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On the one hand, Graded Photonic Crystals (GPC) allow to efficiently control the flow of light thanks to the shape of their photonic bands, which we verified by demonstrating a “photonic mirage” at wavelength scale. On the other hand, GRaded INdex (GRIN) optics is undergoing a renewal because it allows downsizing optical systems, opening a new way to optical design. But GRIN optics was limited by a lack of easy to implement fabrication techniques. Nanotechnology enables to efficiently fabricate photonic crystals, which we will implement to fabricate GPC for GRIN optics. The main purpose of this Ph.D. topic is to explore graded photonic crystals and related gradient index optics in the near-infrared domain for applications on Silicon On Insulator (SOI) platforms. Gradient photonic crystals in the microwave band have been investigated by previous Ph.D. students in our group. This work then attempts to extend the application to the near-infrared field. According to the theory of subwavelength electromagnetism, the size of the device should be of the same order of magnitude as the operating wavelength. Thus, unlike the previous microwave field, a big challenge in the NIR field is the fabrication and characterization of the corresponding devices. A significant part of this work is focused on the fabrication and characterization process of gradient photonic crystals in the NIR field. We focus on nano-fabrication technology as well as SNOM characterization. SOI was chosen as the processing platform for this work, considering the good compatibility of the silicon-based platform with photonic devices and its ability to integrate well with nanofabrication techniques. In addition, another emphasized aspect of this work is to explore the effect of the variation of the photonic crystal parameters on its effective refractive index. Thus, the case of normalized frequencies in different photonic crystal energy bands is also a direction of the investigation. We attempt to manipulate the effective refractive index (even negative refractive index) of photonic crystals by changing their parameters. Experimental demonstration of negative refractive index gradient photonic crystal lens and related gradient photonic crystal devices will be highlighted. In summary, we have designed, fabricated and characterized gradient photonic crystal lens in the near-infrared domain., D'une part, les cristaux photoniques à gradient permettent de contrôler la propagation du champ électromagnétique grâce à la courbure de leur structure de bandes, ce que nous avons vérifié en démontrant un 'mirage photonique'. D'autre part, l'optique à gradient d'indice connaît un renouveau parce qu'elle offre de nouvelles possibilités pour la conception optique, notamment elle permet de miniaturiser les systèmes optiques. Les nanotechnologies permettent de fabriquer efficacement des cristaux photoniques ; nous les mettrons en œuvre pour fabriquer des cristaux photoniques à gradient. L'objectif principal de ce sujet de doctorat est d'explorer les cristaux photoniques à gradient et les optiques à gradient d'indice connexes dans le domaine du proche infrarouge pour des applications sur des plates-formes de silicium sur isolant (SOI). Les cristaux photoniques à gradient dans la bande des micro-ondes ont été étudiés par les précédents doctorants de notre groupe. Ce travail tente ensuite d'étendre l'application au domaine du proche infrarouge. Selon la théorie de l'électromagnétisme sub-longueur d'onde, la taille du dispositif doit être du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de fonctionnement. Ainsi, contrairement au domaine précédent des micro-ondes, un grand défi dans le domaine du NIR est la fabrication et la caractérisation des dispositifs correspondants. Une partie importante de ce travail se concentre sur le processus de fabrication et de caractérisation des cristaux photoniques à gradient dans le domaine du proche infrarouge. Nous nous concentrons sur la technologie de nanofabrication ainsi que sur la caractérisation du SNOM. Le SOI a été choisi comme plateforme de traitement pour ce travail, compte tenu de la bonne compatibilité de la plateforme à base de silicium avec les dispositifs photoniques et de sa capacité à bien s'intégrer aux techniques de nanofabrication. De plus, un autre aspect mis en avant dans ce travail est d'explorer l'effet de la variation des paramètres du cristal photonique sur son indice de réfraction effectif. Ainsi, le cas des fréquences normalisées dans différentes bandes d'énergie de cristaux photoniques est également une direction d'investigation. Nous tentons de manipuler l'indice de réfraction effectif (voire l'indice de réfraction négatif) des cristaux photoniques en modifiant leurs paramètres. La démonstration expérimentale d'une lentille en cristal photonique à gradient d'indice de réfraction négatif et de dispositifs en cristal photonique à gradient connexes sera mise en évidence. En résumé, nous avons conçu, fabriqué et caractérisé une lentille à gradient de cristaux photoniques dans le domaine du proche infrarouge.

Optical telecommunications currently cover a significant part in the digital data exchanges. The increasing rate of the exchanged data is pushing to the continuous improvement of involved technologies. Silicon photonics is a part of this development and aims to closely co-integrate optical and electronic components, using optoelectronics components as interfaces. This thesis is part of this theme and more particularly in the context of the characterization PIC25G technology developed by STMicroelectronics. It aims to bring optical connections directly to the servers of internet data centers in order to increase the overall data exchange performances.Like all technologies, it is necessary to perform a continuous monitoring of its performances through electrical and, here, optical characterization. But it is also important to be able to assess as accurately as possible the lifetime of these components under nominal conditions. A reliability study of silicon photonics components was therefore essential for STMicroelectronics. However, very few studies have been done on this topic. The objective of this thesis is to present the study of the reliability of the optoelectronic components used in telecommunications applications.This manuscript is organized into three main parts. The first will present in detail the context of this study, its challenges, and the objectives we set. A second part will be dedicated to the installation of an optoelectronic characterization bench and its validation, then will present the first tests performed on packaged components. The third chapter will present the different characterizations performed on photodetectors of PIC25G technology, we will show how the degradation of the performances observed during stress tests can be explained by a physical model that we will detail and validate. Finally, the perspectives opened by this work will be addressed in the more general context of the reliability of optoelectronic devices and integrated photonics., Les télécommunications par voie optique recouvrent de nos jours une part majoritaire dans l’échange des données numériques. L’augmentation des débits et des volumes de données échangées poussent à l’amélioration constantes des technologies qui les sous-tendent. La photonique sur silicium s’inscrit dans ce développement et vise à co-intégrer aux plus près les composants optiques et les composants électroniques en utilisant comme interface les composants optoélectroniques. Cette thèse s’inscrit dans cette thématique et plus particulièrement dans le cadre de la caractérisation de la technologie PIC25G développée par STMicroelectronics. Cette dernière a pour objectif de pouvoir amener les connexions optiques directement sur les serveurs des centres de données internet, pour ainsi augmenter les performances globales de l’échange des données.Comme toutes technologies, il est nécessaire de mener un suivi continu de ses performances par de la caractérisation électrique et, ici, optique. Mais il est aussi crucial de pouvoir évaluer le plus précisément possible la durée de fonctionnement de ces composants dans des conditions nominales. Une étude de fiabilité des composants de la photonique sur silicium était donc indispensable pour STMicroelectronics. Cependant, très peu d’études ont été menées sur ce sujet. L’objectif de cette étude est de présenter l’étude de la fiabilité des composants optoélectroniques visant les applications de télécommunication.Ce manuscrit est organisé en trois parties principales. La première d’entre elles présentera de façon détaillée le contexte de cette étude, ses enjeux ainsi que les objectifs que nous nous fixons. Une deuxième partie sera consacrée à la mise en place d’un banc de caractérisation optoélectronique, à sa validation, puis présentera les premiers tests réalisés sur des composants mis en boitier. Le troisième chapitre regroupera quant à lui les différentes caractérisations effectuées sur des photodétecteurs de la technologie PIC25G, nous y montrerons comment les dégradations de performance observées lors de tests de stress réalisés peuvent être expliquées par un modèle physique que nous détaillerons et validerons. Finalement, les perspectives ouvertes par ces travaux seront abordées non seulement par rapport à la problématique de STMicroelectronics mais aussi dans le cadre plus général de la fiabilité des dispositifs optoélectroniques et photoniques intégrés.

