Silicon Optical Transceiver for Local Access Networks

La photonique silicium est un domaine de recherche en plein expansion, visant à intégrer la photonique avec la microélectronique. Cette technologie est envisagée pour l’obtention de solutions bas-coûts dans le domaine des télécommunications optiques grâce à l'intégration de l'optique avec l’électronique de commande des composants. La réalisation d'un lien optique rapide pour transporter une information à haut débit nécessite le développement de blocs de base performants et compatibles avec la technologie CMOS. Dans ce contexte, les travaux menés durant ma thèse ont porté plus spécifiquement sur le modulateur optique en silicium, pour les applications haut débit, de 10 à 40 Gbit/s. Les résultats présentés portent notamment sur la conception, l’optimisation, la fabrication et la caractérisation de ce composant. Le modulateur est basé sur un effet électroréfractif obtenu par déplétion des porteurs dans des structures de type PN et PIPIN pour obtenir une variation de phase de l’onde optique. La modulation d’intensité est ensuite obtenue par intégration de la région active dans un interféromètre Mach Zehnder ou un résonateur en anneau. Des simulations électriques, optiques et radiofréquences ont été menées sur les différents éléments du composant, afin de concevoir un dispositif pour les applications FTTH (Fiber To The Home), fonctionnant à 1,27 µm. Parmi les points clefs de ces études on peut noter l’optimisation des électrodes RF coplanaires réalisée grâce au développement d’un modèle électro-optique prenant en compte la propagation des ondes électriques et optiques dans la région active. Un procédé technologique compatible avec la filière CMOS a ensuite été mis en place et les masques nécessaires à la fabrication ont pu être dessinés en considérant les tolérances de fabrication et paramètres critiques. Enfin un grand nombre de résultats expérimentaux ont pu être obtenus, sur des composants conçus à l’IEF et fabriqués au CEA-LETI. On peut notamment retenir un modulateur Mach Zehnder fonctionnant à 40 Gbit/s utilisant une diode « PIPIN » pour réaliser la variation d’indice, et présentant un taux d'extinction de 7.5 dB pour des pertes de seulement 6 dB. Les futures optimisations des modulateurs, silicium visent à les intégrer avec l’électronique de commande, et à aller vers des formats de modulation plus complexes mais aussi plus performants que la modulation d’intensité sur 2 niveaux considérée jusqu’à présent.Silicon photonics is a research field in full expansion that works towards the integration of photonics and microelectronic components in a single chip. The creation of a broadband optical link that is able to carry high-speed information requires the development of efficient building blocks compatible with CMOS technology. The work carried out during my Ph.D. focused specifically on silicon optical modulators for high-speed applications from 10 to 40 Gbit/s. The work presented includes design, optimization, fabrication and characterization of the complete device. The modulator is based on the electro-refractive effect obtained by depletion of carriers in PN and PIPIN diodes to obtain a phase change of the optical mode. Intensity modulation is obtained by integration of the active region in a Mach-Zehnder interferometer or a ring resonator. Electrical, optical and radio frequency simulations were conducted on the various elements of the modulator to design a device for FTTH (Fiber To The Home) applications operating at 127 µm. Additional studies included the design of RF coplanar waveguide electrodes optimized through the development of an electro-optical model that takes into account the propagation of the electrical and optical waves in the active region. Compatible CMOS processes were proposed, and the necessary masks for fabrication were designed considering fabrication tolerances and critical parameters. Finally, various experimental results were obtained on components designed at IEF and fabricated at CEA-LETI. We can specially mention a Mach Zehnder modulator operating at 40 Gbit/s that uses a PIPIN diode to obtain an index variation, and having an extinction ratio of 7.5 dB and losses of only 6 dB. The goal of future optimizations of silicon modulator is to integrate these devices with the RF driver, and to move towards more complex and efficient modulation formats than the two-level intensity modulation seen so far