LES RECENTS DEVELOPPEMENTS EN PHOTONIQUE SILICIUM L
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LES RECENTS DEVELOPPEMENTS EN PHOTONIQUE SILICIUM L. Vivien1, D. Marris-Morini1, Gilles Rasigade1, X. Le Roux1, P. Chaysakul1, M. Ziebell1, E. Cassan1, Jean-Marc Fédéli2 1 Institut d’Electronique Fondamentale, CNRS UMR 8622, Bât. 220, Université Paris-sud XI, F91405 ORSAY cedex – France 2 CEA,LETI, Minatec, 17 rue des Martyrs, F-38054 GRENOBLE cedex 9, France. [email protected] RÉSUMÉ La photonique silicium connait depuis plusieurs années un fort développement avec la démonstration d’importants résultats concernant les dispositifs photoniques passifs et actifs. L’objectif de cette présentation est de présenter une vue d’ensemble des derniers résultats principaux concernant les modulateurs optiques et les photodétecteurs germanium intégrés en bout de guide d’onde silicium. MOTS-CLEFS : microphotonics, guide d’onde, silicium sur isolant, germanium, modulateur, photodétecteur, optique guidée. 1. INTRODUCTION La photonique silicium est un domaine de recherche en plein essor, que ce soit sur le plan national qu’international. Les applications prometteuses se situent d’une part en microélectronique, où la photonique est envisagée comme un moyen de dépasser les limitations prévues des circuits intégrés CMOS, notamment pour la distribution du signal d’horloge et des signaux globaux, et d’autre part dans le domaine des télécommunications optiques, le silicium pouvant y apporter des solutions bas coût. Par ailleurs, de forts potentiels existent pour le développement de nanostructures pour la biophotonique ou pour le traitement quantique de l’information. Plus généralement, la photonique Si permet l’intégration de fonctions optiques avec d’autres fonctionnalités (traitement de l’information, capteurs…). Enfin, il devient tout à fait envisageable d’intégrer sur un même circuit les fonctions optiques et électroniques [1]. Dans cette communication, nous décrirons l’état de l’art actuel des modulateurs et des photodétecteurs intégrés en bout de guide d’onde silicium et nous nous focaliserons sur deux dispositifs : un modulateur constitué d’une diode PIPIN d’une part, et un photodétecteur germanium d’autre part. Deux premières démonstrations d’intégration de la photonique avec l’électronique seront également présentées. 2. MODULATEURS OPTIQUES Les propriétés physiques du silicium (gap indirect) ne sont naturellement pas favorables à la réalisation d’un modulateur optique. Cependant, depuis quelques années, de nombreuses percées technologiques ont donné lieu à des résultats importants dans le domaine [2-6]. Actuellement, la modulation d’indice de réfraction par changement de la densité de porteurs est la méthode ayant donné les meilleurs résultats. Cette variation est obtenue soit par injection d’électrons et de trous dans une diode PIN polarisée en direct, soit par accumulation de porteurs de part et d’autre d’une capacité MOS soit par déplétion de porteurs. La solution que nous avons proposée est basée sur cette dernière solution et présente l’avantage d’obtenir une bonne efficacité de modulation, permet de contrôler les pertes d’insertion et enfin d’atteindre des bandes passantes élevées (> 10 GHz). La figure 1a présente une vue schématique d’une telle structure dont la région active est constituée d’une diode PIN. Au niveau de la zone intrinsèque, une fine région dopée P (concentration de trous) a été ajoutée. Cette région est placée dans le guide d’onde silicium où le champ est maximal. A l’équilibre (tension de polarisation nulle), les trous sont confinés dans le Commentaire [GR1] : … guide d’onde. Lorsqu’une tension inverse est appliquée, ces trous sont chassés hors du guide optique. La variation de densité de porteurs ainsi obtenue engendre une variation d’indice de réfractionconduisant à une variation de la phase du mode optique guidé en sortie de la région active. Les avantages de cette structure sont sa rapidité intrinsèque, qui tient à l’absence du phénomène de recombinaison des porteurs libres, et le faible échauffement thermique dû au faible courant électrique inverse qui traverse le composant. L’utilisation d’un interféromètre de type Mach-Zehnder (figure 1c) permet ensuite la transformation de la modulation de phase en modulation d’intensité optique. Avec un tel modulateur, nous avons obtenu des pertes d’insertion de 5 dB et une bande passante de 15 GHz à la longueur d’onde de 1,55 µm. (a) 10 GHz (b) (c) 15 GHz Asymetric Mach Zehnder ~450 µm 4mm-long phase shifter Fig. 1 : Modulateur optique silicium constitué (a) d’une diode PIPIN latérale.,(b) Réponse optique en fonction de la fréquence.