III-V Semiconductor Nanocavitieson Silicon-On-Insulator Waveguide : Laser Emission, Switching and Optical Memory
Résumé
Silicon photonics constitutes an ideal platform for conveying and routing optical signals, within a chip, and this, over mm long distances with very low losses. The integration of III-V semiconductors onto silicon-on-insulator (SOI) photonic circuits is an exciting but challenging task, which we took-up by combining the best of both III-V optoelectronic and Silicon photonic technologies. In order to be able to use optical interconnects as a replacement technology of current metallic interconnects, we strove for the smallest footprint and lowest energy consuming objects which can be Photonic Crystal nanocavities embedding III-V active material. This thesis aimed at designing, fabricating and studying experimentally hybrid III-V/SOI Photonic Circuit structures, where a III-V layer, bonded adhesively at a few 100's of nm from silicon, is patterned into a "nanobeam" cavity of optical resonance around 1.5 μm. The main achievements of this work are the demonstration of 1) an easily adjustable coupling efficiency between the cavity and the SOI waveguide, which can exceed 90% when the phase-matching condition are fulfilled, 2) the continuous wave laser emission with quantum well materials through surface passivation, and 3) an optical memory lasting more than 2 s with ultra-low switching energy (~0.4 fJ). We also present in detail the fully analytical model to fabricate high-Q factor nanobeam cavities encapsulated in a low-index material.
La photonique sur silicium constitue une plateforme idéale pour transmettre et distribuer des signaux optiques au sein d'une puce et sur de longues distances sans pertes excessives. L'intégration de semiconducteurs III-V sur des circuits photonique en silicium est un projet excitant mais ambitieux, que nous avons mené en combinant le meilleur de l'optoélectronique des semiconducteurs III-V et des technologies photonique en siliicium-sur-isolant (SOI en anglais). Afin de pouvoir remplacer les interconnexions metalliques existantes par des interconnexion optiques, nous nous sommes efforcés d'utiliser les objets ayant les dimensions les plus petites et consommant les plus petites énergies comme peuvent l'être les nanocavités en Cristaux Photoniques incorporant des matériaux actifs en III-V. Cette thèse visait à conceptualiser, fabriquer et étudier expérimentalement des structures hybrides III-V/circuit photonique SOI, où une couche de III-V, reportée par collage adhésif à quelques centaines de nm du silicium, est gravée en une cavité optique de type cristal photonique " nanobeam " et résonante autour de 1.5 μm. Les principaux résultats de ce travail sont les démonstration 1) d'une efficacité de couplage entre la cavité et le guide d'onde SOI facilement ajustable, pouvant excéder 90% lorsque les conditions d'accord de phase sont remplies, 2) de l'émission laser en régime continue avec des puits quantiques via la passivation des surfaces, et 3) d'une mémoire optique de durée supérieure à 2s avec des énergies de commutations ultrafaibles (~0.4 fJ). Nous présentons aussi un modèle pour fabriquer des cavités " nanobeam " de facteurs Q très élevés, encapsulées dans un matériau bas indice.