This thesis investigates different material systems and processing technology for high temperature compatible laser diodes used in volume applications within the 1.3-μm telecom wavelength window. Laser diodes built from such materials are much desired in order to eleminate the need for active temperature control needed in current systems, which significantly increases both complexity, size and cost. The structures were grown by Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) and the evaluation of materials was performed using different characterization methods such as High-Resolution X-Ray Diffraction (HR-XRD), Photoluminescence (PL), Time-Resolved Photoluminescence (TR-PL). Fabrication and evaluation of Fabry-Perot lasers with different geometries was used to check the material quality and temperature performance. A novel in-situ etching technique was developed for the use i future more advanced, buried hetrostructure lasers. The first studied materials system was AlGaInAsP/InGaAsP/InP. To handle a 5-element material with the precision required, modelling of the materials and heterostructure properties was performed. The addition of Al to the InGaAsP barrier allows better electron confinement with little change in valence band properties. The optimum aluminium content was found to be about 12%. Although the effect of Al could be identified, it was not sufficient with T0 of only 90 K only up to 60 °C. A second materials system InGaP/InAsP/ InP initially looked quite promising from a materials and quantum well design point of view but encountered severe problems with the device integration and further work was discontinued. The main effort was therefore was devoted to a third materials system: AlGaInAs/AlGaInAs/InP. This material system is not unknown but has hitherto not found a widespread application for fibre optic applications. In this work, the MOCVD growth of 1.3 μ;m quantum well laser structures was optimized and ridge waveguide laser devices with excellent temperature performance was fabricated (T0 = 97 K at 85 °C). A ridge waveguide laser was identified as suitable structure since it requires only a single epitaxial growth, thus avoiding the main problem of oxidation of Al based buried structures. The dynamic performance was excellent up to 110 °C and the device fabrication is highly reliable (lifetime >7000 h). This high yield uncooled ridge Fabry-Perot laser process has now been transferred to production and is applied in short length 10 Gb/s multimode links. In order to further improve the usefulness of the Al-containing materials in even higher performance devices needed in future applications developments towards fully buried heterostructure device geometry were also pursued. To overcome difficulty of oxidation of Al containing layers at the mesa walls an in-situ etching technique was implemented. Different chemistry approaches were investigated and the first results of lasers devices were reported. / QC 20100930

Le développement des réseaux d'accès multi-longueur d'onde à 10 Gb/s fait apparaître un besoin pour des composants achromatiques bas-coûts. L'utilisation d'un modulateur électro-absorbant intégré avec un amplificateur optique à semiconducteurs est une solution qui permet de répondre à la fois aux critères de débits, gain d'insertion, achromacité, athermalité et insensibilité à la polarisation. Le modulateur amplifié fonctionne dans un schéma réflectif et ne nécessite donc qu'une seule fibre optique.<br>L'épitaxie sélective en phase vapeur est utilisée afin d'intégrer monolithiquement le modulateur et l'amplificateur. La technique permet une variation spatiale et locale des épaisseurs des couches épitaxiéees au voisinage d'un masque diélectrique sélectif. Le<br>matériau définissant la zone active consiste en un empilement de puits quantiques à base de matériaux AlGaInAs. Les épaisseurs et les compositions définissant l'empilement sont déterminées afin d'obtenir l'insensibilité à la polarisation et d'appliquer un décalage<br>spectral entre le modulateur et l'amplificateur. Ce dernier point optimise le gain d'insertion du composant intégré puisque la position spectrale du pic de gain est décalée dans la zone de modulation. L'analyse et l'interprétation des spectres en réflexion du modulateur amplifié démontrent l'intérêt de ce décalage spectral. Le comportement dynamique à haut débit montre des pénalités négligeables sur la puissance reçue en fonction de la longueur d'onde et de la température. Les résultats obtenus illustrent l'intérêt du composant pour les réseaux d'accès passifs mais aussi pour d'autres applications à plus haut débit.

Le développement des réseaux optiques et l’augmentation des interconnexions à courtes distances, amènent un besoin croissant en transmetteurs émettant à 1,3 µm, performants, peu énergivores et fabriqués à bas coût.Ainsi, l’intégration photonique monolithique, qui vise à juxtaposer plusieurs fonctions optiques dans un même circuit, est une solution. L’épitaxie sélective en phase vapeur aux organo-métalliques est une technique prometteuse pour cela. Elle permet, en une seule étape de croissance, de définir les structures des différents composants unitaires constituant le circuit intégré photonique. Il est nécessaire d’avoir un outil de simulation qui permet de modéliser la croissance sélective. Auparavant la modélisation proposée ne prenait en compte que des phénomènes de diffusion en phase vapeur et négligeait les phénomènes de surface. Une modélisation plus précise a été développée, fondée sur la relaxation de l’interface. En parallèle, nous avons conçu sept différentes structures actives, à base de multi-puits quantiques en matériaux AlGaInAs pour des composants DML et EML émettant à 1.3 µm. Nous avons fait des mesures de laser à contacts larges et des mesures d’absorption en photo-courant, pour sélectionner la meilleure structure.Une étude expérimentale de la croissance, à partir de microscopie électronique en transmission et de micro-diffraction aux rayons X, a permis de réaliser l’épitaxie sélective de la structure sélectionnée. Les composants fabriqués ont des performances à l’état de l’art avec une bande passante de 12,5 GHz pour un DML de 250 µm ainsi qu’un diagramme de l’œil ouvert à 32 Gbit/s avec un taux d’extinction dynamique de 10 dB, pour en EML. / The development of passive optical networks and the increase of short-reach connections make an increasing need for efficient, energy-friendly and low-cost transmitters emitting at 1.3 µm.To this end, monolithic photonic integration, which aims to embed several optical functions into the same circuit, is a solution. Selective area growth (SAG) by metal-organic vapor-phase-epitaxy (MOVPE) seems to be an attractive technique to achieve this integration. This approach allows defining, in a single epitaxial step, the structures of the different unitary photonic functions constituting the photonic integrated circuit. One issue of this technique is the growth modeling, necessary to predict the material distribution. Previously, the model was only taking into account vapor phase diffusion phenomena, neglecting surface phenomena. Consequently a more accurate approach was developed, based on interface relaxation.Simultaneously, we designed seven different active structures, all based on AlGaInAs multi-quantum wells, in order to optimize the DML and EML devices emitting at 1.3µm . We performed wide area laser and photocurrent absorption measurements to select the best trade-off design for devices fabrication.In order to perform accurate SAG of the selected structure, experimental study has been done to optimize the growth using transmission electronic microscopy and X-ray micro-diffraction. Devices have been processed and exhibit state of the art performances. A bandwidth of 12.5 GHz was demonstrated for a 250 µm long DML and 32 Gbit/s open eye diagram with a 10 dB dynamic extinction ratio has been shown, on a EML with a 100 µm long EAM.