Conception et réalisation d'un modulateur de lumière intégré en microphotonique silicium

Design and realization of an integrated optical modulator in silicon microphotonics

• Auteur / Autrice : Delphine Marris-Morini
• Direction : Suzanne Laval
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées. Électronique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés libres

Optoélectronique

Silicium

Modulation

Miroirs de Bragg

Interféromètre Mach-Zehnder

Résumé

Ce travail porte sur la conception et la réalisation de modulateurs de lumière rapides, intégrés dans des microguides d'ondes sur substrat silicium sur isolant (SOI). Dans le silicium, la modulation du nombre de porteurs libres est l'effet physique qui conduit à la plus grande variation de l'indice de réfraction du matériau. La structure originale des modulateurs étudiés est basée sur la désertion de porteurs dans un empilement de multipuits silicium-germanium/silicium à modulation de dopage, inséré dans une diode pin. Sous polarisation inverse, la désertion des trous initialement confinés dans les puits induit une variation de l'indice effectif du mode guidé. Cet effet a été mesuré sur des composants de test réalisés à l'IEF. Les performances du modulateur intégré dans un guide d'onde SOI en arête ont été prévues théoriquement et l'empilement a été optimisé par des simulations électriques et électromagnétiques couplées. La réponse temporelle intrinsèque a été calculée. L'influence des pertes optiques dans les zones de contact a été étudiée. Pour obtenir une modulation d'intensité, différentes structures interférométriques intégrées ont été comparées. L'ensemble de ces études a conduit au dimensionnement de modulateurs intégrés performants en tenant compte des contraintes technologiques imposées par la géométrie des guides.

This work deals with the design and the realization of fast optical modulators, integrated in Silicon On Insulator (SOI) waveguides. In silicon, free-carrier density variation is the physical effect that leads to the largest refractive index variation. The studied modulator is based on free carrier depletion in a silicon-germanium/silicon multilayer structure, included in a PIN diode. A reverse bias applied to the diode depletes holes from SiGe wells, and creates a variation of the guided mode effective index. This effective index variation has been experimentally measured. Electrical and electromagnetic simulations have been used to calculate the structure performances, and to optimize the structure for the integration in a rib waveguide. The intrinsic response time has been calculated. The influence of optical losses in contact areas has been evaluated. To obtain intensity light modulation, interferometric structures have been compared. All the studies presented have lead to the design of efficient integrated modulator, taking into account technological constraint due to the waveguide geometry.