche d’oxyde entre le silicium apparent et le
substrat
BPM : Beam Propagation Method
CMOS : Complementary Metal Oxide Semiconductor : Technologie de fabrication de la
majorité des composants électroniques actuels.
CMP : Polissage Mechano-Chimique
DFB : Distributed Feed-Back laser
DBR : Distributed Bragg Resonator
EAM : Electro-Absorption Modulator : Modulateur à électro-absorption
FDTD : Finite Difference Time Domain
FEM : Finite Element Method
FIB : Focus Ion Beam
FTTH : Fiber To The Home : Fibre jusqu’à la maison
HF : Haute Fréquence
ICP : Inductively Couple Plasma
InP : Indium Phosphore : alliage des deux composants.
MEB : Microscopie Electronique à Balayage
OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing : Multiplexage par repartition en
fréquences orthogonales
OOK : On-Off-Keying : Codage « tout-ou-rien »
QAM 16 : Quadrature Amplitude Modulation for 16 bits : Modulation d’amplitude en
quadrature
QPSK : Quadrature Phase-shift Keying : Modulation par changement de phase en
quadrature
RIE : Reactive Ion Etching
SiN : Nitrure de silicium du type SixNy, généralement, Si3N4
SOI : Silicon-On-Insulator : Plaquette dont le substrat est en silicium superposé à un
oxyde et recouvert d’une dernière couche de silicium apparente
WDM : Wavelength Division Multiplexing : Multiplexage en longueur d’onde