Silicon photonics is promising for high-speed communication systems, short-reach optical interconnects, and quantum technologies. Direct epitaxial growth of III-V materials on silicon is also an ideal solution for the next generation of photonic integrated circuits (PICs). In this context, quantum-dots (QD) lasers with atom-like density of states are promising to serve as the on-chip laser sources, owing to their high thermal stability and strong tolerance for the defects that arise during the epitaxial growth. The purpose of this dissertation is to investigate the nonlinear properties and dynamics of QD lasers on Si for PIC applications. The first part of this thesis investigates the dynamics of epitaxial QD lasers on Si subject to external optical feedback (EOF). In the short-cavity regime, the QD laser exhibits strong robustness against parasitic reflections hence giving further insights for developing isolator-free PICs. In particular, a near-zero linewidth enhancement factor is crucial to achieve this goal. The second part is devoted to studying the static properties and dynamics of a single-frequency QD distributed feedback (DFB) laser for uncooled and isolator-free applications. The design of a temperature-controlled mismatch between the optical gain peak and the DFB wavelength contributes to improving the laser performance with the increase of temperature. The third part of this dissertation investigates the QD-based optical frequency comb (OFC). External control techniques including EOF and optical injection are used to optimize the noise properties, reduce the timing-jitter, and increase the frequency comb bandwidth. In the last part, an investigation of the optical nonlinearities of the QD laser on Si is carried out by the four-wave mixing (FWM) effect. This study demonstrates that the FWM efficiency of QD laser is more than one order of magnitude higher than that of a commercial quantum-well laser, which gives insights for developing self-mode-locked OFCs based on QD. All these results allow for a better understanding of the nonlinear dynamics of QD lasers and pave the way for developing high-performance classical and quantum PICs on Si., La photonique sur silicium est une technologie prometteuse pour les systèmes de communication à haut débit, les interconnexions optiques à courte portée et pour le déploiement des technologies quantiques. La croissance de matériaux III-V sur silicium constitue également une solution idéale pour la prochaine génération de circuits photoniques intégrés (PIC). Dans ce contexte, les lasers à îlots quantiques (QD) utilisant des atomes semi-conducteurs comme milieu de gain sont des candidats très prometteurs en raison de leur compacité, de leur grande stabilité thermique et d’une tolérance accrue aux défauts structuraux. L'objectif de cette thèse est d'étudier les propriétés non-linéaires et les dynamiques des lasers QD sur Si en vue des applications susmentionnées. La première partie se polarise sur les lasers QD directement épitaxiés sur Si en présence de contre-réaction optique (EOF). Dans le régime de cavité courte, les résultats rapportent des tolérances élevées aux réflexions parasites ce qui rend possible l’intégration de ces sources sur des PIC dépourvus d’isolateur optique. Par ailleurs, la réduction du facteur d’élargissement spectral est un déterminant fondamental permettant d'atteindre cet objectif. La deuxième partie analyse les propriétés statiques et dynamiques d'un laser QD à rétroaction optique distribuée (DFB) pour des applications sans isolateur et sans Peltier. Pour ce faire, la conception du laser intègre un désaccord entre le pic de gain et le pic d’émission DFB contrôlable par la variation de température. Par conséquent, les performances du laser sont substantiellement améliorées avec l'augmentation de la température. La troisième partie du manuscrit aborde les lasers QD sur Si pour la génération de peigne de fréquences optiques (OFC). Les techniques de contrôles externes comme la contre-réaction et l'injection optique sont utilisées pour régénérer les performances notamment le bruit de phase, la gigue temporelle et la bande passante d'émission du peigne. La dernière partie s'articule autour des non-linéarités optiques dans les lasers QD sur Si notamment sous l'angle du mélange à quatre ondes (FWM). L'étude montre que l'efficacité FWM du laser QD est supérieure de plus d'un ordre de grandeur à celle d'un laser à puits quantiques prouvant ainsi que les milieux QD sont très efficaces pour obtenir des peignes de fréquence de grande qualité et de l’auto blocage de mode. Ce travail démontre l'importance des solutions lasers QD en particulier pour les technologies photoniques intégrées sur Si.

High performance accelerometers are required in many different domains as sophisticated navigation control systems, research or consumer electronics.A variety of transduction mechanisms has been used to sense the acceleration: capacitive, piezoresistive, thermal... Optomechanical transduction is a promising avenue to realize accelerometers with extremely sensitive readout of mechanical motion with high bandwidth. This also has the advantage of being immune to electromagnetic interferences contrary to the traditional transduction methods.In this work, an optomechanical accelerometer is presented which employs Whispering Gallery Modes disk or ring resonator as displacement sensor. The motion of an inertial mass detunes the resonant cavity and thus modulates the optical power at the output of the sensor.The designs and technological developments of three optomechanical accelerometers are described. We present also the optical and mechanical sensor characterisations. The aim of the thesis is to evaluate the potential of an optomechanical approach for high performance accelerometers., De nombreux domaines requièrent des accéléromètres à très hautes performances, que ce soit pour des systèmes de navigation ou le marché de l'électronique ou encore dans le domaine de la recherche.Beaucoup de méthodes différentes ont été utilisées pour mesurer une accélération comme les accéléromètres capacitifs, piezorésitifs ou encore thermiques. Cependant la transduction optomécanique semble pouvoir apporter de nouveaux avantages en comparaison des méthodes traditionnelles. En effet, l'optomécanique permet de détecter des déplacements mécaniques extrêmement petits et donc d'obtenir des résolutions très importantes tout en gardant une bande passante intéressante. Les capteurs optomécaniques contrairement aux capteurs basés sur d'autres méthodes, peuvent être utilisés dans des environnements non protégés des ondes électromagnétiques.Dans le cadre de ce travail, nous présentons un accéléromètre optomécanique avec une cavité optique résonante à Whispering Gallery Modes pour détecter le mouvement d'une masse inertielle. Le mouvement de cette dernière modifie les conditions de résonance de la cavité ce qui conduit à une modulation de la puissance optique en sortie du capteur. Trois différents modèles d'accéléromètres optomécaniques seront détaillés ainsi que leur développement technologique. Nous présenterons également leurs caractérisations optiques et mécaniques.Finalement ces travaux de recherche permettent d'évaluer le potentiel d'une approche optomécanique pour la conception d'accéléromètres à hautes performances.

Photonic Integrated Circuits (PIC) have become key elements to perform broadband transmission and reception functions in optical communication networks. This thesis provides information on hybrid semiconductor lasers (SCL) consisting of an active layer of III-V materials on a silicon-on-insulator (SOI) substrate to jointly explode the emitting properties of III-V layers and the numerous advantages offered by Si for on-chip applications. Due to the significant technological developments in electronics, this hybrid approach is well positioned to meet the high volume requirements for short distance transmission and access networks at a lower cost. However, several challengest still exist such as the lack of effective light sources and isolator-free devices. From a monolithic perspective of a PIC hetereogeneous integration, it is essential to ensure that the parasitic reflections that may stem from multiple locations do not affect the stability of the laser. Specifically, III-V hybrid components on Si appear to have many potential sources of reflections that can create centimeter external cavities in addition to those naturally produced inside the fiber in the order of several meters. Therefore, the work presented herein aims at understanding the behavior of III-V/Si SCLs when subjected to a variation of optical feedback, explores the basics aspects of chaotic dynamics, and investigates potential applications suitable for optical telecommunication systems in an attempt to meet the existing an emerging high speed requirements., Les circuits intègres photoniques (PIC) sont devenus des éléments clés pour effectuer des fonctions de transmission et de réception à large bande dans les réseaux de communication optique. Cette thèse fournit des informations sur les lasers a semi-conducteurs hybrides (SCL) constitués d’une couche active de matériaux III-V sur un substrat de silicium sur isolant (SOI) pour exploser conjointement les propriétés d’émission des couches III-V et les nombreux avantages offerts par Si pour les applications sur chip. En raison des développements technologiques importants en électronique, cette approche hybride est bien positionnée pour répondre aux exigences de transmission et d’accès à courte distance à moindre cout. Cependant, plusieurs défis subsistent, comme le manque de sources lumineuses efficaces et de dispositif sans isolateur. Du point de vue de l’intégration monolithique d’une intégration hétérogène PIC, il est essential de s’assurer que les réflexions parasites qui peuvent provenir de plusieurs emplacement n’affectent pas la stabilité du laser. Plus précisément, les composants hybrides III-V sur Si semblent avoir de nombreuses sources potentielles de réflexions qui peuvent créer des centimètres de cavités externes en plus de celles naturellement produites à l’intérieur de la fibre de l’ordre de plusieurs mètres. Par conséquent, le travail présenté ici vise à comprendre le comportement des SCL III-V/Si lorsqu’ils sont soumis à une variation de réaction optique, explore les aspects fondamentaux de la dynamique chaotique et étudie les applications potentielles adaptées aux systèmes de télécommunications optiques dans une tentative de répondre aux exigences existantes en matière de haute vitesse.

