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 (<6.25GHz). Ceci est un atout pour l'application considérée. Les tensions de modulations pour les liens IM/DD sont proches des celles fournies par l'électronique CMOS (about 2Vpp). Le développement récent de processeurs numériques et de convertisseurs numériques-analogiques à haut débit en CMOS font de l'OFDM une solution très attractive pour les futures générations de PONs, puisque des transmetteurs tout-Silicium peuvent désormais être envisagés.

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 (<6.25GHz). Ceci est un atout pour l'application considérée. Les tensions de modulations pour les liens IM/DD sont proches des celles fournies par l'électronique CMOS (about 2Vpp). Le développement récent de processeurs numériques et de convertisseurs numériques-analogiques à haut débit en CMOS font de l'OFDM une solution très attractive pour les futures générations de PONs, puisque des transmetteurs tout-Silicium peuvent désormais être envisagés. / 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 (<6.25GHz) electronics. This is a great asset for the considered application. The driving voltages required for typical IM/DD systems showed to be closer to what CMOS driving circuitry can provide (about 2Vpp). Recent developments on high-speed digital signal processors and D/A-A/D converters, using CMOS technologies, make optical-OFDM an attractive solution for future PONs as full-Silicon-transmitters could be used.

Cette thèse a pour but de déterminer les meilleures conditions possibles pour réaliser une génération de seconde harmonique (SHG) à partir d'un fondamental dans la bande C télécom (autour de 1.55 JJm) dans des microdisques de phosphure de gallium intégrés sur silicium. Il s'inscrit dans les efforts actuels de développement de circuits photoniques intégrés en étudiant une proposition technique pour tirer parti des effets non linéaires en optique. A partir d'une résolution approchée de l'équation de propagation des ondes électromagnétiques comportant un terme source d'origine non linéaire, il a permis d'aboutir à deux "cartes" indiquant, pour l'une, les conditions nécessaires à la SHG, pour l'autre, l'efficacité théorique attendue suivant les paramètres retenus. S'appuyant sur l'expertise du laboratoire Folon en matière d'intégration monolithique de GaP sur Si, une étude de l'influence sur la SHG de certains défauts de cristallisation a été menée et a conduit à la proposition de deux nouvelles techniques d'accord de phase dans les disques de GaP épitaxiés sur Si. D'un point de vue expérimental, ce travail de thèse a permis, d'une part, de doter le laboratoire d'un banc de fabrication de fibres effilées (tapers) et fibres effilées gaufrées (dimpled tapers) et, d'autre part, d'un banc de caractérisation optique des microdisques adapté à l'étude de la SHG. / The goal of this thesis is to determine the best conditions to manage the second harmonic generation (SHG) from afundamental in the telecom C-band (around 1.55 (Jm) in gallium phosphide microdisks integrated on silicon. Findingtechnical solutions to take advantage of the non linear effects in these devices is a contribution to the actual efforts madeto develop integrated photonics circuits.In this work, the approximate resolution of the electromagnetic wave propagation equation completed by a nonlinearsource led to two "charts" indicating, for one, the necessary conditions for SHG, and for the other, the conversionefficiency theoretically allowed according to the chosen parameters. Thanks to the Foton laboratory expertise inmonolithical integration of GaP on Si, the influence on the SHG of specific structural defects was studied. This has led tothe proposal of two new phase matching techniques in GaP/Si microdisks.From an experimental point of view, this work led to the fabrication of two setups, the fi rst one, to make tapered opticalfibres and dimpled tapers, the second one, to make optical characterizations of microdisks and to study SHG in these systems.

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. / 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.

