Integration of mid-infrared lasers on silicon photonic integrated circuits
Intégration de laser moyen infra-rouge sur circuit photonique silicium
Résumé
Silicon (Si) photonics has emerged as one of the most promising technologies for the realization of ultra-dense photonic chips thanks to the mature Si industry, the large wafer size and the optical properties of Si and related materials. One of the major remaining challenges is the integration of high-performance light sources on Si. In particular, III-V semiconductor lasers are very efficient and their monolithic integration on Si, i.e. direct integration via epitaxy, is considered the most promising route to low-cost and large-scale fabrication of Si photonic chips. Among the various applications of Si photonics, optical sensing in the mid-IR is in high demand for societal, environmental or medical applications, among others. GaSb-based lasers have emerged as a technology capable of covering the mid-IR wavelength range. Therefore, the objective of my thesis is to integrate GaSb-based diode lasers on Si photonic integrated circuits (PICs). To this aim, I first investigated the degradation of laser performance caused by threading dislocations arising from the III-V-on-Si epitaxial growth. I then demonstrated the fabrication of these lasers on a Si PIC with similar performance to that of discrete lasers on Si. In addition, light coupling between the lasers and SiN-based waveguides was demonstrated. Finally, I investigated alternative approaches to increase the coupling efficiency. I developed the fabrication process of a new promising approach which paves the way for further investigations aimed at achieving high coupling efficiencies. Altogether, these results represent a significant step towards the monolithic integration of lasers on Si PICs for cost-effective and compact mid-IR sensors.
La photonique silicium (Si) est apparue comme l'une des technologies les plus prometteuses pour réaliser des puces photoniques ultra-denses, grâce à la maturité de l'industrie du Si, à la grande taille des wafers et aux propriétés optiques du Si et des matériaux connexes. L'un des principaux défis qui restent à relever est l'intégration de sources lasers à haute performance sur Si. En particulier, les lasers à semi-conducteurs III-V sont très efficaces et leur intégration monolithique sur Si, c'est-à-dire l'intégration directe par épitaxie, est considérée comme la voie la plus prometteuse vers la fabrication de puces photoniques Si à faible coût et à grande échelle. Parmi les diverses applications de la photonique Si, la détection optique dans le moyen infrarouge est très demandée pour des applications sociétales, environnementales ou médicales, entre autres. Les lasers à base de GaSb sont apparus comme une technologie capable de couvrir la gamme du moyen infrarouge. L'objectif de ma thèse est l'intégration diode lasers à base de GaSb sur des circuits photoniques intégrés Si (PIC). A cette fin, j'ai d'abord étudié la dégradation de la performance du laser causée par des dislocations provenant de la croissance épitaxiale III-V-sur-Si. Ensuite, j'ai démontré la fabrication de ces lasers sur un PIC Si avec des performances similaires à celles des lasers discrets sur Si. En outre, le couplage de lumière entre les lasers et des guides d'ondes à base de SiN a été démontré. Enfin, j'ai étudié des nouvelles approches pour augmenter l'efficacité du couplage. J'ai développé le process de fabrication d'une nouvelle approche prometteuse qui ouvre la voie à d'autres recherches visant à atteindre des efficacités de couplage élevées. Dans l'ensemble, ces résultats représentent une étape importante vers l'intégration monolithique de lasers sur des PICs Si pour des capteurs dans le moyen infrarouge compacts et économiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)