Photonic technologies hold the potential to replace electronic technologies in near futureby solving most of the drawbacks of the electronic circuits. Generation andmanipulation of photons in an integrated waveguide-based platform are preferredover bulk-optical components, mainly due to their compactness, stability, scalability,connectivity, reproducibility, and low power consumptions. Sophisticated fabricationtechniques have enabled to design low-loss intricate planar and non-planararchitectures consisting of several twists and turns. Optical directional couplers(DCs), polarization beam splitters (PBSs), microring resonators (MRRs), etc. aresome of the indispensable components of the photonic circuits having a plethoraof applications in the linear, nonlinear, and quantum optical applications. Silicon(Si) has been the preferred material to design the photonic components due to thehigh refractive-index, low-loss, low-cost, and high nonlinearity.A corpus of works has been done to shrink the overall device footprint duringthe last few decades. At the beginning of the dissertation, a novel scheme tominiaturize the existing designs of optical DCs and PBSs based on off-centered,asymmetric, and hybrid dielectric slot waveguides is discussed. Slot dimensionsand positions are optimized to achieve maximum coupling coefficient (> 88% enhancement)between two adjacent silicon wire-waveguides. The scheme leads tothe device-length of 0.9 um, and 1.1 um, for the DC and the PBS, respectively,which is a significant improvement over their contemporary counterparts. Toobtain ripple-free broadband band-pass or band-rejection filters, serially coupledMRRs have been utilized which occupy large space on a chip. To overcome thisissue, non-concentric (off-axis) nested MRR has been proposed in this thesis workthat reduces the filter-size without compromising its performance, thereby enablinghigh-density photonic integration on-chip. High thermo-optic coefficient ofSi is the Achilles heel of the silicon-on-insulator MRR based electro-optic modulators(EOMs). Off-axis MRR also helps to mitigate the thermal red-shift in the spectral response of an MRR which facilitates its applicability to achieve athermalEOM. By further improvement in non-concentric nested MRRs, it is possible to attainand maintain high quality-factor and high extinction-ratio with a fabricationtolerance of 10-20%. Initial experiments on nested MRRs confirm the theoreticalpredictions. Such nested congurations will be highly efficient in bio-sensing andquantum applications for a broad ambient temperature range.The Kerr nonlinearity of the microresonators has been exploited through anarrow line-width continuous-wave laser source for the generation of equispacedcoherent frequency lines known as the optical frequency comb (FC). Most of thenonlinear materials used to generate FC, including Si, exhibit nonlinear lossesand free-carrier effects in the telecom wavelength range. In the next part of thethesis, an analytical model of FC in the presence of nonlinear losses, free-carrierabsorption, and dispersion effects has been developed, which capacitates us toexplain several experimental results previously obtained. Further, numerical simulationsexplore that, using dual-pump, it is possible to generate tunable FCand synchronous all-optical buffers, which are robust to the writing-jitters, 3rd orderdispersion, and Raman effect. Apart from linear and nonlinear applications,integrated optical devices provide an efficient testbed for the realization of theinvincible quantum technologies. In the final portion of the dissertation, efficientpumping schemes have been discussed to generate continuous variable bipartiteand multipartite entanglement in different waveguide-pairs, simultaneously, usingan integrated 5X5 periodically poled lithium niobate waveguide array throughspontaneous parametric down conversion., French not available

Photonic integration reduces the size and energy consumption of fiber optic communication systems compared to systems assembled from discrete components. This technology has recently attracted a great interest with the progress of integration on InP and the development of silicon photonics. The latter challenges the integration platform on InP as high-performance and low-cost components can be manufactured in foundries originally developed for microelectronics. Lasers are one of the main parts of transceivers for optical communications. With their integration on the silicon platform, transceivers that include the critical functions of light emission, modulation and detection on the same chip can be made. In the heterogeneous integration platform, components are manufactured in high volumes: several tens or even hundreds of components are produced per wafer. In this thesis, I studied theoretically and experimentally the properties of tunable lasers based on silicon ring resonators, directly modulated distributed feedback lasers and low noise high-quality factor lasers, L’intégration photonique permet de réduire la taille et la consommation d’énergie des systèmes de communication par fibre optique par rapport aux systèmes assemblés à partir de composants unitaires. Cette technologie a récemment suscité un grand intérêt avec les progrès de l’intégration sur InP et le développement de la photonique sur silicium. Cette dernière challenge la plate-forme d’intégration sur InP car des composants à hautes performances et faibles coûts peuvent être fabriqués dans des fonderies originellement développées pour la microélectronique. Les lasers sont l'une des pièces maitresses des émetteurs-récepteurs pour les communications optiques. Leur intégration sur la plateforme silicium permet de développer des émetteurs-récepteurs comprenant les fonctions critiques d’émission de lumière, de modulation et de détection sur une même puce. L’intégration de matériaux III-V par collage moléculaire sur plaque silicium permet de produire de grands volumes : plusieurs dizaines voire centaines de composants sont réalisés par wafer. Dans cette thèse, j’ai étudié théoriquement et expérimentalement les propriétés des lasers accordables basés sur des résonateurs en anneau en silicium, des lasers à rétroaction distribuée modulés directement et des lasers à haut facteur de qualité qui présentent un faible bruit de phase et d’intensité.

In the next decades, the limits of current optical communication systems will be reached unless new solutions are adopted. On of them is the use of a new spectral range around 2 µm enabled by the emergence of thulium-doped fiber amplifiers. In this thesis, we will focus on it in the context of very short distances transmissions on photonic chips. Various materials, mainly titanium dioxide (TiO2), will be explored.This thesis work has two main objectives. On the one hand, it aims to demonstrate that a material relatively unexplored, titanium dioxide, is promising for telecom applications by comparing it to more mature plateforms. On the other hand, it tends to introduce the spectral band around 2 µm as a solution to be considered for next-generation communications.More precisely, the first part of this thesis aims to develop a technique to efficiently couple light in TiO2 structures. For the first time, a configuration using a buried metallic grating was evaluated numerically and then characterized experimentally. The second part presents error-free high-speed (10 Gbit/s) telecom transmissions around 2 µm carried out in subwavelength or multimode waveguides in titanium dioxide, silicon or silicon-germanium. Finally, nonlinear functions are explored on the photonic chips. Thus, it has been demonstrated a wavelength conversion at 2 µm reaching -10dB on a silicon waveguide or the first supercontinuum generation spreading from visible to 2 µm wavelength in a TiO2 waveguide., Dans les prochaines décennies, les limites des systèmes de communications optiques actuels seront atteintes à moins d'adopter de nouvelles solutions. L'une d'elles est l'utilisation d'une nouvelle plage spectrale autour de 2 µm stimulée par l'apparition des amplificateurs fibrés dopés thulium. Dans ce manuscrit, nous nous y intéresserons dans le cadre de transmissions très courtes distances sur puces photoniques. Divers matériaux, dont le dioxyde de titane, seront ainsi explorés.Ce travail de thèse a deux principaux objectifs. D'une part, il vise à démontrer que le dioxyde de titane (TiO2), matériau encore peu exploré, est prometteur pour des applications télécoms en le comparant à des plateformes plus matures. D'autre part, il tend à introduire la bande spectrale autour de 2 µm comme une solution à envisager pour les télécommunications de nouvelle génération.Plus précisément, la première partie de cette thèse a pour but de développer une technique pour coupler efficacement la lumière dans les structures en TiO2). Pour la première fois, une configuration faisant appel à un réseau métallique enterré a été évaluée numériquement avant d'être caractérisée expérimentalement. La seconde partie présente des transmissions télécoms haut-débit (10 Gbit/s) autour de µm réalisées sans erreurs dans des guides d'ondes sub-longueur d'onde ou multimodes en dioxyde de titane, silicium ou silicium-germanium. Pour terminer, des fonctions non-linéaires sont explorées sur ces puces photoniques. Il a été ainsi démontré une conversion en longueurs d'onde à 2 µm atteignant -10dB sur silicium ou la génération du premier supercontinuum s'étalant du visible à 2 µm dans un guide d'onde en TiO2.

Stimulated by a series of important breakthrough, silicon photonics has been experiencing a significant development for several years. Indeed, due to exponential growth of data traffic inside datacenters, an alternative solution to metallic interconnects has been proposed to address very high transmission rates while ensuring a low energy consumption and a reasonable cost. Promising applications are in the field of both long- and short-distance optical communications. Long-range interconnects between datacenter equipment currently target an aggregate throughput of 400 Gb/s while short-reach interconnects are involved in high performance computers between a processor and a memory bank.STMicroelectronics has been developing a silicon photonic platform on 300 mm wafers since 2012. The main objectives are: the design of passive and active optical components to achieve an elementary 20 Gb/s transceiver, the increased integration of electro-optic devices to form a photonic interposer, the ability to manage several wavelengths.In this context, this PhD report deals with a testchip development at wafer level, proposing the integration of anelectro-optic transmitter. This solution benefits from the three dimensions assembly architecture of the dies within the photonic interposer and can handle the heterogeneity of electrical and optical components.This work first proposes to study the optical modulator which is based on a ring resonator. The ring bandwidth is optimized to operate up to 50 Gb/s. Secondly, the 55nm CMOS electrical driver design is described and the trade-off between transmitter speed and power consumption is highlighted. Both devices are fabricated on distinct technological platforms, then characterized and analyzed with respect to their respective models. A first integration of the complete transmitter is assembled through wire-bonding method, which enables to validate the transmitter operation. Finally, the last part of the report is devoted to the preparation of a 3D demonstrator based on micro-copper pillars assembly. The demonstrator integrates a wavelength division multiplexed link with 16 channels, which is expected to achieve a total throughput of 320 Gb/s. In addition, the system study enables to ensure that the final interconnect will respect power consumption constraints., La photonique sur silicium connaît depuis plusieurs années un fort développement avec la démonstration d’importants résultats concernant les interconnexions optiques. En effet, l’explosion du trafic de données au sein des centres de données a nécessité de trouver une solution annexe aux interconnexions métalliques afin de supporter de très hauts débits de transmission, tout en assurant une faible consommation énergétique et un coût raisonnable. Les applications de la photonique se situent d’une part dans le domaine des communications à longue distance entre équipements dont les standards actuels visent un débit de 400 Gb/s, et d’autre part dans le domaine des calculateurs à haute performance afin de réaliser les interconnexions courte distance entre un processeur et une banque de mémoires.STMicroelectronics s’est lancé depuis 2012 dans le développement d’une plateforme photonique sur silicium sur wafers de 300mm. Les principaux objectifs sont : la conception des composants optiques passifs et actifs pour réaliser un transceiver élémentaire à un débit de 20 Gb/s, l’intégration accrue des dispositifs électro-optiques afin de constituer un interposeur photonique, la capacité à gérer plusieurs longueurs d’onde.Dans ce contexte, le sujet de cette thèse porte sur la mise au point d’un circuit de qualification proposant l’intégration d’un transmetteur électro-optique à l’échelle de la puce.Cette solution tire bénéfice de l’architecture de l’assemblage en trois dimensions des éléments constitutifs au sein de l’interposeur et permet de traiter l’hétérogénéité des composants électriques et optiques.Dans ces travaux, nous proposons dans un premier temps d’étudier le modulateur optique. Celui-ci repose sur l’utilisation d’un anneau résonant dont la bande passante est optimisée afin de permettre des débits jusqu’à 50 Gb/s. Dans un second temps, nous décrivons la conception du driver électrique en technologie CMOS 55nm et expliquons le compromis mis en jeu entre la vitesse et la puissance consommée par le transmetteur. Les deux dispositifs sont fabriqués sur des plateformes distinctes, puis caractérisés et analysés par rapport à leur modèle respectif. Puis, nous réalisons une première intégration du transmetteur complet via un assemblage wire-bonding, ce qui nous permet de valider son fonctionnement et d’identifier les difficultés d’une telle co-intégration. Enfin, la dernière partie de la thèse est consacrée à la préparation d’un démonstrateur intégrant, dans un assemblage 3D à base de micro-piliers en cuivre, un lien électro-optique capable de transmettre 16 canaux à 20 Gb/s. Le multiplexage en longueurs d’onde déployé dans ce lien devrait permettre d’atteindre un débit total de 320 Gb/s. De plus, l’étude énergétique du système permet de s’assurer que l’interconnexion finale respectera les contraintes de consommation de puissance.

