COllage HEtéroépitaxial pour l’intégration hybride de DIspositifs Optiques nanostructurés – COHEDIO

L’objectif de ce projet est d’ouvrir une nouvelle voie pour l’élaboration des dispositifs photoniques intégrés hybrides. Cette voie contribue aux futurs développements de la photonique, notamment pour supporter les fonctionnalités de la photonique sur silicium qui est en passe d’entrer aujourd’hui au stade industriel (Luxtera). L’intégration hybride de matériaux sur silicium possède donc un potentiel industriel reconnu. Les méthodes d’intégration hybride actuelles ont toutes recours à une couche intermédiaire, ce qui, directement à cause de cette couche ou indirectement via les designs photoniques utilisés, conduit à une limitation des performances obtenues pour les dispositifs.
COHEDIO, grâce à l’excellente qualité de l’interface obtenue par collage hétéroépitaxial, permet de concevoir de nouveaux designs et élargira alors le potentiel offert pour les futurs dispositifs industriels. Le collage hétéroépitaxial permet d’associer deux matériaux qui ne peuvent pas l’être par croissance, et ce sans couche intermédiaire de matériau diélectrique : ce collage reconstruit les liaisons à l’interface, préserve les propriétés cristallines de chaque matériau, et préserve aussi toute nanostructuration que l’on aura au préalable définie sur l’une des surfaces. Cette technique de collage permet donc de concevoir des dispositifs intégrés hybrides qui ne sont pas envisageables à l’aide des méthodes actuelles de croissance ou de collage avec couche intermédiaire.

Nous étudions le collage sur silicium de deux grandes classes de matériaux fondamentaux pour la fabrication des circuits intégrés photoniques : les semi-conducteurs III-V de type GaAs ou InP pour obtenir les fonctions essentielles d’émission/amplification et les grenats magnéto-optiques pour obtenir la fonction tout aussi essentielle de l’isolation optique. Ces matériaux seront collés sur le silicium dont on utilisera les très bonnes performances des guides optiques qu’on peut y réaliser et qu’on peut nanostructurer. Cette nano structuration intervient pour le design photonique, et a aussi de réels avantages nano/thermo/mécaniques Nous étudions aussi le collage des matériaux III-V sur SiC de façon à tirer profit de sa très bonne conductivité thermique. Les surfaces collées seront de taille limitée de l’ordre du cm2, suffisante pour la réalisation d’un composant unique : on parle de vignettage. Le très récent résultat obtenu au LPN du collage d’un substrat d’InP sur un substrat de silicium conforte la faisabilité de cette étude.

Nous étudierons les dispositifs clefs pour les télécommunications que sont les émetteurs lasers monofréquence de type DFB et les amplificateurs optiques à semi-conducteurs –SOA–éléments de base des matrices de commutation, tous deux fonctionnant en pompage électrique. Nous réaliserons aussi un isolateur optique intégré, de façon à démontrer que cette technologie d’intégration permet de réaliser toutes les fonctions optiques nécessaires à un circuit intégré photonique sur silicium. Grace au collage hétéroépitaxial, nous pouvons inclure une nano structuration au cœur du dispositif et ainsi ouvrir l’espace de design paramétrique. De tels designs seront développés afin de pallier la mauvaise évacuation de la chaleur qui est responsable des performances limitées des composants réalisés avec les designs actuels.
Cette même problématique thermique nous conduit à étudier les VCSELs sur SiC. L’intégration sur substrat de forte conductivité thermique comme SiC permettra d’améliorer fortement les performances thermiques des VCSEL, et ainsi de faire avancer les études fondamentales menées sur le bruit dans ces dispositifs.

Au-delà des dispositifs individuels étudiés dans ce projet, cette technique de collage et les designs photoniques qu’elle rend possible ouvrent la voie à de nouvelles architectures d’intégration. Il s’agit d’une rupture dans la conception des circuits photoniques intégrés hybrides.