Le silicium est le fondement de la microélectronique, pour laquelle des milliards de dollars et des décennies de recherche ont été consacrés au développement de l'industrie de la fabrication. Après avoir surmonté un certain nombre d'obstacles techniques difficiles, cette technologie a atteint une maturité, une rentabilité et un processus robuste. La photonique à base de silicium a récemment fait l'objet d'une grande attention en raison de la demande mondiale croissante de données issues des télécommunications. Le silicium, matériau transparent dans les spectres du proche et du moyen infrarouge, permet de concevoir des circuits optiques basés sur cette plate-forme. Tirant parti de l'infrastructure et de l'expertise de la fabrication microélectronique moderne, la photonique de silicium offre de nombreux avantages attrayants en réduisant la taille, la consommation d'énergie et le coût de fabrication, ainsi qu'un grand potentiel de production de masse. Les progrès récents de la photonique de silicium ont permis aux concepteurs d'avoir accès à des librairies de blocs de construction passifs et actifs tels que des multiplexeurs, des résonateurs en anneau, des modulateurs, des photodétecteurs, etc. Ces avancées ont incité les chercheurs à exploiter cette plateforme dans divers domaines allant de la détection à la médecine. L'un des défis de la recherche sur la photonique du silicium est de développer une source de lumière et un amplificateur compatible avec le silicium en raison des bandes interdites indirectes du silicium et du germanium. Plusieurs solutions sont actuellement à l'étude pour fournir des sources de lumière sur puce, qui sont réalisées comme suit : lasers à commande électrique par manipulation de la bande interdite et méthodes de co-intégration ou lasers à commande optique par co-intégration de matériaux de gain, dopage d'un matériau de revêtement avec des ions de terres rares, ou utilisation d'effets non linéaires pour convertir la fréquence. La manipulation de la bande interdite implique l'ingénierie de la bande interdite des matériaux du groupe IV avec des souches ou des alliages pour améliorer l'émission directe de la bande interdite. Les techniques de co-intégration comprennent la croissance épitaxiale hétérogène ou le collage de matériaux du groupe III-V sur le guide d'ondes en silicium pour concevoir un laser ou tirer parti de caractéristiques à gain élevé. Le dopage d'une gaine de verre avec des éléments de terres rares comme le thulium, l'holmium, l'erbium avec des guides d'ondes spécialement conçus pour former une cavité laser a également été proposé comme solution. La conversion de fréquence par des effets non linéaires dans les guides d'ondes en silicium est une autre approche de la génération de lumière sur puce qui peut être réalisée sans aucun post-traitement des puces en silicium sur isolant (SOI). Par exemple, dans le silicium, la non-linéarité du troisième ordre permet la génération de peignes, la génération de supercontinuum, l'oscillation paramétrique optique et l'émission Raman. Parmi celles-ci, la diffusion Raman-Stokes stimulée (SRSS) peut être avantageusement utilisée pour la conversion et l'amplification des longueurs d'onde, car elle ne nécessite pas d'ingénierie de dispersion. Le gain Raman du silicium a donc été exploité dans la conception de divers lasers et amplificateurs sur puce. Les lasers et amplificateurs Raman sur puce utilisent des conceptions simples et ont jusqu'à présent été réalisés principalement avec des tranches de silicium relativement épaisses. Dans ce travail, nous profitons du gain Raman pour étudier, modéliser, concevoir et démontrer expérimentalement un laser et un amplificateur Raman. Nos recherches s'appuient sur une fonderie à accès libre offrant des plaquettes SOI standard avec une épaisseur de silicium de 220 nm. Dans notre première contribution, nous présentons un modèle complet pour un laser Raman CW dans une plateforme SOI. Nous concevons ensuite un laser Raman de 2,232 μm avec une cavité résonante en anneau sur puce. Les valeurs optimisées pour la longueur de la cavité et les rapports de couplage de puissance sont déterminés par la simulation numérique des performances du laser en tenant compte des variations de fabrication. Enfin, en concevant un coupleur directionnel (DC) accordable pour la cavité laser, une conception robuste du laser Raman est présentée. Nous montrons que la réduction des pertes de propagation et l'élimination des porteurs libres, par l'utilisation d'une jonction p-i-n, amélioreront de manière significative les performances du laser Raman en termes de réduction de la puissance de seuil et d'augmentation de l'efficacité de la pente. Dans notre deuxième contribution, nous démontrons un laser Raman accordable de haute performance qui convertit la gamme de longueur d'onde de pompe de 1530 nm - 1600 nm à la gamme de signal de 1662 nm- 1745 nm avec une puissance de sortie moyenne de 3 mW à ~50 mW de puissance de pompe avec un seul dispositif. La caractéristique principale de ce laser est l'utilisation d'un mécanisme de couplage accordable pour ajuster les coefficients de couplage de la pompe et du signal dans la cavité en anneau et compenser les erreurs de fabrication. Nos résultats sont très prometteurs pour l'augmentation substantielle des ressources spectrales optiques disponibles sur une puce de silicium. Nous démontrons également, pour la première fois, un laser Raman dans l'infrarouge moyen générant un signal à 2,231 μm avec une pompe à 2 μm et étudions les défis d'obtenir une émission cette bande. Notre dernière contribution est dédiée à l'amplificateur Raman, nous discutons et validons expérimentalement l'importance de considérer le gain Raman non-réciproque en utilisant une pompe et une sonde contre-propagatives ou co-propagatives, différentes longueurs d'amplificateur, puissances de pompe d'entrée et valeurs de perte non-linéaire. Nous démontrons un circuit optique sans perte assisté par Raman dans un guide d'ondes de 1,2 cm de longueur qui atteint un gain net nul avec seulement 60 mW de pompage en puissance continue. Nous examinons