Modulateur et détecteur optiques à hautes performances sur silicium

Modulateur et détecteur optiques à hautes performances sur silicium
Contact : Laurent VIVIEN
Département : Composants pour la Microélectronique et l’Optoélectronique
[email protected]
Depuis plusieurs années, la nanophotonique
silicium a suscité un intérêt grandissant, que ce soit
sur le plan national ou sur le plan international.
Les applications prometteuses sont d’une part les
interconnexions optiques dans les circuits intégrés
CMOS et d’autre part les télécommunications
optiques, où le silicium peut apporter des solutions
bas coût. Par ailleurs, de forts potentiels existent pour
le développement de nanostructures silicium pour la
biophotonique. Les études menées depuis de
nombreuses années dans ce domaine à l’Institut
d’Electronique Fondamentale (IEF) en collaboration
avec le CEA/LETI portent sur les briques de base
nécessaires pour la distribution optique d'un signal
haute fréquence sur circuit silicium sur isolant (SOI)
(cf. figure). L’IEF intervient principalement au niveau
de la conception, la réalisation de dispositifs de tests
et des mesures.
Les micro-guides d’ondes SOI utilisés sont des
guides en arête faiblement gravés qui permettent
d’obtenir à la fois des pertes de propagation
extrêmement faibles (0,1 dB/cm) et une forte densité
d’intégration. Le couplage de la lumière dans ces
micro-guides d’ondes est obtenu en utilisant un
réseau de diffraction dont une efficacité de couplage
de plus de 60 % a été mesurée aux longueurs
d’ondes des télécommunications optiques.
Nos efforts récents se sont centrés sur les
dispositifs optoélectroniques d’extrémité : modulateur
optique et photodétecteur. Le modulateur développé à
l’IEF utilise la désertion de porteurs introduits dans
une fine région dopée au bore (dopage p) située au
milieu de la région intrinsèque d’une diode p-i-n. Sous
une tension de polarisation inverse, les porteurs sont
évacués créant une variation locale de l’indice de
réfraction centrée sur le mode optique du guide
d'onde, ce qui conduit à une variation de la phase de
l'onde guidée. Un interféromètre Mach-Zehnder est
utilisé pour transformer cette variation de phase en
une variation d’intensité optique. A l’aide de ce type
de structure, une profondeur de modulation de 14 dB
a été obtenue expérimentalement. Le modulateur
présente une bande passante à -3 dB de 10 GHz,
avec de faibles pertes d’insertion (<5 dB), ce qui
constitue un résultat au premier plan international.
Le signal modulé est distribué sur le circuit silicium et
doit ensuite être détecté.
Composants de base de la photonique silicium
Parmi les matériaux compatibles avec la filière
CMOS, seul le germanium pur (Ge) présente une
forte absorption aux longueurs d’ondes considérées.
Les couches de Ge sur Si, réalisées dans ce but,
présentent une contrainte en tension menant à une
forte absorption de la lumière jusqu'à 1,6 µm. Un
photodétecteur germanium métal-semiconducteurmétal intégré en bout de guide d’onde SOI a été
réalisé. Une bande passante de 25 GHz avec une
sensibilité de 1A/W ont été mesurées
expérimentalement à 1,55µm. Ce résultat est au
meilleur niveau de l’état de l’art actuel. Les
principales briques de base pour la réalisation d’un
lien optique haute fréquence (>10 GHz) intégré sur
SOI sont maintenant disponibles. Les avantages
d’une technologie bas coût, sur des substrats de
grande dimension, compatible avec la
microélectronique, prennent alors toute leur
importance, et ces résultats peuvent ouvrir des
perspectives sérieuses pour l’intégration de la
photonique et de la microélectronique sur une même
puce.
L. VIVIEN, M. ROUVIERE, J-M. FÉDÉLI, D. MARRIS-MORINI, J-F. DAMLENCOURT, J. MANGENEY, P. CROZAT,
L. EL MELHAOUI, E. CASSAN, X. LE ROUX, D. PASCAL, S. LAVAL, High-speed and high responsivity germanium
photodetector integrated in a Silicon-On-Insulator microwaveguide, Optics Express, 15, 9843-9848 (2007).
D. MARRIS-MORINI, L. VIVIEN, J-M. FÉDÉLI, E. CASSAN, P. LYAN, S. LAVAL, Low loss and high speed silicon optical
modulator based on a horizontal carrier depletion structure, Optics Express, in press.