Laser QCL moyen infra rouge intégré sur plateforme Germanium – LIGHTUP

The groundbreaking concept of the project is the epitaxial growth of QCL devices on the Ge-based photonics circuit, to offer large-volume, wafer-level complete mid-IR photonic platform. Both the QCL active region and the Ge-based photonics circuit will be specifically designed to optimize both the coupling strategy and the material properties, i.e., to preserve low optical losses and large optical gain.

Results have been obtained on different aspects : (i) towards the integration of III-Sb QCLs on SiGe mid IR platform, (ii) on the development of photonics building blocs in SiGe mid-IR platfom, (iii) on identifying and solving issues related to the integration of III-Sb optoelectronic devices with passive photonic circuits, and are summarized hereafter :

Towards the integration of III-Sb QCL on SiGe mid IR platform :

- The growth of III-Sbs on the Ge-based virtual substrates has been investigated in details in the project, building on the pre-existing knowhow on growing III-Sbs on Si substrates

- The conditions to reproducibly achieve antiphase-domain free III-Sb layers on Ge substrates have been established. The conditions to reproducibly achieve antiphase-domain free III-Sb layers on Ge/Si templates have been established.

- The growth conditions of III-Sbs on Ge/SiGe/Si templates has made much progress. Work is underway to get fully reproducible results.

- A III-Sb QCL has been grown on a Ge substrates and demonstrated performances similar to those of QCLs grown on their native InAs substrate. This was the first-ever QCL grown on a Ge substrate.

- In parallel a butt coupling strategy has been successfully implemented. Coupling losses of 10 dB have been obtained in the first attempt, but allows to understand the limiting factors for future works.

Development of photonics building blocs in SiGe mid-IR platform :

- High quality factor resonators (Q<105) operating around 8 µm wavelength have been demonstrated for the first time .

- Electro optical modulators have been demonstrated, based on free carrier plasma dispersion effect. Different diode configuration have been investigated (Schottky, PIN), and electro optical bandwidth around 1GHz has been obtained.

- Photodetection in the mid-IR has been demonstrated using the electro optical devices. The physical mechanism at the origini of the photodetection has been investigated in details, and seems related with residual defects during SiGe growth.

Issues related to the integration of III-Sb devices with passive photonic devices

- In parallel, work has also been performed with GaSb-based diode lasers (DLs), the model optoelectronic device in the III-Sb technology, to advance the integration steps.

- The impact of dislocations, an unavoidable defect in lattice-mismatched devices, has been investigated on GaSb-based diode lasers. It has been shown that dislocations do not introduce optical losses, but non-radiative recombination channels.

- A strategy to butt-couple GaSb-diode lasers to SiN waveguides (WGs) by direct epitaxy of the DLs on a Si PIC has been elaborated. Light transmission through the WGs has been demonstrated. Coupling losses of 10 dB have been measured, and their origin understood. Strategies to improve the coupling efficiency have been proposed and demonstrated.

The LIGHT UP projects allowed both to develop the mid-IR SiGe photonics platform and its integration with compact electrically driven III-Sb QCL. Light coupling between both has been successfully achieved in the butt coupling approach, and strong progess has been achieved in the monolithic integration strategy. The main perspective of this work is the combination of III-Sb QCL with SiGe photonics circuits providing advanced optical function such as frequency comb generation.

L’utilisation de la photonique silicium pour la réalisation de circuits photoniques dans la gamme spectrale du moyen infrarouge présente des atouts majeurs, liés à l’utilisation de technologies de fabrication matures, à grand volume, déjà développées pour les circuits intégrés microélectroniques. Parmi les verrous à lever avant le développement d’applications pratiques, le couplage de la lumière issue d’une source laser vers les circuits photoniques passifs est un enjeu majeur. Dans ce contexte, le projet LIGHT UP est dédié à l’intégration de Lasers à Cascades Quantiques (QCL) InAs/AlSb sur circuit intégré photonique à base de Germanium (Ge) dans le moyen infra rouge. Le point clef du projet porte sur la croissance épitaxiale de structures QCL sur les circuits photoniques Ge, permettant une fabrication simplifiée des systèmes, à l’échelle du substrat. La région active du QCL et le guide d’onde Ge seront conçus pour optimiser les propriétés des matériaux tout en prenant en compte les stratégies d’intégration. L’objectif sera de préserver des guides d’onde à faible pertes, et un fort gain optique dans la région active, tout en concevant un couplage efficace entre la région active et le guide Ge. Le démonstrateur du projet LIGHT UP est formé d’un QCL émettant à la longueur d’onde de 7.4µm, couplé dans un circuit photonique Ge. Le choix de cette longueur d’onde correspond à des applications potentielles pour la détection des alcanes, ce qui peut permettre d’évaluer rapidement l’impact du travail réalisé. Les résultats qui seront obtenus dans le projet LIGHT UP permettront de conclure sur les possibilités et l’opportunité de développer une plateforme hybride ambitieuse, basée sur l’intégration de lasers QCL InAs/AlSb sur circuits intégrés photonique à base de Ge. A plus long terme, les résultats obtenus pourront ouvrir de nombreuses perspectives pour la réalisation de composants innovants, aux propriétés uniques, citons par exemple une source intégrée large bande et accordable, qui peut être couplée à un modulateur optique intégré, un photodétecteur ou à un spectromètre intégré. Une telle plateforme ouvrira de large champs d'applications allant de l’analyse de polluants en temps réels aux télécommunications en espace libre, en passant par le diagnostic et l’analyse médicale.