LES RECENTS DEVELOPPEMENTS EN PHOTONIQUE SILICIUM L

L ES RECENTS DEVELOPPEMENTS EN PHOTONIQUE SILICIUM
L. Vivien
1
, D. Marris-Morini
1
, Gilles Rasigade
1
, X. Le Roux
1
, P. Chaysakul
1
, M. Ziebell
1
,
E. Cassan
1
, Jean-Marc Fédéli
2
1
Institut d’Electronique Fondamentale, CNRS UMR 8622, Bât. 220, Université Paris-sud XI, F-
91405 ORSAY cedex – France
2
CEA,LETI, Minatec, 17 rue des Martyrs, F-38054 GRENOBLE cedex 9, France.
[e-mail]
R ÉSUMÉ
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.
M OTS - CLEFS : microphotonics, guide d’onde, silicium sur isolant, germanium,
modulateur, photodétecteur, optique guidée.
1. I NTRODUCTION
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. M ODULATEURS 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.
10 GHz 15 GHz 10 GHz 15 GHz
Asymetric Mach Zehnder
4mm-long phase shifter
~450 µm
Asymetric Mach Zehnder
4mm-long phase shifter
~450 µm
4mm-long phase shifter
~450 µm
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. P HOTODETECTEURS G ERMANIUM
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.
Input
Waveguide
Reference
Waveguide
Bottom contact
Top contact
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
(a)
(b)
(c)
(a) (b) (c)

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.
Table 2: Etat de l’art sur les photodétecteurs sur silicium [7-12].
C ONCLUSION
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.
R EMERCIEMENTS
Ces travaux ont été financés partiellement par le projet FP7-IP HELIOS (224312)
R EFERENCES
[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), 3916-
3921 (2007).
[8] L. Vivien et al. " High speed and high responsivity germanium photodetector integrated in a Silicon-On-
Insulator 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)
Dark current
at -1V
Responsivity
Bandwidth
PIN
structure
UPS-IEF
& LETI
~ 1 µA
~0.8 A/W
~ 90 GHz
MIT INTEL
PIN
~170 nA
~0.9 A/W
31 GHz
PIN
~1 µA
~1.08 A/W
7.2 GHz
INTEL
PIN
~50 nA
0.5 GHz
~0.31 A/W
EU- PICMOS
project
PIN
~1 nA
33 GHz
~0.45 A/W
2009
Year 20072007 20072006
Ge-on-Si photodetectors III-V-on-Si photodetectors
IMEC
MSM
~1 nA
-
~1 A/W
2007-09
PIN
UPS-IEF
& LETI
~ 20 nA
~ 1 A/W
42 GHz
2008
PIN
~1 nA
25 GHz
~0.7 A/W
2009
LUXTERA
PIN
~10 µA
~ 0.85 A/W
20 GHz
~ 2007
EU- PICMOS
project

[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)