Les formats de modulation avancés, codant l’information sur la phase, la polarisation ou plusieurs niveaux d’amplitude de la lumière reçoivent aujourd’hui un intérêt croissant. En effet, ceux-ci permettent d’atteindre une meilleure efficacité spectrale et par conséquent des débits plus élevés. Ces caractéristiques sont actuellement très recherchées dans les télécommunications pour répondre à la demande constante d’augmentation de capacité des transmissions optiques fibrées. L’essentiel du travail effectué porte sur la génération de tels signaux dans des sources photoniques monolithiques sur InP faisant appel à un concept nouveau de commutation de phases optiques préfixées avec des modulateurs électro-absorbants. Une comparaison de notre technologie intégrée avec la technologie actuelle de génération de formats de modulation avancés démontre des possibilités nouvelles de réduction de taille, de diminution de consommation énergétique et d’évolution en vitesse de modulation jusqu’à 56 GBauds. Suite à la validation, par simulations, d’architectures de transmetteurs spécifiques pour la génération de formats de modulation avancés, nous réalisons en salle blanche les circuits photoniques intégrés d’étude. Les caractérisations statiques confirment le fonctionnement de toutes les fonctions intégrées des circuits et soulignent l’efficacité de la filière technologique. Pour une première démonstration de fonctionnalité nous choisissons un transmetteur BPSK capable de générer une modulation de phase à 12,4 GB. Ce résultat démontre la plus petite source intégrée BPSK à l’heure actuelle. Un autre circuit capable de générer des formats de modulation plus complexes est aussi caractérisé / Advanced modulation formats, encoding data on the phase, polarization or multi-level intensity of the light are currently a hot topic in the telecommunication domain. By using them, high spectral efficiency and therefore higher bit rate signals could be generated. Those characteristics are really attractive for the telecommunication systems manufacturers in order to answer to the constant need of increased bandwidth in fiber optic communications. The study of advanced modulation formats generation in Photonic Integrated Circuits (PICs) based on a new concept of preset phases switching by Electro-Absorption Modulators is the main task of the current work. Compared to the actual technology used for generate advanced modulations, our choice could allow a strong reduction of the dimensions and of the energy consumption of the transmitter as well as bit rate up to 56 GB. After validating specific transmitters’ architectures by simulations, we fabricated the studied photonic integrated circuits in clean room. Through static characterizations, we verify that all integrated functions of the transmitters are working and we show the efficiency of our technological choices. Using the available equipments at the lab, we prove the validity of our concept of EAM based phase switching by using a BPSK transmitter. A 12.4 GB BPSK modulation is obtained as well as a wide open eye diagram. This result demonstrates the smallest BPSK integrated photonic source at this time. Another photonic circuit able to generate more complex modulation formats is also measured

Ce travail de thèse a porté sur l’étude des propriétés fondamentales de bâtonnets quantiques InAs/InP formant la zone active de diodes lasers, à l’aide de microscopie et spectroscopie à effet tunnel à balayage. Nous avons pu étudier la nature de la dimensionnalité de ces nanostructures, mesurer la structure électronique de bâtonnets uniques en fonction de leur position dans la jonction PIN et également établir la cartographie de leur fonction d’onde à l’aide de mesures de conductivité différentielle. Nous avons de plus étudié le potentiel de ces bâtonnets quantiques comme milieu à gain de diodes lasers pour applications en détection de gaz. Nous avons optimisé des structures actives qui ont permis une émission laser en continu jusqu’à 2 µm et nos résultats expérimentaux et de modélisation montrent que cette longueur d’onde d’émission peut être étendue encore plus vers le MIR. De plus nous avons conçu et développé un procédé de fabrication de lasers DFB à couplage latéral à base de réseau de Bragg à fort rapport cyclique qui a permis d’améliorer de façon significative le coefficient de couplage (>40 cm-1). Ce procédé ne nécessitant pas de reprise d’épitaxie est très simple et à bas coût dans sa réalisation. Les valeurs élevées du coefficient de couplage sont d’autre part obtenues sans recourir à des réseaux de Bragg métalliques, comme c’est généralement le cas dans la littérature, qui introduisent des pertes de propagation non négligeables. Cette nouvelle approche a été mise en œuvre pour la réalisation d’un laser monofréquence émettant à 1,986 µm, avec une puissance de sortie par face de 4,5 mW, un courant de seuil de 65 mA et un taux de suppression des modes latéraux > 37 dB. Ces paramètres sont parfaitement adaptés à la détection e.g. de NH3, ce qui est très important pour des applications industrielles. Ce type de laser DFB à couplage latéral (LC-DFB), à fort k et faibles pertes de propagation constitue une brique de base pour la réalisation future de composants à deux sections présentant une gamme élevée d’accordabilité en continu pour des applications aussi bien en détection de gaz qu’en télécommunications optiques / During this work, we investigated the fundamental properties of single Qdashes, that were embedded in a diode-laser structure configuration, using cross-sectional scanning tunneling microscopy and spectroscopy. The main results included addressing the open question of the Qdash dimensionality nature, probing the electronic structure of individual nanostructures in respect to their precise location in the p-i-n junction and imaging of the Qdash electronic squared wavefunctions by high-stability differential conductivity mapping. In addition, we investigated Qdashes as the active material of semiconductor lasers, with special attention to the gas sensing application. We optimized Qdash based material at specific emission wavelengths above 1.55 um, and demonstrated CW lasing up to 2 um with high performances. Our experimental and simulation results show to be promising for further pushing the emission wavelength out, towards longer wavelengths in the future, using the same material system. Furthermore, a novel process has been developed, for the fabrication of laterally-coupled DFB lasers, based on high-duty-cycle etched Bragg gratings: The process provides appreciably improved coupling coefficients suitable for practical applications (~40 cm-1), while avoiding the complicated high cost processing steps, that had been employed in previous works (regrowth over corrugated substrates/ FIB lithography) and without using the conventional highly absorbing metal gratings, which introduce significant additional losses. We implemented this approach on our optimized epi-wafer and demonstrated high SMSR (>37dB) LC-DFB lasers emitting at 1.986 um, with an output power per facet up to 4.5 mW and Ith down to 65 mA for a 630 um cavity length, suitable for detection of the NH3 gas. These high-κ, low loss, preliminary results of our LC-DFB lasers, achieved using etched gratings, open the way for the fabrication of a two-section LC-DBR laser using the same technology in the future. Such a laser would combine a significantly simplified process, with sufficient feedback, continuous wide range tunability, and negligible grating-induced losses, finding potential applications both in sensing and telecommunications applications