Recently, Silicon Photonics has emerged as a solution for the mass manufacturing of optical transceivers addressing datacenter’s needs in terms of increasing data-rate and reduced cost. Several Silicon-Photonics platforms have been demonstrated using standard Si technology. While these platforms differ in many regards, they all lack a solution for a monolithically integrated light source. To solve this problem, the most commonly proposed approach consists in bonding an InP-stack onto a Si-wafer in order to fabricate a Hybrid III-V/Si laser. However, none of those demonstrations have been made with a standard CMOS-BEOL, preventing a proper electronic-photonic integration. To solve the topographical problem induced by the additional layers, a new integration scheme, called Back-Side, has been developed and is presented in this document.First, the context of this study, a state of the art as well as the presentation of the Back-Side is discussed. The innovation brought by this integration, namely the bonding of the III-V on the back side of the SOI after the structuring of the latter, is then detailed.The correct behavior of a key element to the photonic chip, the grating coupler, is then treated through simulations, fabrication and optical characterizations. We have proved that, under specific conditions, this device has the same measured performances in Back-Side and in Front-Side.The principle of an optical oscillator and then the various modules composing the hybrid laser are then detailed. The implemented laser is based on a hybrid DBR (Distributed Bragg Reflector) III-V/Si cavity. In order to increase the mode confinement in the MQWS (Multi Quantum Wells) and hence ensure a high optical gain, the optical mode is gradually transferred between the III-V waveguide and the silicon waveguide of the hybrid laser by adiabatic tapers, patterned on both sides of the gain zone, to finally be reflected by the mirrors DBR in the silicon.Finally, its manufacturing process is explained before its opto-electronic characterizations are presented. The electrically pumped lasers have been tested under continuous-wave current conditions and the generated light has been collected through the grating coupler to a multi-mode fiber. The fiber coupling losses has been measured to be higher than 10 dB. The output power is up to 1.15 mW at an injection current of 200 mA. The lasing threshold is 45 mA which corresponds to a current density of 1.5 kA/cm2 and the series resistance of the laser contacts is approximately 9 . The threshold voltage is 1.45 V.The laser spectra reflect its single-wavelength laser operation, for different injection currents, with a central wavelength corresponding to the Bragg wavelength of the mirrors. A Side Mode Suppression Ratio (SMSR) of more than 35 dB has been measured. A 4 nm wavelength shift has been observed when injecting 20 mA into both metallic heaters above DBRs.The monolithic integration of a fully CMOS compatible hybrid DBR laser on the backside of a SOI wafer being demonstrated for the first time, implementing CMOS compatible electric interconnects and optical sources on a same chip has could be achieved. This device opens the route to a fully integrated optical transceiver on a Si platform., Ces dernières années, la photonique sur silicium est apparue comme une solution prometteuse pour la fabrication en grande série d'émetteurs-récepteurs optiques répondant aux besoins des centres de données en termes d'augmentation du débit et de coûts réduits. Plusieurs plateformes de photonique sur silicium ont été démontrées en utilisant la technologie Si standard. Bien que ces plateformes diffèrent à bien des égards, elles manquent toutes d'une source de lumière intégrée monolithiquement. Pour résoudre ce problème, l'approche la plus couramment proposée consiste à coller un empilement InP sur une plaque SOI afin de fabriquer un laser hybride III-V/Si. Cependant, aucune des démonstrations n'a été réalisée avec un empilement d’interconnexions métalliques BEOL (Back-End Of Line) standard, empêchant ainsi une intégration électronique-photonique appropriée. Pour résoudre le problème topographique posé par cet ajout de couches, un nouveau schéma d'intégration, appelé intégration Back-Side, a été développé et est présenté dans ce document.Tout d'abord, le contexte de cette étude, un état de l’art ainsi que la présentation du Back-Side est abordé. La nouveauté apportée par cette intégration, à savoir le collage du III-V sur la face arrière du SOI après la structuration de celui-ci, y est alors détaillé.Le bon fonctionnement d’un élément essentiel à la puce photonique, le réseau de couplage, est ensuite abordé à travers des simulations, sa fabrication et des caractérisations optiques. Nous avons prouvé que, sous certaines conditions, ce dispositif possède les mêmes performances mesurées en Back-Side qu’en Front-Side.Le principe de fonctionnement d’une cavité oscillante puis les différents modules composants le laser hybride sont détaillés. Le laser étudié est une cavité hybride DBR (Distributed Bragg Reflector) III-V/Si. Afin d'augmenter le confinement du mode dans le MQWs (Multi Quantum Wells) et donc d'assurer un gain optique élevé, le mode optique est progressivement transféré entre le guide III-V et le guide silicium du laser hybride par des épanouisseurs adiabatiques, structurés dans le SOI de part et d’autre de la zone de gain, pour être enfin réfléchi par les miroirs DBR dans le silicium.Enfin, son processus de fabrication est explicité avant que ses caractérisations opto-électroniques ne soient finalement présentées. Les lasers à pompage électrique ont été testés dans des conditions de courant continu et la lumière générée a été collectée à travers un réseau de couplage par une fibre optique externe multimode. Les pertes de couplage ont été mesurées supérieures à 10 dB. La puissance de sortie est de 1,15 mW à un courant d'injection de 200 mA. Le seuil laser est de 45 mA, ce qui correspond à une densité de courant de 1,5 kA / cm2 et la résistance série des contacts laser est d'environ 9 Ω. La tension de seuil est de 1,45 V. Les spectres lasers reflètent un fonctionnement mono-fréquence, pour différents courants d'injection, avec une longueur d'onde centrale correspondant à la longueur d’onde de Bragg des miroirs. Un SMSR (Side Mode Suppression Ratio) de plus de 35 dB a été mesuré, ce qui prouve la bonne pureté spectrale de ce laser. Un décalage de la longueur d'onde de 4 nm a été observé en injectant un courant de 20 mA dans des chaufferettes métalliques au-dessus des DBRs.L'intégration monolithique d'un laser DBR hybride en face arrière d'une plaque SOI, entièrement compatible CMOS, a été démontrée pour la première fois, la mise en place d'interconnexions électriques compatibles CMOS et de sources optiques sur une même puce a pu être réalisée. Ce dispositif ouvre la voie à un émetteur-récepteur optique entièrement intégré sur une plateforme Si.

