Modulateur optique silicium pour transceiver 10 Gbit/s

Modulateur optique silicium pour transceiver 10 Gbit/s
Melissa Ziebell1, Gilles Rasigade1, Delphine Marris-Morini1,´ Eric Cassan1, Laurent Vivien1,
Jean-Marc F´ ed´ eli2, Fr´ ed´ eric Milesi2, Philippe Grosse2
1Institut d’ ´
Electronique Fondamentale,
Universit´ e Paris-Sud,
CNRS, Bˆ at. 220, 91405 Orsay
2CEA-LETI,
Minatec Campus,
17, rue des Martyrs, 383054 Grenoble
E-mail: [email protected]
R´ esum´ e
Ce article pr´ esente les r´ esultats exp´ erimentaux d’un
modulateur optique haute fr´ equence bas´ e sur la d´ epl´ etion
de porteurs dans une jonction PIPIN. Ce modulateur
pr´ esente une transmission optique ` a 10 Gbits/s avec un
taux d’extinction de 8 dB et des pertes d’insertion de
l’ordre de 6 dB.
1. Introduction
La phonique silicium est la solution pour l’int´ egration
de la photonique avec la micro´ electronique Cette
technologie est envisag´ ee pour remplacer les intercon-
nexions m´ etalliques des circuits int´ egr´ es car les liaisons
photoniques pourraient transporter plus d’information
`
a des d´ ebits plus importants et en utilisant moins de
puissance ´ electrique. De plus la photonique silicium
peut fournir des solutions rentables dans le domaine
des t´ el´ ecommunications optiques grˆ ace ` a l’int´ egration
de l’optique avec l’´ electronique de commande des
composants [1]. La r´ ealisation d’un lien optique rapide
pour transporter une information ` a haut d´ ebit n´ ecessite
le d´ eveloppement de blocs de base performants (source
laser, modulateur et photod´ etecteur) et compatibles avec
la technologie CMOS.
Pour r´ ealiser un modulateur optique il faut pouvoir agir
´
electriquement sur les propri´ et´ es optiques du mat´ eriau.
Dans le silicium, il est possible d’obtenir des variations
d’indice de r´ efraction par variation de concentration
de porteurs libres. En 2004, depuis la conception par
Intel du premier modulateur silicium haute fr´ equence
fonctionnant au-del` a de 1 GHz [2] ` a partir d’un dispositif
bas´ e sur l’accumulation des porteurs d’une capacit´ e
MOS, diff´ erents modulateurs optiques en silicium
fonctionnant ` a haute fr´ equence ont ´ et´ e d´ evelopp´ es et
am´ elior´ es, en utilisant diff´ erents dispositifs comme
l’injection ou la d´ epl´ etion de porteurs dans des jonctions
pn et pin verticales et horizontales [3], [4], [5] Un d´ ebit
allant jusqu’` a 40 Gbit/s a mˆ eme ´ et´ e obtenu [6], mais avec
un taux d’extinction de 1dB uniquement.
Cependant, mˆ eme si la bande passante est un facteur
important, ce n’est pas le seul facteur de m´ erite du
modulateur. Il est ´ egalement important de concevoir un
modulateur pr´ esentant simultan´ ement de faibles pertes
optiques et un fort taux d’extinction pour l’int´ egrer avec
les applications existantes. La structure pr´ esent´ ee ici
fonctionne sur la d´ epl´ etion de porteurs de une diode
PIPIN lat´ erale polaris´ ee en inverse et int´ egr´ ee dans un
interf´ erom` etre Mach-Zehnder. Une modulation ` a 10
Gbit/s est obtenue, avec un taux d’extinction de 8,1 dB et
des pertes d’insertion de l’ordre de 6 dB.
Cet article pr´ esente dans une premi` ere partie la
conception du modulateur optique, et les r´ esultats
exp´ erimentaux sont pr´ esent´ es ensuite.
2. Modulateur silicium
Le modulateur optique pr´ esent´ e ici est bas´ e sur la
d´ epl´ etion des porteurs dans une jonction PIPIN Les
points principaux du design et son principe de fonction-
nement sont d´ ecrits ci-dessous.
