Thèse Nouveau Laser à Bande Interdite Photonique à Verrouillage de Modes Basé sur une Plate-Forme Hybride à Boîtes ou Bâtonnets Quantiques Iii-V - Si pour les Applications de Télécommunications et H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Laboratoire Lumière, Matière et Interfaces Direction de la thèse : Alexandre SHEN Début de la thèse : 2026-09-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 Les principaux défis que ce travail de thèse vise à relever sont :
Sur le plan théorique, il s'agira bien comprendre le nouveau type de lasers à bande interdite photonique et d'en proposer une modélisation prédictive. Bien que les potentiels photoniques des cavités lasers aient été calculés ab initio et les modes longitudinaux prédits soient confirmés par des observations, il reste néanmoins à comprendre le mécanisme du verrouillage de modes en régime laser. Des mécanismes non-linéaires comme le mélange à quatre ondes, ou la dynamique des porteurs de charges et leurs impacts sur le régime de verrouillage de modes actif restent à être modélisés, et étudiés quantitativement, notamment lorsque le verrouillage actif est provoqué par la modulation externe de la densité de porteurs, via une modulation hyperfréquence à la fréquence de battement de la cavité, ou via une injection d'un signal optique modulé à cette même fréquence dans la cavité laser.
Sur le plan expérimental, il s'agira d'étendre le nombre de modes verrouillés et la valeur de la fréquence de battement; de démontrer le verrouillage optique donc la récupération d'horloge optique agile en fréquence; et de démontrer pour la première fois l'intégration de boîtes quantiques (QD) ou des bâtonnets quantiques (QDa) sur plaques de substrat InP collée sur silicium, et de concevoir de nouvelles architectures MLL flexibles grâce aux nouveaux profils de dispersion fournis par les matériaux QDa.
Le doctorant utilisera la modélisation et les simulations pour concevoir de nouvelles classes de lasers répondant aux défis mentionnés ci-dessus. Il réalisera deux séries de démonstrations :
1/ Oscillateur micro-ondes compact et économe en énergie pour applications d'oscillateurs micro-ondes : un module MLL flexible et encapsulé sera intégré à une boucle de rétroaction électro-optique afin de fabriquer un oscillateur optoélectronique micro-ondes (OEO) agile sans filtre radiofréquence accordable. L'accordabilité et l'efficacité de l'OEO seront évaluées.
2/ Peignes de fréquences pour applications 6G : un laser flexible à verrouillage de mode, intégré et doté de raies spectrales étendues (> 8), sera utilisé pour évaluer un sous-système émetteur (Tx) WDM cohérent, avec au moins deux séparations spectrales (25 GHz et 50 GHz) ; il servira également à démontrer la récupération d'horloge à partir de deux signaux NRZ à débits binaires distincts (25 ou 50 Gbps).
Ce travail de thèse s'articule autour de trois axes : conception et modélisation, implémentation, et tests et caractérisation.
L'axe 1 portera sur l'étude théorique du verrouillage de modes dans le laser flexible, incluant des aspects non étudiés tels que le bruit et la réponse en modulation externe. Pour ce faire, le doctorant introduira un modèle numérique dédié, qui guidera l'optimisation du dispositif, notamment en ce qui concerne la conception de la cavité optique, laquelle pourra être utilisée pour contrôler la dynamique du ML. Le/la doctorant(e) implémentera ces conceptions dans un laser réel et fabriqué.
Dans l'axe 2, le/la doctorant(e) suivra le processus de fabrication, notamment le collage des plaques, la structuration et la gravure du circuit photonique SOI, ainsi que le processus back-end III-V, et contribuera à la conception des masques.