The ever-increasing demand for telecommunications needs has highlighted the intrinsic limitations of electronics. Photonics has proven to be a suitable solution to its limitations. STMicroelectronics has developed a silicon photonic platform called PIC25G that allows single-channel transmission at 25 Gb/s. The data rate increase with wavelength division multiplexing (WDM) encounter some constraints. The proposed solution is based on a hybrid approach integrating silicon photonics and glass ions exchanged photonics developed at the IMEP-LaHC laboratory. The solution consists of a glass interposer on which a silicon photonics chip is assembled. First, the studies focused on the components of the silicon chip especially on the optimization of grating couplers and (de)-multiplexers based on cascaded Mach Zehnder interferometers. Then, the optical and electrical passive components of the glass interposer were studied and realized. The feasibility of an optical coupling between the silicon chip and the glass interposer has been demonstrated. Finally, the test structures needed to validate the proposed solution were studied. These test structures allowed to transmit radiofrequency signals up to 40 GHz between the silicon chip and the glass interposer. A new approach to realize the optical waveguides of the interposer has been suggested and carried out in order to address the fabrication issues. Ultimately, this approach will provide an electro-optical module for high-speed applications., La demande sans cesse croissante des besoins des télécommunications a mis en relief les limites intrinsèques de l’électronique. La photonique s’est révélée comme une solution appropriée à ses limitations. STMicroelectronics a développé une plateforme photonique sur silicium dénommée PIC25G permettant une transmission monocanale à 25 Gb/s. Cependant, l’augmentation du débit avec du multiplexage en longueur d’onde (WDM) se heurte à certaines contraintes. La solution suggérée repose sur une approche hybride intégrant la photonique sur silicium et sur verre par échange d’ions développée au laboratoire IMEP LaHC. La solution consiste en un interposeur verre sur lequel est assemblée une puce photonique sur silicium. Les études ont d’abord porté sur les composants de la puce silicium en particulier sur l’optimisation des coupleurs à réseau et les multiplexeurs à base d’interféromètres de Mach Zehnder cascadés. Ensuite, les composants passifs optiques et électriques de l’interposeur verre ont aussi été étudiés et réalisés. La faisabilité d’un couplage optique entre la puce silicium et l’interposeur a été démontrée. Enfin, les structures de tests nécessaires à la validation de la solution proposée ont été étudiées. Ces structures de tests ont permis de transmettre des signaux radiofréquences jusqu’à 40 GHz entre la puce silicium et l’interposeur verre. Une nouvelle approche de fabrication des guides d’onde optiques de l’interposeur a été suggérée et réalisée afin de répondre aux problèmes du procédé de fabrication. A terme, elle permettra d’avoir un module électro-optique pour des applications haut-débit.

Since the 2000s, the requirements in terms of data exchange never stopped rising owing to a multitude of emerging communication means. These extensive modifications lead the signal processing and electrical technologies to switch towards optical devices and interconnections. Among others, these new technologies require the use of III-V-based emitters and receptors. In order to miniaturize these devices, to optimize the performances and to minimize the fabrication cost of such a technology, an innovative manufacturing model consists in integrating directly the III-V laser source onto the 200 mm Si photonics circuit. To enable the development of contacts meeting the constraints of a front-end / middle-end Si-environment along with those of an operating laser, one of the keys lies in the development of contacts on n-InP and p-InGaAs which are necessary to electrically pump the III-V laser.This Ph.D thesis therefore deals with the development of an innovative contact architecture fulfilling the requirements of a front-end / middle-end Si-dedicated clean room environment while optimizing the performances of the III-V laser. An integration scheme is firstly presented in its wholeness before optimizing every available process that is required. This kind of development leverages the advantage of utilizing existing infrastructures and processes while preserving the III-V surfaces and optimizing the performances of the III-V laser. Special attention is devoted to the development of the contact metallization which relies on the formation of intermetallic compounds at the interface between the deposited metal and the semiconductor. Extensive studies are therefore conducted on the Ni/n-InP, Ni/p-InGaAs et Ti/n-InP systems in order to identify the phase sequences, the involved mechanism and finally the thermal stability of the various phases. Ultimately, these metallizations are integrated in structures dedicated to their electrical characterization. The corresponding specific contact resistivities are thus extracted. Thanks to these studies, the metallizations and processes allowing an optimization of the electrical performances of the integrated contacts while ensuring their stability are finally identified., Depuis les années 2000, en raison d’une multitude de moyens de communication émergents, les besoins en termes d’échange de données n’ont cessé d’augmenter. Ces modifications ont conduit à l’initiation d’une transition depuis les technologies électroniques vers les technologies et interconnexions optiques. Entre autres, ces nouvelles technologies nécessitent l’utilisation de composants émetteurs et récepteurs de photons constitués de matériaux III-V. De façon à miniaturiser ces composants et à augmenter leurs performances tout en diminuant leur coût de fabrication, un modèle d’intégration innovant consiste à intégrer directement les sources III-V sur le circuit photonique silicium 200 mm. Afin d’optimiser les performances du laser III-V tout en respectant les contraintes liées à une salle blanche front-end / middle-end silicium, la réalisation d’une telle intégration nécessite notamment le développement de contacts innovants sur n-InP et p-InGaAs.Ces travaux de thèse sont ainsi centrés autour du développement d’une nouvelle architecture de contacts répondant aux exigences d’une salle blanche front-end / middle-end silicium 200 mm, tout en optimisant les performances du laser III-V. Un schéma d’intégration innovant des contacts est tout d’abord présenté dans sa globalité puis une optimisation des procédés d’intégration disponibles est proposée. Ceci permet de profiter de l’avantage économique que procure le fait d’utiliser l’expertise existante tout en préservant les surfaces III-V et en optimisant les performances d’émission du laser. Une attention particulière est portée sur le développement de la métallisation de contact, elle-même reposant sur la formation de composés intermétalliques à l’interface entre le métal déposé et le semi-conducteur. Une étude métallurgique approfondie est ainsi conduite sur les systèmes Ni/n-InP, Ni/p-InGaAs et Ti/n-InP dans le but d’identifier les séquences de phases ainsi que des mécanismes mis en jeu et enfin leur stabilité thermique. Finalement, l’ensemble de ces métallisations sont intégrées au sein de dispositifs dédiés au test électriques des contacts. Les résistivités spécifiques de contacts associées sont ainsi extraites. Grâce à l’ensemble de ces travaux, les métallisations et procédés permettant d’optimiser les performances électriques des contacts intégrés tout en garantissant leur stabilité sont finalement identifiés. Contact Ni/n-InP, Contact Ti/n-InP, Contact Ni/p-InGaAs, Photonique sur Silicium, Laser III-V, Intégration, Réaction à l’état solide, Caractérisation électrique, résistivité de contact.

Microelectronics encounter growing issues with components miniaturization. Silicon photonics offer to avoid them by taking the photon as the information carrier, but the sources are challenging to make. This thesis thus focused on the realization by vapor-liquid-solid assisted molecular beam epitaxy and the characterization by photoluminescence spectroscopy (PL) of InAs/InP quantum dots in nanowires (QD-NW) on (111) oriented silicon, with the aim of monolithic integration of light sources. Pure wurtzite InP NWs have first been vertically grown on Si(111) with a gold-indium droplet catalyst. The preliminary formation of InP pedestals by the crystallization of the droplets, and the migration of gold at the top of the pedestals to catalyze the growth, have been evidenced. The NWs diameter has then been increased so they behave as bulk InP regarding optomechanical properties. The NWs have been put under hydrostatic pressure to several GPa to determine little known InP wurtzite parameters. The growth optimization of the InAs/InP QD-NW system has then been realized. QDs with various height and very sharp interfaces have been obtained. PL studies show more or less complex spectra, according to the QDs' height, as well as a height-tunable polarization. The last goal was to enhance the efficiency of the InAs/InP QD-NWs thanks to the photonic effect brought by an amorphous silicon shell. PL studies revealed a high signal loss and the disappearance of the polarization anisotropy of the QD-NWs emission after deposition. Several hypothesis are discussed., La microélectronique rencontre des difficultés croissantes avec la miniaturisation des composants. La photonique sur silicium propose de les contourner en choisissant le photon comme vecteur de l'information, mais les sources de ces photons restent des verrous. Cette thèse s'est donc attachée à la réalisation par épitaxie par jets moléculaire en mode vapeur-liquide-solide et la caractérisation par spectroscopie de photoluminescence (PL) de boîtes quantiques en nanofils (NFs-BQ) d'InP/InAs crûs sur silicium orienté (111), dans le but d'une intégration monolithique de sources lumineuses. Des NFs d'InP de phase cristalline pure wurtzite ont d'abord été crûs verticaux sur Si(111), à partir d'un catalyseur sous forme de gouttelettes or-indium. La formation préalable d'un piédestal d'InP par la cristallisation de ces gouttelettes, ainsi que la migration de l'or au sommet de ce piédestal pour catalyser la croissance, ont été mise en évidence. Le diamètre de ces NFs a ensuite été augmenté pour qu'ils se comportent comme un matériau massif du point de vue des propriétés optomécaniques. Ils ont été soumis à une pression hydrostatique allant jusqu'à quelques GPa pour déterminer des paramètres mal connus de l'InP Wz. L'optimisation de la croissance du système NF-BQ d'InP/InAs a ensuite été réalisée. Des BQs de hauteur variable ont été obtenues, avec des interfaces très abruptes. Les études de PL sur un ensemble de NFs-BQ montrent des spectres plus ou moins complexes suivant la hauteur des BQs, ainsi qu'une polarisation de l'émission accordable avec cette hauteur. Le dernier objectif a été d'améliorer l'efficacité de l'émission des NFs-BQs d'InP/InAs grâce à l'effet photonique d'une coquille en silicium amorphe (a-Si). Les études de PL ont révélé une forte perte d'intensité de PL et la disparition de l'anisotropie de polarisation de l'émission des NFs-BQ après dépôt. Plusieurs raisons sont discutées pour expliquer ceci.