L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier des lasers semi-conducteur issus de la plateforme d’intégration III-V sur Si et présentant un faible bruit d’intensité relatif (RIN) pour le transport de signaux RADAR par voie optique. Nous cherchons à obtenir des lasers de comportement dynamique dit de «Classe A», i.e. avec une réponse dynamique sans oscillations de relaxation. Dans ce cas, il a été précédemment montré qu’un tel comportement dynamique présente un RIN limité au bruit de grenaille sur une large bande de fréquences et est obtenu quand la durée de vie des photons dans la cavité est grande devant la durée de vie des porteurs dans la zone active. La plateforme photonique sur silicium est alors intéressante car elle permet de réaliser des cavités longues grâce aux guides optiques offrant de faibles pertes de propagation, i.e. de l’ordre du dB/cm. En première approche, nous avons étudié des lasers dont la cavité de longueur centimétrique est composée d’une partie active fournissant le gain optique et d’une partie passive composée de guide en silicium à faibles pertes de propagation. Nous avons proposé différentes optimisations des pertes optiques intra-cavité ainsi que différentes solutions de filtrage spectral à grande finesse nécessaire à une oscillation laser monomode. La seconde approcheétudiée repose sur le filtrage du RIN d’un laser hybride de longueur millimétrique en exploitant les effets de saturation du gain optique dans un amplificateur optique à SC (SOA). Nous avons présenté un modèle décrivant les différents mécanismes altérant le bruit du laser amplifié par un SOA. Une étudeexpérimentale a permis de mettre en évidence la réduction du RIN d’un laser hybride III-V sur silicium, allant jusqu’à 15 dB pour des fréquences allant jusqu’à quelques GHz. La dernière approche explorée dans cette thèse repose sur la conception de lasers DFB hybride III-V sur silicium à très haut facteur de qualité. L’utilisation d’un réseau de Bragg à pas variable permet de réduire les pertes radiatives, usuellement importantes dans les lasers DFB, et d’obtenir une cavité de facteur de qualité de l’ordre de quelques millions. Un premier composant réalisé présente un facteur de qualité de 65 000. / The objective of the present thesis is to investigate new laser architectures with low Relative Intensity Noise (RIN) using the Silicon Photonics integration platform. We intend to reach “class-A” dynamics, in which relaxation oscillations are eliminated. In this conditions, lasers with class-A dynamics exhibit shot-noise limited RIN over a wide frequency bandwidth, typically from 100 MHz to 20 GHz. Such behaviour can be obtained with high-Q laser cavities, i.e with long cavities or with ultra-low losses cavities. The silicon photonics platform is a good candidate for the desired dynamical behaviour as it makes possible the implementation of long cavities (ten’s of cm) based on low losses silicon waveguides (dB/cm). Three different approaches have been considered in the present work. In the first approach, we have developed centimetre long lasers, consisting of an active section providing the optical gain coupled to a passive section made with low losses silicon waveguides. We proposed different approaches to optimize the intra-cavity optical losses, and different architectures of high finesse optical filters allowing simultaneously single-mode operation and high side mode suppression. The second approach consists on filtering the laser RIN by taking advantage of the coherent population oscillations effects in a SC Optical Amplifier (SOA). We proposed a model for describing the different mechanisms altering the RIN of the amplified laser. We demonstrated 15 dB RIN reduction for frequencies up to a few GHz, using a hybrid III-V on Si laser and a “classical” SOA. The last approach explored in the present thesis is based on the use of hybrid III-V on silicon DFB lasers with a high quality factor. Using Silicon Bragg grating with a variable pitch can reduce the radiative losses, usually important in DFB lasers. In this case, we can obtain optical cavities with few millions quality factor, leading to few ns photon lifetime. We realize a first design of Si Bragg grating with a Q factor of 65 000.