(c) La diode PIPIN est insérée dans les deux bras d’un interféromètre Mach-Zehnder de 4mm. 3. PHOTODETECTEURS GERMANIUM Dans la filière silicium, seul le germanium massif peut conduire à une forte absorption aux longueurs d’onde des télécommunications optiques. Les premières difficultés ont été celles de l’épitaxie de germanium cristallin sur silicium. La technique utilisée est basée sur la croissance, dans un premier temps, d’une couche de Ge tampon à basse température, suivie d’une couche épaisse à plus haute température. La couche Ge est intégrée en bout de guide d’onde silicium (figure 2a). Une longueur de 5 µm est suffisante pour absorber la totalité de la lumière. Deux types de photodétecteurs ont été caractérisés : une diode PIN verticale (figure 2) et une diode PIN latérale. Dans les deux cas, nous avons obtenu des sensibilités proche de 1 A/W, des bandes passantes de plus de 40 GHz à la longueur d’onde de 1,55 µm. De plus nous avons démontré qu’il était possible de transmettre des sonnées à des débits de 40 Gbit/s sous une tension inverse de quelques volts et de 10 Gbit/s à 0 V. (a) (b)Reference Waveguide Bottom contact (c) Top contact Input Waveguide Fig. 2 : Photodétecteur germanium vertical intégré en bout de guide d’onde silicium.(a) vue schématique, (b) photo prise par microscopie optique et (c) diagramme de l’œil à 40Gbit/s Le tableau 1 résume l’état de l’art actuel des photodétecteurs sur silicium. Depuis 2007, les performances des photodétecteurs intégrés en bout de guide d’onde n’ont cessé d’augmenter avec des résultats comparables aux performances des photodétecteurs III/V communément utilisés aux longueurs d’onde des télécommunications optiques. III-V-on-Si photodetectors Ge-on-Si photodetectors UPS-IEF & LETI EU- PICMOS project INTEL IMEC EU- PICMOS project 2008 2009 2006 2007 2007-09 2009 PIN PIN PIN PIN PIN MSM PIN ~170 nA ~ 20 nA ~ 1 µA ~1 nA ~50 nA ~ 0.85 A/W ~1.08 A/W ~0.9 A/W ~ 1 A/W ~0.8 A/W ~0.45 A/W ~0.31 A/W LUXTERA MIT INTEL UPS-IEF & LETI Year ~ 2007 2007 2007 structure PIN PIN Dark current at -1V ~10 µA ~1 µA Responsivity Bandwidth 20 GHz 7.2 GHz 31 GHz 42 GHz ~ 90 GHz 33 GHz 0.5 GHz ~1 nA ~1 nA ~1 A/W ~0.7 A/W - 25 GHz Table 2: Etat de l’art sur les photodétecteurs sur silicium [7-12]. CONCLUSION La photonique silicium connait une croissance importante depuis quelques années avec des résultats tout à fait remarquables et aboutissant à des performances comparables à celles obtenues par les semiconducteurs III-V. Nous avons actuellement démontré qu’il était possible de propager, moduler et détecter la lumière avec une très bonne efficacité et jusqu’à des fréquences de plusieurs GHz. REMERCIEMENTS Ces travaux ont été financés partiellement par le projet FP7-IP HELIOS (224312) REFERENCES [1] J.M. Fedeli, et al. Advances in Optical Technologies AOT, special issue : "Silicon Photonics" 2008, [2] D. Marris-Morini, et al “Low loss and high speed silicon optical modulator based on a lateral carrier depletion structure”, Optics express, 16 (1), 334-339 (2008). [3] A. Liu et al, “A high speed silicon optical modulator based on a metal-oxide-semiconductor capacitor”, Nature 427, 615-618, (2004). [4] L. Liao et al, “High speed silicon Mach-Zehnder modulator”, Optics Express 13 (8), 3129-3135 (2005). [5] G-R Zhou et al, “Effect of carrier lifetime on forward-biased silicon Mach-Zehnder modulators”, Optics express, 16 (8) 5218-5226 (2008) [6] Manipatruni et al, “High Speed Carrier Injection 18 Gb/s Silicon Micro-ring Electro-optic Modulator”, 20th Lasers and Electro-Optics Society meeting (LEOS) 21-25 Oct. 2007. [7] D. Ahn et al., " High performance, waveguideintegrated Ge photodetectors," Opt. express 15 (7), 39163921 (2007). [8] L. Vivien et al. " High speed and high responsivity germanium photodetector integrated in a Silicon-OnInsulator microwaveguide," Opt. Express 15 (15), 9843-9848 (2007). [9] T. Yin et al., " 31GHz Ge n-i-p waveguide photodetectors on silicon-on-insulator sunstrate," Opt. express 15 (21), 13965-13971 (2007). [10] L. Vivien et al., "42 GHz p.i.n Germanium photodetector integrated in a silicon-on-insulator waveguide," Opt. Express 17, 6252-6257 (2009) [11] G. Roelkens et al., "Laser emission and photodetection in an InP/InGaAsP layer integrated on and coupled to a Silicon-on-Insulator waveguide circuit," Opt. Express 14, 8154-8159 (2006) [12] J. Brouckaert et al., "Compact InAlAs-InGaAs Metal-Semiconductor-Metal Photodetectors Integrated on Silicon-on-Insulator Waveguides", IEEE Phot. Techn. Lett. 19,(2007)