Nowadays, microelectronic chips and sensors are not simply electronic circuits anymore. They are able to convey both electric and optical signal. As shown by the so-called photonic chips used to transmit data at high speed rate. However, this technology only exploits a very small part of the light spectrum, namely in the near infrared. Exploitation of the whole mid-infrared domain (λ=2-20 µm) would allow to develop new integrated sensors using molecules specific spectral fingerprints in this part of the electromagnetic spectrum.This thesis deals with the development of integrated optical circuits on silicon capable of handling these wavelengths and compatible with 200 mm clean room fabrication processes. The technology developed in this work, is based on Si₀,₆Ge₀,₄ channel square waveguides in order to obtain compact and low loss optical circuits. First of all, the design of optical functions required to build circuits is presented. Then, these functions are assembled into circuits which are manufactured and characterized in order to assess performances of the developed technology. Two circuits have been produced: one with standard processes and one with damascene processes. The first one has the advantage of using known processes, whereas the second one allows to make waveguides for different wavelengths on a single chip. These two circuits have been characterized in order to conduct a comparative study between the two fabrication processes. Finally, in order to mature the technology, an in-depth study on grating coupler for Si₀,₆Ge₀,₄ waveguides have been conducted. It has led to the manufacturing and characterization of two grating couplers : one made of air inclusions and another locally suspended., Aujourd’hui, les puces et capteurs provenant de la microélectronique ne sont plus simplement des circuits électroniques mais peuvent désormais véhiculer des signaux électriques et optiques. En témoignent les puces dites photoniques, utilisées pour la transmission de données à très haut débit. Cependant, cette technologie exploite une part très restreinte du spectre de la lumière, située dans le proche infrarouge. L’exploitation de l’ensemble du moyen infrarouge (λ=2-20 µm) permettrait la mise au point de nouveaux capteurs intégrés se servant des empreintes spectrales spécifiques des molécules dans cette partie du spectre électromagnétique.L’objet de cette thèse est de développer des circuits optiques intégrés sur silicium capables de véhiculer ces longueurs d’onde et qui soient compatibles avec des procédés de fabrication en salle blanche 200 mm. La technologie développée dans ces travaux est basée sur des guides carrés à saut d’indice en Si₀,₆Ge₀,₄ enterrés dans le Si, afin d’obtenir des circuits compactes et à faibles pertes. La conception des fonctions optiques nécessaires à la construction des circuits est tout d’abord présentée. Ces fonctions sont ensuite assemblées pour former un circuit optique qui sera fabriqué puis caractérisé afin de valider les performances de la technologie développée. Deux circuits ont ainsi été fabriqués : un premier a été réalisé avec un procédé standard tandis que le deuxième a été fabriqué avec un procédé de type damascène. La première réalisation offre l’avantage d’utiliser des procédés connus, tandis que la deuxième permet de fabriquer des guides pour différentes longueurs d’onde sur une même puce. Ces deux circuits ont été caractérisés afin de mener une étude comparative entre les deux procédés de fabrication. Enfin, dans un soucis de monter en maturité de la plateforme, une étude approfondie des réseaux de couplage sur des guides Si₀,₆Ge₀,₄ a été conduite. Celle-ci a donnée lieu à la fabrication et à la caractérisation de deux réseaux : un constitué d’inclusions d’air et un deuxième localement suspendu.

For several years, the volume of digital data exchanged across the world has increased relentlessly. To manage this large amount of information, high data transmission rates over long distances are essential. Since copper-based interconnections cannot follow this tendency, high-speed optical transmission systems are required in the data centers. In this context, silicon photonics is seen as a way to obtain fully integrated photonic circuits at an expected low cost. While this technology has experienced significant growth in the last decade, the high-speed transmitters demonstrated up to now are mostly based on external laser sources. Thus, the aim of this PhD thesis was to design and produce a high-speed silicon photonic transmitter with an integrated laser source.This transmitter is composed of a high-speed silicon Mach-Zehnder, co-integrated on the same wafer with a hybrid III-V on silicon distributed Bragg reflector laser, which emission wavelength can be electrically tuned in the 1.3μm wavelength region. The design of the various elements constituting both the laser (III-V to silicon adiabatic couplers, Bragg reflectors) and the modulator (p-n junctions, travelling-wave electrodes) is thoroughly detailed, as well as their fabrication. During the characterization of the transmitters, high-speed data transmission rates up to 25Gb/s, for distances up to 10km are successfully demonstrated, with the possibility to tune the operating wavelength up to 8.5nm. Additionally, in order to further improve the integration of the laser source with the silicon photonic circuit, a solution based on the low-temperature (below 400°C) deposition of an amorphous silicon layer during the fabrication process is also evaluated. Tests on a distributed feed-back laser structure have shown performances at the state-of-the-art level (with output powers above 30mW), thus establishing the viability of this approach., Depuis plusieurs années, le volume de données échangé à travers le monde augmente sans cesse. Pour gérer cette large quantité d’information, des débits élevés de transmission de données sur de longues distances sont essentiels. Puisque les interconnections à base de cuivre ne peuvent pas suivre cette tendance, des systèmes de transmission optique rapides sont requis dans les centre de données. Dans ce contexte, la photonique sur silicium est considérée comme une solution pour obtenir des circuits photoniques intégrés à un coût réduit. Bien que cette technologie ait connu une croissance significative au cours de la dernière décennie, les transmetteurs actuels à haut débit de transmission sont principalement basés sur des sources laser externes. Par conséquent, l’objectif de ce travail de thèse était de concevoir et produire un transmetteur à haut débit de transmission de données pour la photonique sur silicium, doté d’une source laser intégrée.Ce transmetteur se compose d’un modulateur silicium de type Mach-Zehnder, co-intégré sur la même plaque avec un laser hybride III-V sur silicium à réseaux de Bragg distribués, dont la longueur d’onde d’émission peut être contrôlée électriquement autour de 1.3μm. La conception des différents éléments constituant à la fois le laser (coupleurs adiabatique entre le III-V et le silicium, miroirs de Bragg) et le modulateur (jonctions p-n, électrodes à ondes progressives) est détaillée, de même que leur fabrication. Pendant la caractérisation des transmetteurs, des taux de transmission de données jusqu’à 25Gb/s, pour des distances allant jusqu’à 10km ont été démontrés avec succès, avec la possibilité de contrôler la longueur d’onde jusqu’à 8.5nm. Par ailleurs, afin d’améliorer l’intégration de la source laser avec le circuit photonique sur silicium, une solution basée sur le dépôt à basse température (en-dessous de 400°C) d’une couche de silicium amorphe pendant la fabrication est aussi évaluée. Des tests sur une cavité laser à contre-réaction distribuée ont montré des performances au niveau de l’état de l’art (avec des puissances de sortie supérieures à 30mW), prouvant ainsi la viabilité de cette approche.

National audience; Nous explorons l'effet de résonances parasites qui affectent les fonctions de transfert des chemins optiques dans les réseaux optiques sur puce avec une topologie d'architecture en anneau. Ces résonances engendrent une réduction de la bande passante du système, avec comme conséquence une augmentation des contraintes sur la stabilité des sources lasers par rapport à une topologie de liaison de type point-à-point. MOTS-CLEFS : Réseaux optiques sur puces, photonique sur silicium, résonateurs en anneaux.

