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Croissance par MBE et caractérisation de structures GaInAsP pour la réalisation de circuits intégrés photoniques à base d'amplificateurs optiques à très large bande spectrale

Authors
  • Hochart, Quentin
Publication Date
Sep 28, 2023
Source
Hal-Diderot
Keywords
Language
French
License
Unknown
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Abstract

Les transferts de données par fibre optique sont en constante évolution et requièrent des débits toujours plus importants. L’efficacité spectrale des transmetteurs atteignant leur limite, il faut à présent s’orienter vers l’extension de la largeur spectrale utilisée dans les fibres. Pour les transmissions longues distances, dans la bande C+L (1530-1625 nm), pour laquelle l’absorption est minimale dans les fibres optiques, des amplificateurs à fibres dopées Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier – EDFA) sont actuellement utilisés. Cependant, leur bande passante est limitée à 40 nm. Les amplificateurs optiques à semiconducteur (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) et « Reflective » SOA (RSOA) sont de sérieux candidats pour les remplacer, avec des larges bandes optiques pouvant atteindre 100 nm. Durant cette thèse, nous avons conçu et réalisé des SOA et RSOA très large bande montrant des performances supérieures ou égales à l’état de l’art en bande C+L. Pour les transmissions courtes distances, en bande O (1260-1360 nm), correspondant au minimum de dispersion chromatique dans la fibre, il n’existe pas de solutions d’amplification large bande. Nous avons donc conçu et fabriqué des SOA large bande, afin d’améliorer les capacités des réseaux d’accès.Nous avons débuté la conception, en bandes C+L et O, de structures SOA très large bande par le design des structures de bande et du confinement des niveaux électroniques dans la zone active. Cette zone est faite de multi-puits quantiques (Multiple Quantum Wells – MQW) à base de GaInAsP. Nous avons ensuite conçu un super réseau de couches GaInAsP/InP à forts indices de réfraction sous la zone active (« Cladding » inférieur). Cette couche de confinement électronique et optique permet la régulation du confinement optique dans la zone active, en attirant le mode vers le bas de la structure, ce qui limite les pertes optiques. Nous avons ainsi conçu 4 structures en bande C+L et 2 en bande O.Nous avons fabriqué les structures de base des SOA par épitaxie par jets moléculaires (Molecular Beam Epitaxy – MBE). Ces structures possèdent des puits épais (14 et 11 nm), avec des contraintes en compression de l’ordre de 1%. Cette contrainte a dû être compensée dans les barrières des structures en bande O pour éviter la relaxation du matériau. 2 processus de fabrication ont ensuite été mis en œuvre : (i) le SIBH 2 étapes (pour Semi-Insulating Buried Heterostructure), processus classique utilisé pour la fabrication des SOA et (ii) le SIBH 1 étape, nouvellement développé au laboratoire, permettant une réduction du nombre d’étapes de fabrication ainsi qu’une meilleure injection de courant. Pour ces 2 processus, les rubans sont gravés dans les structures de base pour réaliser les étapes de reprise d’épitaxie nécessaires. La première reprise, commune aux deux processus, est la croissance d’InP:Fe de part et d’autre des rubans pour les isoler électriquement. Cette étape est réalisée par dépôt en phase chimique aux métal-organiques (MetalOrganic Chemical Vapor Phase Deposition – MOCVD). Pour le SIBH 2 étapes, une seconde reprise est nécessaire pour la croissance des couches de confinement électronique ainsi qu’une étape d’implantation de protons pour isoler électriquement les rubans entre eux. Les plaques sont ensuite amincies, métallisées et clivées pour permettre le montage sur embase des composants et leurs caractérisations.Les différents SOA et RSOA obtenus ont permis la comparaison des 2 processus de fabrication en terme de performances de composants. Ils présentent tous un comportement très larges bande (>90 nm), des valeurs de gain élevées (35 dB) et de faibles facteurs de bruit (Noise Figure – NF) (5 dB) en bande C+L. En bande O, les SOA atteignent des gains de 18,5 dB, avec un faible NF (5 dB) sur de larges bandes passantes allant jusqu’à 75 nm, faisant l’état de l’art de l’amplification large bande en bande O.

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