Intégration d'un deuxième niveau de guidage photonique par dépôt de SiN au-dessus du SOI traditionnel.

par Sylvain Guerber

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Laurent Vivien et de Charles Baudot.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical,Optical,Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , Photonique (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 11-01-2016 .


  • Résumé

    Le principe de base de la photonique sur silicium consiste à former des structures isolées dans une couche de silicium sur isolant (SOI). Le contraste d'indice entre le SOI et l'encapsulation d'oxyde a pour conséquence de confiner le faisceau optique et de lui imposer une propagation sous forme de modes discrets. Hormis la transmission dans les guides, des structures gravées dans le SOI permettent également au mode optique de se réfléchir, d'interférer ou de diffracter. Une particularité de la photonique sur silicium est que l'écart d'indice entre le silicium et la silice est grand (~2) aux longueurs d'ondes des bandes de la communication par fibre optique. L'avantage primordial de cette architecture est la compacité des composants et des systèmes associés car les fonctions optiques sont beaucoup plus efficaces en raison du fort confinement du champ électromagnétique dans le silicium. Il existe néanmoins des démonstrations de composants photoniques développés à l'aide d'empilements à faible contraste d'indice. L'exemple commercial le plus marquant d'un produit photonique à faible contraste d'indice est la fibre optique (écart d'indice entre le coeur de la fibre et son revêtement est de l'ordre du centième). Bien que le faible confinement de l'onde dans les composants ait pour conséquence de générer de forts encombrements, il existe toutefois des avantages à ce mode de fonctionnement : de faibles pertes optiques et de très faibles dérives de fonctionnement face à des variations dans le procédé de fabrication (robustesse) et face à des fluctuations dans les conditions environnementales dans lesquelles les composants sont opérés (athermicité). Par conséquent, nous proposons un développement qui consistera à co-intégrer de la photonique à fort contraste d'indice à l'aide d'un SOI de 300nm et au-dessus de laquelle nous superposerons de la photonique à faible contraste d'indice à l'aide d'un multi-couchage de silice et de SiN. Les défis de cette étude sont d'une part, l'intégration des procédés de fabrication dans une brique technologique permettant d'insérer le SiN dans l'empilement des couches d'interconnexions métalliques et d'autre part, le développement des architectures de composants SiN. Un élément clé, faisant à la fois intervenir des précisions dans le procédé de fabrication et dans le choix de l'architecture est le fuseau permettant de faire la transition entre les deux couches photoniques. Ce pont devra être conçu pour avoir des pertes minimales afin que le signal puisse transiter à de multiples reprises dans un circuit intégré photonique. Ainsi, le signal sera, par intermittence, sur l'une des deux couches photoniques, là où les propriétés optiques lui sont le plus favorable par rapport à l'opération recherchée.

  • Titre traduit

    Integration of a second photonic guiding Layer by Silicon Nitride Deposition on top of conventional SOI.


  • Résumé

    The main principle of silicon photonics consist in forming isolated structures in a silicon layer on top of an isolator (SOI type wafers). The index contrast between the silicon and the cladding oxide leads to a confinement of the optical beam that impose a propagation in discrete modes. Besides the transmission in waveguides, more complex structures allows to reflect, interfere and diffract the optical mode in order to build components of photonic circuits. A specificity of silicon photonics is the relatively large optical index contrast between the optical core and the cladding (~2). The main advantage of this architecture is the strong confinement of the electromagnetic field that provides very efficient optical components, so they can be very compact. Nevertheless, some demonstrations of photonic components with a small optical index contrast have been done, the most known is optical fiber (optical index contrast at the order of one hundredth). Even if the weak confinement of the electromagnetic wave leads to large components, one can note several advantages to this configuration: low optical loss, very low operating drifts face to variations in manufacturing process, low temperature sensibility. Thus the main development in this thesis consist in co-integrate high index contrast photonics made with a SOI 300mm wafer and on top of it a layer of low index contrast photonics made of SiN. Challenges of this study are integration of manufacturing processes in a technological brick for inserting SiN in the stack of layers of metal interconnects and the development of the SiN components architecture. A key element is the development of a taper used to pass between the two layers, it needs to show ultra-low losses. Thus the optical signal will switch between the two layers, where the optical properties are the most favorable to him with respect to the desired operation.