The aim of this thesis is to explore a new electro-optic modulator which could be integrated on SOI substrate. The ferroelectric material BaTiO3 (BTO) is potentially the most interesting because it has highest linear electro-optic coefficient among perovskite materials, and its monolithic integration on a SOI substrate as a crystalline thin film was demonstrated in INL. The proposed modulator uses a structure SLOT formed vertically through the silicon layer of the SOI on which is deposited the layer of BTO then an amorphous silicon layer. The lateral confinement in the light guiding is formed by etching of the upper amorphous silicon layer. The geometry of the strip-loaded amorphous silicon is optimized to obtain a SLOT TM (Transverse Magnetic) polarization mode in which substantially all of the light energy is confined in the active layer of BTO, thereby increasing the efficiency of modulator with respect to a conventional structure. The design of such a modulator requirs the development of a multi-physics numerical tool to consider carefully anisotropic properties of ferroelectric materials, rarely available in commercial photonics simulation softwares. Specifically, we combine a FVFD optical mode solver with a radiofrequency Laplace solver. It allows precise calculation of the modulation of refractive index and the electro-optical response induced by Pockels effect of anisotropic materials exhibiting non-diagonal change in the permittivity tensor. The optimization of the modulator is carried out, from both aspects optical and electrical in radiofrequency. In particular, to obtain a rapid modulator, it is necessary to design a radiofrequency electrode that has a same wave propagation constant of optical SLOT mode. The thesis is as well devoted to the design of passive building blocks in integrated optics, which are necessary for the implementation of modulators: straight waveguides, beam splitters of type MMI (MultiMode Interference), turns and directional couplers. A cylindrical coordinate’s mode solver realizes the design of turns of very low bending radii of 3.6 microns with radiation losses less than 0.1dB/90°. Surprisingly, for strip-loaded guides, reducing the cornering radius of turns does not necessarily imply an increase in losses of radiation, and so leading to improved device performance. This result is very important because the turns is a basic building block the most difficult to be miniaturized in integrated optics. Currently, the radii of curvature are limited to 15 microns in waveguide technology. The experimental validation shows that it is possible to obtain a 4-5 times larger integration density without changing the manufacturing technology. The second result for innovative silicon photonics is about obtaining very compact and polarization insensitive beam splitters (2.0 x 3.6 μm²)., Ce travail de thèse porte sur la réalisation d’un nouveau modulateur électro-optique pouvant s’intégrer sur un substrat SOI. Le modulateur proposé utilise une structure dite à fente ou SLOT formée verticalement par la couche superficielle de silicium du matériau SOI sur laquelle on dépose la couche de BTO puis une couche de silicium amorphe. Le confinement latéral dans ce guide de lumière est réalisé par gravure de la couche de silicium amorphe supérieure. La géométrie du ruban de silicium amorphe est optimisée pour obtenir un mode SLOT en polarisation TM (Transverse Magnétique) pour lequel la quasi-totalité de l’énergie lumineuse est confinée dans la couche active de BTO, ce qui permet d’augmenter l’efficacité du modulateur par rapport à une structure conventionnelle. La conception d’un tel modulateur a nécessité l’élaboration d’un outil numérique multi-physique lors de ce travail de thèse afin de prendre en compte rigoureusement les propriétés d’anisotropie des matériaux ferroélectriques, rarement disponibles dans les logiciels de simulation photonique commerciaux. Plus précisément, nous combinons un solveur de mode optique FVFD avec un solveur radiofréquence de Laplace. Il permet des calculs précis de la modulation d'indice de réfraction et de la réponse électro-optique induite par l’effet Pockels des matériaux anisotropes qui présentent une variation non-diagonale du tenseur de permittivité. L’optimisation du modulateur est réalisée, tant du point de vue optique qu’électrique en radiofréquence. Notamment, pour obtenir un modulateur rapide, il est nécessaire de concevoir une électrode qui possède une onde radiofréquence de même constante de propagation que le mode SLOT optique. Le travail de thèse est aussi consacré à la conception des briques de bases d’optique intégrée passive nécessaires à la réalisation des modulateurs: guides droits, diviseurs de faisceaux de type MMI (MultiMode Interference), de virages et de coupleurs directionnels. Un solveur de mode en coordonnées cylindriques a permis de concevoir des virages à très faibles rayons de courbure de 3,6 µm avec des pertes de radiation inférieures à 0.1 dB/90°. Étonnamment, pour des guides en arête, la réduction du rayon de courbure d’un virage n’implique pas forcément une augmentation des pertes de radiation et conduit à une amélioration des performances du dispositif. Ce résultat est très important parce que le virage est la brique de base qui est la plus difficile à miniaturiser en optique intégrée. Actuellement, les rayons de courbures sont limités à 15 µm dans les technologies utilisant les guides en arête. Ce résultat validé expérimentalement, montre qu’il est possible d’obtenir une densité d’intégration 4 à 5 fois plus importante sans modification de la technologie de fabrication. Le deuxième résultat innovant pour la photonique sur silicium porte sur l’obtention de diviseurs de faisceaux très compacts et insensibles à la polarisation (2.0 x 3.6 µm²).

Advances in the design of high performance silicon chips for reconfigurable computing, i.e. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), rely on CMOS technology and are essentially limited by energy dissipation. New design paradigms are mandatory to replace traditional, slow and power consuming, electronic computing architectures. Integrated optics, in particular, could offer attractive solutions. Many related works already addressed the use of optical on-chip interconnects to help overcome the technology limitations of electrical interconnects. Integrated silicon photonics also has the potential for realizing high performance computing architectures. In this context, we present an energy-efficient on-chip reconfigurable photonic logic architecture, the so-called OLUT, which is an optical core implementation of a lookup table. It offers significant improvement in latency and power consumption with respect to optical directed logic architectures, through allowing the use of wavelength division multiplexing (WDM) for computation parallelism. We proposed a multi-level modeling approach based on the design space exploration that elucidates the optical device characteristics needed to produce a computing architecture with high computation reliability (BER~10-18) and low energy dissipation. Analytical results demonstrate the potential of the resulting OLUT implementation to reach, Les progrès dans la fabrication des systèmes de calcul reconfigurables de type « Field Programmable Gate Arrays » (FPGA) s’appuient sur la technologie CMOS, ce qui engendre une consommation des puces élevée. Des nouveaux paradigmes de calcul sont désormais nécessaires pour remplacer les architectures de calcul traditionnel ayant une faible performance et une haute consommation énergétique. En particulier, optique intégré pourrait offrir des solutions intéressantes. Beaucoup de travail sont déjà adressées à l’utilisation d’interconnexion optique pour relaxer les contraintes intrinsèques d’interconnexion électronique. Dans ce contexte, nous proposons une nouvelle architecture de calcul reconfigurable optique, la « optical lookup table » (OLUT), qui est une implémentation optique de la lookup table (LUT). Elle améliore significativement la latence et la consommation énergétique par rapport aux architectures de calcul d’optique actuelles tel que RDL (« reconfigurable directed logic »), en utilisant le spectre de la lumière au travers de la technologie WDM. Nous proposons une méthodologie de conception multi-niveaux permettant l'explorer l’espace de conception et ainsi de réduire la consommation énergétique tout en garantissant une fiabilité élevée des calculs (BER~10-18). Les résultats indiquent que l’OLUT permet une consommation inférieure à 100fJ/opération logique, ce qui répondait en partie aux besoins d’un FPGA tout-optique à l’avenir.

In the context of Passive Optical Networks (PON), operators are looking for innovative solutions to increase aggregated data-rate, split-ratio and reach. Another requirement is that transceivers should be as low-cost as possible. The optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique can improve performance of the transmission in terms of data-rate and reach as compared to classical single-carrier On-Off Keying (OOK) modulation. At the same time, the silicon photonics technology can lower the cost per unit of the transceiver, due to its mass production and E/O integration capabilities. Optical OFDM has already shown its potential using commercially available optical components. However, its use with silicon photonics Directly-Modulated Lasers (DML) and modulators is more challenging. The objective of this work is to study the performance of OFDM -based solutions for future PON, using silicon photonics transmitters. For that purpose, a dedicated simulation platform is developed. The OFDM modem is implemented, as well as models of silicon photonic devices built during this thesis. These models are validated by characterizing physical components available for test. In parallel, an experimental test-bed is developed. The silicon photonics transmitters are benchmarked with commercial-available transmitters for OFDM-based optical systems. For Intensity-Modulated/Directly-Detected (IM/DD) links, the use of optical OFDM with adaptive bit and power loading is proposed to maximize spectral efficiency. Two types of silicon photonics transmitters are considered: directly modulated III/V-on-silicon lasers (experiment) and external optical modulators such as Mach-Zehnder Modulator (MZM) (simulation) and ring-resonator (simulation and experiment). Experimental results show that the hybrid DML can provide more than 10Gbps aggregated data-rate over at least 50km, which is a requirement for future uplink PON (from the subscriber to the central office). For the silicon ring modulator, because of the high coupling loss in and out of the photonic chip, reach was limited to 20km for a data-rate higher than 10Gbps. These are the first experimental demonstrations of OFDM modulation with hybrid III/V-on-silicon lasers and silicon ring-resonator modulator. Besides, simulation results show that reach can be indeed improved up to 100km if the optical signal is amplified or the coupling loss reduced. A modulation technique called Single-Side Band (SSB)-OFDM is known to improve the [bandwidth x reach] product of the link, as compared to IM/DD (Dual-Side Band (DSB)) systems. However, it requires expensive transmitters with several discrete optical components. As silicon photonics technology allows a very high level of integration between different optical components and between electrical and optical devices, a silicon optical IQ modulator enabling ac{SSB}-ac{OFDM} technique is investigated. Simulation results of a study-case reveal that a relatively low optical budget penalty (up to 3dB) of the silicon photonics transmitters as compared to the LiNbO3 modulator is achieved. The solutions presented in this thesis are demonstrated to be compliant with future PON in terms of data-rate, with relatively low bandwidth (, Dans le contexte des Réseaux Optiques Passifs (PON), les opérateurs recherchent des solutions innovantes pour augmenter le débit agrégé, nombre d'utilisateurs et portée de la transmission. En plus, des solutions émetteurs-récepteurs à bas coût sont nécessaires. La technique de transmission Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) peut améliorer les performances de la communication en termes de débit agrégé et portée comparé à la modulation classique On-Off Keying (OOK) mono-porteuse. Au même temps, la technologie Photonique sur Silicium permet de réduire le coût par unité des émetteurs-récepteurs, en raison de sa capacité de production en masse et intégration électro-optique. L'OFDM optique a déjà démontré son potentiel avec des composants optiques sur étagère. Par contre, son utilisation avec des émetteurs compatibles avec la technologie Photonique sur Silicium est plus difficile. L'objectif de ce travail est d'étudier les performances d'un lien basé sur des composants Photoniques sur Silicium utilisant la technique de modulation OFDM. Pour atteindre cet objectif, une plateforme de simulation dédiée est développée. Le modulateur-démodulateur OFDM est mise en place, ainsi que des modèles d'émetteurs Photoniques sur Silicium développés pendant la thèse. Ces modèles sont validés expérimentalement avec la caractérisation des composants disponibles au laboratoire. En parallèle, un banc expérimental est construit. Les émetteurs Photoniques sur Silicium sont comparés avec des composants à l'état-de-l' art sur étagère dans un lien OFDM optique. Dans les systèmes en modulation d'intensité et détection directe (IM/DD), une technique d'allocation quasi-optimale de bits et puissance avec de l'OFDM optique est proposée pour maximiser l'efficacité spectrale. Deux types d'émetteurs Photoniques sur Silicium sont considérés : des lasers hybrides III/V-sur-Silicium en modulation directe (expérimentation) et des modulateurs externes comme le Mach-Zehnder (MZM) (simulation) et en anneau-résonant (expérimentation et simulation). Les résultats expérimentaux montrent qu'un débit agrégé de 10Gbps peut être attendu jusqu'à 50km de fibre monomode, compatible avec les exigences de futures générations de PONs. La portée de la transmission (>10Gbps) avec le modulateur en anneau est limitée à 20km, en raison des pertes de couplage élevé en entrée/sortie de la puce. Les simulations montrent que la portée peut atteindre 100km si les pertes sont réduites. Une technique de modulation appelée Single-Side Band (SSB)-OFDM est connu pour améliorer le produit bande-passante-portée de la transmission, en comparaison avec des systèmes IM/DD (Dual-Side Band (DSB)). Par contre, l'émetteur SSB exige plusieurs composants électriques et optiques discrets, augmentant sa complexité. La technologie Photonique sur Silicium permet de un haut niveau d'intégration électro-optique. Pour cette raison, une implémentation spécifique d'un modulateur optique IQ sur Silicium permettant une génération efficace d'un signal SSB-OFDM est étudiée. Les résultats de simulation d'un cas d'étude montrent que l'émetteur Silicium permet d'atteindre une pénalité dans le budget optique relativement faible (de l'ordre de 3dB) comparé à un modulateur LiNbO3. Les solutions présentées dans cette thèse répondent aux besoins de future générations de PON en termes de débit avec des bandes-passantes relativement faibles (

