Modulateur à réseau de Bragg intégré sur silicium pour les

Modulateur à réseau de Bragg intégré sur silicium pour
les télécommunications dans les centres de données et
leurs applications
Mémoire
Jérémie ANGERMAIER
Maîtrise en génie électrique
Maître ès sciences (M.Sc.)
Québec, Canada
©JérémieANGERMAIER,2016

ii
Modulateur à réseau de Bragg intégré sur silicium pour
les télécommunications dans les centres de données et
leurs applications
Mémoire
Jérémie ANGERMAIER
Sousladirectionde:
SophieLarochelle,directricederecherche

 iii
Résumé
Récemment, beaucoup d’efforts ont été investis afin de développer des modulateurs sur silicium pour
les télécommunications optiques et leurs domaines d’applications. Ces modulateurs sont utiles pour
les centres de données à courte portée et à haut débit. Ainsi, ce travail porte sur la caractérisation de
deux types de modulateurs à réseau de Bragg intégré sur silicium comportant une jonction PN
entrelacée dont le but est de réaliser une modulation de la longueur d’onde de Bragg par le biais de
l’application d’un tension de polarisation inverse réalisant une déplétion des porteurs au sein du
guide d’onde. Pour le premier modulateur à réseau de Bragg, la période de la jonction PN est
différente de celle du réseau de Bragg tandis que le deuxième modulateur à réseau de Bragg a la
période de sa jonction PN en accord avec celle du réseau de Bragg. Ces différences apporteront un
comportement différent du modulateur impliquant donc une transmission de données de qualité
différente et c’est ce que nous cherchons à caractériser. L’avantage de ce modulateur à réseau de
Bragg est qu’il est relativement simple à designer et possède un réseau de Bragg uniforme dont on
connaît déjà très bien les caractéristiques. La première étape dans la caractérisation de ces
modulateurs fut de réaliser des mesures optiques, uniquement, afin de constater la réponse
spectrale en réflexion et en transmission. Par la suite, nous sommes passé par l’approche usuelle,
c’est à dire en réalisant des mesures DC sur les modulateurs. Ce mémoire montre également les
résultats pratiques sur le comportement des électrodes et de la jonction PN. Mais il rend compte
également des résultats de la transmission de données de ces modulateurs par l’utilisation d’une
modulation OOK et PAM-4 et permet de mettre en évidence les différences en terme d’efficacité de
modulation de ces deux modulateurs. Nous discutons alors de la pertinence de ce choix de design
par rapport à ce que l’on peut trouver actuellement dans la littérature.

iv
Abstract
Recently, much effort has been invested to develop silicon modulators for optical telecommunications
and their application areas. These modulators are useful for data centers and short-range high
capacity links. Thus, this work focuses on the characterization of two types of integrated Bragg
grating modulators on silicon waveguide and having an interleaved PN junction whose goal is to
achieve a modulation of the Bragg wavelength through the application of an reverse bias voltage
creating a carrier depleted region in the waveguide. For the first integrated Bragg grating modulator,
the period of the PN junction is not matched to the Bragg grating period while the second integrated
Bragg grating modulator has the PN junction matched to the Bragg grating period. This difference
brings a different behaviour of the modulator thus resulting in a different quality of data that we seek
to characterize. The advantage of this Bragg grating modulator is that it is relatively simple to design
and has a uniform Bragg grating which has well known characteristics. The first step in the
characterization of these modulators was making optical measurements, only to see the spectral
response in reflection and transmission. Afterwards, we went through the usual approach, i.e by
making DC measurements on the modulators. This thesis shows the practical results on the
behaviour of the electrodes and the PN junction. And it also reports the results of the data
transmission of these modulators by using an OOK modulation and PAM-4 modulation highlighting
the differences in terms of modulation efficiency of these two modulators. We then discuss the
relevance of this design choice compared to what we can currently find in the literature.

v
Table des matières
Résumé...........................................................................................................................................iii
Abstract...........................................................................................................................................iv
Tabledesmatières.......................................................................................................................v
Listedestableaux......................................................................................................................vii
Listedesfigures........................................................................................................................viii
Introduction...................................................................................................................................1
Chapitre1:......................................................................................................................................7
LesréseauxdeBraggdanslesguidesd’ondedesiliciumsursilice...........................7
1.1Définitionetgénéralités...............................................................................................................9
1.1.1Longueurd’ondedeBraggetmodulationd’indiceeffectif....................................................9
1.1.2Leguided’onde.....................................................................................................................................11
1.2LesréseauxdeBragguniforme...............................................................................................14
1.3Réponsespectraleetthéoriedesmodescouplés............................................................15
1.3.1Principedebasedelathéoriedesmodescouplés.................................................................15
1.3.2Coefficientsdetransmissionetréflexion...................................................................................19
1.3.3Représentationmatricielle...............................................................................................................21
1.3.4RéseaudeBraggàsautdephase...................................................................................................22
1.3.5RéseaudeBraggapodisé(ouàcouplagevariable)................................................................23
1.4DispositifspassifsàbasederéseauxdeBraggdanslesilicium..................................24
1.4.1Lesdifférentstypesdecouplaged’unréseau..........................................................................24
1.4.1.1Réseauàcouplagefaible................................................................................................................25
1.4.1.2Réseauàcouplagefort....................................................................................................................25
1.4.2Exemplesdedispositifsobtenus....................................................................................................26
1.5Conclusion.......................................................................................................................................29
Chapitre2:...................................................................................................................................31
LesréseauxdeBraggdanslaphotoniquesursilicium................................................31
2.1Lesobjectifs....................................................................................................................................32
2.2Lesmécanismesdemodulation..............................................................................................33
2.2.1Modulationthermique.......................................................................................................................35
2.2.2Injectiondesporteurs........................................................................................................................36
2.2.3Déplétiondesporteurs......................................................................................................................38
2.2.4Recouvrement.......................................................................................................................................39
2.2.5Modulationparmodulationd’indice............................................................................................40
2.3LesdifférentstypesdejonctionPN........................................................................................42
2.3.1JonctionPNstandard:Latérale......................................................................................................42
2.3.2JonctionPNentrelacée.......................................................................................................................43
2.4Conclusion.......................................................................................................................................46
Chapitre3:...................................................................................................................................47
CaractérisationdesélectrodesetcaractéristiquesdelajonctionPN....................47
3.1Présentationdel’arrangementetdelatechnologie.......................................................49
3.2Lignedetransmission.................................................................................................................51