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1 - MODULATEUR OPTIQUE : PRINCIPE ET PERFORMANCES

2 - MODULATEUR OPTIQUE PAR DÉPLÉTION DE PORTEURS DANS LE SILICIUM

3 - MODULATEUR OPTIQUE PAR EFFET STARK CONFINÉ QUANTIQUEMENT DANS LES STRUCTURES À PUITS QUANTIQUES GE/SIGE

4 - CONCLUSION, PERSPECTIVES

5 - REMERCIEMENTS

Article de référence | Réf : IN143 v1

Modulateur optique par Effet Stark Confiné Quantiquement dans les structures à puits quantiques Ge/SiGe
Modulateurs optiques pour la photonique silicium - ou la révolution des systèmes de communication optiques de demain

Auteur(s) : Delphine MARRIS-MORINI, Gilles RASIGADE, Melissa ZIEBELL, Papichaya CHAISAKUL, Jean-Marc FÉDÉLI, Giovanni ISELLA, Daniel CHRASTINA, Laurent VIVIEN

Date de publication : 10 janv. 2012

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Auteur(s)

  • Delphine MARRIS-MORINI : Maître de conférences, Université Paris Sud-11, Institut d'électronique fondamentale, France

  • Gilles RASIGADE : Post-doctorant, Institut d'électronique fondamentale, France

  • Melissa ZIEBELL : Doctorante, Institut d'électronique fondamentale, France

  • Papichaya CHAISAKUL : Doctorant, Institut d'électronique fondamentale, France

  • Jean-Marc FÉDÉLI : Ingénieur, CEA-Leti, Grenoble, France

  • Giovanni ISELLA : Chercheur, L-Ness, Politecnico di Milano, Italie

  • Daniel CHRASTINA : Chercheur, L-Ness, Politecnico di Milano, Italie

  • Laurent VIVIEN : Chargé de recherche, CNRS, Institut d'électronique fondamentale, France

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INTRODUCTION

Résumé

Le modulateur optique est l'un des éléments clefs pour le développement de chaînes de communications optiques dans la filière silicium. Les déploiements récents ont permis d'obtenir des modulateurs en silicium présentant de très bonnes performances de 10 à 30 Gbit/s. Une solution émergente, à base de puits quantiques Ge/SiGe, présente des caractéristiques prometteuses pour la réalisation de structures très compactes et à faibles puissances consommées.

Abstract

Optical modulators are one of the key building blocks for the development of silicon communication links. Recently, silicon modulators with good performances from 10 to 30 Gbit/s have been demonstrated. An alternative solution based in Ge/SiGe quantum wells is very promising for the demonstration of compact structures with low power consumption.

Mots-clés

optoélectronique, photonique silicium, modulation optique, guide d'onde, hyperfréquence, optique intégrée

Keywords

optoelectronics, silicon photonics, optical modulation, waveguide, radiofrequency, integrated optics

Points clés

Domaine : Optoélectronique

Degré de diffusion de la technologie : Émergence | Croissance | Maturité

Technologies impliquées : Photonique silicium

Domaines d'application : Communication optique

Principaux acteurs français :

Pôles de compétitivité :

Centres de compétence : CNRS-UPS-IEF, CEA Leti, INL

Industriels : STMicroelectronics, Alcatel Thales 3-5 lab

Autres acteurs dans le monde : Intel, Luxtera, Kotura, Université de Surrey (UK), Université Cornell (US), A*STAR (Singapour)

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-in143


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3. Modulateur optique par Effet Stark Confiné Quantiquement dans les structures à puits quantiques Ge/SiGe

3.1 Contexte

La réalisation d'un modulateur optique en silicium utilisant la déplétion de porteurs et présentant une grande bande passante optique (c'est-à-dire excluant les structures résonantes) nécessite l'utilisation d'une région active de plusieurs mm de long, créant une consommation électrique non négligeable. La réalisation d'un modulateur compact ne sera possible qu'en proposant des concepts innovants, en rupture avec les technologies actuelles. Dans cette perspective, nous menons des recherches depuis 2009 sur les propriétés optiques liées à la bande interdite directe dans des structures à puits quantiques Ge/SiGe. L'objectif est d'étudier la variation du coefficient d'absorption pour réaliser des modulateurs optiques.

L'effet exploité est l'Effet Stark Confiné Quantiquement (ESCQ), illustré pour la première fois par l'Université de Stanford dans des structures à multi-puits quantiques Ge/SiGe à forte concentration en germanium. Des mesures de spectres de photo-courant avaient permis de mettre en évidence une modulation du coefficient d'absorption dans des structures épitaxiées par RPCVD (Reduced Pressure Chemical Vapour Deposition) éclairées par la surface . Ce résultat avait constitué la première démonstration de l'utilisation d'un effet de bande interdite directe dans un semi-conducteur à bande interdite indirecte, et ouvert la voie vers la compréhension fine des mécanismes entrant en jeu et la réalisation de composants optoélectroniques innovants, le premier étant le modulateur à électro-absorption.

En raison du désaccord de maille entre le silicium et le germanium, la croissance directe de germanium sur silicium crée des dislocations. Un moyen de les éviter consiste à utiliser une couche tampon graduelle en SiGe permettant de passer très progressivement du silicium à un alliage à forte concentration en germanium (typiquement 90 %), tout en restant relaxé (sans contraintes). La structure...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - KOEHL (S.), LIU (A.), PANICCIA (M.) -   Integrated silicon photonics : harnessing the data explosion.  -  OSA Optics and Photonics New, 22, p. 24-39 (2011).

  • (2) - LIU (A.) et al -   A high speed silicon optical modulator based on a metal-oxide-semiconductor capacitor.  -  Nature, 427, p. 615-618 (2004).

  • (3) - SOREF (A.), BENNETT (B.R.) -   Electro-optical effects in silicon.  -  IEEE J. Quant. Electron., 23(1), p. 123-129 (1987).

  • (4) - LIU (A.), JONES (R.), LIAO (L.), SAMARA-RUBIO (D.), RUBIN (D.), COHEN (O.), NICOLAESCU (R.), PANICCIA (M.) -   A high speed silicon optical modulator based on a metal-oxide-semiconductor capacitor.  -  Nature, 427, p. 615-618 (2004).

  • (5) - LIAO (L.), SAMARA-RUBIO (D.), MORSE (M.), LIU (A.), HODGE (D.) -   High speed silicon Mach-Zehnder modulator.  -  Optics Express, vol. 13, p. 3129-3135, avr. 2005.

  • (6) - XU (Q.), SCHMIDT...

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