2.1. D´ epl´ etion de porteurs
Dans un guide d’onde silicium, une modulation
optique est obtenue par variations de l’indice effectif
(∆neff ) et du coefficient d’absorption (∆αeff ) du
mode guid´ e, cr´ e´ es par des variations locales d’indice de
r´ efraction (∆n) et du coefficient d’absorption (∆α) dans
le guide d’onde. Ces variations locales sont obtenues
par variations des densit´ es des porteurs libres dans le
mat´ eriau. Pour une longueur d’onde de λ= 1,55 µm, ∆n
and ∆αsont d´ ecrits par les ´ equations suivantes [7] :
∆n=−8,8×10−22∆N−8,5×10−18 ∆P0,8(1)

∆α= 8,5×10−18∆N−6,0×10−18 ∆P(2)
o` u∆P and ∆N sont les variations de densit´ e de trous et
d’´ electrons exprim´ es en cm−3.
Pour des concentrations de porteurs inf´ erieures ` a
quelques 10−19 cm−3, les trous cr´ eent une variation plus
importante d’indice de r´ efraction que les ´ electrons, et
sont donc plus efficaces en terme de modulation optique.
Le modulateur optique est donc bas´ e sur une variation de
concentrations en trous dans le guide d’onde.
La variation de l’indice effectif cr´ ee une variation de
phase du mode optique guid´ e donn´ ee par :
∆φ=2π
λ∆neff L, (3)
Dans l’´ equation, L est la longueur du dispositif, ∆nef f
est la variation d’indice effectif du mode et λla lon-
gueur d’onde de la lumi` ere, soit 1,55 µm. La modulation
d”intensit´ e optique est ensuite obtenue par conversion de
la modulation de phase en utilisant un interf´ erom` etre de
type Mach-Zehnder.
2.2. Design du dispositif
Le design du modulateur est compos´ e d’une jonction
PIPIN (figure 1a) int´ egr´ ee dans un guide d’onde en arˆ ete.
La structure PIPIN consiste en une fente dop´ ee P im-
plant´ ee dans la r´ egion intrins` eque d’une jonction PIN.
Quand une tension inverse est appliqu´ ee ` a la diode, les
trous situ´ es ` a l’´ equilibre dans la fente dop´ ee sont chass´ es
de la r´ egion active, cr´ eant une augmentation de l’indice
effectif du mode guid´ e [8].
La r´ egion active du modulateur optique PIPIN a ´ et´ e
orient´ ee lat´ eralement par rapport au plan du substrat.
Cette disposition pr´ esente plusieurs avantages par rapport
`
a une orientation verticale de la diode. Premi` erement les
pertes optiques sont r´ eduites car les contacts m´ etalliques
du dispositif sont d´ epos´ es de chaque cˆ ot´ e de l’arˆ ete du
guide, relativement loin de la zone active. Deuxi` emement
la r´ esistance d’acc` es et la capacit´ e de la structure sont
r´ eduites sans augmentation des pertes optiques, ce qui est
important pour un fonctionnement ` a haute fr´ equence [9].
Pour pouvoir caract´ eriser les modulateur optiques ` a
hautes fr´ equences, une ligne coplanaire de type GSG
(ground-signal-ground), o` u G fait r´ ef´ erence ` a une ligne
masse a ´ et´ e choisie pour appliquer la tension tout le long
de la r´ egion active (figure 1b).
2.3. Interf´ erom` etre Mach-Zehnder
Un interf´ erom` etre Mach-Zehnder (MZ) est utilis´ e
pour convertir la convertir la modulation de phase ` a la
modulation d’intensit´ e (figure 1c). Lorsqu’une onde entre
dans le MZ, elle est divis´ ee et transmise sur les deux
bras. La modulation est appliqu´ ee dans l’un des bras et
l’autre sert de r´ ef´ erence de phase. Apr` es la propagation de
ces deux ondes, celles-ci sont recombin´ ees et interf´ erent
l’une avec l’autre. Le MZ utilis´ e est asym´ etrique (les bras
sont de longueur diff´ erente) et la tension est appliqu´ ee
modulateurs
PIPIN
RF source
Entrée
Sortie
métal
BOX
électrodes RF coplanaires
Jonction PIPIN
(a)
(b)
(c)
métal
métal
GSG
420 nm
400 nm
p+ n+
i i
p++ n++
RL
FIGURE 1. (a) vue en coupe de la r´ egion active du mo-
dulateur (diode PIPIN int´ egr´ ee dans un guide d’onde)
(b) ´ electrodes RF coplanaires (c) Interf´ erom` etre Mach-
Zehnder.
dans un seul bras en utilisant les ´ electrodes de ligne co-
planaire.
