Dispositivos emisores de luz para transmisión óptica de alta velocidad

Abstract

La fotónica de silicio es una de las tecnologías con más auge en las últimas dos décadas. Es por ello que el estudio y desarrollo de circuitos integrados fotónicos ha tenido una importante presencia en la investigación de nuevos componentes y dispositivos para la mejora de prestaciones en sistemas de comunicaciones ópticos. Una de las principales ventajas de la fotónica de silicio es su compatibilidad con la tecnología electrónica CMOS, la cual la convierte en una plataforma prometedora para la fabricación en masa a bajo coste. El tamaño reducido de las estructuras fotónicas y las bajas pérdidas alcanzadas en guías de onda nanométricas ha permitido el desarrollo de dispositivos con una alta densidad de integración. De igual manera, se han demostrado moduladores ópticos de alta velocidad y fotodetectores altamente eficientes. Sin embargo, el desarrollo de la fuente de luz o láser, elemento indispensable en cualquier sistema de comunicaciones óptico, no es posible debido al "bandgap" indirecto del silicio. Por lo cual, otros materiales de "bandgap" directo se han estudiado y propuesto para conseguir integrar un láser sobre el chip de silicio con emisión en las bandas O y C. El principal desafío radica en alcanzar el régimen de emisión estimulada coherente por medio de un bombeo eléctrico y de forma eficiente. Para ello se han propuesto varios esquemas de integración. La integración monolítica aborda la fabricación del láser directamente en el chip. Por otra parte, la integración híbrida consiste en la fabricación del láser por separado para luego ser integrado en el chip, siendo este esquema con el que mejores resultados se han conseguido. De esta manera, el principal objetivo de la tesis ha sido el desarrollo de un láser de cavidad externa por medio de un esquema de integración híbrida y con funcionamiento en la banda O. Los distintos bloques básicos se han analizado, diseñado, fabricado y demostrado experimentalmente. Finalmente, se ha llevado a cabo la integración con el medio de ganancia demostrándose satisfactoriamente emisión estimulada y funcionamiento monomodo. Además, en la tesis se ha abordado también el acoplamiento a estructuras de guiado tipo ranura, las cuales han sido propuestas en esquemas de integración monolítica.

La fotònica de silici és una de les tecnologies amb més auge en les últimes dues dècades. És per això que l'estudi i desenvolupament de circuits integrats fotònics ha tingut una important presència a la investigació de nous components i dispositius per a la millora de prestacions en sistemes de comunicacions òptics. Una de les principals avantatges de la fotònica de silici és la seva compatibilitat amb la tecnologia electrònica CMOS, la qual la converteix en una plataforma prometedora per a la fabricació en massa a baix cost. La mida reduïda de les estructures fotòniques i les baixes pèrdues assolides en guies d'ona nanomètriques ha permès el desenvolupament de dispositius amb una alta densitat d'integració. De la mateixa manera, s'han demostrat moduladors òptics d'alta velocitat i fotodetectors altament eficients. No obstant això, el desenvolupament de la font de llum o làser, element indispensable en qualsevol sistema de comunicacions òptic, no és possible a causa del "bandgap" indirecte del silici. Per la qual cosa, altres materials de "bandgap" directe s'han estudiat i proposat per aconseguir integrar un làser sobre el xip de silici amb emissió en les bandes O i C. El principal desafiament rau a aconseguir el règim d'emissió estimulada coherent per mitjà de un bombament elèctric i de forma eficient. Per a això s'han proposat diversos esquemes d'integració. La integració monolítica aborda la fabricació del làser directament en el xip. D'altra banda, la integració híbrida consisteix en la fabricació del làser per separat per després ser integrat en el xip, sent aquest esquema amb el que millors resultats s'han aconseguit. D'aquesta manera, el principal objectiu de la tesi ha sigut el desenvolupament d'un làser de cavitat externa per mitjà d'un esquema d'integració híbrida i amb funcionament a la banda O. Els diferents blocs bàsics s'han analitzat, dissenyat, fabricat i demostrat experimentalment. Finalment, s'ha dut a terme la integració amb el medi de guany demostrant satisfactòriament emissió estimulada i funcionament monomode. A més, en la tesi s'ha abordat també l'acoblament a estructures de guiatge tipus ranura, les quals han estat proposades en esquemes d'integració monolítica.

Silicon photonics is one of the technologies that has raised a higher interest during the last two decades. Therefore, the development of photonic integrated circuits has had an important presence in the research of new components and devices for the improvement of performance in optical communication systems. One of the main advantages of silicon photonics is its compatibility with CMOS electronic technology, which makes it a promising platform for mass production at low cost. The reduced size of photonic structures and the low propagation losses achieved in nanometric photonic waveguides has allowed the development of devices with a high density of integration. Similarly, high-speed optical modulators and highly efficient photodetectors have been demonstrated. However, the development of the light source or laser, an indispensable element in any optical communication system, is not possible due to the indirect bandgap of silicon. Therefore, other direct bandgap materials have been studied and proposed to integrate a laser on the silicon chip with emission in the O and C bands. The main challenge lies in reaching the coherent stimulated emission regime by means of an electric pump and in an efficient way. For this, several integration schemes have been proposed. Monolithic integration deals with the fabrication of the laser directly on the chip. On the other hand, hybrid integration consists in the fabrication of the laser separately to later be integrated into the chip. The best results have been achieved by means of this approach. Therefore, the main goal of the thesis has been the development of an external cavity laser by means of a hybrid integration scheme and with operation in the O-band. The different basic building blocks have been analyzed, designed, fabricated and experimentally demonstrated. Finally, the integration with the active material has been carried out, successfully demonstrating stimulated emission and single-mode operation. In addition, the thesis has also addressed the coupling to slow waveguide guidance structures, which have been proposed in monolithic integration schemes.