Photonique silicium :

Vers des circuits photoniques performants

 

L’évolution de la demande en débit d’informations des systèmes de communications est toujours grandissante que ce soit pour les réseaux à longue distance et locaux ou pour les futurs circuits intégrés. Dans ce contexte, de nombreuses équipes sur le plan international développent des solutions pour satisfaire ces futurs besoins en transmission de données et la photonique silicium apparaît à présent comme la solution incontournable pour les prochaines générations de circuits photoniques. En effet, l’utilisation de la plateforme silicium donne accès à la technologie mature développée en microélectronique, et permet d’atteindre de grands volumes de production. De plus la convergence des circuits électroniques et photoniques sur une même puce rend possible le traitement de l’information au plus près de l’émetteur et du récepteur, amenant à une plus grande compacité des circuits et une augmentation de leurs performances.
           

Pour ces communications à hauts débits (10 à 40 Gbit/s), les deux éléments optoélectroniques principaux sont le modulateur optique pour coder l’information au niveau de l’émetteur et le photodétecteur pour transformer le signal optique en signal électrique au niveau du récepteur.

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Figure 1 : Vue en coupe du modulateur optique utilisant une modulation de dopage de type pipin et diagramme de l'œil à 40 Gbit/s avec un taux d'extinction de 6dB – Vue schématique du photodétecteur germanium intégré en bout de guide d'onde silicium et diagramme de l'œil à 40Gbit/s sous une tension de polarisation de zéro volt.

 

 

Depuis plusieurs années, des chercheurs de l’Institut d'électronique fondamentale (IEF- CNRS/Univerité Paris-Sud), en collaboration avec le CEA-Léti et dans le cadre du projet Européen HELIOS, ont étudié et optimisé le fonctionnement des modulateurs optiques silicium et des photodétecteurs germanium intégrés dans un guide d’onde silicium, fonctionnant tous deux à présent jusqu’à des débits d’information de 40Gbit/s (figure 1). Le modulateur optique allie à la fois de faibles pertes optiques (<6 dB) et un taux d’extinction de plus de 6 dB. Ces performances sont obtenues grâce à une structure originale basée sur une diode PIPIN exploitant la déplétion de porteurs, et grâce à plusieurs innovations faisant l’objet de brevets. Concernant le photodétecteur germanium un fonctionnement sous une tension de polarisation de zéro volt jusqu’à 40Gbit/s a été démontré en gardant une forte sensibilité de 0,8A/W.

 

Les performances sont telles que de nouvelles applications sont actuellement envisagées, du câble optique aux communications entre cœurs des microprocesseurs ou même entre serveurs dans les data-center. Pour un grand nombre de ces applications, la réduction drastique de la puissance électrique dissipée dans les composants, notamment dans le modulateur, jusqu’à des valeurs typiquement inférieures à 100 fJ/bit est une nouvelle caractéristique clef, en plus de la rapidité, des faibles pertes optiques et du fort taux de modulation. Dans les solutions actuellement développées, la consommation électrique des modulateurs silicium est de l’ordre de 10 pJ/bit ce qui est loin d’être négligeable.

 

 

Figure 2 : (a) Vue schématique du modulateur : structure à puits quantiques intégrés dans une diode PIN verticale ; (b) : photographie au microscope électronique à balayage du modulateur vu de dessus (c) : mesure de l'absorption du modulateur en fonction de la tension appliquée (d) : mesure de la bande passante petit-signal montrant une fréquence de coupure de 23 GHz

 

Dans cette perspective, des chercheurs de l’IEF mènent des travaux depuis 2009 sur les propriétés optiques liées à la bande interdite directe dans des structures à puits quantiques Ge/SiGe. L’objectif est d’exploiter la variation du coefficient d’absorption pour réaliser des modulateurs optiques compacts (de quelques dizaines de micromètres de long).

L’effet exploité est l’effet Stark Confiné Quantiquement (ESCQ) dans des structures à multipuits quantiques Ge/SiGe à forte concentration en germanium. En raison du désaccord de maille entre le silicium et le germanium, la croissance directe de germanium sur silicium peut créer 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 à puits quantiques germanium peut ensuite être réalisée sur cette couche supérieure, avec une concentration de dislocations extrêmement faible. Les structures sont réalisées au laboratoire L-Ness (Como - Politecnico di Milano, Italie), à l’aide d’une technique d’épitaxie originale : « Low Energy Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition » (LEPECVD). A partir de cette hétérostructure, un modulateur optique a été fabriqué au sein de la salle blanche CTU-IEF-Minerve, dans le cadre du projet ANR Jeune Chercheur/chercheuse GOSPEL (Direct Gap related Optical Properties of Ge/SiGe Multiple Quantum Wells). Ce modulateur de seulement 90 µm de long présente un taux d’extinction de 9 dB  simultanément avec une consommation estimée à environ 100 fJ/bit (figure 2). De plus une bande passante de 23 GHz a été démontrée, ce qui en fait le modulateur optique à électro-absorption en photonique silicium le plus rapide sur le plan international.

 

Ce travail ouvre la porte sur la réalisation de liens optiques hautes fréquences et à basse consommation pour les systèmes de communications futurs.

 

Références

Laurent Vivien, Andreas Polzer, Delphine Marris-Morini, Johann Osmond, Jean Michel Hartmann, Paul Crozat, Eric Cassan, Christophe Kopp, Horst Zimmermann, and Jean Marc Fédéli, "Zero-bias 40Gbit/s germanium waveguide photodetector on silicon," Opt. Express 20, 1096-1101 (2012)

 

Melissa Ziebell, Delphine Marris-Morini, Gilles Rasigade, Jean-Marc Fédéli, Eric Cassan, David Bouville and Laurent Vivien, 40 Gbit/s low-loss silicon optical modulator based on carrier depletion of a pipin diode, Opt. Express 20, 10591 (2012)

 

P. Chaisakul, D. Marris-Morini, M-S. Rouifed, G. Isella, D. Chrastina, J. Frigerio, X. Le Roux, S. Edmond, J-R. Coudevylle, L. Vivien "23 GHz Ge/SiGe multiple quantum well electro-absorption modulator" Optics Express, 20 (3), 3219-3225, 2012

 

Contact

Delphine Marris-Morini  (delphine.morini@u-psud.fr)
Laurent Vivien (laurent.vivien@u-psud.fr)

 

Site web

http://silicon-photonics.ief.u-psud.fr/