Intégration hybride pour l'émission et l'amplification optiques dans le proche infrarouge

Silicon photonics has raised a dramatic interest in the last years due to the possibility of merging electronics and photonics on the same chips using large scale wafers and well-established microelectronic technologies. Significant breakthroughs have been demonstrated on optical waveguides and passive optical devices to distribute light, filter optical signals, add-drop individual wavelength around 1.55µm, as well as in the field of active structures for light modulation and detection. The main potential applications of this approach are optical interconnects within CMOS chips, optical receivers for telecommunications, biosensing, microwave photonics, and on-chip quantum communications. Despite the important progress of the field, key points remain to be solved for the development of all these applications. One of the main challenges in the field of silicon photonics is to develop integrated optical sources and optical on-chip amplifiers. Silicon is indeed an indirect bandgap material, which gives it dramatically low stimulated emission efficiency that hinders the realization of sources and amplifiers. In this context, this thesis provides a contribution to the investigating of Erbium-based on-chip amplifiers and lasers. One main axis of the work carried out is to seek miniaturization of the active waveguides (<1mm, or even <<1 mm) and systematically consider a silicon integration perspective by favoring 1480 nm pump wavelength scheme. Active SiN waveguides coated with Erbium-doped Al₂O₃ layers at more than 10²¹ cm⁻³ and deposited by the ALD technique at Aalto university are the basis for the experimental demonstrations in this work. Modal gains of 10-20 dB/cm are demonstrated in these waveguides. Capitalizing on these results, theoretical and simulation work is further carried out in the purpose of investigating aggressive designs in terms of active structure lengths. Through different studies, the feature explored is the use of resonators needed in any case to achieve lasing. Different types of single and double resonant cavities and resonators are studied and designed for the realization of integrated sources using the measured properties of experimentally studied active waveguides. As a whole, the carried out works contribute to the realization of compact (<< 1 mm) light sources in silicon photonics exploiting recent advances in the growth of rare-earth doped active layers and the design of multiply resonant resonators. The combination of 1D photonic crystal resonators, based on SiN or silicon waveguides (typically nanobeam cavities), and such active materials offers prospects for the development of fully Si-integrated light sources.La photonique silicium a suscité un intérêt considérable ces dernières années en raison de la possibilité de faire converger l'électronique et la photonique en s’appuyant sur les technologies microélectroniques bien établies. Des percées significatives ont été démontrées concernant les guides d'ondes optiques et les dispositifs optiques passifs pour distribuer la lumière, filtrer les signaux optiques, additionner les longueurs d'onde individuelles autour de 1,55µm, ainsi que dans le domaine des structures actives pour la modulation et la détection de la lumière. Les principales applications potentielles de cette approche sont les interconnexions optiques dans les puces CMOS, les récepteurs optiques pour les télécommunications, la bio-détection, la photonique micro-ondes et les communications quantiques sur puce. Malgré les progrès importants du domaine, des points clés restent à résoudre pour le développement de toutes ces applications. L'un des principaux défis dans le domaine de la photonique silicium est de développer des sources optiques intégrées et des amplificateurs optiques sur puce. En effet, le silicium est un matériau à bande interdite indirecte, ce qui lui confère une efficacité d'émission stimulée très faible qui entrave la réalisation de sources et d'amplificateurs. Dans ce contexte, cette thèse apporte une contribution à l'étude des amplificateurs et lasers sur puce à base d'Erbium. Un axe principal du travail réalisé est la recherche de la miniaturisation des guides d'ondes actifs (<1mm, voire <<1 mm) et la prise en compte systématique d'une perspective d'intégration sur silicium en favorisant le schéma de longueur d'onde de pompe à 1480 nm. Des guides d'ondes actifs en SiN recouverts de couches d'Al₂O₃ dopées à l'Erbium à plus de 10²¹ cm⁻³ et déposées par la technique ALD à l'université d'Aalto sont à la base des démonstrations expérimentales de ce travail. Des gains modaux de 10-20 dB/cm sont démontrés dans ces guides d'ondes. Sur la base de ces résultats, des travaux théoriques et de simulation sont menés dans le but d'étudier des conceptions agressives en termes de longueurs de structures actives. À travers différentes études, la caractéristique explorée est l'utilisation de résonateurs nécessaires dans tous les cas pour obtenir un effet laser. Différents types de cavités et de résonateurs à résonance simple ou double sont étudiés et conçus pour la réalisation de sources intégrées en utilisant les propriétés mesurées des guides d'ondes actifs étudiés expérimentalement. Dans l'ensemble, les travaux réalisés contribuent à la réalisation de sources de lumière compactes (<< 1 mm) en photonique du silicium en exploitant les progrès récents dans la croissance des couches actives dopées aux terres rares et la conception de résonateurs à résonance multiple. La combinaison de résonateurs à cristaux photoniques 1D, basés sur des guides d'ondes en SiN ou en silicium (typiquement des cavités nanobeam), et de tels matériaux actifs offre des perspectives pour le développement de sources de lumière entièrement intégrées dans la filière silicium