La numérisation de plus en plus rapide de signaux à très large bande-passante permet aujourd'hui d'envisager de nombreuses applications pour les systèmes de télécommunication, les mesures expérimentales ou les systèmes radar. Les signaux issus des capteurs peuvent être analysés directement, en évitant la conversion en fréquences intermédiaires. Dans ce travail, nous nous intéressons plus particulièrement au système d'échantillonnage pour des applications radar, qui nécessitent une amélioration significative de la résolution des systèmes existants. L'objectif que nous visons inclus les spécifications suivantes : une fréquence d'échantillonnage de 40 GEch/s, une bande-passante supérieure à 15 GHz et une résolution de 10 bits effectifs à 8 GHz. Partant des excellents résultats obtenus sur les architectures mono-coup à entrelacement temporel, nous avons choisi d'adapter leur principe à un fonctionnement répétitif. Nous avons aussi choisi de baser cette étude sur la technologie TBH sur InP car elle présente les meilleures potentialités pour notre application. Deux éléments de base de ces systèmes ont fait l'objet d'une optimisation particulière pour améliorer la résolution du système : l'inverseur pour minimiser le jitter et l'échantillonneur-bloqueur, principalement pour améliorer la linéarité. Partant de ces résultats, trois architectures innovantes ont été proposées. Pour chacune nous avons conçu un système dont nous avons simulé les performances

Ce travail porte sur une étude des propriétés électroniques des boîtes quantiques InAs/InP, qui est un système très prometteur pour les télécommunications. Ces nanoparticules sont étudiées pour différentes tailles, densité et dopage. Dans le premier chapitre, nous décrivons l'intérêt du système InAs/InP pour les applications optoélectroniques. Nous présentons la technique de croissance et quelques exemples d'applications de ces boîtes quantiques. Nous donnons une description générale complète des processus d'émission susceptible d'exister dans ces structures. Dans le deuxième chapitre, nous présentons les méthodologies de caractérisation électrique mises en jeu, en insistant sur la complémentarité de deux techniques d'analyse : la spectroscopie transitoire des défauts profonds et la mesure C(V). Dans le troisième chapitre, nous étudions ces boîtes quantiques avec la technique C(V) pour aboutir à une analyse qualitative et quantitative des profils N(W) des échantillons. Une étude de ce profil en fonction de la température nous permet de déterminer les types d'émission qui dominent dans nos structures. L'effet du fort dopage de la couche matrice, ainsi que la densité de boîtes est discuté. Dans le quatrième chapitre, une étude DLTS menée sur l'ensemble des échantillons disponibles montre plusieurs défauts reliés au contrôle de la croissance et de la qualité des interfaces. En outre, une étude plus approfondie nous permet d'extraire la réponse électrique des boîtes quantiques ainsi que leurs états électroniques s et p existants.

Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantique, du traitement de l'information et de l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner naissance à l'optique intégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est le développement de sources de photons uniques et de lasers compacts aux longueurs d'onde des télécommunications. Les émetteurs étudiés dans ce travail de thèse sont des boîtes quantiques InAsP/InP [001] obtenues par Epitaxie en Phase Vapeur aux OrganoMétalliques (EPVOM). Il a été démontré, par l'intermédiaire de mesures spectrales et des mesures de durée de vie, que ces émetteurs présentent les caractéristiques nécessaires en vue des applications visées. Plus particulièrement, la mise en évidence expérimentale d'un dégroupement de photons, à partir d'une boîte unique, valide la possibilité de réaliser une source de photons uniques. En parallèle, des études sur les lasers à cristaux photoniques de faible volume modal et fort facteur de qualité, utilisant les mêmes boîtes quantiques à température ambiante, ont montré des propriétés originales, particulièrement sur la physique au niveau du seuil laser. La différence de comportement au niveau du seuil, par rapport aux lasers conventionnels, s'explique dans nos structures par le fort taux de couplage de l'émission spontanée dans le mode laser.

Cette thèse est un des premiers travaux sur les transistors bipolaires à hétérojonction (TBH)de la filière InP ayant une base en GaAsSb. Une méthode de mesure précise des offsets des<br />hétérojonctions de type II par électroluminescence, associée aux mesures électriques a permis de clarifier les conditions du transport électronique dans le système InP/GaAsSb et d'initier l'utilisation d'un émetteur en InGaAlAs. Deux briques technologiques spécifiques ont été développées : la gravure chimique sélective de InGaAlAs par rapport à GaAsSb et la réalisation de contacts ohmiques très faiblement résistifs sur p-GaAsSb. Ceci a permis l'assemblage d'un procédé de fabrication de TBH ultra-rapides dans cette filière. La faisabilité de ce procédé a été démontrée par la réalisation de TBH submicroniques ayant des fréquences ( fT ; fmax) de (155 ; 162) GHz. Son optimisation, protégée par deux brevets, montre des perspectives pour atteindre des fréquences ( fT ; fmax) de (380 ; 420) GHz.

Ces travaux de recherche portent sur l'évaluation de la fiabilité des Transistors Bipolaires à Hétérojonction sur substrat InP au moyen de la mise en place de techniques spécifiques adaptées. Avant tout, les procédés de fabrication de ces composants sont décrits et les caractéristiques électriques statiques sont calculées au moyen de la simulation physique. Ensuite, la caractérisation électrique statique et la modélisation associée permet l'extraction des paramètres du modèle avant les vieillissements accélérés puis leur étude statistique. Puis deux mécanismes électriques spécifiques qualifiés de parasites en relation directe avec la fiabilité de ces composants sont analysés en détail : le claquage de la jonction base-collecteur et le bruit basse-fréquence. Finalement, l'étude des mécanismes de dégradation effectuée à l'issue des vieillissements accélérés sous les différentes contraintes retenues en tension et en température met en évidence une stabilité de la technologie de ces composants.

Vertical-cavity lasers (VCLs) are of great interest as lightsources for fiber-optic communication systems. Such deviceshave a number of advantages over traditional in-plane laserdiodes, including low power consumption, efficient fibercoupling, on-chip testability, as well as potential low-costfabrication and packaging. To date, GaAs-based VCLs operatingat 850 nm are the technology of choice for short-distance,high-speed data transmission over multimode fiber. Forlong-distance communication networks, long-wavelength (LW) VCLsoperating in the 1.3 and 1.55-&amp;#956m transmission windowsof standard singlemode fibers are desired. However, despiteconsiderable worldwide development efforts, the commercialbreakthrough of such devices has still to be achieved. This ismainly due to shortcomings of the intrinsic material propertiesof InP-based material systems, traditionally employed in LWlaser diodes. While LW quantum well (QW) active regions basedon InP are well established, efficient distributed Braggreflectors (DBRs) are better built up in the AlGaAs/GaAsmaterial system. Therefore, earlier work on LW VCLs has focusedon hybrid techniques such as bonding between InP-based QWs andAlGaAs/GaAs DBRs using waferfusion. More recently, however, themain interest in this field has shifted towards all-epitaxialGaAs-based devices employing novel 1.3-&amp;#956m activematerials with strained GaInNAs QWs as one of the mostpromising candidates. The main focus of this thesis is on the characterization andanalysis of LW VCLs and building blocks thereof, based on bothInP and GaAs substrates. This includes a theoretical study on1.3-&amp;#956m InGaAsP/InP multiple QW active regions, as wellas an experimental investigation of novel, highly strained1.2-&amp;#956m InGaAs/GaAs single QWs. Two high-accuracyabsolute reflectance measurement setups were built for thecharacterization of various DBRs. Reflectance measurementsrevealed that n-type doping is much more detrimental to theperformance of AlGaAs/GaAs DBRs than previously anticipated.Near-room temperature operation of a single-fused1.55-&amp;#956m VCL with an InP/InGaAsP bottom DBR wasobtained. A thermal analysis of this device structure clearlyindicated its limited capabilities in terms of high-temperatureoperation. As a result, further efforts were directed towardsall-epitaxial GaAs-based VCLs. Record-long emission wavelengthsto above 1260 nm were obtained from InGaAs VCLs based on anextensive gain–cavity detuning. These devices showed verypromising performance characteristics in terms of thresholdcurrent and light output power, indicating good potential forbeing a viable alternative to GaInNAs-based VCLs.

