Thèse Développement de Lasers à Cascade Interbandes Intégrés Monolithiquement sur Circuit Photonique Gaas H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier École doctorale : I2S - Information, Structures, Systèmes Laboratoire de recherche : IES - Institut d'Electronique et des Systèmes Direction de la thèse : Laurent CERUTTI ORCID 0000000217587130 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-04T23:59:59 La fabrication de lasers émettant dans le moyen infrarouge (MIR) sur des substrats technologiquement matures comme le GaAs ouvre de nouvelles perspectives pour l'optoélectronique intégrée. Elle permet d'envisager l'intégration directe de ces sources avec des fonctions optiques et des circuits photoniques sur un même substrat, réduisant ainsi l'encombrement des dispositifs et offrant de nouvelles fonctionnalités.
Des travaux récents menés par le groupe Nanomir de l'IES ont démontré que les lasers à cascade interbande (ICL), émettant entre 3 et 5 µm et épitaxiés sur GaAs, présentent une forte tolérance aux dislocations. Leurs performances sont comparables à celles obtenues sur substrats natifs de GaSb, avec des puissances d'environ 60 mW par facette en régime continu à température ambiante.
Par ailleurs, le GaAs et ses alliages, comme l'AlGaAs, sont transparents dans le MIR et bénéficient de procédés de fabrication bien maîtrisés pour la photonique intégrée. Cette combinaison rend possible le développement de dispositifs intégrés où lasers et circuits photoniques coexistent sur un même support.
Ces architectures permettent notamment la miniaturisation de capteurs optiques, avec des applications en spectroscopie de gaz, ainsi que l'assemblage de plusieurs lasers pour augmenter la puissance de sortie. Cette dernière approche est particulièrement prometteuse pour les communications optiques en espace libre autour de 4 µm, une zone où les sources actuelles restent limitées en puissance.
Dans ce contexte, les objectifs de la thèse consistent à étudier la plateforme photonique GaAs et à concevoir les circuits photoniques nécessaires à l'intégration efficace des ICLs. L'intégration de laser MIR sur une plateforme de photonique intégrée permettrait d'ouvrir la voie à de nouvelles fonctions optiques directement intégrées avec la source laser. À ce jour, les travaux portant sur des composants MIR intégrés sur des PIC restent encore limités. Des démonstrations d'intégration hétérogène de lasers à cascade quantique (QCL) et de lasers à cascade interbande (ICL) sur des plateformes Si/SiO ont néanmoins permis de démontrer le couplage de ces sources avec des circuits photoniques intégrés. Cependant, les premiers résultats rapportent un fonctionnement uniquement en régime pulsé, avec des puissances optiques de sortie limitées à quelques centaines de µW. Ces performances modestes s'expliquent principalement par les difficultés de dissipation thermique à travers la plateforme photonique, la gestion de la chaleur constituant un verrou majeur pour ce type d'architecture. Une seconde approche, proposée dans le cadre de ce projet de thèse, consiste à réaliser une intégration monolithique des composants III-V directement sur
une plateforme photonique. Dans le domaine du moyen infrarouge, plusieurs familles de matériaux transparents peuvent être envisagées pour la
réalisation de PIC. Parmi celles-ci, le SiGe et les arséniures (AlGaAs)
apparaissent comme des candidats particulièrement prometteurs11. Ces matériaux présentent en effet de faibles pertes optiques dans le MIR. Par ailleurs, les procédés technologiques nécessaires à la fabrication des circuits photoniques et des fonctions optiques associées sont aujourd'hui bien maîtrisés, et des substrats de grand diamètre sont disponibles.
Parmi ces deux options, les arséniures présentent plusieurs avantages supplémentaires. En particulier, les matériaux à base de GaAs possèdent un fort coefficient de non-linéarité optique, propriété particulièrement intéressante pour le développement de sources avancées telles que les peignes de fréquences ou les supercontinuum dans le moyen infrarouge. D'un point de vue technologique, le GaAs est également un semi-conducteur polaire, contrairement au SiGe, ce qui simplifie les problématiques de croissance épitaxiale, celles-ci se limitant principalement à la gestion des dislocations les objectifs de la thèse consistent à étudier la plateforme photonique GaAs et à concevoir les circuits photoniques nécessaires à l'intégration efficace des ICLs. Le projet débutera par l'étude des propriétés optiques des matériaux à base de GaAs élabiorés au sein du groupe par épitaxie par jets moléculaires (EJM). Les indices optiques et les pertes seront mesurés afin de permettre la modélisation, à l'aide de logiciels tels que COMSOL ou Lumerical, de différentes architectures optiques : guides d'onde, interféromètres de Mach-Zehnder, résonateurs en anneau, etc. Ces modèles serviront de base à la conception de fonctions optiques adaptées aux applications visées.
Les structures seront ensuite fabriquées par EJM, et les procédés technologiques nécessaires à la réalisation de la circuiterie photonique seront développés dans la salle blanche de la Centrale Technologique en Microelectronique de l'Université de Montpellier (CTM). Les différents
éléments seront caractérisés par des mesures optiques afin d'évaluer les pertes et d'optimiser leurs performances.
Une part importante du projet concernera le design des composants actifs épitaxiés sur la plateforme GaAs. Pour la réalisation des fonctions optiques intégrés, il sera pertinent de disposer à la fois de lasers et de détecteurs. Les ICLs devront donc être conçus de manière à pouvoir également fonctionner comme détecteurs. Des études antérieuyres, notamment à l'Université Technologique de Vienne (Autriche), ont montré qu'il est possible d'utiliser des ICLs comme détecteurs à cascade interbande (ICD)9. L'objectif sera ainsi de développer des structures actives capables d'assurer efficacement ces deux fonctions : émission et détection.
Après la fabrication, les principales caractéristiques électro-optiques des composants (courant de seuil, puissance de sortie, dépendance en température, rendement optique, etc.) seront étudiées.
Ces résultats permettront d'affiner les modèles et d'optimiser les performances des dispositifs.
Enfin, la dernière étape du projet concernera l'intégration monolithique des composants ICL/ICD sur la plateforme photonique GaAs. Des simulations permettront d'optimiser le couplage entre le laser, la circuiterie photonique et le détecteur. L'impact des différentes étapes de fabrication telles que la croissance des couches, les procédés technologiques, l'intégration des composants sera étudiée afin de réduire au maximum les pertes optiques et de maximiser le couplage entre les différents éléments actifs et passifs.