Dans l'axe 3, le/la doctorant(e) participera pleinement à la caractérisation du composant, en couvrant le bruit de la note rythmique ainsi que la combinaison de modes cohérents afin de démontrer la mise en forme des fronts d'onde dans ces structures. Il/Elle étudiera l'auto-injection et les propriétés d'un OEO avancé. Le modèle affiné du composant servira à la conception du laser optimisé. Après une caractérisation détaillée des lasers, il/elle réalisera l'évaluation des démonstrateurs pour les applications de télécommunications 6G, et pour les applications d'oscillateurs micro-ondes. Dans le contexte des communications optiques, l'intégration du MLL flexible dans un émetteur WDM permettrait à un gestionnaire de réseau de modifier son espacement spectral afin de s'adapter aux besoins changeants en débit et de maximiser l'efficacité spectrale, réduisant ainsi la consommation énergétique globale. De plus, ce dispositif pourrait être utilisé pour la récupération d'horloge tout optique qui s'adapte au débit : plus précisément, cette thèse vise également la récupération d'horloge à partir d'un signal codé à un débit de 10-20 Gbit/s, voire 40 Gbit/s, à l'aide d'un seul laser à verrouillage de mode flexible développé dans le cadre de cette thèse. Globalement, cette nouvelle technologie contribuera à réduire la complexité et la consommation énergétique des futurs réseaux optiques, car les conversions électriques-optiques-électriques, gourmandes en énergie, seront remplacées par des commutateurs tout optiques dans les noeuds du réseau. En effet, les commutateurs tout optiques sont quasiment obligatoires dans les réseaux 6G, car la latence (0,1 ms) devra y être inférieure d'un ordre de grandeur à celle de la 5G (1 ms). Le/La doctorant(e) cherchera à augmenter le nombre de modes verrouillés et à améliorer le bruit de phase de la fréquence de battement. Cet objectif sera atteint grâce à des modifications de conception, basées sur une meilleure compréhension de la physique du dispositif. Il exploitera le laser amélioré pour démontrer de nouvelles fonctions :
Tout d'abord, le laser à verrouillage de modes (MLL) flexible sera utilisé comme oscillateur optoélectronique micro-ondes (OEO) agile grâce au contrôle de l'auto-injection par rétroaction électro-optique adaptée, de manière très similaire à un circuit oscillateur commandé en tension (VCO) dans une référence de fréquence classique et purement électronique. L'agilité est une caractéristique attendue et pourtant quasi unique de ce nouveau dispositif, car, contrairement aux OEO classiques, il ne nécessite pas de filtre radiofréquence accordable, un dispositif notoirement lent et encombrant. Ce travail de thèse s'articule autour de trois axes : conception et modélisation, implémentation, et tests et caractérisation.
L'axe 1 portera sur l'étude théorique du verrouillage de modes dans le laser flexible, incluant des aspects non étudiés tels que le bruit et la réponse en modulation externe. Pour ce faire, le doctorant introduira un modèle numérique dédié, qui guidera l'optimisation du dispositif, notamment en ce qui concerne la conception de la cavité optique, laquelle pourra être utilisée [25 Bourgon] pour contrôler la dynamique du ML. Des travaux préliminaires ont en effet montré qu'il est possible d'atteindre un nombre plus élevé de modes verrouillés (fig. 3) [19 Sun] [25 Bourgon]. Le doctorant implémentera ces conceptions dans un laser réel et fabriqué.
Dans l'axe 2, le/la doctorant(e) suivra le processus de fabrication, notamment le collage des plaquettes, la structuration et la gravure du circuit photonique SOI, ainsi que le processus back-end III-V, et contribuera à la conception des masques. Les meilleurs composants étant mis en module pour des études plus approfondies de stabilité et de caractérisation du bruit, il/elle assurera également le suivi des activités de mise en module.
Dans l'axe 3, le/la doctorant(e) participera pleinement à la caractérisation du composant, en couvrant le bruit de la note rythmique ainsi que la combinaison de modes cohérents afin de démontrer la mise en forme des formes d'onde dans ces structures (Lumin). Il/Elle étudiera l'auto-injection et les propriétés d'un OEO avancé (TRT). Le modèle affiné du composant servira à la conception du laser optimisé. Avec le laboratoire III-V, il/elle participera aux tests de base du composant avant une caractérisation plus détaillée avec Lumin et TRT. Au sein du laboratoire III-V, il/elle réalisera l'évaluation des démonstrateurs pour les applications de télécommunications 6G, et chez Thales pour les applications d'oscillateurs micro-ondes.

Normalien / normalienne de l'ENS Paris Saclay