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GOsPEL
Direct Gap related Optical Properties of Ge/SiGe
Multiple Quantum Wells
Delphine Marris-Morini
Fiche d’identité du projet
• Projet ANR Jeune chercheur/Jeune chercheuse (2011-2014) SIMI 3
(Matériels et logiciels pour les systèmes et les communications)
• Porteur du projet : Delphine Marris-Morini
• Collaboration avec Politecnico Di Milano
(groupe du Pr. Giovanni Isella)
http://silicon-photonics.ief.u-psud.fr/?page_id=2154
Contexte : le défi actuel des
des télécommunications
Source : Cisco
Source : Intel
Défi : interconnexions
optiques à haut débit, faible
consommation énergétique
et à faible coût.
Source : Google
Contexte : composants optoélectroniques
sur silicium sur isolant (SOI)
laser
Modulateur
Photodétecteur
Driver élec.
Amplificateur
Modulateur Silicium
Taux d’extinction : 8 dB @ 40 Gbit/s
Pertes = 4 dB D. Marris-Morini et al, Opt. Exp. (2013)
Photodetecteur Germanium
Sensibilité = 0.5 A/W
40 Gbit/s
L. Vivien et al, Opt. Exp. (2012)
Contexte : puissance
consommée ?
ITRS Roadmap : Optical interconnect :
(…) A large variety of CMOS compatible modulators have been
proposed in the literature (…)
“The primary challenges for optical interconnects at the
present time are producing cost effective, low power
components.”
Spécifications concernant l’énergie des émetteurs :
pour les liaisons à courtes distances : ~100 fJ/bit à
quelques fJ/bit (D.A.B. Miller, Opt Exp. , 2012)
Mach Zehnder
 3 pJ/bit
Résonateur
 0.5 to 1 pJ/bit
électroabsorption ?
Contexte : le germanium pour la
photonique silicium
Germanium massif
 Photodetecteur sur SOI
 Sources laser (contrainte et dopage du Ge)
 Electroabsorption par effet Franz Keldysh
Puits quantiques Ge/SiGe
 Electroabsorption par effet Stark Confiné
Quantiquement (ESCQ)
 Choix de la longueur d’onde par conception de la
structure à puits quantique : possibilité d’obtenir la
modulation à 1.3 µm.
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Résultats : propriétés
physiques des matériaux
1ère démonstration
d’électroluminescence
P. Chaisakul et al, APL (2011)
Ingénierie des contraintes :
ESCQ à 1.3 µm
M-S. Rouifed, et al Optics Letters (2012)
1ère démonstration
d’électroréfraction par ESCQ
J. Frigerio et al, APL (2013)
Résultats : composants
photoniques performants
90 µm
P. Chaisakul et al., Opt. Express (2012).
Puissance consommée : 70 fJ/bit
Taux d’extinction > 6 dB
sur plus de 20 nm de largeur spectrale
Fait marquant
=> Réduction d’un facteur 20 à 30
par rapport aux meilleurs
Bande passante électro- modulateurs silicium classiques
optique > 20 GHz
Résultats : Nouvelle plateforme
photonique
Intégration Modulateur optique / guide d’onde / photodétecteur
P. Chaisakul et al,
Nat. Photonics (2014)
Fait marquant
=> Intégration monolitique d’une
chaine de communication sur silicium
Résultats : Production
scientifique
• 11 Publications dans des revues internationales à comité de lecture
(Nature Photonics, Nanophotonics, Applied Physics Letters, …)
• 32 communications dans des conférences internationales dont 11
communications invitées
• 2 communications nationales
• 2 articles de vulgarisation
• Echange scientifique de 1 mois
Impact sociétal
Source Facebook et Google
Communications dans les data center (DC) :
• 80% du traffic à l’intérieur du DC
• 50% de la consommation énergétique
pour le refroidissement
• 1.5% de la consommation énergétique
mondiale
Réduction de la consommation énergétique :
• Impact sur l’environnement
• Impact sur la société (révolution du cloud)
Perspectives : vers de
nouvelles applications
Contexte : circuit intégré photonique pour la spectroscopie dans le moyen IR (mid IR)
Détection de substances chimiques et
biologiques
source: Daylight
sur silicium => circuits photoniques haute
performance, bas coût, compact, léger, faible puissance
consommée intégrant de nouvelles fonctionnalités
Impact : systèmes de détection portable, bas coûts
Pollution : capteurs CO2
(l=4.25 µm), ozone (l=9.6 µm)
Sécurité alimentaire
Bactéries (ex: salmonelle):
11µm<l< 14 µm
Challenge: systèmes
spectroscopiques monolithiques
en silicium pour les longueurs
d’onde entre 3 et 15 µm
Projet Starting Grant
INsPIRE (2015-2020)
Objectif : circuits intégrés photoniques dans le moyen infrarouge pour système de détection portable et bas coût
Région active Ge/SiGe à
puits quantiques
Guide d’onde
Couche graduelle
Silicium
• Intégration monolithique des composants passifs et actifs
• Transparence dans une grande gamme de longueur d’onde (de 3 à 15 µm)
• Composants actifs efficaces (effets d’optique non-linéaire)
Remerciements
IEF / C2N
Politecnico Di Milano
Octobre 2016
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Jacopo Frigerio
Giovanni Isella
Daniel Chrastina
Andrea Ballabio
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Papichaya Chaisakul
Mohamed-Saïd Rouifed
Vladyslav Vakarin
Joan Manel Ramirez
Qiankun Liu
Xavier Le Roux
Jean-René Coudevylle
David Bouville
Samson Edmond
Eric Cassan
Laurent Vivien