Réalisation et étude de composants passifs d'optique intégrée sur substrat silicium sur isolant pour les interconnexions optiques

= Realization and study of passive integrated optical devices based on silicon on insulator substrate for optical interconnect

• Auteur / Autrice : Nicolas Schnell
• Direction : Gérard Guillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dispositifs de l’'électronique intégrée
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPM - Laboratoire de Physique de la Matière

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Interconnexions optiques

Optique intégrée

Microélectronique

Résumé

Ce travail de thèse vise à étudier une nouvelle solution pour la distribution d'horloge dans les microprocesseurs en utilisant des interconnexions optiques. Nous avons utilisé un matériau Silicium sur Isolant (SOI) qui est transparent dans le proche infrarouge. De plus, le fort contraste d'indice de réfraction entre le cœur du guide de silicium et la couche de gaine en silice permet de réduire considérablement la taille des composants passifs élémentaires nécessaires à la réalisation d'une distribution par voie optique. Durant cette thèse, nous avons exploré une approche "Front end" pour la réalisation des composants d'optique intégrée qui est compatible avec la technologie CMOS. Les dispositifs optiques sont réalisés au même niveau que les circuits intégrés électroniques. Le fait qu'il n'existe pas actuellement de source de lumière en silicium, nous a conduit à utiliser une source fibrée externe de lumière couplée à une distribution optique en H reposant sur une architecture de guides rubans encapsulés dans de la silice. Les tailles des guides sont de 0,3 µm x 0,3 µm ou de 0,2 µm x 0,5 µm suivant que l'on cherche à avoir des composants insensibles ou non à la polarisation. Nous avons conçu est caractérisé les composants de base nécessaires à la distribution d'horloge par voie optique, à savoir : les guides d'onde de lumière, des diviseurs de faisceau (MMI et jonction Y), et des virages à 90°. L'originalité de cette partie du travail réside dans la caractérisation des composants sur une plage de longueur d'onde de 500nm (lambda = 1250 nm à 1650 nm). Les niveaux de pertes des composants individuels mesurés sont à l'état de l'art de ce qui se fait au niveau mondial, ce qui nous a permis de démontrer la faisabilité d'une distribution optique de 1 vers 8 avec un déséquilibre entre les voies inférieur à 0,5dB sur l'ensemble de la gamme de longueur d'onde. Ces résultats montrent que l'approche qui a été choisie présente des potentialités intéressantes pour l'introduction du multiplexage en longueur d'onde dans les architectures des liens optiques, ce qui permettra d'accroître leurs performances. Un des problèmes majeurs de l'optique intégrée sur silicium réside dans l'injection de la lumière dans un guide submicronique. Durant cette thèse, nous avons développé une approche originale appelée "coupleur ARROW", qui permet de préserver un couplage en bout de lumière (solution utiliser par les industriels pour le packaging des composants), tout en relaxant les contraintes d'alignements entre la source fibrée et le guide d'entrée.

This work aims at investigating a new solution for the clock distribution in microprocessors using optical interconnections. We used a Silicon On Insulation (SOI) material which is transparent in the near infrared. Furthermore, the strong refractive index contrast between the core and the cladding layer of the waveguide respectively in silicon and silicon oxide allows to reducing considerably the basic passive optical building blocks. During this thesis, we used a "front end" approach for the realization of the optical devices that is CMOS compatible. This means that the optical devices are realized at the same level as the electronic integrated circuits. The fact that there is at present no silicon light source, led to us to use an external fibered source coupled with an optical H tree distribution based on strip waveguide topology. The cross section of the waveguides is about 0. 3 µm by 0. 3 µm or 0. 2 µm by 0. 5 µm as we try to have devices sensitive or not to the polarization. We have design and characterized the basic optical building blocks such as: the strip waveguides, MMI and Y junction splitters and 90° micro-bends. The originality of this work lives in the characterization of devices on a 500 nm spectral range ( = 1250 to 1650 nm). The performances of the basic building blocs are in the state of the art. Furthermore, we demonstrated the feasibility of a 1 by 8 optical distribution with an imbalance lower than 0. 5 dB on the whole spectral range. These results show that this approach is interesting for the introduction of wavelength multiplexing in wavelength, what will allow to increasing the performances of the optical link. One of the major problems of the silicon integrated optics lie in the coupling of the light in a submicronic waveguide. During this thesis, we developed an original approach called "ARROW coupler", which allows to use a butt coupling method (solution used by the manufacturers for the device packaging), while relaxing the coupling constraints between the fibered source and the input waveguide of the H tree distribution.