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

In recent years, Silicon Photonics has emerged as a promising technology for cost-effective fabrication of photonic components and integrated circuits, the application of which is recently expanding in technological fields beyond tele- and data-communications, such as sensing and biophotonics. Compact, energy-efficient laser sources with precise wavelength control are crucial for the aforementioned applications. However, practical, efficient, electrically-pumped lasers on Silicon or other group IV elements are still absent, owing to the indirect bandgap of those materials. Consequently, the integration of III-V compounds on Silicon currently appears to be the most viable route to the realization of such lasers. In this thesis, I present and explore the potential of an External Cavity (EC) hybrid III-V/Silicon laser design, comprising a III-V-based Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA) and a Silicon reflector chip, based on a two-dimensional Photonic Crystal (PhC) cavity vertically coupled to a low-refractive-index dielectric waveguide. The vertically coupled system functions as a wavelength-selective reflector, determining the lasing wavelength. Based on this architecture mW-level continuous-wave (CW) lasing at room temperature was shown both in a fiber-based long cavity scheme and die-based short cavity scheme, with SMSR of > 25 dB and > 40 dB, respectively. Furthermore, by electrically modulating the refractive index of the PhC cavity in the reflector chip, tuning of the emitted wavelength was achieved in the die-based short cavity EC laser configuration. In this way, I demonstrated the suitability of the examined EC configuration for direct frequency modulation. The proposed scheme eliminates the need for wavelength matching between the laser source and a resonant modulator, and reveals the potential of employing low-power-consumption resonant modulation in practical Silicon Photonics applications.

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. / 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.