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. 6 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 • • • • Jacopo Frigerio Giovanni Isella Daniel Chrastina Andrea Ballabio • • • • • • • • • • • 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