les pertes non linéaires des guides d'ondes en silicium pour estimer la durée de vie des porteurs libres (FCL), puis nous extrayons le coefficient de gain Raman du guide d'ondes photonique en silicium. Nous utilisons ensuite ces paramètres clés comme entrée d'un modèle d'amplificateur Raman photonique au silicium pour trouver la performance optimale en fonction de l'encombrement et de la puissance de pompage disponibles. / Silicon is the foundation of microelectronics in which billions of dollars and decades of research have been devoted in development of fabrication industry. After overcoming number of difficult technical obstacles, this technology has reached a mature, cost effective and a robust process. Silicon-based photonics have recently witnessed a great deal of attention sparked by a global-growing demand of data from telecommunication. Silicon as transparent material in near- and mid-infrared spectra enables designing optical circuits based on this platform. Leveraging the modern microelectronics manufacturing infrastructure and expertise, silicon photonics offers many appealing advantages in lowering the size, power consumption and fabrication cost beside a great potential to be mass-produced. Recent advances in silicon photonics have enabled designers to have access to libraries of passive and active building blocks such as multiplexers, ring resonators, modulators, photodetectors and etc. Such breakthroughs have attracted researchers to exploit this platform in various fields spanning from sensing to medicine. A challenging aspect in silicon photonics research is to develop a silicon-compatible light source and amplifier due to the indirect band gaps of silicon and germanium. Several solutions are currently proposed to design the on-chip light sources: electrically-driven lasers by band gap manipulation and co-integration methods or optically-driven lasers by gain material co-integration, doping a cladding material with rare earth ions, or using nonlinear effects to convert frequency. Band-gap manipulation implies engineering the group IV materials band gap with strain or alloys to improve the direct band gap emission. Co-integration techniques include heterogeneous epitaxial growth or bonding the group III-V materials on the silicon waveguide to design a laser or take advantage of high-gain features. Doping of a glass cladding with rare earth elements like thulium, holmium, erbium with specially designed waveguides to form a laser cavity has also been proposed as a solution. Frequency conversion through nonlinear effects in silicon waveguides is another approach to on-chip light generation that is possible to achieve without any post processing of silicon on insulator (SOI) chips. For example, in silicon, the third-order nonlinearity enables comb generation, supercontinuum generation, optical parametric oscillation, and Raman emission. Among them, stimulated Raman-Stokes scattering (SRSS) can be advantageously used for wavelength conversion and amplification with ease since it does not require dispersion engineering. The silicon Raman gain has therefore been exploited in designing various on-chip lasers and amplifiers. On-chip Raman lasers and amplifiers use simple designs and have so far been achieved mostly with relatively thick silicon wafers. In this work, we take advantage of Raman gain to comprehensively study, model, design and experimentally demonstrate Raman laser and amplifier. Our investigations rely on open-access foundry offering the standard SOI wafers with silicon thickness of 220 nm. In our first contribution, we present a comprehensive model for a CW Raman laser in SOI platform. We then design a 2.232 µm Raman laser with an on-chip ring resonator cavity. The optimized values for the cavity length and power coupling ratios are determined by numerical simulation of laser performance taking into account fabrication variations. Finally, by designing a tunable directional coupler (DC) for the laser cavity, a robust design of Raman laser is presented. We show the reduction of propagation loss and free carriers removal, by the use of a p-i-n junction, will significantly improve the Raman laser performance in terms of threshold power reduction and increasing the slope efficiency. In our second contribution, we demonstrate a high-performance tunable Raman laser which converts the pump wavelength range of 1530 nm - 1600 nm to the signal range of 1662 nm- 1745 nm with an average output power of 3 mW at ~50 mW pump power with only a single device. The key feature to this laser is the use of a tunable coupling mechanism to adjust both pump and signal coupling coefficients in the ring cavity and compensate the fabrication errors. Our results indicate great promise for substantially increasing the optical spectral resources available on a silicon chip. We also, for the first time, demonstrate a MIR Raman laser generating signal at 2.231 µm with a pump at 2 µm and study the challenges of working in this band. Our last contribution is dedicated to Raman amplifier. We discuss and experimentally validate the importance of considering the non-reciprocal Raman-gain by using counter-propagating or co-propagating pumps and probes, different amplifier lengths, input pump powers and nonlinear loss values. We demonstrate a Raman-assisted loss-less optical circuit in a 1.2-cm-length waveguide that reaches zero net-gain with only 60 mW continuous-wave pumping. We examine the nonlinear loss of silicon waveguides to estimate free carrier lifetime (FCL) then extract the Raman gain coefficient of silicon photonic waveguide. Then, we use these key parameters as input to a silicon photonic Raman amplifier model to find the optimum performance based on the available footprint and pump power.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/108048 |
| Date | 13 December 2023 |
| Creators | Ahmadi, Mohammad |
| Contributors | LaRochelle, Sophie, Shi, Wei |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxiv, 100 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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