Etude des composants nanophotoniques pour les interconnexions

N° d’ordre 2008-ISAL-0130 Année 2008
Thèse
Etude des composants nanophotoniques pour
les interconnexions optiques
sur silicium
Présentée devant
L’institut national des sciences appliquées de Lyon
Pour obtenir
Le grade de docteur
École doctorale: Electronique, Electrotechnique et Automatisme de Lyon
Spécialité : Dispositifs de l'Electronique Intégrée
Par
Bing HAN
Soutenue le 16 décembre 2008 devant la Commission d’examen
Jury
Mr. Jean-Emmanuel Broquin Professeur Rapporteur
Mr. Olivier Parriaux Professeur Rapporteur
Mr. Gérard Guillot Professeur Examinateur
Mr. Laurent Vivien Chargé de recherche Examinateur
Mr. Yohan Désières Ingénieur Examinateur
Mr. Taha Benyattou Directeur de recherche Directeur de thèse
Mr. Régis Orobtchouk Maître de conférences

Table des manières
Table des matières
Introduction…………………………………………………………………………………..… 1
Chapitre I - Etat de l’art………………………................................................................... 5
1 - Silicium pour la photonique intégrée……………………….....………… 5
2 - Les interconnexions optiques …………………………………………………………..… 6
2.1 Les sources……….................................................................................................................. 7
2.2 Les modulateurs………........................................................................................................ 9
2.3 Routage du signal lumineux………................................................................................... 9
2.3.1 Guides d’onde……….................................................................................................... 9
Approches frond-end……….............................................................................................. 11
Approches back-end………............................................................................................... 12
2.3.2 Virages………................................................................................................................ 12
2.3.3 Diviseurs de faisceaux………...................................................................................... 13
2.3.4 Coupleurs………........................................................................................................... 13
2.4 Photodétecteurs……….......................................................................................................... 14
3 - Conclusion………....................................................................................................................... 15
Bibliographie………........................................................................................................................ 17
Chapitre II - Méthodes théoriques et expérimentales………............................ 21
1 - Notions sur les guides d’onde……….................................................................................... 21
1.1 Guides planaires ………...................................................................................................... 21
1.2 Les guides d’onde à 2 dimensions et la méthode de l’indice effectif……................ 24
1.3 Dispositifs à base de guide d’onde………........................................................................ 27
1.3.1 Diviseurs de faisceau………...................................................... 27
1.3.2 Coupleurs directionnels guide à guide……….................................................... 30
2 - Modélisation optique aux différences finies………......................................................... 32
2.1 Méthode FVFD ………......................................................................................................... 32
2.1.1 Modes à fuites et Conditions aux limites………..................................................... 36
2.1.2 Transformation conforme et structures courbes………......................................... 37
2.2 Méthode FDTD……….......................................................................................................... 39
3 - Banc expérimental………........................................................................................................ 41
3.1 Configuration du banc ………............................................................................................. 42
3.2 Protocole de réglage……….................................................................................................. 43
4 - Conclusion………....................................................................................................................... 45
Bibliographie………........................................................................................................................ 47
Chapitre III - Conception et caractérisation des composants
élémentaires………......................................................................................................................
49
Introduction ..................................................................................................................................... 49

Table des manières
1 - Conception des composants élémentaires......................................................................... 49
1.1 Guides d’ondes....................................................................................................................... 49
1.2 Virages.................................................................................................................................... 53
1.3 Diviseurs de faisceau MMI................................................................................................. 56
1.4 Coupleurs guide à guide....................................................................................................... 57
2 - Réalisations des échantillons................................................................................................. 61
3 - Caractérisation des composants……………………………….…...................................... 63
3.1 Etude des guides d’onde...................................................................................................... 63
3.1.1 Pertes des filières SOI et a-Si:H ................................................................................ 64
3.1.2 Pertes des filières SiNx................................................................................................ 68
3.1.3 Comparaison avec la littérature ................................................................................. 71
3.1.4 Conclusion...................................................................................................................... 72
3.2 Etude des virages................................................................................................................... 74
3.2.1 Composants de mesure ................................................................................................ 74
3.2.2 Filière SOI et silicium amorphe................................................................................. 75
3.2.3 Filière nitrure de silicium............................................................................................. 77
3.2.4 Comparaison avec les littératures ............................................................................. 78
3.2.5 Conclusion ..................................................................................................................... 80
3.3 Etude des diviseurs du faisceau MMI............................................................................... 81
3.3.1 Composant de mesure ................................................................................................. 81
3.3.2 Filière SOI ...................................................................................................................... 81
3.3.3 Filière silicium amorphe ............................................................................................. 82
3.3.4 Filière nitrure de silicium............................................................................................. 83
3.3.5 Conclusion ..................................................................................................................... 84
3.4 Etude de coupleur guide à guide III-V.............................................................................. 84
3.4.1 Dispositif de mesure..................................................................................................... 84
3.4.2 Résultats expérimentaux.............................................................................................. 85
4 - Conclusion................................................................................................................................... 86
4.1 Exemple de distribution du signal d’horloge................................................................... 86
4.2 Développement des filières utilisées................................................................................. 88
4.3 Couplage guide à guide.................................................................................................. 88
Bibliographie………........................................................................................................................ 91
Chapitre IV - Résonateurs à base de structures réfractives......................... 95
Introduction ..................................................................................................................................... 95
1 - Etude théorique......................................................................................................................... 96
2 - Conception des résonateurs en anneau de type stade................................................... 102
3 - Résultats expérimentaux........................................................................................................ 108
3.1 Dispositifs de test................................................................................................................. 108
3.2 Résultats expérimentaux et extraction des paramètres................................................. 109
4 - Conclusion.................................................................................................................................. 113
Bibliographie………........................................................................................................................ 115
Chapitre V - Résonateurs à base de cristaux photoniques
unidimensionnels…………………………………………………………………………
117
Introduction...................................................................................................................................... 117

Table des manières
1 - Cristal photonique unidimensionnel.................................................................................. 117
1.1 Définition d'un cristal photonique..................................................................................... 117
1.2 Systèmes à une dimension .................................................................................................. 118
2 - Modélisation............................................................................................................................... 122
2.1 Structures simples................................................................................................................. 122
2.2 Structures optimisées............................................................................................................ 124
3 - Résultats expérimentaux........................................................................................................ 126
3.1 – Description du dispositif ………………………............................................................. 126
3.2 - Structures simples.............................................................................................................. 127
3.3 - Structures optimisées......................................................................................................... 128
4 - Conclusion.................................................................................................................................. 130
Bibliographie………........................................................................................................................ 133
Conclusion générale................................................................................................................. 135