Silicon photonic interferometric modulators

In recent years, the amount of traffic within data centers has increased to a point where electrical interconnects are being replaced by optical interconnects and pluggable modules. Silicon photonics, which uses the existing CMOS fabrication capabilities to develop integrated photonics, offers the ability to make compact devices in high volume with relatively better yield. This makes it a highly desired platform to develop optical transceivers and components for modern data centers. As such, it has recently reached the production phase of the technology development cycle. This thesis studies several devices that are applicablein leading data centers. A detailed analysis and characterization of a silicon Michelson modulator with short 500 um phase shifters and a low VpiLpi of 0.72 V-cm under reverse bias is presented. The optical modulation of reverse biased p-n and forward biased p-i-n junctions is investigated. For reverse bias operation, it is demonstrated that bandwidth can be increased with lower impedance drivers and the driver impedance limits the bitrate achievable. Furthermore, forward bias operation with pre-emphasized signals is shown to have clean eye diagrams up to 40 Gbps. Energy consumption is estimated for all cases of studies and their trade-offs are explained.The work on modulators is further developed by studying series push-pull traveling wave Mach-Zehnder modulators. Measurements of electrodes is compared with simulation validating the methods of increasing impedance and microwave effective index with T-shaped electrodes. Moreover, designs with two and three level implants are compared and it is concluded with measurements that a two level doping design is as good as the design with three level implants, thus reducing the number of masks and processing steps required. Another variation of modulators is the dual-drive modulators. Here, the spacing between electrodes can lead to coupling, which results in different responses depending on whether the modulator is driven single-endedly or differentially. The electro-optic frequency response of a four-port traveling-wave dual-drive modulator with relatively weak coupling amongst the electrodes is measured. It is shown that the electro-optic frequency response of the Mach-Zehnder modulator can be predicted with a 2x2 cascaded matrix model if the Mach-Zehnder modulator is symmetric and differentially driven. In recent years, the increase in data transfers has demanded that more bits be transmitted and received in a given bandwidth. The design and characterization of a silicon-on-insulator traveling-wave multi-electrode Mach-Zehnder modulator is reported in this thesis. This 2-bit electro-optic digital-to-analog converter is formed by dividing a series push-pull Mach-Zehnder modulator into two segments, one for each bit, thus allowing for PAM-4 modulation without using a digital-to-analog converter. The device is operated at speeds up to 50 Gbaud and thus generating 100 Gbps on a single wavelength without signal processing at the transmitter or the receiver. The pre-forward error correction bit error rate is estimated to be lower than the hard-decision forward error correction threshold of 3.8e-3 over 1 km of standard single-mode fiber.Another component that is crucial in optical networks is the optical switch. The optical switch has numerous applications in protection and restoration as well as in certain modern data center architectures. A 4x4 fully non-blocking crossbar switch fabric based on interferometric thermal phase shifters is developed and reported in this thesis. Here, heating is achieved using resistive elements around the silicon waveguide. Switching times of 5 us and 36 mW power consumption in an individual switching element is measured. As a proof of concept, the quality in degradation of switching is demonstrated by routing an input signal to some of the outputs of the switch.Au cours des dernières années, le débit de données dans les centres de données a augmenté de façon considérable tel que les interconnexions interconnexions optiques et des modules enfichables ont remplacées les interconnexions électriques. La photonique au silicium offre la possibilité de fabriquer des composants optique plus compacts et en grand volume avec un meilleur rendement. Ainsi, c'est une plate-forme hautement désirée pour développer des émetteurs-récepteurs optiques et d'autres composants pour les centres de données modernes. Une analyse détaillée et une caractérisation d'un modulateur de Michelson au silicium avec des déphaseurs courts de 500 um et une faible VpiLpi de 0,72 V-cm en tension de polarisation inverse sont présentées. La modulation optique de jonctions p-n en polarisation inverse et de jonctions p-i-n en polarisation direct est étudiée. Pour l'opération en tension de polarisation inverse, il est démontré que la bande passante peut être augmentée avec des pilotes d'impédance plus faibles et que l'impédance du pilote limite le débit possible. De plus, l'opération de polarisation directe avec des signaux pré-accentués est capable de réussir des diagrammes d'oeil propres jusqu'à 40 Gbps. Le travail sur les modulateurs est développé en étudiant les modulateurs Mach-Zehnder à ondes progressives. Les mesures d'électrodes sont comparées à des simulations validant les méthodes d'augmentation de l'impédance et de l'indice de micro-ondes avec des électrodes en forme de "T". De plus, les conceptions avec des implants à deux et trois niveaux sont comparées tête à tête et il est démontré avec des expériences, q'un design de dopage à deux niveaux est presque aussi bon que avec trois implants de niveau. Ainsi, réduisant le nombre de masques requis. Une autre variante des modulateurs est les modulateurs à double entraînement. Ici, l'espacement entre les électrodes peut conduire à un couplage, ce qui entraîne des réponses différentes selon la manière que le modulateur est entraîné, soit de façon unique ou différentielle. La réponse en fréquence électro-optique d'un modulateur double-onde à ondes progressives à quatre ports avec un couplage relativement faible entre les électrodes est mesurée. Il est montré que la réponse en fréquence électro-optique du modulateur Mach-Zehnder peut être prédite avec un modèle matriciel de 2X2 en cascade, si le modulateurs Mach-Zehnder est symétrique et conduit différemment. Ces dernières années, l'augmentation des transferts de données a exigé que davantage de bits sont transmis et reçus dans une bande passante fixe. La conception et la caractérisation d'un modulateur Mach-Zehnder multi-électrodes à ondes progressives sur silicium-isolant sont rapportées dans cette thèse. Ce convertisseur numérique-analogique 2-bit électro-optique est formé en divisant un modulateur Mach-Zehnder série push-pull en deux. Le dispositif fonctionne à des vitesses allant jusqu'à 100 Gbps sur une seule longueur d'onde sans traitement de signal au niveau de l'émetteur ou du récepteur. Le taux d'erreur binaire est estimé être inférieur au seuil de correction d'erreurs sans voie de retour de décision stricte de 3,8E-3 sur 1 km de fibre. Un autre composant crucial dans les réseaux optiques est le commutateur optique. Le commutateur optique a de nombreuses applications dans la protection et la restauration ainsi que dans certaines architectures de datacenters modernes. Un commutateur crossbar 4X4 entièrement non bloquant basé sur des déphaseurs thermiques interférométriques est développé et reporter dans cette thèse. Ici, le chauffage est réalisé en utilisant des éléments résistifs autour du guide d'onde en silicium. Le temps de commutation est de 5 us, avec une consommation de 36 mW dans un élément de commutation individuel. Comme preuve de concept, la qualité de la dégradation de la commutation est démontrée en transférant un port d'entrée vers quelques port de sorties