Ultra-compact plasmonic modulator for optical inteconnects

par Nicolás Mario Abadía Calvo (Abadía Calvo)

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Laurent Vivien et de Ségolène Olivier.

Le président du jury était Renaud Bachelot.

Le jury était composé de Laurent Vivien, Ségolène Olivier, Renaud Bachelot, Alain Morand, Gérard Colas des Francs, Stéphane Collin.

Les rapporteurs étaient Alain Morand, Gérard Colas des Francs.

  • Titre traduit

    Modulateur plasmonique ultra-compact pour les interconnexions optiques sur silicium


  • Résumé

    Ce travail vise à concevoir un modulateur optique assisté par plamsons, compatible CMOS et à faible consommation électrique. L’électro-absorption, basée sur l’effet Franz-Keldysh dans le germanium, a été choisie comme principe de modulation pour réduire la taille du dispositif et la consommation d'énergie électrique associée. L’effet Franz-Keldysh se traduit par un changement du coefficient d'absorption du matériau près du bord de bande sous l'application d'un champ électrique statique, d'où la production d'une modulation directe de l'intensité lumineuse. L'utilisation de plasmons permet en principe d’augmenter l'effet électro-optique en raison du fort confinement du mode optique. Un outil de simulation électro-optique intégré a été développé pour concevoir et optimiser le modulateur. Le modulateur plasmonique proposé a un taux d'extinction de 3.3 dB avec des pertes d'insertion de 11.2 dB et une consommation électrique de seulement 20 fJ/bit, soit la plus faible consommation électrique décrite pour les modulateurs photoniques sur silicium. Le couplage du modulateur à un guide silicium standard en entrée et en sortie a également été optimisé par l’introduction d'un adaptateur de mode Si-Ge optimisé, réduisant les pertes de couplage à seulement 1 dB par coupleur. Par ailleurs, un travail expérimental a été effectué pour tenter de déplacer l'effet Franz-Keldysh, maximum à 1650 nm, à de plus faibles longueurs d'onde proches de 1.55 μm pour des applications aux télécommunications optiques.


  • Résumé

    This work aims to design a CMOS compatible, low-electrical power consumption modulator assisted by plasmons. For compactness and reduction of the electrical power consumption, electro-absorption based on the Franz-Keldysh effect in Germanium was chosen for modulation. It consists in the change of the absorption coefficient of the material near the band edge under the application of a static electric field, hence producing a direct modulation of the light intensity. The use of plasmons allows enhancing the electro-optical effect due to the high field confinement. An integrated electro-optical simulation tool was developed to design and optimize the modulator. The designed plasmonic modulator has an extinction ratio of 3.3 dB with insertion losses of 13.2 dB and electrical power consumption as low as 20 fJ/bit, i.e. the lowest electrical power consumption reported for silicon photonic modulators. In- and out-coupling to a standard silicon waveguide was also engineered by the means of an optimized Si-Ge taper, reducing the coupling losses to only 1 dB per coupler. Besides, an experimental work was carried out to try to shift the Franz-Keldysh effect, which is maximum at 1650 nm, to lower wavelength close to 1.55 μm for telecommunication applications.


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