Intégration hybride pour l'émission et l'amplification optiques dans le proche infrarouge

La photonique silicium a suscité un intérêt considérable ces dernières années en raison de la possibilité de faire converger l'électronique et la photonique en s’appuyant sur les technologies microélectroniques bien établies. Des percées significatives ont été démontrées concernant les guides d'ondes optiques et les dispositifs optiques passifs pour distribuer la lumière, filtrer les signaux optiques, additionner les longueurs d'onde individuelles autour de 1,55µm, ainsi que dans le domaine des structures actives pour la modulation et la détection de la lumière. Les principales applications potentielles de cette approche sont les interconnexions optiques dans les puces CMOS, les récepteurs optiques pour les télécommunications, la bio-détection, la photonique micro-ondes et les communications quantiques sur puce. Malgré les progrès importants du domaine, des points clés restent à résoudre pour le développement de toutes ces applications. L'un des principaux défis dans le domaine de la photonique silicium est de développer des sources optiques intégrées et des amplificateurs optiques sur puce. En effet, le silicium est un matériau à bande interdite indirecte, ce qui lui confère une efficacité d'émission stimulée très faible qui entrave la réalisation de sources et d'amplificateurs. Dans ce contexte, cette thèse apporte une contribution à l'étude des amplificateurs et lasers sur puce à base d'Erbium. Un axe principal du travail réalisé est la recherche de la miniaturisation des guides d'ondes actifs (<1mm, voire <<1 mm) et la prise en compte systématique d'une perspective d'intégration sur silicium en favorisant le schéma de longueur d'onde de pompe à 1480 nm. Des guides d'ondes actifs en SiN recouverts de couches d'Al₂O₃ dopées à l'Erbium à plus de 10²¹ cm⁻³ et déposées par la technique ALD à l'université d'Aalto sont à la base des démonstrations expérimentales de ce travail. Des gains modaux de 10-20 dB/cm sont démontrés dans ces guides d'ondes. Sur la base de ces résultats, des travaux théoriques et de simulation sont menés dans le but d'étudier des conceptions agressives en termes de longueurs de structures actives. À travers différentes études, la caractéristique explorée est l'utilisation de résonateurs nécessaires dans tous les cas pour obtenir un effet laser. Différents types de cavités et de résonateurs à résonance simple ou double sont étudiés et conçus pour la réalisation de sources intégrées en utilisant les propriétés mesurées des guides d'ondes actifs étudiés expérimentalement. Dans l'ensemble, les travaux réalisés contribuent à la réalisation de sources de lumière compactes (<< 1 mm) en photonique du silicium en exploitant les progrès récents dans la croissance des couches actives dopées aux terres rares et la conception de résonateurs à résonance multiple. La combinaison de résonateurs à cristaux photoniques 1D, basés sur des guides d'ondes en SiN ou en silicium (typiquement des cavités nanobeam), et de tels matériaux actifs offre des perspectives pour le développement de sources de lumière entièrement intégrées dans la filière silicium.Silicon photonics has raised a dramatic interest in the last years due to the possibility of merging electronics and photonics on the same chips using large scale wafers and well-established microelectronic technologies. Significant breakthroughs have been demonstrated on optical waveguides and passive optical devices to distribute light, filter optical signals, add-drop individual wavelength around 1.55µm, as well as in the field of active structures for light modulation and detection. The main potential applications of this approach are optical interconnects within CMOS chips, optical receivers for telecommunications, biosensing, microwave photonics, and on-chip quantum communications. Despite the important progress of the field, key points remain to be solved for the development of all these applications. One of the main challenges in the field of silicon photonics is to develop integrated optical sources and optical on-chip amplifiers. Silicon is indeed an indirect bandgap material, which gives it dramatically low stimulated emission efficiency that hinders the realization of sources and amplifiers. In this context, this thesis provides a contribution to the investigating of Erbium-based on-chip amplifiers and lasers. One main axis of the work carried out is to seek miniaturization of the active waveguides (<1mm, or even <<1 mm) and systematically consider a silicon integration perspective by favoring 1480 nm pump wavelength scheme. Active SiN waveguides coated with Erbium-doped Al₂O₃ layers at more than 10²¹ cm⁻³ and deposited by the ALD technique at Aalto university are the basis for the experimental demonstrations in this work. Modal gains of 10-20 dB/cm are demonstrated in these waveguides. Capitalizing on these results, theoretical and simulation work is further carried out in the purpose of investigating aggressive designs in terms of active structure lengths. Through different studies, the feature explored is the use of resonators needed in any case to achieve lasing. Different types of single and double resonant cavities and resonators are studied and designed for the realization of integrated sources using the measured properties of experimentally studied active waveguides. As a whole, the carried out works contribute to the realization of compact (<< 1 mm) light sources in silicon photonics exploiting recent advances in the growth of rare-earth doped active layers and the design of multiply resonant resonators. The combination of 1D photonic crystal resonators, based on SiN or silicon waveguides (typically nanobeam cavities), and such active materials offers prospects for the development of fully Si-integrated light sources

