La demande croissante en bande passant dans les télécommunications optiques nécessite aujourd’hui le développement de solutions de transmission optique plus performantes, notamment dans les réseaux métropolitains et entre centres de données. Les amplificateurs à fibre (EDFA, Raman), largement utilisés présentent désormais des limites en termes de rendement énergétique et de compacité, alors que les amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA) apparaissent comme une alternative prometteuse grâce à leur efficacité, compacité et potentiel d’intégration. Toutefois, leurs performances en puissance et en bruit doivent encore être améliorées. La thèse vise à optimiser l’architecture, les matériaux et les procédés de fabrication de ces SOAs pour répondre à ces défis, en s’appuyant sur l’expertise complémentaire du III-V Lab et du CNRS/LPCNO.
L’approche de la thèse repose sur une ingénierie du guide optique constituant le SOA pour varier le rapport volume actif Vact / facteur de confinement Γ de l’entrée à la sortie. Une telle variation longitudinale permettrait d’optimiser simultanément tous les paramètres caractéristiques de ces dispositifs, avec à la clé des SOA compacts, puissants et à fort rendement énergétique (>10 %). Le travail de recherche se structure autour de quatre axes :
1- La conception et la simulation de SOA à confinement variable, avec la modulation longitudinale de la section du guide optique pour concilier fort gain (>25 dB) et forte puissance de saturation (>25 dBm).
2- Le développement technologique spécifique à l’étude, basé sur des procédés avancés du III-V Lab, notamment l’épitaxie sélective (SAG) et la croissance SIBH (semi-insulating buried heterostructure), qui permettent respectivement de moduler l’épaisseur des couches actives et de confiner le courant d’injection avec précision.
3- La déclinaison des SOA optimisés à d’autres bandes de longueur d’onde : bande C (1530–1565 nm), bande S (1460–1530 nm) et bande C+L (1530–1625 nm), en explorant plusieurs matériaux pour la zone active, notamment les puits quantiques GaInAsP et AlGaInAs sur InP.
4- La validation fonctionnelle dans des modules optiques avancés, incluant des amplificateurs insensibles à la polarisation et des lasers accordables hybrides couplant RSOA et circuits photoniques intégrés sur silicium.
Ce travail présente un fort potentiel d’innovation industrielle. En effet, les SOA sont des composants clefs pour les réseaux de télécommunications à haut débit, notamment dans les connexions entre centres de données et les réseaux métropolitains. L’amélioration de leur rendement énergétique est un enjeu majeur pour leur déploiement à grande échelle. La thèse contribue ainsi à lever des verrous technologiques critiques, tout en s’appuyant sur des briques technologiques matures et des plateformes de fabrication avancées, pour proposer des solutions innovantes et transférables à l’industrie optoélectronique.
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The growing demand for bandwidth in optical telecommunications today requires the development of more efficient optical transmission solutions, particularly in metropolitan networks and data center interconnects. Fiber amplifiers (EDFA, Raman), which are widely used, are now reaching their limits in terms of energy efficiency and compactness, while semiconductor optical amplifiers (SOAs) are emerging as a promising alternative thanks to their efficiency, compactness, and integration potential. However, their performance in terms of power and noise still needs improvement. This PhD thesis aims to optimize the architecture, materials, and fabrication processes of these SOAs to meet these challenges, drawing on the complementary expertise of III-V Lab and CNRS/LPCNO.
The approach of the thesis relies on optical waveguide engineering within the SOA, by varying the ratio of active volume 𝑉act to confinement factor Γ from input to output. Such longitudinal variation would allow for the simultaneous optimization of all key performance parameters, leading to compact, powerful, and energy-efficient SOAs (>10% efficiency). The research work is structured around four main axes:
1- Design and simulation of variable-confinement SOAs, with longitudinal modulation of the waveguide cross-section to achieve both high gain (>25 dB) and high saturation power (>25 dBm).
2- Technology development specific to this study, based on advanced III-V Lab processes, notably selective area growth (SAG) and semi-insulating buried heterostructure (SIBH) growth, which respectively enable modulation of the active layer thickness and precise current confinement.
3- Extension of optimized SOAs to other wavelength bands: C-band (1530–1565 nm), S-band (1460–1530 nm), and C+L-band (1530–1625 nm), by exploring different active materials, including GaInAsP and AlGaInAs quantum wells on InP.
4- Functional validation in advanced optical modules, including polarization-insensitive amplifiers and hybrid tunable lasers combining RSOAs and silicon photonic integrated circuits.
This work holds strong industrial innovation potential. Indeed, SOAs are key components for high-speed telecommunication networks, especially for data center interconnects and metro networks. Improving their energy efficiency is a major challenge for large-scale deployment. The thesis thus helps to overcome critical technological barriers, while relying on mature technology building blocks and advanced fabrication platforms, to deliver innovative and industry-transferable optoelectronic solutions. |