In this work, we have reported the design, MBE-growth and fabrication of strain-balanced n-type modulation-doped (MD) InGaAlAs/InGaAs multiple quantum wells laser/SOAs on InP. The quantum well contains a lattice-matched InGaAs core, a compressive-strained InGaAs padding, and a tensile-strained InGaAlAs spacer. Two kinds of samples having similar structure but different fundamental transition wavelength of 1.55 £gm and 1.48 £gm are separately prepared for investigating their characteristics in optical amplification under forward bias and electro-absorption under reversed bias. Also, the technique of growing high-quality InGaAlAs with solid-source molecular beam epitaxy has been established and the resulting InGaAlAs bulk and QWs samples are extensively characterized by double-crystal X-ray diffraction, transmission electron microscopy, electroluminescence, and photoluminescence measurements. For £f = 1.55 £gm samples, ridge-waveguide lasers of Fabry-Perot (FP) type and tilted-end-facet (TEF) type were fabricated by a new developed multi-step wet-etching process. When injection current density > 20A/cm^2, electroluminescence spectra show higher optical gain for the quantum well e1-hh2 transition at £f = 1460 nm than the e1-hh1 transition at £f = 1550 nm. The FP laser shows a lasing peak of £f = 1514 nm at threshold. Additional lasing wavelength at £f =1528 nm and 1545 nm were observed sequentially as the injection current increased. However, for the TEF laser, only the emission at £f = 1511 nm was observed. These TE-polarized lasing wavelengths are consistent with the £_-like absorption peaks in photocurrent spectra. The lasing performance is possible attributed to optical transitions within quantum dots/wires which are formed by the strain-field profile and alloy segregation/migration. For £f = 1.48 £gm samples, the differential absorption spectroscopy, which measures the change of transmission (£GT/T) in the presence of electric field, is used to study the electro-absorption modulation behavior of MD-SOA¡¦s. A sample with n-type modulation-doping amounting to a sheet density of 3.5 ¡Ñ 10^11 cm^-2 per QW and combining with a hole-stopping barrier represents the largest chirp parameter (£Gn/£Gk) under reversed bias, which offers an excellent platform to realize electro-refractive devices with larger refractive index changes (£Gn) but lower differential absorption (£G£\) near £f = 1.55 £gm, which is also our interested region of operation. In addition, we have succeeded in reducing the length of conventional constant-width multimode interference (MMI) coupler of K = 0.15 and 0.28 more than 32% by a novel stepped-width design concept. By extending the stepped-with idea, we show that it is possible to obtain 2x2 waveguide couplers with new power splitting ratios of 7%, 64%, 80% and 93% for cross coupling by cascading two short MMI sections. We further realize freely chosen power splitting ratio by interconnecting a pair of unequal-width waveguides as the phase-tuning section into the middle of two short MMI sections. These compact and low loss MMI-based devices use only rectangular geometry without any bent, curved, and tapered waveguides. They offer valuable new possibilities for designing waveguide-based photonic integrated circuits.

Light emitting transistors (LETs) and transistor lasers (TLs) are newly-emerging optoelectronic devices capable of emitting spontaneous or stimulated light while performing transistor actions. This dissertation describes the design, growth, and performances of long wavelength LETs and TLs based on InAlGaAs/InP material system. First, the doping behaviors of zinc (Zn) and carbon (C) in InAlGaAs layers for p-type doping were investigated. Using both dopants, the N-InP/p-In0.52(AlxGa1-x)0.48As/N-In0.52Al0.48As LETs with InGaAs quantum wells (QWs) in the base demonstrate both light emission and current gains (β). The device performances of Zn- and C-doped LETs have been compared, which is explained by a charge control analysis involving the quantum capture and recombination process in the QWs. A TL based on a C-doped double heterostructure (DH-TL) with single QW was designed and fabricated. The device lases at 77 K with a threshold current density (Jth) of 2.25 kA/cm2, emission wavelength (λ) at ~1.55 µm, and β of 0.02. The strong intervalence band absorption (IVBA) is considered as the main intrinsic optical loss that prohibits the device from lasing at room temperature. Based on a threshold condition analysis taking into account the strong IVBA, it is found that room-temperature lasing of a DH-TL is achieved only when the base thickness and doping level are within a specific narrow range and improved performance is expected in a separate confinement heterostructure (SCH) TL.