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. / 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.

La photonique du silicium a connu un développent massif pendant les dix derniers années. Presque toutes les briques technologiques de base ont été réalisées et ont démontrées des performances remarquables. Cependant, le manque d’une source laser intégrée en silicium a conduit les chercheurs à développer de composants basés sur l’intégration entre le silicium et les matériaux III-V.Dans cette thèse je décris la conception, la fabrication et la caractérisation des lasers hybrides III-V sur silicium basés sur cette intégration. Je propose un coupleur adiabatique qui permet de transférer intégralement le mode optique du guide silicium au guide III-V. Le guide actif III-V au centre du composant fourni le gain optique et les coupleurs, des deux cotés, assurent le transfert de la lumière dans les guides silicium.Les lasers mono longueur d’onde sont des éléments fondamentaux des communications optiques. Je décris les différentes solutions permettant d’obtenir un laser mono-longueur d’onde hybride III-V sur silicium. Des lasers mono longueur d’onde ont été fabriqués et caractérisés. Ils démontrent un seuil de 21 mA, une puissance de sortie qui dépasse 10 mW et une accordabilité de 45 nm. Ces composants représentent la première démonstration d’un laser accordable hybride III-V sur silicium. / Silicon photonics knew an impressive development in the last ten years. Almost all the fundamental building blocks have been demonstrated and reveal competitive performances. However, the lack of an efficient silicon integrated laser source has led the researchers to develop heterogeneous integration of III-V materials on silicon.In this thesis I describe the design, the fabrication and the performances of these hybrid III-V on silicon lasers. I propose the use of an adiabatic coupler that totally transfers the optical mode between the III-V and the silicon waveguides. The active waveguide on III-V materials at the center of the device provides the optical gain, while, on both side, adiabatic couplers allow a loss-less transfer of the optical mode to the silicon waveguide. Single wavelength emitting lasers are fundamental elements for high bandwidth optical links. I review all the effective solutions enabling single waveguide hybrid III-V on SOI lasers. DBR, microring based, DFB and AWG laser solutions were analysed. Single wavelength operating lasers have been fabricated and characterized. A laser threshold of only 21 mA, an output power of more than 10 mW and tunability over 45 nm with a SMSR of 45 dB have been measured. These devices represent the first demonstration of a monolithically integrated hybrid III-V/Si tunable laser made by wafer bonding technique.

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. / 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.

Depuis une dizaine d’années, avec la diversification des appareils connectés (PCs, Tablettes, TVs et Smartphones), l’écosystème Internet s’est drastiquement étendu. Aujourd’hui, 80 % du trafic IP mondial est concentré dans les centres de données. Pour répondre aux problématiques d’échelle des centres de données en terme de densité de bande passante, de consommation énergétique et de coût des interconnections, le développement de nouveaux émetteurs optiques est critique. L’objectif de cette thèse est de proposer et évaluer différentes architectures d’émetteur en photonique sur silicium afin de répondre à la prochaine norme de débit de 400 Gbit/s sur des transmissions de 2 kilomètres. Le modulateur électro-optique sélectionné est le modulateur silicium en anneau résonant. Il possède des avantages non négligeables: faibles dimensions, faible consommation énergétique, et il permet un multiplexage dense en longueurs d’ondes. Durant cette thèse, l’optimisation de l’émetteur optique a été faite de manière progressive: de la jonction active à l’émetteur complet. Cette première étude a identifié les différents compromis à faire sur les paramètres du modulateur en anneau afin de définir ses performances. Un model compact du modulateur a été créé, permettant d’optimiser le composant avec un temps de simulation très réduit. Puis, tout en utilisant le modèle compact, deux architectures d’émetteur ont été étudiées basées sur une architecture classique de la littérature. Elles sont basées sur la mise en série de 8 modulateurs en anneau, chacun modulant une longueur d’onde différente. La différence entre les deux architectures vient du format de modulation utilisé: la première est modulée avec des signaux sur deux niveaux électriques avec des signaux sur 2 niveaux électriques au format d’impulsions en amplitude (PAM-2) à 50 Gbaud ; alors que la deuxième est modulée avec des signaux sur 4 niveaux électriques au format d’impulsions en amplitude (PAM-4). Les deux solutions répondent aux demandes de performances de la norme 400 Gbit/s avec les mêmes points de compromis de fonctionnement. Finalement, de nouvelles architectures d’émetteur optique ont été proposées permettant de réaliser la modulation PAM-4. Contrairement aux solutions précédemment étudiées, ces architectures utilisent en entrée deux flux de bits en parallèle qui sont optiquement combinés pour générer en sortie une modulation PAM-4. Une première solution est basée sur la mise en série de deux modulateurs en anneaux. Cette architecture a été validée avec des caractérisations de transmission optique à 30 Gbit/s avec seulement 1 Vpp de tension de commande. Une seconde solution a ensuite été proposée, elle est basée sur l’utilisation de deux modulateurs mis en parallèle dans un interféromètre Mach Zehnder. De la même manière, des caractérisations de transmission à 30 Gbit/s avec 1.2 Vpp de tension de commande ont permis de valider le fonctionnement de l’architecture. / Over the past decade, with the diversification of connected devices (PCs, Tablets, TVs and Smartphones), the Internet ecosystem has drastically extended. Today, 80 % world traffic is concentrated in the data centers where the data rate, the size and the cost is still growing. To address such scaling issues as bandwidth density, energy consumption and cost of the interconnects inside the data centers, the development of new optical transmitters is critical. The aim of this thesis is to propose and evaluate transmitter architectures using silicon photonics technology to address next 400 Gbit/s data rate standard over up to 2 kilometer links. The selected electro-optical modulator is the silicon ring resonator modulator which has substantial benefits: low footprint, low energy consumption and enables dense multiplexing. The optical transmitter architectures evaluations were successively optimized: from the active junction to the complete optical transmitter. This study identified the performances trade-offs impacted by the ring resonator modulator parameters. A compact model was generated to physically optimize the component in a reduced simulation time. Then, using the compact model, two transmitter architectures were studied based on classical architecture. Both are based on eight ring resonator modulators arranged in series modulating eight different wavelengths. The difference is the modulation format: the first one is electrically modulated at 50 Gbaud in 2-levels pulse amplitude modulation (PAM-2) and the second one at 25 Gbaud 4-levels pulse amplitude modulation (PAM-4). The two solutions fit the 400 Gbit/s performances demand with the use of the same trade-offs. Finally, new transmitter architectures were proposed to generate PAM-4 modulation. Unlike the previous architecture, they have in input two parallel bit streams which are optically combined to generate the PAM-4 modulation. The first solution is based on two silicon ring resonator modulator arranged in series. This architecture was validated through 30 Gbit/s transmission characterizations with only 1 Vpp. A second solution was then proposed, based on two silicon ring resonator modulators arranged in parallel in a Mach Zehnder interferometer. In the same way, transmission characterizations at 30 Gbit/s with 1.2 Vpp allows this architecture to be validated.

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