This PhD work focuses on the study of III-V semiconductor nanostructures for the development of laser on Si substrate in a pseudomorphic approach. GaP-based alloys and more specifically dilute nitride GaPN-based alloys are expected to guarantee a low density of crystalline defects through a perfect lattice-matched growth. An extended tight-binding model is first presented to deal with the theoretical challenges for the simulation of electronic and optical properties of semiconductor structures grown on GaP or Si substrate. The optical properties of bulk GaPN and GaAsPN alloys are then studied through temperature dependent continuous wave photoluminescence and time-resolved photoluminescence experiments. The potential of GaAsPN/GaP quantum wells as a laser active zone is discussed in the framework of both theoretical simulations (with the tight-binding model) and experimental studies (with temperature dependent and time-resolved photoluminescence). In particular, the N-induced disorder effects are highlighted. The AlGaP alloy is then proposed as a candidate for the cladding layers. A significant refractive index contrast between AlGaP and GaP is measured by spectroscopic ellipsometry which may lead to a good confinement of the optical mode in a laser structure. The issue of band alignment is highlighted. Solutions based on the quaternary GaAsPN alloy are proposed. Finally, the InGaAs/GaP quantum dots are studied as an alternative to GaAsPN/GaP quantum wells for the active zone. The growth of a high quantum dot density and room temperature photoluminescence are achieved. The electronic band structure is studied by time-resolved photoluminescence and pressure dependent photoluminescence as well as tight-binding and k.p simulations. It demonstrates that the ground optical transition involves mainly X-conduction states., Ce travail de thèse porte sur l’étude de nanostructures semi- conductrices III-V pour le développement d’émetteurs laser sur silicium dans une approche pseudomorphique. Une croissance en accord de maille d’alliages à base de GaP ou plus précisément de nitrures dilués GaPN doit garantir une faible densité de défauts cristallins. Le modèle des liaisons fortes à base étendue est tout d’abord présenté afin de simuler les propriétés électroniques et optiques de structures semi-conductrices sur substrats de GaP ou Si. Les propriétés des alliages massifs GaPN et GaAsPN sont étudiées par des expériences de photoluminescence continue en fonction de la température et de photoluminescence résolue en temps. Les potentialités des puits quantiques GaAsPN/GaP en tant que zone active sont étudiées théoriquement par le modèle des liaisons fortes et expérimentalement en spectroscopie de photoluminescence en température et résolue en temps. Les effets de désordre engendrés par l’incorporation d’azote sont notamment mis en évidence. L’alliage AlGaP est ensuite proposé pour les couches de confinement optique des structures laser. Un contraste d’indice optique entre AlGaP et GaP est mesuré par ellipsométrie spectroscopique. Ce contraste doit permettre un confinement efficace du mode optique. Le problème de l’alignement des bandes en présence d’aluminium est ensuite évoqué. L’utilisation de l’alliage quaternaire GaAsPN est proposée pour résoudre ce problème. Enfin, les boites quantiques InGaAs/GaP sont étudiées en tant qu’alternative aux puits quantiques GaAsPN/GaP dans la zone active. Une forte densité de boites quantiques et une émission de photoluminescence à température ambiante sont ainsi obtenues pour ce système. Les états électroniques des boîtes quantiques sont simulés par la technique des liaisons fortes et la méthode k.p. La photoluminescence résolue en temps couplée à des expériences de photoluminescence continue sous pression hydrostatique, permet de montrer que la transition fondamentale de ces boîtes implique majoritairement des états de conduction de type X.

The sustained development of software applications including mass storage, intensive computing and broadband communication, motivates the emergence of novel communication technologies. On one hand, communications through metallic interconnections approach their inherent limitations in term of energy, area and cost per bit. On the other hand, conventional hybrid photonics, based on discrete 2D/3D photonic assemblies of III-V photonic devices, cannot be integrated. The rising silicon photonic technology, thanks to its high level of integration, overcomes the shortcomings of the two previous approaches and promises a low cost solution allowing close proximity integration of photonics with electronics.The design of a very high data rate electro-optic modulator on silicon is reported in this thesis manuscript. In a first section, the state of the art of optic systems is presented with a focus on the main technological challenges limiting performances. Then, a silicon based topology is introduced to achieve a 100 Gbs Mach Zehnder modulator. It was implemented with the STMicroelectronics PIC25G technology. The driver of this modulator was designed with the 55 nm SiGe BiCMOS technology of the same founder. The demonstrator introduced in this work offer a 100 Gbs data rate with an NRZ modulation on a single optical channel. For this configuration, this prototype provides a data rate beyond the state of the art (for a single optical transmission path) with an energy per bit of 80 pJ/bit., Le développement permanent des applications informatiques telles que le stockage de masse, le calcul intensif et les communications large bande, encourage l’émergence de nouvelles technologies de communication. D’une part, les communications à travers des interconnexions métalliques approchent de leurs limites intrinsèques en termes d’énergie, surface et coût par bit. D’autre part, la photonique hybride conventionnelle, basée sur des assemblages 2D/3D de composants photoniques en technologies III-V, ne peut pas être complètement intégrée. Le développement de nouvelle architecture photonique sur silicium est une bonne alternative afin de proposer des systèmes intégrés de communication haut débit. La conception d’un modulateur électro-optique à très haut débit sur silicium fait l’objet de cette thèse. Dans un premier temps, un état de l’art des différents systèmes optiques est dressé, afin d’identifier les principaux verrous technologiques limitant leurs performances. Suite à l’analyse des différents types de modulateur optique implémentés sur silicium, une proposition d’architecture a été faite pour un modulateur Mach Zehnder 100 Gbits/s. Ce premier circuit a été développé avec la technologie PIC25G du fondeur STMicroelectronics. Le driver de ce modulateur a, quant à lui, été conçu avec la technologie 55 nm SiGe BiCMOS de ce même fondeur. Le démonstrateur proposé dans ces travaux offre un débit de 100 Gbits/s avec une modulation NRZ sur une unique voie optique. Pour cette configuration, ce prototype offre un débit binaire au-delà de l’état de l’art (pour une unique voie de transmission optique) avec une énergie par bit de 80 pJ/bit.