Après une première révolution quantique marquée par l'avènement de la physique quantique et de ses lois contre-intuitives, le monde du XXIe siècle est en proie à une seconde révolution articulée autour des technologies quantiques. Ces dernières promettent un bouleversement important dans les domaines de la communication, du calcul, de la simulation et de la métrologie. Dans cette thèse, nous abordons deux des quatre sous-domaines cités précédemment, à savoir ceux de la communication et de la métrologie quantique. Le mot d'ordre rassemblant ces travaux est l'intrication. En effet, nous montrons que, grâce à cette propriété fondamentale, les performances des systèmes de communication et de métrologie standards peuvent être surpassés. Ainsi, nous présentons comment générer ces états intriqués responsables de l'avantage quantique, et ce sur différentes plateformes technologiques. La première plateforme exploitée est le silicium. Récente pour la photonique, elle combine des avantages de maturité permettant l'intégration de nombreuses structures micrométriques sur une même puce, avec des propriétés non-linéaires, basés sur des processus d'ordre 3, efficaces. Le silicium se destine alors à de nombreuses applications comme nous le montrons en générant des paires de photons intriqués démultiplexés spectralement et directement compatibles avec les réseaux de télécommunications standards. La seconde plateforme que nous présentons est le niobate de lithium. Cette dernière, très exploitée dans bon nombres de travaux en photonique quantique, possède une efficacité de génération de paires de photons intriqués très importante, notamment grâce à l'exploitation de processus non-linéaires d'ordre 2. Nous détaillons une expérience de génération d'états hyper-intriqués, qui, à l'instar du silicium, est orientée vers le domaine de la communication quantique. Enfin, nous exploitons aussi ces paires de photons intriqués combinés à des méthodes d'interférométrie quantique afin de réaliser une expérience de métrologie quantique. Le but de cette dernière étant de mesurer avec une précision inédite la différence d'indices de réfraction de fibres bi-coeurs. / After a first quantum revolution marked by the advent of quantum physics and its counter-intuitive laws, the XXIst century is in the throes of a second quantum revolution based on quantum technologies. These promises a major upheaval in the areas of communication, calculation, simulation and metrology. In this thesis, we address two of the four subdomains mentioned above, namely those of communication and quantum metrology. The main word bringing together these works is entanglement. Indeed, we show that, thanks to this fundamental property, the performances of standard communication and metrology systems can be surpassed. Thus, we present how to generate these entangled states responsible for the quantum advantage, and this on two technological platforms. The first platform exploited is silicon. The latter, recent for photonics, combines the advantages of maturity allowing the integration of many micrometric structures on the same chip, with efficient non-linear properties, based on third order process. Silicon is then destined for many applications as we show by generating pairs of spectrally demultiplexed entangled photons directly compatible with standard telecommunication networks. The second platform we present is lithium niobate. The latter, widely used in many quantum photonics demonstrations, has a very important efficiency of entangled photon pairs generation, notably thanks to the exploitation of second order non-linear process. We detail an experiment of hyper-entangled states generation, which, like silicon, is oriented towards the domain of quantum communication. Finally, we also exploit these pairs of entangled photons combined with quantum interferometry methods to realize a quantum metrology experiment. The purpose is to measure with unprecedented precision the refractive indices difference of dual-core fibers.

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. / 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 les propriétés structurales, optiques et électriques de nanostructures et alliages à base de GaP pour la photonique intégrée sur silicium. Parmi les méthodes d’intégration des semi-conducteurs III-V sur Si, l’intérêt de l’approche GaP/Si est tout d’abord discuté. Une étude de la croissance et du dopage de l’AlGaP est présentée afin d’assurer le confinement optique et l’injection électrique dans les structures lasers GaP. Les difficultés d’activation des dopants n sont mises en évidence. Ensuite, les propriétés de photoluminescence des boites quantiques InGaAs/GaP sont étudiées en fonction de la température et de la densité d’excitation. Les transitions optiques mises en jeu sont identifiées comme étant des transitions indirectes de type-I avec les électrons dans les niveaux Xxy et les trous dans les niveaux HH des boites quantiques InGaAs et de type-II avec les électrons dans les niveaux Xz du GaP contraint. Malgré une modification notable de la structure électronique de ces émetteurs, une transition optique directe et type I n’est pas obtenue ce qui reste le verrou majeur pour la promotion d’émetteurs GaP sur Si. La maitrise de l’interface GaP/Si et de l’injection électrique est par ailleurs validée par la démonstration de l’électroluminescence à température ambiante d’une LED GaPN sur Si. Si l’effet laser n’est pas obtenu dans les structures lasers rubans GaP, un possible début de remplissage de la bande Гdans les QDs est discuté. Enfin, l’adéquation des lasers à l’état de l’art avec les critères d’interconnections optiques sur puce est discutée. / This PhD work focuses on the structural, optical, electrical properties of GaP-based nanostructures and alloys for integrated photonics on silicon. Amongst the integration approaches of III-V on Si, the interest of GaP/Si is firstly discussed. A study of the growth and the doping of AlGaP used as laser cladding layers (optical confinement and electrical injection) is presented. The activation complexity of n-dopants is highlighted. Then, the photoluminescence properties of InGaAs/GaP quantum dots are investigated as a function of temperature and optical density. The origin of the optical transitions involved are identified as (i) indirect type-I transition between electrons in Xxy states and holes in HH states of quantum dots InGaAs and (ii) indirect type-II with electrons in Xz states of strained GaP. Despite an effective modification in the electronic structure of these emitters, a direct type I optical transition is not demonstrated. This is the major bottleneck in the promotion of GaP based emitters on Si. This said, the control of the GaP/Si interface and electrical injection are confirmed by the demonstration of electroluminescence at room temperature on Si. If no laser effect is obtained in rib laser architectures, a possible beginning of Г band filling in QDs is discussed. Finally, the adequacy of state of the art integrated lasers with the development of on-chip optical interconnects is discussed.