2.4. Efficacit´ e
Autres param` etres ` a consid´ erer pour l’efficacit´ e du
modulateur sont les pertes de niveau de puissance to-

tale en sortie de modulateur par rapport a la puissance
d’entr´ ee (pertes d’insertion), ainsi comme les niveau haut
et bas du signal optique modul´ e (taux d’extinction). Ob-
tenir un haut taux d’extinction est id´ eal.
2.5. R´ esultats exp´ erimentaux
Les modulateurs optiques ont ´ et´ e fabriqu´ es au CEA-
LETI. Le guide d’onde est large de 420 nm, poss` ede une
hauteur sous l’arˆ ete de 400 nm et une profondeur de gra-
vure de 300 nm. La longueur de la r´ egion active est de
1,8 mm. Les concentrations d’impuret´ es pour les r´ egions
P+, P active, et N+ varient entre 3×1017 cm−3et 1×1018
cm−3.
La caract´ erisation du modulateur consiste ` a mesurer la
transmission optique pour diff´ erentes valeurs de la ten-
sion inverse. La lumi` ere issue d’une source laser est po-
laris´ ee TE et coupl´ ee dans le guide d’onde directement
par la tranche de l’´ echantillon grˆ ace une fibre. En sor-
tie de l’´ echantillon, la lumi` ere est collect´ ee au moyen
d’objectifs et focalis´ ee dans une fibre optique connect´ ee
`
a un photod´ etecteur infrarouge. L’application d’une ten-
sion entre les ´ electrodes conduites ` a une variation de la
puissance optique.
Le spectre en sortie de la structure est pr´ esent´ e sur la fi-
gure 2 pour des tensions inverses comprises entre 0 V et
8 V. La transmission a ´ et´ e normalis´ ee par la transmission
de guides droits sur la mˆ eme puce, de mani` ere ` a s’affran-
chir des pertes de couplage optique, et mesurer les pertes
d’insertion du modulateur.
1554 1556 1558 1560 1562 1564 1566 1568 1570
-25
-20
-15
-10
-5
0
Longueur d’onde (nm)
Transmission (dB)
0 V
2 V
4 V
6 V
8 V
Taux d’extinction
8 dB
FIGURE 2. Transmission normalis´ ee en fonction de la
longueur d’onde pour diff´ erentes tensions inverses.
Sous 0V la transmission pr´ esente des maxima et mi-
nima en raison de la diff´ erence de longueur et donc
de chemin optique entre les 2 bras. En fonction de
la longueur d’onde les ondes se recombinent donc en
phase (transmission maximale) ou en opposition de phase
(transmission minimale). Lorsque la tension inverse aug-
mente, la d´ epl´ etion des trous dans la r´ egion active
conduit ` a une augmentation de l’indice effectif et par
cons´ equence un d´ ecalage du spectre de transmission op-
tique. Sur la figure 2 on peut voir que ` aλ= 1561 nm
la transmission optique passe de -13 dB ` a -6 dB, qui
repr´ esente un taux d’extinction de 8 dB (diff´ erence entre
les niveaux haut et bas). A cette longueur d’onde, les
pertes d’insertion du modulateur sont mesur´ ees ` a∼6 dB.
De plus, l’efficacit´ e du modulateur est d´ efini par le fac-
teur Vπ·Lπ, o` uVπet Lπsont la tension de polarisation
appliqu´ ee ` a la jonction et la longueur de la structure re-
quise pour avoir une d´ ephasage de π[10]. Au plus ce
facteur est faible au plus le modulateur est efficace. Les
r´ esultats pr´ esent´ es sur la figure 2 ont permis de d´ eduire
une efficacit´ e de modulation Vπ·Lπde 6 V·cm pour des
tensions inverses sup´ erieures ` a 4 V. Cette efficacit´ e aug-
mente (Vπ·Lπdiminue) aux plus faibles tensions de po-
larisation. Vπ·Lπ=4V·cm est obtenu pour V inf´ erieur ` a
4V.
