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.

Des rendements record à plus de 26% ont récemment été démontrés avec des cellules solaires en Si, approchant la limite théorique de 30% pour une seule jonction. Les cellules solaires à multi-jonctions (MJSC) fabriquées à base de matériaux III-V peuvent dépasser cette limite: des rendements supérieurs à 45% ont été reportés pour une cellule à 5 jonctions sous un soleil et pour une cellule à 4 jonctions sous lumière concentrée. Cependant, pour des applications terrestres, le coût élevé de ces technologies impose l’utilisation d’une haute concentration, ce qui augmente la complexité du système.Une solution intermédiaire consiste à fabriquer des cellules solaires III-V à haut rendement sur des substrats Si, moins coûteux que les substrats III-V ou Ge utilisés dans les MJSC classiques. Des rendements supérieurs à 33% ont déjà été démontrés pour des MJSC fabriquées par collage direct. Ceci, combiné aux progrès récents dans la réutilisation des substrats III-V, présage un avenir prometteur pour les cellules solaires tandem III-V sur Si, ce qui pourrait mener à la prochaine génération de systèmes photovoltaïques à haut rendement et faible coût.Dans ce travail de thèse, des cellules solaires tandem AlGaAs//Si à 2 jonctions (2J) et GaInP/AlGaAs//Si à 3 jonctions (3J) ont été fabriquées par collage direct, ce qui a donné lieu à une configuration à 2 terminaux (2T).Différentes techniques de collage ont été étudiées, notamment une approche innovante présentant un potentiel d'industrialisation prometteur pour l’intégration des matériaux III-V sur Si. Les propriétés électriques de l'interface de collage GaAs//Si ont été analysées à l'aide de dispositifs de test dédiés conçus au CEA, permettant d'évaluer la résistance d'interface et le mécanisme de conduction.Des caractérisations et simulations expérimentales ont été effectuées afin d'optimiser le design et le processus de fabrication, conduisant à des rendements record. Pour la sous-cellule supérieure en AlGaAs de la 2J, cela comprend l'utilisation d'une fenêtre en AlInP avec un émetteur en GaInP, formant une hétérojonction n-GaInP/p-AlGaAs, qui améliore les performances pour les faibles longueurs d'onde. De plus, la réduction de l'épaisseur de la couche de collage en GaAs et l'utilisation d'une jonction tunnel en AlGaAs, avec bande interdite plus large, augmentent la transparence et donc le photocourant de la sous-cellule inférieure.Pour la sous-cellule inférieure en Si, les simulations ont permis d'identifier les facteurs clés qui limitent les performances, la durée de vie étant la caractéristique la plus critique dans les cellules Si épaisses utilisées. Dans le cas des interfaces III-V//Si, un émetteur fortement dopé est essentiel pour minimiser la recombinaison de surface et donc augmenter la tension en circuit ouvert. La passivation de la surface arrière est également importante, notamment pour augmenter la réponse dans l’infrarouge. Différents processus de diffusion et d'implantation ont été étudiés pour former l'émetteur. Les processus d'implantation ont montré moins de dégradation de la durée de vie et des surfaces moins rugueux, permettant ainsi le collage sans planarisation chimico-mécanique et donc des niveaux de dopage plus élevés en surface.Finalement, afin d’évaluer correctement le rendement de conversion de ces cellules tandem III-V sur Si, une méthode de caractérisation courant-tension rapide et peu coûteuse, adaptée aux MJSC sous faible concentration a été développée. Cette méthode ne nécessite pas de cellules isotypes parfaitement identiques, à la place, des cellules Si à simple jonction avec filtres optiques sont utilisées. Une efficacité de 23,7% sous 10 soleils a été démontrée de cette manière pour la cellule AlGaAs//Si, qui est le rendement le plus élevé signalé à ce jour pour une cellule tandem à base de Si avec 2J et 2T. / Si solar cells with record efficiencies over 26% have been recently demonstrated, approaching the Si single-junction limit of 30%. Multi-junction solar cells (MJSC) based on III-V materials can overcome this limit: efficiencies over 45% have been reported for a 5-junction under 1 sun and for a 4-junction under a concentrated illumination of 300 suns. Due to their elevated cost, these cells could be used in terrestrial applications only if operated under very high sunlight concentration for commercial terrestrial applications, which in turn increases the module and system complexity.An intermediate solution consists in fabricating high efficiency III-V solar cells on Si substrates, which are less expensive than the III-V or Ge substrates used in conventional MJSC. Mechanical-stacked and wafer-bonded solar cells, which avoid the unresolved issues of III-V on Si epitaxy, have already demonstrated efficiencies over 33%. This, combined with the recent advancements in the field of substrate reuse, predict a promising future for III-V on Si tandem solar cells, which could lead the next generation of high-efficiency and low-cost photovoltaics.In this PhD work, 2-junction (2J) AlGaAs//Si and 3-junction (3J) GaInP/AlGaAs//Si tandem solar cells were fabricated. The Si bottom subcell and the III-V top subcell(s) were joined together by wafer bonding, resulting in a 2-terminal (2T) III-V//Si solar cell configuration.Different wafer bonding techniques were studied, including an innovative bonding approach showing promising industrialization potential and thus, opening a new path for III-V on Si processing. The GaAs//Si bonding interface electrical properties were analyzed using dedicated test devices originally conceived at CEA, allowing to evaluate the interface resistance and the conduction mechanism.Experimental characterizations and simulations were performed in order to optimize the design and fabrication process, leading to record efficiencies. For the AlGaAs top subcell of the 2J, this includes the use of an AlInP window together with a GaInP emitter, forming an n-GaInP/p-AlGaAs heterojunction, which improved the short wavelength performance. In addition, the reduction of the GaAs bonding layer thickness and the use of a higher bandgap AlGaAs tunnel junction resulted in a higher transparency and a bottom subcell photocurrent improvement.For the Si bottom subcell, simulations allowed to identify the key factors that limit the performance, being the bulk lifetime the most critical characteristic in the thick Si cells used. In the case of III-V//Si interfaces, a highly doped emitter is crucial to minimize the surface recombination and maximize the open-circuit voltage, outweighing the drop in short-circuit current due to lifetime degradation. Back surface passivation is also important, specially to increase the infrared response. Different diffusion and implantation processes for the emitter formation were studied. Implantation processes showed less bulk lifetime degradation and smoother surfaces, thereby allowing bonding without chemical-mechanical planarization and thus higher doping levels at the surface.Finally, in order to correctly assess the efficiency of these III-V on Si tandem cells, a fast and low-cost current-voltage characterization method adapted for MJSC under low concentration was developed. This method does not require perfectly matched component cells and instead, Si single-junction cells with optical filters are used as pseudo-isotypes. An efficiency of 23.7% under 10 suns was demonstrated this way for the AlGaAs//Si cell, which is the highest efficiency reported to date for a 2J 2T Si-based tandem cell.

