Zero change CMOS microring modulators at 1550 nm: Modeling and characterization

While optical communications are the standard solution for long haul communications, its adoption for short range (i.e, intra- and inter-chip interconnects and metro-area) transmission systems, where a considerable increase in data rates and a decrease in power consumption is to be gained, has been hampered mainly because the high cost associated to the fabrication of discrete optical components. The integration of photonic components in a single substrate, in what is known as silicon photonics, arises as a promising solution to overcome this limitation. Specifically, zero change CMOS silicon photonics, in which photonic components are fabricated in state of the art commercial microelectronic foundries without any change in the fabrication flow, therefore not modifying the transistor yield, enables the monolithic integration of electronics and photonics at a very low cost. Nevertheless, this comes at an expense in the control of the fabrication process and, as such, in the performance of the devices. It is of paramount importance, then, to carefully design, model and optimize these photonic components and test them experimentally. It is the object of this thesis to do so for one of the photonic components necessary for optical communications: modulators. To avoid high optical losses and achieve high optical confinement, the whispering gallery modes of silicon rings (with radii in the order of um) are exploited, and effective modulation is achieved by changing the carrier density in the silicon by means of pn junctions. In this thesis, high speed (25 Gbps) modulation at a working wavelength of 1550 nm is reported for the first time in a zero-change CMOS platform, and it is also demonstrated that this photonics platform can be readily used for low temperature (4 K) applications. A complete model of a silicon microring modulator that includes nonlinear effects (which can have an important detrimental effect in the device performance) is also derived, and from it power handling capabilities of these modulators are determined. By realizing high-speed an efficient optical modulators at the telecommunications wave- length, the potential of these CMOS photonics platform for addressing the future demands in the telecom and datacom systems by the fabrication of high scale electronic-photonic systems has been unveiled.Aunque las comunicaciones ópticas son la solución estándar para comunicaciones de largo alcance, su adopción para transmisión de corto alcance (es decir, inter- e intra- chip y área metropolitana), que permitiría un considerable incremento en la velocidad de transmisión y una reducción en el consumo, ha estado limitada principalmente por el alto coste asociado a la fabricación de componentes ópticos discretos. La integración de múltiples dispositivos fotónicos en un mismo sustrato, en lo que se conoce como silicon photonics, es una solución prometedora a esta limitación. En concreto, el zero change CMOS silicon photonics, en el cual los componentes ópticos se fabrican en fundiciones microelectrónicas comerciales sin ninguna modificación en el proceso de fabricación y, por tanto, sin reducir la cantidad de transistores operativos, permite la integración monolítica de electrónica y fotónica a bajo coste. Esto implica, sin embargo, un menor control en el proceso de fabricación y, en consecuencia, en el rendimiento de los dispositivos. Es primordial, por tanto, diseñar, modelar y optimizar estos dispositivos con precisión y caracterizarlos experimentalmente. El objetivo de esta tesis es hacer esto para uno de los componentes fotónicos imprescindibles en las comunicaciones ópticas: el modulador. Para evitar altas pérdidas y conseguir un gran confinamiento óptico, los modos ópticos de un anillo de silicio (con radios en el orden de um) conocidos como whispering gallery son empleados, y la modulación óptica se obtiene mediante el cambio de la densidad de portadores en el silicio a través de uniones pn. En esta tesis, modulación a alta velocidad (25 Gbps) a una longitud de onda de 1550 nm es demostrada por primera vez en una plataforma zero change CMOS, y también se prueba la posibilidad de utilizar esta plataforma para aplicaciones a baja temperatura (4 K). También se deriva un modelo completo de un modulador resonante de silicio incluyendo efectos no lineales (que puede tener un gran efecto en el rendimiento del dispositivo), y a partir de este se determinan los límites en la potencia entrante en este. Mediante la fabricación de moduladores ópticos eficientes y con gran ancho de banda a longitudes de onda de telecomunicaciones, el potencial de la plataforma óptica zero change CMOS para cubrir la futura demanda de alta velocidad de transmisión en sistemas de datacom y telecomunicaciones ha sido descubierta.Mentre les comunicacions òptiques són la solució estàndard per a comunicacions de llarga distància, l'adopció daquestes per a transmissió de curt abast (és a dir, inter- i intra-xip i àrea metropolitana), que permetria un increment considerable en les velocitats de transmissió i un decrement en el consum, ha estat limitada principalment per l'alt cost associat a la fabricació de components òptics discrets. La integració de múltiples dispositius fotònics en un mateix substrat, en el que es coneix com a silicon photonics, és una solució prometedora a aquesta limitació. En concret, el zero change CMOS silicon photonics, en el que els components òptics es fabriquen en fundicions microelectròniques comercials sense cap modificació al procés de fabricació i, per tant, sense reduir la quantitat de transistors operatius, permet la integració monolítica d'electrònica i fotònica a baix cost. Això implica, però, un menor control en el procés de fabricació i, en conseqüència, en el rendiment dels dispositius. És per tant primordial dissenyar, modelar i optimitzar aquests components amb cura i caracteritzar-los experimentalment. L'objectiu d'aquesta tesi és fer això per a un dels dispositius fotònics imprescindibles per a les comunicacions òptiques: el modulador. Per a evitar altes pèrdues i aconseguir gran confinament òptic, els modes òptics d'anells de silici (amb radis de l'ordre de um) coneguts com a whispering gallery són empleats, i mitjançant el canvi de la densitat de portadors al silici a través d'unions pn s'aconsegueix modular la llum. En aquesta tesi, modulació a alta velocitat (25 Gbps) a una longitud d'ona de 1550 nm és demostrada per primera vegada en una plataforma zero change CMOS, i també es prova la possibilitat d'utilitzar aquesta plataforma per a aplicacions a baixa temperatura (4 K). També es deriva un model complet d'un modulador ressonant de silici incloent efectes no lineals (que poden tenir un gran efecte en el rendiment del dispositiu), i a partir d'aquest es determinen els límits en la potència entrant en aquests moduladors. Mitjançant la fabricació de moduladors òptics eficients i amb gran ample de banda a longituds d'ona pròpies de telecomunicació, el potencial de la plataforma òptica zero change CMOS per a cobrir la futura demanda d'alta velocitat de transmissió en sistemes de datacom i telecomunicacions ha estat descoberta