Le germanium dopé n et contraint en tension est un candidat potentiel pour démontrer un laser sur silicium compatible avec un environnement CMOS. Dans ce travail de thèse, j’ai d’abord développé un formalisme qui permet de calculer le gain optique en fonction de la déformation en tension, du dopage n et de l’injection des porteurs. Une technique de transfert de déformation via le dépôt de couche contrainte de SiN a été optimisée. J’ai réalisé plusieurs types de cavités germanium contraintes sous forme de guides d’onde et de microdisques. Le transfert de déformation a été optimisé par sous-gravure et par une méthode de bi-encapsulation qui a permis d’aboutir à une déformation biaxiale homogène et élevée de l’ordre de 1.5%. L’évaluation des déformations a été confrontée à des simulations par éléments finis, photoluminescence et spectroscopie Raman. L’étude expérimentale et théorique des guides d’onde a montré l’avantage de la direction <100> par rapport à la direction <110> permettant une injection plus efficace de porteurs en centre de zone. L’étude expérimentale des microdisques a permis d’observer des modes de galerie avec un facteur de qualité Q = 1540 à λ = 1940 nm. D’autre part, j’ai mis en évidence par photoluminescence la présence d’un fort dopage de 4×10¹⁹ cm⁻³ dans des couches germanium sur silicium épitaxiées par épitaxie par jets moléculaires utilisant une technique de co-dopage. Une modélisation du gain modal a permis de mettre en exergue l’effet du gradient de déformation dans le volume de la cavité. L’élargissement homogène a été introduit dans la modélisation du gain optique afin de prendre en compte l’impact d’un dopage élevé. / Tensile strained and n-doped germanium is a potential candidate to demonstrate a laser on silicon in a CMOS-compatible environment. In this thesis, I developed a formalism to calculate the optical gain as a function of tensile strain, n-doping and carrier injection. A tensile strain transfer technique via strained SiN layer deposition has been optimized. I realized several types of strained germanium cavities. Tensile strain transfer was optimized by under-etching and a bi-encapsulation technique which allowed to achieve a high and uniform biaxial strain up to 1.5%. The evaluation of strain level was faced with finite elements modeling, photoluminescence and Raman spectroscopy. The experimental and theoretical study of the waveguides showed the advantage of the <100> direction as compared with the <110> direction for more efficient carrier injection at zone center. The experimental study of microdisks allowed us to observe gallery modes with quality factor up to Q = 1540 at λ= 1940 nm. On the other hand, photoluminescence enhancement has shown the presence of a heavy doping of 4×10¹⁹ cm⁻³ in germanium on silicon layers grown by molecular beam epitaxy and using a co-doping technique. Modeling the modal gain helped to emphasize the effect of the strain gradient in the cavity volume. The homogeneous broadening was introduced in the optical gain modeling to take into account the impact of a high doping.

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). / 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).