Modulateur optique à base de graphène dans une structure plasmonique intégrée en photonique sur silicium

Graphene-based optical modulator in an integrated plasmonic structure on silicon photonics

• Auteur / Autrice : Binbin Wang
• Direction : Rafael Salas-Montiel, Sylvain Blaize
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Optique et Nanotechnologie
• Date : Soutenance le 17/05/2019
• Etablissement(s) : Troyes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube)
• Partenaire(s) de recherche : Organisme gouvernemental étranger : CSC (China Scholarship Council)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Delaunay / ICD
• Jury : Président / Présidente : Gilles Renversez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Blaize, Gilles Renversez, Éric Cassan, Yongqian Li, Christelle Monat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Cassan
• DOI : 10.70675/302e8e5dzd18ez41d7z9189zf9e88bd4c7b2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modulateurs de lumière

Graphène

Plasmons

Nanophotonique

Optoélectronique

Mots clés libres

Modulateurs de lumière

Graphène

Plasmons

Nanophotonique

Optoélectronique

Light modulators

Graphene

Plasmons (Physics)

Nanophotonics

Optoelectronics

Résumé

L’intégration du graphène, matériau composé d’un seul atome d’épaisseur, aux propriétés électro-optiques exceptionnelles, est une piste intéressante vers la réalisation de composants nanophotoniques avancés pour les interconnexions optiques intrapuce sur silicium. Malgré l’amélioration des performances durant ces dernières années, les composants tout-silicium actuels atteignent des limites fondamentales en termes de vitesse de modulation, dimensions et consommation d’énergie. Ce travail de thèse vise à réaliser un modulateur électro-optique (EOM) sublongueur d’onde à base de graphène intégré sur un guide silicium (Si) comme solution de rupture technologique vers les interconnexions optiques. L'approche adoptée privilège l'intégration d’une chaîne de nanoparticules métalliques (MNC) sur un guide d'ondes Si pour l’exaltation des propriétés EO du graphène grâce aux modes plasmoniques. Dans le cadre d'une collaboration avec l’Université Sungkyunkwan en Corée du Sud, nous avons tout d’abord confirmé expérimentalement l’interaction faible entre le graphène et un mode photonique via le transfert contrôlé du graphène sur guide d’ondes Si. Nous avons ensuite proposé et démontré numériquement une exaltation des propriétés EO du graphène grâce aux modes plasmoniques supportés par le guide MNC. Finalement, nous avons démontré un modulateur électro-optique sub-λ à base de graphène assisté-plasmon présentant une modulation de 4 dB/μm et une faible consommation d’énergie de 21 fJ/b. Ce travail ouvre une perspective d’intégration de matériaux 2D sur Si et de nouvelles fonctionnalités optiques sur puce.

The integration of graphene, an atom-thick electro-optical material, into on-chip silicon (Si) photonics is a serious route to prepare advanced nanophotonic devices with ultra-small energy consumption and footprints for the next generation of CMOS compatible short-reach optical interconnects. Current approaches with bulk materials have brought significant success in the last years but they are approaching physical limits in terms of modulation speed, footprint, and electrical power consumption. This thesis work represents a contribution to the development of breakthrough subwavelength graphene-based electro-optic modulator (EOM) integrated on Si waveguides towards optical interconnect application. The approach adopted favored the integration of metal nanoparticles chain (MNC) on Si waveguide for the enhancement of graphene properties with high in-plane electric field surface plasmon modes. A weak interaction between graphene and Si photonic modes was first experimentally confirmed based on successful integration of patterned graphene on Si waveguide within the framework of a collaboration with Sungkyunkwan University, Korea. We then proposed and numerically demonstrated a 40 times enhanced interaction with surface plasmon modes supported by the MNC. The plasmonic-enhanced interaction with graphene allowed us to numerically demonstrate an integrated sub-λ EOM with modulation depth as high as 4 dB/μm and an energy consumption as low as 21 fJ/b. This work could open the way to the integration of other 2D materials into Si photonics for the development of novel compact photonic integrated circuit.