Enfin la rapidit´ e de fonctionnement du modulateur op-
tique a ´ et´ e test´ ee par la mesure de sa transmission op-
tique en appliquant un signal pseudo-al´ eatoire (PRBS) ` a
10 Gbit/s, avec une tension pic ` a pic sup´ erieure ` a 7 V.
Une tension inverse DC de 4V est ajout´ ee ` a la tension
RF, pour que le modulateur soit toujours polaris´ e en in-
verse. Le diagramme de l’oeil obtenu est report´ e sur la
Fig. 3, et pr´ esente un taux d’extinction de 8,1 dB.
FIGURE 3. Diagramme de l’œil ` a 10 Gbit/s montrant
un taux d’extinction sup´ erieur ` a 8 dB.
3. Conclusion
En conclusion, un modulateur silicium haute
fr´ equence bas´ e sur une diode PIPIN a ´ et´ e pr´ esent´ e. Les
mesures exp´ erimentales ont permis mettre en ´ evidence
une transmission optique ` a 10 Gbit/s avec un taux
d’extinction de 8,1 dB, des pertes d’insertion ∼6 dB,
et une efficacit´ e de modulation de 4 V·cm. Les futures
optimisations du dispositif visent ` a augmenter l’efficacit´ e
de modulation et la bande passante pour atteindre des
d´ ebits de 40 Gbit/s.
4. Remerciements
La recherche menant ` a des r´ esultats pr´ esent´ es a rec¸u
un financement de la communaut´ e europ´ eenne en vertu
de la subvention n-224312 HELIOS et par le projet SIL-
VER de l’ANR

R´ ef´ erences
[1] R. Won, “Integrating silicon photonics,” Nature
Photonics, vol. 4, pp. 498–499, 2010.
[2] A. Liu, R. Jones, L. Liao, D. Samara-Rubio, O. Co-
hen, R. Nicolaseu, and et al., “A high-speed si-
licon optical phase modulator based on a metal-
oxide-semiconductor capacitor,” Nature, vol. 427,
pp. 615–618, 2004.
[3] A. Liu, L. Liao, D. Rubin, H. Nguyen, B. Ciftcio-
glu, Y. Chetrit, and et al., “High speed optical mo-
dulation based on carrier depletion in a silicon wa-
veguide,” Opt. Express, vol. 15, pp. 660–668, 2007.
[4] D. Marris-Morini, L. Vivien, J. M. F´ edeli, E. Cas-
san, P. Lyan, and S. Laval, “Low loss and high
speed silicon optical modulator based on a lateral
depletion carrier depletion structure,” Opt. Express,
vol. 16, pp. 334–339, 2008.
[5] A. Liu, L. Liao, D. Rubin, J. Basak, Y. Chetrit,
H. Nguyen, and et al., “Recent development in a
high-speed silicon optical modulator based on a
reverse-biased pn diode in a silicon waveguide,” Se-
micond. Sci. Technol., vol. 23, pp. 1–7, 2008.
[6] L. Liao, A. Liu, D. Rubin, J. Basak, Y. Chetrit,
H. Nguyen, and et al., “40 gbit/s silicon optical mo-
dulator for high-speed applications,” Electron. Lett.,
vol. 43, no. 22, pp. 1196–1197, 2007.
[7] R. Soref and B. Bennett, “Electrooptical effects in
silicon,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 23, no. 1,
pp. 123–129, 1987.
[8] G. Rasigade, D. Marris-Morini, L. Vivien, and
E. Cassan, “Performance evolution of carrier deple-
tion silicon optical modulators : From p-n to p-i-p-
i-n diodes,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.,
vol. 16, pp. 179–184, 2010.
[9] G. Rasigade, “Modulateur optique haute-fr´ equence
sur substrat silicium-sur-isolant,” Ph.D. disserta-
tion, Universit´ e Paris-Sud 11, 2010.
[10] D. Marris-Morini, L. Vivien, G. Rasigade, J. M.
F´ ed´ eli, E. Cassan, X. L. Roux, and et al., “Recent
progress in high-speed silicon-based optical modu-
lators,” Proc. IEEE, vol. 97, pp. 1–17, 2009.