Integrated photonics with III-nitrides : nonlinear processes and lasers

Description

III-Nitrides (GaN, AlN, InN, and their alloys) have gained prominence in integrated photonics in recent years, due to their exceptional properties like direct band gap, wide optical transparency from UV to NIR (0.7- 6.2 eV), and remarkable nonlinear optical properties (GaN(χ(2)33 ) ∼ -10 pm/V, AlN(χ(2)33 ) ∼ 8 pm/V). Unlike Silicon-based photonic integration, which faces challenges with a lack of light source and inherent nonlinear properties, III-Nitrides offer a potential solution within a single material platform. This versatility eliminates the need for complex hybrid integration approaches, promising efficient and high-performance integrated photonic devices. III-Nitride semiconductors are poised to revolutionize the field, enabling compact and powerful photonic devices that cater to the demands of modern technology. In this work, we propose III-N photonic devices with GaN/AlN composite layers grown on Silicon or Sapphire substrates. We emphasize the optimization of AlN/GaN growth by MOCVD/MBE growth techniques to achieve high-quality, crack-free layers. Additional process optimizations were performed throughout the work, to reduce fabrication-induced optical losses. We demonstrated a photonic platform based on epitaxial GaN-on-insulator on silicon, where the III-N layer was successfully transferred onto SiO2 by wafer bonding technique, yielding quality factors of up to 2.3x10^5 at telecom wavelength. Resonant second harmonic generation is demonstrated with a conversion efficiency of ∼ 0.24%/W under continuous-wave pumping. We propose III-N photonic devices with GaN/AlN composite layers grown on sapphire substrate for the enhancement of nonlinear conversion efficiency. The theoretical prediction of mode overlap integral increase with natural polarity inversion in GaN/AlN composite waveguides, was validated by experimental results. The second harmonic generation is demonstrated on overlap integral optimized GaN/AlN composite waveguide with a conversion efficiency of 4%/W/cm^2. This value is not far from the predicted efficiency of ∼ 30%/W/cm^2 and can be reached by reducing propagation losses.We conducted a study on thick GaN/AlN bilayers grown epitaxially on sapphire substrates, designed for optical parametric amplification. Remarkably, we achieved a high-quality factor of up to 4.1x10^5 at the telecom wavelength range with combined GaN/AlN layer thickness over 1 μm. This achievement opens up opportunities to leverage the nonlinear properties of GaN/AlN for the development of efficient nonlinear photonic devices. As a first step towards active-passive device integration, we fabricated electrically injected InGaN/GaN quantum well ridge lasers emitting in the blue-violet spectral range. We emphasized optimizing heterostructure growth and fabrication to reduce the laser threshold. We successfully achieved lasing with threshold current density of 5 kA/cm^2, with the potential for further reduction through on going optimization efforts. The versatility of III-Nitride materials offers a wide array of solutions for adapting to ever-evolving technological landscapes. This makes them a promising candidate for the future development of integrated photonic circuits, distinguishing them from other material platforms.

Abstract (French)

Les III-N ont gagné en importance dans la photonique intégrée ces dernières années, en raison de leurs propriétés exceptionnelles telles que la bande interdite directe, une large transparence optique de l'UV au NIR (0,7-6,2eV), et des propriétés optiques non linéaires remarquables (GaNχ(2)∼-10pm/V, AlNχ(2)∼8pm/V). Contrairement à l'intégration photonique basée sur le silicium, qui se heurte à l'absence de source de lumière et à des propriétés non linéaires inhérentes, les III-N offrent une solution potentielle au sein d'une plateforme de matériaux unique. Cette polyvalence élimine le besoin d'approches d'intégration hybrides complexes, promettant des dispositifs photoniques intégrés efficaces et performants. Les semi-conducteurs à base de nitrure III sont sur le point de révolutionner le domaine, en permettant la création de dispositifs photoniques compacts et puissants qui répondent aux exigences de la technologie moderne. Dans ce travail, nous proposons des dispositifs photoniques III-N avec des couches composites GaN/AlN cultivées sur des substrats de silicium ou de saphir. Nous mettons l'accent sur l'optimisation de la croissance de l'AlN/GaN par les techniques de croissance MOCVD/MBE afin d'obtenir des couches de haute qualité et sans fissures. D'autres optimisations de processus ont été réalisées tout au long du travail, afin de réduire les pertes optiques induites par la fabrication. Nous avons démontré une plateforme photonique basée sur du GaN épitaxié sur isolant sur silicium, où la couche III-N a été transférée avec succès sur SiO2 par la technique de collage de tranches, produisant des facteurs de qualité allant jusqu'à2,3x105 à la longueur d'onde de télécommunication. La génération de seconde harmonique résonante est démontrée avec une efficacité de conversion de ∼0,24%/W sous pompage à ondes continues. Nous proposons des dispositifs photoniques III-N avec des couches composites GaN/AlN cultivées sur un substrat de saphir pour améliorer l'efficacité de la conversion non linéaire. La prédiction théorique de l'augmentation de l'intégrale du chevauchement des modes avec l'inversion de la polarité naturelle dans les guides d'ondes composites GaN/AlN a été validée par des résultats expérimentaux. La génération de seconde harmonique est démontrée sur un guide d'onde composite GaN/AlN optimisé pour l'intégrale de recouvrement avec une efficacité de conversion de 4%/W/cm2. Cette valeur n'est pas très éloignée de l'efficacité prévue de ∼30%/W/cm2 et peut être atteinte en réduisant les pertes de propagation. Nous avons mené une étude sur des bicouches GaN/AlN épaisses cultivées épitaxiquement sur des substrats de saphir, conçues pour l'amplification paramétrique optique. De manière remarquable, nous avons obtenu un facteur de haute qualité allant jusqu'à 4,1x105 dans la gamme des longueurs d'onde telecom avec une épaisseur de couche combinée GaN/AlN de plus de 1 μm. Cette réalisation ouvre des possibilités d'exploiter les propriétés non linéaires de GaN/AlN pour le développement de dispositifs photoniques non linéaires efficaces. Comme première étape vers l'intégration de dispositifs actifs-passifs, nous avons fabriqué des lasers à puits quantiques InGaN/GaN injectés électriquement et émettant dans la gamme spectrale bleu-violet. Nous avons mis l'accent sur l'optimisation de la croissance et de la fabrication de l'hétérostructure afin de réduire le seuil du laser. Nous avons réussi à atteindre une densité de courant de seuil remarquablement basse de 5 kA/cm2, avec un potentiel de réduction supplémentaire grâce à des efforts d'optimisation continus. La polyvalence des matériaux III-N offre un large éventail de solutions pour s'adapter aux nouvelles technologies. Cela en fait un candidat prometteur pour les circuits photoniques intégrés, ce qui les distingue des autres plates-formes matérielles.

Additional details