Les travaux de cette thèse portent sur le développement des Circuits Photoniques Intégrés issus de la plateforme d’intégration hétérogène de matériaux III-V sur silicium. Les avantages proposés par cette approche, dans laquelle le gain optique des matériaux III-V se marie aux faibles pertes de propagation des guides d’onde silicium, sont notamment les coûts réduits de fabrication, un haut degré de compacité, et une grande flexibilité dans les fonctionnalités réalisables. Dès lors, notre approche est basée sur l’exploitation de cette technologie pour la réalisation de dispositifs hybrides d’émission laser adressant les objectifs de performance à débits élevés des nouveaux réseaux de télécommunication à fibres optiques. Nous rappelons tout d’abord les transformations récentes amorcées dans les réseaux de télécommunication en vue de répondre à l’accroissement du trafic mondial de données, et présentons alors deux solutions techniques étudiées durant cette thèse. En premier lieu, nous détaillons l’architecture et les éléments de conception d’un émetteur à multiplexage en longueur d’onde (WDM) à 4 longueurs d’onde DFB et 4 Modulateurs à Electro-absorption intégrés dans un circuit photonique hybride III-V sur silicium. Ce circuit est destiné aux transmissions courtes distances (<2km) à 100Gb/s au sein des centres de données (datacenter). Nous avons plus particulièrement étudié l’optimisation de la transition modale entre la section de gain III-V de la cavité laser et le circuit passif de propagation en silicium, que ce soit pour des structures à base de puits ou de boîtes quantiques. L’emploi de ces architectures pour la conception de dispositif à N sources DFB, directement modulées, et à gestion du chirp intégrée, a également été abordé. Nous présentons alors les résultats des caractérisations statiques et dynamiques de ces sources lasers à 1,3µm ainsi que des modulateurs à électro-absorption (MEA) modulés jusqu’à 32Gb /s, et discutons des améliorations structurales que nous avons apportées en vue de renforcer les performances globales du dispositif. La seconde solution approfondie durant cette thèse porte sur les sources lasers accordables intégrant des résonateurs en anneaux, centrées à 1,55µm et directement modulables, en vue d’un déploiement au sein de la nouvelle génération de réseaux optiques passifs d’accès (NG-PON2). Après l’étude de la structure de ces composants, nos travaux sur les problématiques du comportement thermique, ainsi que sur la caractérisation des fonctionnalités d’accord en longueur d’onde et du comportement dynamique de ces cavités hybrides, sont développés. Ainsi, nous rapportons les performances d’un dispositif en boitier de démonstration que ces travaux ont permis de réaliser, pour des transmissions à 10Gbit/s en modulation directe jusqu’à 40km. Enfin, cette thèse s’achève par une conclusion générale et propose un aperçu des possibilités, à court et moyen termes, ouvertes par ces recherches. / The work conducted in this thesis focuses on the development of Photonic Integrated Circuits based on the technological platform of heterogeneous integration of III-V materials on silicon. The benefits brought by this approach, in which the optical gain from III-V materials is coupled with the low propagation losses of silicon waveguide, are in particular a low manufacturing cost, high compacity and scalabity, and a wide range of achievable functionalities. In this way, we aim to exploit this technology to develop hybrid laser devices which meet the performance objectives of high-bit-rate optical fiber transmission networks. From the recent transformations initiated in transmission networks to face the data global traffic increase, two technical solutions have been investigated during this thesis. First, we detail the architecture and the design elements of a WDM emitter with 4 DFB lasers and 4 Electro-Absorption Modulators integrated in a III-V on silicon hybrid Photonic Circuit. This circuit addresses short-distances 100Gb/s transmissions challenges (<2km) in datacenters applications. We specifically studied the optimization of modal transition from the III-V on silicon optical gain section of the laser cavity to the passive silicon circuit, for both quantum wells and quantum dots structure. The use of this architecture for the design of devices including N directly modulated DFB sources with integrated chirp management is also introduced. Static and dynamic characterization results of this laser source emitting at 1,3µm as well as the electro-absorption behavior at modulation rate up to 32Gb/s is reported . The improvement routes of the structure are also discussed to enhance device global performances. The second solution studied in this thesis is a directly modulated tunable laser source, emitting around 1.55µm with integrated ring resonators, for the deployment in the Next-Generation Passive Optical access Networks (NG-PON2). After the description of the structure, thermal problematic, wavelength tunability, and dynamic behavior of these hybrid cavities are presented. Finally, we report the performances of a packaged device for direct modulation transmissions at 10Gb/s over 40km. The thesis ends up with general conclusions, and provides an overview of the short and medium terms possibilities offered by this research.