Potential for sub-mm long erbium-doped composite silicon waveguide DFB lasers

| openaire: EC/H2020/820423/EU// | openaire: EC/H2020/834742/EU//ATOPCompact silicon integrated lasers are of significant interest for various applications. We present a detailed investigation for realizing sub-mm long on-chip laser structures operating at λ = 1.533 µm on the silicon-on-insulator photonic platform by combining a multi-segment silicon waveguide structure and a recently demonstrated erbium-doped thin film deposition technology. Quarter-wave shifted distributed feedback structures (QWS-DFB) are designed and a detailed calculation of the lasing threshold conditions is quantitatively estimated and discussed. The results indicate that the requirements for efficient lasing can be obtained in various combinations of the designed waveguide DFB structures. Overall, the study proposes a path to the realization of compact (< 500 µm) on-chip lasers operating in the C-band through the hybrid integration of erbium-doped aluminum oxide processed by atomic layer deposition in the silicon photonic platform and operating under optical pumping powers of few mW at 1,470 nm.Peer reviewe

Erbium-doped hybrid waveguide amplifiers with net optical gain on a fully industrial 300 mm silicon nitride photonic platform

| openaire: EC/H2020/820423/EU//S2QUIP | openaire: EC/H2020/834742/EU//ATOPRecently, erbium-doped integrated waveguide devices have been extensively studied as a CMOS-compatible and stable solution for optical amplification and lasing on the silicon photonic platform. However, erbium-doped waveguide technology still remains relatively immature when it comes to the production of competitive building blocks for the silicon photonics industry. Therefore, further progress is critical in this field to answer the industry's demand for infrared active materials that are not only CMOS-compatible and efficient, but also inexpensive and scalable in terms of large volume production. In this work, we present a novel and simple fabrication method to form cost-effective erbium-doped waveguide amplifiers on silicon. With a single and straightforward active layer deposition, we convert passive silicon nitride strip waveguide channels on a fully industrial 300 mm photonic platform into active waveguide amplifiers. We show net optical gain over sub-cm long waveguide channels that also include gratingcouplers and mode transition tapers, ultimately demonstrating tremendous progress in developing cost-effective active building blocks on the silicon photonic platform. (C) 2020 Optical Society of America under the terms of the OSA Open Access Publishing AgreementPeer reviewe