Modulateur optique haute-fréquence sur subtrat silicium-sur-isolant

High speed silicon-optical modulator integrated on silicon-on-insulator substrate

• Auteur / Autrice : Gilles Rasigade
• Direction : Laurent Vivien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Substrats

Photonique

Optoélectronique

Mots clés libres

Modulation, optoélectronique, photonique, silicium, circuits intégrés

Résumé

La photonique silicium apparait aujourd’hui comme le domaine de recherche clef pour les télécommunications optiques avec comme objectif le développement de transmetteurs intégrés compatibles avec la technologie silicium CMOS. Dans ce contexte, mes travaux de thèse ont porté plus spécifiquement sur la structure du modulateur optique sur substrat SOI pour les applications 10 et 40 Gbit/s. La structure active retenue repose sur le mécanisme de déplétion de porteurs au sein d’une jonction polarisée en inverse et permet grâce à un interféromètre Mach-Zehnder de moduler l’intensité du signal optique en sortie. L’étude et l’optimisation des trois figures de mérite principales ont permis de concevoir un modulateur présentant un produit VpLp de 1,7 V. Cm. Des pertes d’insertion de 3 dB et une fréquence de coupure de 35 GHz. La copropagation des signaux électrique et optique a également été étudiée et a validé le fonctionnement du composant jusqu’aux débits de 40Gbit/s. Des échantillons ont été fabriqués au CEA/LETI puis caractérisés à l’IEF. Les résultats expérimentaux obtenus ont permis d’améliorer la conception des modulateurs et d’établir une nouvelle méthode de caractérisation de la région active. Ces travaux ont abouti à la conception d’un modulateur optique silicium présentant des caractéristiques compatibles avec les applications 40Bbit/s et à des résultats généraux pour l’optimisation de ses performances. L’intégration de ce composant avec des sources laser et des photodétecteurs conduira très prochainement à la fabrication d’un transmetteur silicium rapide, nécessaire à l’émergence de la photonique silicium pour les télécommunications optiques intégrées.

The silicon photonics has emerged as the key area of research for optical telecommunication with the objective of developing an integrated transceiver fully-compatible with the available CMOS technology. In this context, the work of my thesis is focused on the structure of the optical modulator, integrated on a silicon-on-insulator (SOI) substrate and for applications working at the bitrates of 10 and 40 Gbit/s. Its active structure is based on the carrier depletion obtained in a reverse biased junction and leads to an intensity modulation at the output of a Mach-Zehnder interferometer. The optimization of the structure produced an optical modulator design which exhibits a VpLp product of 1,7 V. Cm. Insertion loss as low as 3dB and a -3 dB cut off frequency of 35 GHz. The light and RF copropagation has been studied as well and has validated the operation of the component at the bitrate of 40 Gbit/s. A CMOS technological process has been established and chips have been fabricated at CEA/LETI then characterized at IEF. Finally, this work has led to the design of a silicon optical modulator with characteristics compatible with 40 Gbit/s applications, as well as general result for the optimization of this component. Its integration with laser sources and photo detectors will lead is the future to the emergence of silicon photonics for integrating optical telecommunication.