La croissance continue et rapide du trafic de données dans les infrastructures de télécommunications, impose des niveaux de débit de transmission ainsi que de puissance de traitement de l'information, que les capacités intrinsèques des systèmes et microcircuits électroniques ne seront plus en mesure d'assurer à brève échéance : le développement de nouveaux scenarii technologiques s'avère indispensable pour répondre à la demande de bande passante imposée notamment par la révolution de l'internet, tout en préservant une consommation énergétique raisonnable. Dans ce contexte, l'intégration hétérogène fonctionnelle sur silicium de dispositifs photoniques à émission par la surface de type VCSEL utilisant des miroirs large-bandes ultra-compacts à cristaux photoniques constitue une stratégie prometteuse pour surmonter l'impasse technologique actuelle, tout en ouvrant la voie à un développement rapide d'architectures et de systèmes de communications innovants dans le cadre du mariage entre photonique et micro-nano-électronique.

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. / 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

La croissance continue et rapide du trafic de données dans les infrastructures de télécommunications, impose des niveaux de débit de transmission ainsi que de puissance de traitement de l’information, que les capacités intrinsèques des systèmes et microcircuits électroniques ne seront plus en mesure d’assurer à brève échéance : le développement de nouveaux scenarii technologiques s’avère indispensable pour répondre à la demande de bande passante imposée notamment par la révolution de l’internet, tout en préservant une consommation énergétique raisonnable. Dans ce contexte, l’intégration hétérogène fonctionnelle sur silicium de dispositifs photoniques à émission par la surface de type VCSEL utilisant des miroirs large-bandes ultra-compacts à cristaux photoniques constitue une stratégie prometteuse pour surmonter l’impasse technologique actuelle, tout en ouvrant la voie à un développement rapide d’architectures et de systèmes de communications innovants dans le cadre du mariage entre photonique et micro-nano-électronique. / The ever-growing demand for high-volume fast data transmission and processing is nowadays rapidly attaining the intrinsic limit of microelectronic circuits to offer high modulation bandwidth at reasonable power dissipation. Silicon photonics is set to break the technological deadlock aiming at a functional photonics-on-CMOS integration for innovative optoelectronic systems paving the way towards next-era communication architectures. Among the others photonic building blocks such as photodiodes, optical modulators and couplers, power-efficient compact semiconductors sources in the near-infrared telecommunication bands, characterized by performing modal features as well as thermal resiliency constitute an essential landmark to be achieved. Within such context, InP-based long-wavelength vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) using one-dimensional Si/SiO2 photonic crystals as wideband compact mirrors are proposed as next generation emitters for CMOS integration.