Butt-coupling of InP-Si₃N₄/SiO₂ components for compact narrow linewidth lasers and optical frequency comb sources
Composants hybrides par aboutement InP-Si₃N₄/SiO₂ pour la réalisation de lasers à faible largeur de raie et de sources de peignes de fréquences intégrés
Résumé
Extended-cavity semiconductor lasers in integrated photonics are compact, exhibit narrow linewidth, low power consumption and are compatible with mass production. They are therefore ideal sources for many applications in C-band such as embedded lidar systems or coherent data transmission. Within this framework, this thesis presents so-called hybrid sources, based on the butt-coupling between a InGaAsP/InP gain medium and a passive silicon nitride (Si3N4) component. Firstly, a hybrid laser composed of a reflective semiconductor optical amplifier (RSOA) butt-coupled to a Bragg grating is studied theoretically and experimentally. The design and characterization of different Bragg grating geometries on the Si3N4 platform are described in detail. A narrow intrinsic linewidth (<10 kHz) and a RIN below - 150 dB/Hz are demonstrated on the manufactured hybrid DBR lasers. We also present a compact optical frequency comb source made of a Si3N4 ring micro-resonator butt-coupled to a DFB laser. The feedback signal from the ring locks the pump frequency to a resonance of the micro-resonator and eliminates the need for a cumbersome pump frequency controller. The Kerr non-linearities in the micro-resonator lead to the generation of optical frequency combs with a 113 GHz repetition rate of with a -30 dB bandwidth of 13.6 THz. Perfect soliton crystals are also observed.
Les lasers à semiconducteurs à cavité étendue en photonique intégrée sont compacts, consomment peu d’énergie, peuvent être produits à grande échelle, et ont une bonne pureté spectrale. Ils constituent donc des sources idéales pour de nombreuses applications en bande C comme les systèmes lidar embarqués ou les transmissions cohérentes de données. Les travaux de cette thèse se placent dans ce cadre et présentent des sources dites hybrides, basées sur l’aboutement d’un milieu à gain (InGaAsP/InP) avec un composant passif en nitrure de silicium (Si3N4). Tout d’abord, un laser hybride composé d’un amplificateur optique à semiconducteur réfléchissant (RSOA) abouté à un réseau de Bragg est étudié théoriquement et expérimentalement. La conception, et la caractérisation de différentes géométries de réseaux de Bragg sur la plateforme Si3N4 sont décrites en détails. Une faible largeur de raie intrinsèque (<10 kHz) et un RIN inférieur à -150 dB/Hz est démontrée sur les lasers hybrides DBR fabriqués. Nous présentons également une source compacte de peigne de fréquences optiques basée sur un micro-résonateur annulaire en Si3N4 injecté par un laser DFB. Le faisceau rétroréfléchi verrouille la fréquence pompe sur une résonance du micro-résonateur et permet de s’affranchir d’un dispositif d’asservissement encombrant de la fréquence pompe. Les non-linéarités Kerr dans le micro-résonateur conduisent à la génération de peignes de fréquences optiques (taux de répétition : 113 GHz ; largeur à -30 dB : 13,6 THz). Des cristaux solitoniques sont aussi observés.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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