Présentation de la cavité laser hybride DBR III-V/Si

Comme nous l’avons vu dans le Chapitre I, parmi les différentes intégrations de laser sur une puce de photonique sur silicium, nous avons choisi de nous concentrer sur la cavité laser hybride DBR III-V/Si.

Ce type de cavité avait déjà été développé pour une longueur d’onde d’émission de 1550 nm par A.

Descos et B. Ben Bakir [1], [64], et était en cours de développement une longueur d’onde d’émission

de 1310 nm par H. Duprez et B. Ben Bakir lors de mon arrivée [2]. En utilisant ce savoir-faire, notre

objectif a donc été d’adapter ce type de cavité DBR fonctionnant à 1310 nmpour qu’elle soit compatible

avec l’intégration Back-Side.

Un schéma en coupe longitudinale de ce type de cavité et de son réseau de couplage vers une fibre optique externe est illustré en Figure III-9. Dans cette figure, nous remarquons que la zone de gain,

d’une longueur de 600 µm, est composée d’un guide III-V placé au-dessus d’un guide silicium et séparé par une couche d’oxyde de silicium. Le ruban de III-V est composé, de haut en bas, d’une couche d’InP,

de multi-puits quantiques (MQWs) en InGaAsP (en rouge) entourés par des barrières SCH (en orange)

et enfin d’une nouvelle couche d’InP plus large que les couches supérieures. Les flancs du guide d’InP

supérieur sont dopés avec des ions H+.

Les contacts (en turquoise) sont déposés au sommet du guide III-V (contact p) et en bas de part

et d’autre de celui-ci (contact n).

Les miroirs de Bragg de la cavité sont quant à eux structurés dans le guide SOI de chaque côté de la zone de gain. La cavité DBR est asymétrique : l’un des miroirs, appelé Back-Mirror ou BM, est

entièrement réfléchissant à la longueur d’onde considérée tandis que l’autre, appelé Front-Mirror ou FM, est un réflecteur partiel.

En sortie de cavité, un adaptateur modal est implémenté dans le guide SOI afin de transférer la lumière émise par le laser au reste du circuit.

Finalement, le signal optique est couplé dans une fibre optique monomode grâce au réseau de couplage surfacique présenté dans le Chapitre II.

Figure III-9 : Schéma en coupe longitudinale du dispositif étudié avec la cavité laser et le réseau de couplage surfacique.

H+ H+ BOX Si (Substrat) InP Contacts p& n 1 µm 500 nm 600 µm X Y Z InGaAsP MQWs Si SiO₂ Miroir de Bragg (<100%) Miroir de Bragg (100%) Réseau de couplage Miroir métallique SCH

III.2 La cavité laser

En reprenant l’analogie de la cavité laser avec un système amplificateur pourvu d’une boucle de

réaction, nous pouvons identifier les différentes fonctions des éléments de cette cavité :

· La fonction amplificatrice A(w) est réalisée dans la zone de gain.

· Le pompage est réalisé par injection électrique dans l’empilement III-V.

· La boucle de réaction F(w) est fournie par le système des deux miroirs de Bragg.

· La fonction du coupleur permettant d’obtenir un signal en sortie de cavité est réalisée par le miroir de Bragg partiellement réflecteur.

Rappelons ici que l’objectif de cette thèse est la validation technologique de l’intégration Back

-Side. Ainsi, comme nous l’avons fait dans le Chapitre II, notre but est d’adapter des composants déjà existants à ce nouveau schéma. Dans cette optique, nous avons choisi de conserver un empilement

III-V très proche de celui utilisé lors de la thèse d’H. Duprez [2]. Le détail de cet empilement fabriqué par épitaxie moléculaire est rappelé dans le Tableau III.1.

Dans cet empilement, le gain est fourni par huit QWs à base d’InGaAsP de 8 nm d’épaisseur, séparés par une barrière d’InGaAsP de composition différente et de 10 nm d’épaisseur. Afin de

maximiser le confinement du mode dans les puits, cet ensemble de couches est séparé du reste par des

barrières supplémentaires de 100 nm d’InGaAsP de même composition que les précédentes. De part et d’autre, des couches d’InP dopées p et n respectivement pour la couche supérieure et la couche inférieure permettent de réaliser l’injection électrique. La couche d’InP-p est suffisamment épaisse pour que le mode optique ne soit pas perturbé par la métallisation du contact p. L’ajout de couches appelées « Super-lattice » entre l’InP-n et la future surface de collage avec la plaque SOI permet de s’affranchir de la propagation d’éventuels défauts créés lors de l’étape de collage du III- V.

Couche Matériau Bande interdite

(eV) Dopage (cm-3) Epaisseur (nm) Substrat InP 625 ±25 µm Transition InP 50

Masque dur InGaAs 300

Couche sacrificielle InP 300

Couche du contact p InGaAs 0,77 ≥ 1,5 x 1019 200

Transition InGaAsP 1,13 5 x 1018 50

Superstratp InP 1,34 2 → 0,5 x 1018 2 µm

SCH InGaAsP 1,13 ^{5 x 10}

17 50

Intrinsèque 50 MQW barriers (x7) InGaAsP 1,13 Intrinsèque 10

MQWs (x8) InGaAsP 0,95 Intrinsèque 8

SCH InGaAsP 1,13 ^{Intrinsèque 50}

2 x 1018 50

Couche du contact n InP 1,34 2 x 1018 110

Super-lattice (x2) InGaAsP 1,13 2 x 1018 7,5

Super-lattice (x2) InP 1,34 2 x 1018 7,5

Interface de collage InP 1,34 Intrinsèque 10

Cou

ches

reti

La composition des QWs a été étudiée de manière à ce que la réponse photoluminescente soit

centrée à une longueur d’onde proche de 1310 nm. Un exemple des valeurs transmises par le fabricant

est donné en Figure III-10.

Figure III-10 : Spectre de photoluminescence de l’empilement III-V utilisé.

Une longueur d’onde centrale d’émission photoluminescente a été volontairement choisie plus courte que 1310 nm afin de pallier un éventuel décalage vers le rouge lors de la relaxation des matériaux III-V après le retrait du substrat InP.

Le système de pompe est réalisé par injection électrique dans la zone de gain directement dans le matériau III-V. La Figure III-11 présente un schéma de coupe transversale au niveau de la structure hybride. Les études menées durant la thèse d’A. Descos [1] ont abouti à une forme du guide III-V telle que décrite dans la Figure III-11. Ainsi, la partie supérieure dopée p, les SCH et les MQWs du ruban

d’InP sont gravés pour ne laisser qu’une bande de 5 µm de large au niveau du guide SOI associé tandis

que la partie inférieure dopée nde l’InP est volontairement gravée plus large.

Comme nous l’avons vu sur la Figure III-11, le contact p est déposé sur le dessus du III-V tandis que le contact nest déposé de part et d’autre du ruban de 5 µm. Une implantation d’ions H+ permet en premier lieu une répartition optimale des lignes de courant au niveau des MQWs mais également de limiter les pertes dues aux rugosités des bords du guide.

Figure III-11 : Schéma en coupe transversale de la zone de gain.

Largeur du Slab : 10 µm Slab : 350 nm 5 µm X Y Z Rib : 150 nm Largeur du Rib contact n contact p H+ MQWs SCH

Lignes de courant _SiO

2

Si (Substrat) SOI