Composants électro-optiques en photonique silicium pour les communications haut-débit et la génération de peignes de fréquences

Silicon photonics electro-optical devices for high-speed communications and frequency comb generation

• Auteur / Autrice : Lucas Deniel
• Direction : Delphine Marris-Morini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 01/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : François Marquier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Laure Billabert, Christophe Finot, Frédéric Gardes, Stéphane Monfray
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Laure Billabert, Christophe Finot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie laser

Télécommunications optiques

Optique intégrée

Électrooptique

Mots clés libres

Photonique Silicium

Modulation Optique

Peigne de fréquences

Applications Datacom

Silicon Photonics

Optical Modulation

Frequency combs

Datacom Applications

Résumé

La photonique silicium est une technologie de choix pour l’intégration de circuits photoniques complexes sur des puces de quelques mm² pouvant être fabriquées massivement et à faible coût. L’un des enjeux principaux de cette plateforme est la réalisation d’émetteurs-récepteurs optiques miniatures pour assurer les télécommunications haut-débits entre les différents serveurs des centres de données ou datacenters. De nombreuses autres applications ont émergé récemment : la spectroscopie, la radio-sur-fibre ou encore le LIDAR. Pour l’essentiel de ces nouvelles applications, un outil se révèle particulièrement utile : les peignes de fréquences optiques. Peu après l’invention du laser, ces structures spectrales consistants en un ensemble de raies laser régulièrement espacées en fréquence et mutuellement cohérentes ont suscité un fort intérêt, permettant d’améliorer considérablement la précision et la simplicité des mesures de fréquences optiques. Plusieurs stratégies ont été développées pour leur génération, l’une d’elle exploite la modulation électro-optique. L’objectif de ma thèse a été d’étudier numériquement et expérimentalement l’aptitude et les performances de modulateurs silicium à la fois dans le cadre des communications numériques hauts-débits à courte portée et de la génération de peignes de fréquence par voie électro-optique. Les modulateurs silicium reposent sur l’effet de dispersion de plasma de porteurs libres, qui implique une réponse non-linéaire de la variation d’indice de réfraction à l’application d’une tension, ainsi qu’une variation de l’absorption optique du matériau. D’autre part, plusieurs effets électroniques et opto-électroniques impactent la rapidité des modulateurs. Une première partie de mes travaux a donc été consacrée à la modélisation numérique d’un modulateur de phase en silicium tenant compte de ces effets statiques et dynamiques. Ce modèle réaliste est basé sur des mesures expérimentales de modulateurs réels et a été employé dans la suite des travaux pour simuler ou analyser les performances de structures modulantes. Une seconde partie a consisté dans l’étude d’un modulateur Mach-Zehnder pour la génération du format PAM-4. Un aspect important de ce type d’application est de pouvoir générer un signal à quatre niveaux sans recourir à des composants électroniques coûteux énergétiquement. D’autre part, il est préférable d’assurer ces transmissions fibrées dans une région spectrale où la dispersion optique est minimale. J’ai ainsi réalisé une démonstration expérimentale d’une génération de signal PAM-4 à 20 Gb/s sans utiliser de convertisseur numérique/analogique et en bande O où la dispersion est proche de 0 ps/nm/km. Enfin, une troisième partie est dédiée à la génération de peignes de fréquences optiques par des modulateurs en silicium. Les exigences quant aux propriétés des peignes dépendent des applications, mais on peut noter deux caractéristiques généralement désirées : un grand nombre de raie, et une puissance également distribuée parmi les raies (c’est-à-dire un peigne plat). À travers une étude numérique, j’ai pu montrer que deux structures différentes basées sur des modulateurs silicium permettent de générer 9 raies égalisées (<2 dB de fluctuations) dont l’espacement peut être accordé de 0 à 7 GHz. En segmentant les modulateurs sur une structure, la simulation révèle que la plage d’accordabilité peut être étendue à 39 GHz. En plaçant un modulateur de phase dans un résonateur en anneau, j’ai également estimé numériquement que le nombre de raies obtenue dans une fenêtre de 50 dB peut être étendu d’environ 30 à plus de 110. J’ai pu concevoir ce composant qui est en cours de fabrication. Enfin, j’ai réalisé une expérience de spectroscopie à deux peignes à partir de peignes issus de modulateurs silicium, ouvrant la voie aux nouvelles applications de ces dispositifs.

Silicon photonics is a technology of choice for the integration of complex photonic circuits on chips of a few mm² that can be mass-produced at low cost. One of the main challenges of this platform is the realization of miniature optical transceivers for high-speed telecommunications between different servers in datacenters. Numerous other applications have recently emerged: spectroscopy, radio over fiber and LIDAR. For most of these new applications, a tool is particularly useful: optical frequency combs. Shortly after the invention of the laser, these spectral structures, consisting of a set of regularly spaced and mutually coherent laser lines, aroused great interest, making it possible to improve the precision and simplicity of optical frequency measurements considerably. Several strategies have been developed for their generation, one of which exploits electro-optical modulation. The objective of my thesis was to investigate numerically and experimentally the suitability and performance of silicon modulators for both short-range high-speed digital communications and electro-optical frequency comb generation. Silicon modulators rely on the free carrier plasma dispersion effect, which involves a non-linear response of the refractive index variation to the application of a voltage, as well as a variation in the optical absorption of the material. On the other hand, several electronic and optoelectronic effects impact the modulators speed. Therefore, first part of my work was devoted to the numerical modelling of a silicon phase modulator taking into account these static and dynamic effects. This realistic model is based on experimental measurements of real modulators and has been used in the following work to simulate or analyze the performance of the modulating structures. A second part consisted in the study of a Mach-Zehnder modulator for the generation of the PAM-4 format. An important aspect of this type of application is to be able to generate a four-level signal without using power-hungry electronic components. On the other hand, it is preferable to provide these fiber transmissions in a spectral region where the optical dispersion is minimal. I have thus carried out an experimental demonstration of a PAM-4 signal generation at 20 Gb/s without using a digital/analog converter and in O-band where the dispersion is close to 0 ps/nm/km. Finally, a third part is dedicated to the generation of optical frequency combs by silicon modulators. The requirements for the combs properties depend on the applications, but two characteristics are generally desired: a large number of lines, and a power equally distributed among the lines (i.e. a flat comb). Through a numerical study, I was able to show that both structures based on silicon modulators allow to generate 9 equalized lines (<2 dB fluctuations) with a spacing tunable from 0 to 7 GHz. By segmenting the modulators on one of the structures, the simulation reveals that the tunability range can be extended to 39 GHz. By placing a phase modulator in a ring resonator, I also numerically estimated that the number of lines obtained in a 50 dB window can be extended from about 30 to more than 110. I was able to design this component which is currently being manufactured. Finally, I performed a dual-comb spectroscopy experiment using combs from silicon modulators, paving the way for new applications of these devices.