Photonique silicium pour l'optique non linéaire

par Christian Lafforgue

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

Sous la direction de Laurent Vivien.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , 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 05-09-2018 .


  • Résumé

    L'évolution des performances des réseaux de télécommunications, des systèmes informatiques et des circuits intégrés demande une augmentation des bandes passantes à tous les niveaux d'interconnexion. De plus, le rendement énergétique, lié à l'énergie nécessaire pour transmettre des données, doit être amélioré. Dans les réseaux de télécommunication, les communications optiques ont déjà remplacé les technologies électriques alors que dans les systèmes informatiques les liens électriques sont toujours privilégiés, et dans les circuits intégrés, seules des interconnexions métalliques sont considérées. Une transition vers des liens optiques est intégrée dans toutes les feuilles de route internationales pour répondre aux problématiques de bande passante et de consommation énergétique posées par les interconnexions électriques. La technologie de prédilection pour résoudre la plupart de ces limitations est la photonique silicium. En effet ce domaine de recherche a montré un développement très rapide. Cette évolution se base principalement sur le fait que le silicium bénéficie d'une plateforme d'intégration mature qui ouvre la voie à de nombreuses applications en photonique silicium comme il a été fait pour les circuits électroniques. Malgré la démonstration de modulateurs silicium, de photodétecteurs germanium et de lasers III-V sur silicium, leur intégration sur une même puce est très compliquée à causes des différents matériaux et technologies impliqués et n'est pas économiquement rentable. De plus, les modulateurs silicium large-bandes nécessite des tensions d'alimentation de plusieurs volts, ce qui mène à une importante consommation d'énergie et dégrade considérablement l'impact énergétique global du circuit. Ajouté à cela, le silicium est un cristal centrosymétrique et ne présente donc pas de non-linéarités optiques d'ordre deux, c'est-à-dire pas d'effet Pockels et impossibilité de réaliser de la conversion de fréquence avec ces procédés. Dans ce contexte de photonique silicium, le sujet de thèse abordera une nouvelle voie pour réaliser des progrès dans le développement de circuits rapides large-bandes à faible consommation énergétique basés sur des effets d'optique non-linéaire dans des systèmes photoniques sur silicium contraint. En effet, une déformation brise la symétrie du silicium, permettant alors de démontrer des non-linéarités optiques d'ordre deux (effet Pockels et génération de seconde harmonique). Des preuves basées sur le dépôt d'une couche de nitrure de silicium sur le silicium ont récemment été démontrées. L'objectif est de déposer d'autres types de couches contraignantes afin d'obtenir d'importantes déformations dans le silicium et donc d'importantes non-linéarités d'ordre deux. Le candidat sera impliqué dans les simulations optiques et électriques, la fabrication en salle blanche, et la caractérisation sur bancs d'optique intégrée. Ce projet de thèse sera réalisé dans le cadre d'un projet européen ERC en étroite collaboration avec l'Université Aalto en Finlande pour le développement de couches contraignantes d'AlN, le MIT aux Etats-Unis pour le dépôt de chalcogénures sur le silicium, et STMicroelectronics et le CEA/Leti pour l'intégration silicium. Directeur: Laurent Vivien (Laurent.vivien@u-psud.fr) http://silicon-photonics.ief.u-psud.fr/

  • Titre traduit

    Strained silicon photonics for nonlinear optics


  • Résumé

    The performance evolution of telecommunication networks, computing systems and integrated circuits requires increasing communication bandwidths at all interconnect levels. Also, the power efficiency, i.e. the energy required to transfer data, must be considerably improved. In telecommunication networks, optical communications have already replaced electrical technologies several decades ago, while in computing systems electrical links are still the predominant technology and in integrated circuits, only metallic interconnects are considered. A transition to optical link technology has been reported in all international roadmaps as a mean to overcome electrical interconnect bandwidth and power efficiency limitations for communication systems, high performance computing systems (HPC) and CMOS integrated circuits. Now, the key technology to overcome most limitations is silicon photonics technology. Indeed, this research domain has exhibited a remarkable rate of development. This evolution is largely based on the vision that silicon as a mature integration platform can bring photonic integrated circuits to numerous applications as it has done for electronic circuits, driven by the economy of generic wafer-scale integration technologies. Despite the demonstration of high performance silicon modulators, germanium photodetectors, and III-V lasers on silicon, their integration in a common chip is highly challenging due to the different materials and technologies involved, and is far from being cost-effective. In addition, wideband silicon modulators require bias swings of several volts to achieve good modulation behavior, which results in high power consumption and considerably degrades the global energy impact of the circuit. Furthermore, as silicon is a centrosymmetric material, it does not exhibit second order optical nonlinearities, i.e. there is no Pockels effects and no possible wavelength conversions using such processes. In this silicon photonics ecosystem, the PhD subject will address a new route to make key advances in the development of low power consumption multi-wavelength high-speed communication circuits based on nonlinear optical effects in strained silicon photonics devices. Indeed, the strain breaks the centrosymmetry of silicon, then leading to exhibit second order nonlinearities (Pockels effect and possible second harmonic generation). Recent proofs of concept have been demonstrated based on the use of silicon nitride stress layers on top of silicon. The aim will be to deposit other stress layers in order to achieve huge strain in silicon and then huge second order nonlinearities. The candidate will be fully involved in the optical and electrical simulations, in the fabrication in the host institute cleanroom and in the characterization using integrated optical benches. This PhD project will be performed in the framework of European ERC Project and in close collaboration with Aalto Univ. from Finland for the development of AlN stress layers, MIT from USA for the deposition of chalcogenide material on silicon and STMicroelectronics and CEA/Leti for Si integration. Supervisors: Laurent Vivien (Laurent.vivien@u-psud.fr) http://silicon-photonics.ief.u-psud.fr/