Conception d'un modulateur optique ultra-rapide dans la filière silicium

Design of a fast optical modulator integrated on silicon

• Auteur / Autrice : Sylvain Maine
• Direction : Daniel Pascal, Laurent Vivien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interféromètres

Germanium

Silicium

Modulation (électronique)

Optoélectronique

Mots clés libres

Microphotonique silicium

Cavités Fabry-Perot

Résonateurs en anneaux

Résumé

Les interconnexions optiques intra-puces constituent une voie alternative pour pallier les limitations des interconnexions métalliques globales dans les prochaines générations de circuits intégrés CMOS. L’objectif des travaux effectués dans le cadre de cette thèse est de réaliser un modulateur optique ultra-rapide intégré dans des microguides d’onde sur SOI (Silicon On Insulator). La structure proposée est basée sur un empilement de multipuits SiGe/Si à modulation de dopage placé dans la région intrinsèque d’une diode pin. L’application d’une polarisation inverse sur la structure provoque la désertion des porteurs, initialement localisés dans les plans de SiGe sous polarisation nulle. Il s’ensuit une variation de l’indice effectif du mode optique guidé dans la structure. L’optimisation de la structure, au moyen de simulations électriques et optiques couplées, permet d’établir un compromis entre une variation d’indice effectif importa nte, de faibles pertes optiques (=3,3 dB/mm) et des fréquences de fonctionnement élevées (>10 GHz). Différentes structures interférométriques sont étudiées pour transformer la variation d’indice effectif en modulation d’intensité : les interféromètres de Mach-Zehnder, les cavités Fabry-Perot et les résonateurs en anneaux. Les approches théoriques de ces structures interférométriques sont validées par des mesures expérimentales. L’ensemble de ces études conduit au dimensionnement de modulateurs intégrés performants et à la définition de l’enchaînement des étapes technologiques nécessaires à leur fabrication. Ce travail est une étape dans la réalisation d’un lien optique complet intégré avec l’électronique CMOS.

On-chip optical interconnects are an alternative to solve the limitations of metallic interconnects in the next generations of CMOS integrated circuits. The goal of this work is to realize fast optical modulators integrated in Silicon On Insulator waveguides. The studied structure is based on a stack of silicon-germanium and silicon layers included in a PIN diode. The application of a reverse polarisation on the diode depletes the holes initially confined in SiGe wells and creates a variation of the effective index of the guided mode. The optimization of the structure, using coupled electronic and optical simulations, leads to the establishment of a compromise between important effective index variations, low optical losses (=3,3 dB/mm) and high working frequencies (>10GHz). Three interferometers are studied to transform the effective index variation into intensity modulation: Mach-Zehnder interferometers, Fabry-Perot cavities and ring resonators. Theoretical studies of t hese interferometers are validated by experimental measurements. All these studies lead to the definition of the technological steps necessary to fabricate efficient integrated modulators. This work is a step toward the realization of a complete optical link integrated with CMOS electronics.