Etude de l'intégration d'un composant capacitif pour la modulation haut débit et basse consommation dans une plateforme photonique sur silicium / Maurin Douix ; sous la direction de Delphine Marris-Morini

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : français / French

Catalogue Worldcat

Modulateurs électro-optiques à très haut débit sur silicium

Photonique

Optique intégrée

Dispositifs optoélectroniques

Télécommunications

Marris-Morini, Delphine (Directeur de thèse / thesis advisor)

Peucheret, Christophe (Président du jury de soutenance / praeses)

Gardes, Frédéric (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Seassal, Christian (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Szelag, Bertrand (Membre du jury / opponent)

Raineri, Fabrice (1977-....) (Membre du jury / opponent)

Baudot, Charles (Membre du jury / opponent)

Université Paris-Saclay (2015-2019) (Organisme de soutenance / degree-grantor)

École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) (Ecole doctorale associée à la thèse / doctoral school)

Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) (Laboratoire associé à la thèse / thesis associated laboratory)

Université Paris-Sud (1970-2019) (Autre partenaire associé à la thèse / thesis associated third party)

STMicroelectronics (Crolles, Isère) (Entreprise associée à la thèse / thesis associated company)

Résumé / Abstract : Les centres de données subissent une augmentation exponentielle du trafic de données, à laquelle la photonique sur silicium apporte une solution grâce à de forts volumes de production, à faibles coûts et à haut rendements. Aujourd'hui la consommation énergétique est un défi supplémentaire à relever face à la densification du réseau. Le modulateur capacitif permet en particulier de réduire la part d'énergie consommée par l'émetteur du circuit photonique qui réalise la modulation d'intensité optique. Les travaux d'intégration et de conception réalisés au cours de cette thèse consistent à introduire un isolant diélectrique au centre du guide d'onde, pour former une capacité silicium/ oxyde/ poly-silicium en régime d'accumulation. Une première version consiste à empiler l'isolant horizontal entre les deux semiconducteurs. Une seconde version complémentaire emploie un isolant vertical au centre du guide d'onde ruban à fente. La première génération de ces composants permet de démontrer leur faisabilité dans la plateforme industrielle de STMicroelectronics. Les mesures conduites au C2N, au CEA-LETI et à STMicroelectronics évaluent les compromis entre l'efficacité, atout du modulateur capacitif, les pertes d'insertion et la bande passante du composant à isolant horizontal. Des pertes de 3 dB/mm sont extraites, dont seulement 0.5 dB/mm dues au poly-silicium. Un taux d'extinction de 2 dB est mesuré à travers 700 µm sur un diagramme de l'œil à 10 Gb/s, grâce à un produit VpLp=5.5 V.mm à 15 nm d'épaisseur d'oxyde (1.2 pF/mm). La consommation électrique du modulateur capacitif est finalement optimisée pour atteindre 1 pJ/bit à 0.9 Vpp.

Résumé / Abstract : Global datacenter data exchange is exponentially growing and silicon photonics is the key answer, thanks to high production volume, at low cost and high yield. Today, energy consumption is a new challenge highlighted by network densification. Capacitive modulators address a specific reduction of the power dedicated to the photonic circuit emitter for light intensity modulation. Design and integration of capacitive modulators are carried out during this thesis. It consists of inserting a dielectric insulator within the optical waveguide center, in order to shape a capacitance with a silicon/ oxide/poly-silicon stack in accumulation regime. A first device is made up of an horizontal insulator stacked between the semiconductors. A second device type comprises a vertical insulator in the center of a slot rib waveguide. The first fabrication release demonstrates device feasibility within STMicroelectronics industrial platform. Characterization results of the first device type from C2N, CEA-LETI and STMicroelectronics evaluate the trade-offs between efficiency - featured by capacitive modulators - insertion losses and bandwidth. 3 dB/mm insertion losses are measured, including 0.5 dB/mm poly-silicon absorption only. 2 dB extinction ratio through 700 µm is evaluated on a 10 Gb/s eye diagram, thanks to a VpLp =5.5 V.mm at 15 nm oxide thickness (1.2 pF/mm). Capacitive modulator power consumption is eventually optimized for 1 pJ/bit at 0.9 Vpp.