Vertical integration of an electro-absorption modulator onto a VCSEL for high-speed communications
Intégration verticale d'un modulateur électro-absorption sur un VCSEL pour des communications à grande vitesse
Résumé
In this PhD thesis, we describe experimental and theoretical studies on Electro-Absorption Modulator (EAM) for its vertical integration onto a Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) to reach high-speed modulation for optical communications. The exter- nal modulation of the emitted light by the VCSEL, biased in continuous-wave, avoids the physical limitation due to the carrier dynamics encountered in directly-modulated lasers and thus enables very high frequency bandwidth. Furthermore, this fully monolithic integrated approach decreases the footprint and thus the energy consumption. In the first part of the manuscript, we describe the design of the EAM-VCSEL device. First, we explain the electro-absorption effect and its modelling; its combination with the transfer matrix method, and the implementation of the combined model for optimization of the quantum well parameters: thickness, barrier Al-content and applied electric field. Then, based on the state-of-the-art of the vertical modulators, we design an Asymmet- ric Fabry-Perot modulator structure to improve the electro-absorption in the top cavity. This EAM structure is integrated onto a standard VCSEL device while considering the decoupling between the two cavities. I present afterwards the fabrication of these complex devices. The epitaxial growth of EAM and EAM-VCSEL structures is presented as an implementation of pre-growth calibration routine to achieve the expected characteristics and the post-growth charac- terization of the wafers. Then, we present an innovative technological solution used to facilitate the global process. We used a double resist stack for a self-aligned process for the modulator, useful for the mesa etch, the sidewalls passivation and the metallization, all realized with only one single photolithography step. This process is used for the static characterization of the EAM. We demonstrate the feasibility of these devices by carrying out static reflectivity measurements as a function of the temperature and the applied EAM voltage. This allows to validate the previous absorption model. We also present the static characterization of the EAM-VCSEL with LIV curves and spectrum measurements. Finally, the last two chapters present the high-frequency aspect of the project. Based on BCB on an innovative planarization process about the use of a nano-imprint tool to ensure a perfect flat BCB layer surface, we present the global process flow step by step. Then, thanks to our BCB electrical characterization we compared two access line designs to decrease as much as possible the parasitic capacitance. Finally, we characterize the modulator cut-off frequency as a proof of concept and demonstrate a modulation of 29 GHz after its integration onto the VCSEL, comparable to the best results in the VCSEL litterature.
Dans cette thèse nous décrivons l’étude expérimentale et théorique d’un modulateur à électro-absorption (EAM) en vue de son intégration verticale sur un VCSEL (Laser à Cav- ité Verticale Emettant par la Surface) pour des communications optiques à très hautes fréquences. La modulation externe de la lumière émise par le VCSEL, alimenté en con- tinu, permet de s’affranchir de la limite physique due à la dynamique des porteurs et devrait donc permettre d’augmenter la bande passante comparé à un VCSEL à modu- lation directe. Notre approche permet de considérablement diminuer la surface utile de par son intégration monolithique verticale et ainsi la consommation électrique. La première partie est consacrée au design du composant EAM-VCSEL. Tout d’abord nous expliquerons l’effet d’électro-absorption et comment le modéliser, sa combinai- son avec la méthode de transfert matricielle, et son implémentation pour optimiser les paramètres physiques des puits quantiques tels que : l’épaisseur, la concentration d’aluminium dans les barrières et le champ électrique à appliquer. Ensuite, basé sur l’état de l’art des modulateurs verticaux, nous présenterons la conception d’une struc- ture Fabry-Pérot asymétrique pour augmenter l’effet d’absorption dans la cavité. Cette structure optimisée du modulateur sera ensuite intégrée sur une structure standard de VCSEL tout en considérant le découplage optique entre ces cavités. Je présenterai ensuite la fabrication de ces composants complexes. Nous aborderons la croissance des structures EAM et EAM-VCSEL avec notamment l’optimisation de la calibration des cellules et les caractérisations après croissance. Ensuite nous présentons un procédé lift-off innovant visant à faciliter le procédé complet. Ce procédé sera utilisé pour fabriquer le modulateur afin de le caractériser en régime statique. Nous démontrons ainsi son fonctionnement en mesurant la réflectivité en fonction de la température et de la tension appliquée ce qui nous permet d’avoir une validation du modèle précédent. Nous présentons enfin la caractéristique LIV du modulateur-VCSEL ainsi que son spectre en longueur d’onde. Les deux derniers chapitres seront consacrés à la partie fabrication et caractérisa- tion hyper-fréquence du composant. Nous avons conçu, à partir de nos caractérisations du BCB, des accès optimums pour diminuer les pertes électriques lors de l’injection. Nous présenterons ensuite un procédé innovant pour la planarisation du BCB en vue de l’injection électrique hyper-fréquence. Nous décrirons le procédé de fabrication com- plet du modulateur-VCSEL étape par étape. Enfin, nous montrerons les résultats hyper- fréquence du modulateur seul et intégré sur le VCSEL. Nous avons ainsi atteint une modulation de 29 GHz, comparable a l’état de l’art actuel des VCSELs.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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