Figure 5.32 – Schéma de montage de la mesure du diagramme de l’œil PUSH-PULL ou PAM4 La mesure du diagramme de l’œil est expérimentée en configuration PUSH-PULL, en exploi-tant les deux bras de l’interféromètre. L’asymétrie de l’interféromètre permet d’utiliser la longueur d’onde pour placer l’interféromètre à la quadrature et maximiser sa réponse dynamique. Le circuit électrique permettant d’alimenter chaque bras est décrit sur la figure 5.32. On utilise notamment un amplificateur RF après le générateur de séquences pour augmenter la puissance RF injectée dans le modulateur capacitif (Mod. capa.). Un signal de synchronisation est envoyé à l’oscillo-scope pour la détection du signal modulé reçu et reconverti par la photodiode externe connectée à l’oscilloscope. Les deux signaux RF en phase sont injectés dans chaque bras avec une amplitude d’environ 1.2 Vpp. La tension DC permet de placer le modulateur en régime d’accumulation sur les deux bras.
IV - Mesures dynamiques
(a) (b)
(c)
Figure 5.33 – Diagrammes de l’œil : (a) 3 Gb/s (W = 400 nm) ; (b) 6 Gb/s et (c) 10 Gb/s (W = 320 nm et wacc= 100 nm)
Les mesures à différents débits de données montrent que le taux d’extinction diminue régu-lièrement à cause de la limitation du produit RC de la région active (figure 5.33). La mesure du composant optimal, avec une largeur de guide capacitif de 400 nm, révèle un taux d’extinction de 6 dB à 3 Gb/s et avec une tension DC de 3 V en accumulation, pour une longueur active de seulement 700 µm par bras. Pour augmenter la vitesse du composant, on utilise la concep-tion embarquant le profil de dopage agressif (dessiné pour une largeur de guide de 320 nm). À 6 Gb/s, le taux d’extinction est de 4.25 dB pour une tension DC de 3 V . À 10 Gb/s, le taux d’ex-tinction n’est plus que de 2 dB. La consommation électrique est estimée à l’aide de l’expression
Edyn= CV2Lact/4 pour chaque bras de l’interféromètre, égale à 2◊124 fJ/bit pour une amplitude de 1.2 Vpp.
(a)
(b)
En raison des bonnes performances obtenues à bas débit en terme d’efficacité – plus de 6 dB de taux d’exticntion pour 1.2 Vpp sur chaque bras – un diagramme de l’œil en configuration PAM4 a été tenté à 1 Gbaud avec le même interféromètre (figure 5.34). Chaque bras reçoit un signal RF arbitrairement déphasé à partir du signal pseudo-aléatoire généré . En réalignant les fronts de montée des signaux digitaux et en imposant une extinction de 6 dB d’un bras à l’autre, l’interféromètre permet une modulation à quatre niveaux. Le taux d’extinction séparant chacun des quatre niveaux correspond au déphasage d’un seul bras, c’est-à-dire qu’il est la moitié du déphasage atteint en PUSH-PULL. Les premiers résultats obtenus sont très encourageants, principalement limités par la bande passante du composant à cause des résistances d’accès trop importantes. Une fois que ce problème sera résolu, les modulateurs capacitifs seront de bons candidats pour la modulation PAM4.
V - Conclusions du chapitre
Au cours de ce chapitre, j’ai présenté les mesures électro-optiques que j’ai pu réaliser sur mes dispositifs. J’ai d’abord montré les mesures électriques de capacité avec la tension appliquée sur la région active. J’ai montré que le régime d’accumulation consiste à accumuler des porteurs libres en excès aux interfaces de l’isolant en chargeant la capacité de l’oxyde. J’ai montré que l’épaisseur de l’isolant contrôle la capacité en régime d’accumulation, tandis que le niveau de dopage contrôle le régime de déplétion et la capacité équivalente associée, de la même façon que pour une jonction PN. Les modulateurs capacitifs ont intrinsèquement une capacité plus forte que les jonctions PN, de l’ordre de 0.8 pF/mm à 1 pF/mm, grâce au régime d’accumulation.
J’ai caractérisé les pertes de la région active COPA-H. L’intégration du poly-Si, dont l’absorp-tion est de l’ordre de 1 dB/mm, est un défi pour démontrer l’intérêt des modulateurs capacitifs. Malgré de fortes dispersions des mesures de pertes faites sur différentes puces et différents wafers, le bilan global des pertes n’est pas très éloigné des valeurs estimées en simulations. Ces pertes proviennent en priorité de l’absorption du poly-Si (0.5 dB/mm de pertes de propagation du mode dans le guide capacitif) et de l’absorption des porteurs libres (dopage, > 2 dB/mm, et charge d’ac-cumulation, ≥ 0.5 dB/mm). A ces pertes de propagation, il faut ajouter les pertes des transitions, soit 2 ◊ 0.6 dB. Conformément aux optimisations faites en fin de chapitre 3 à l’aide du modèle analytique, on peut considérer un modulateur capacitif performant pour une longueur de région active Lact ƒ 1.5 mm. Dans ces conditions, il faut attendre des pertes d’insertion de l’ordre de 6 dB pour le modulateur complet.
Le déphasage est l’atout principal des modulateurs capacitifs. Dans le but d’exploiter la région active pour la modulation à des débits de données à l’état de l’art, typiquement 40 Gb/s, il faut privilégier un isolant relativement épais. Un oxyde épais, 13 à 15 nm, possède une capacité équiva-lente limitée qui lui permet d’avoir un temps de charge correct pour les performances dynamiques. Le prix à payer est une pénalité en termes de déphasage par rapport à un oxyde fin, ayant pu mesurer un déphasage de 200¶/mmpour une tension de 3 Vpp et une épaisseur d’oxyde thermique de 4 nm. Le modulateur capacitif est optimal lorsqu’on choisit une épaisseur permettant un dé-phasage de 15¶/mmpour une tension appliquée de 0.9 Vpp. Il est notable que la tension employée est nettement inférieure aux tensions usuellement employées pour le pilotage des modulateurs à jonction PN, de l’ordre de 2 Vpp. Les modulateurs capacitifs sont de bons candidats pour la faible consommation électrique. Avec les dispositifs fabriqués au cours de ma thèse, de longueur de bras
Lact = 700 µm, une consommation d’environ 0.5 pJ/bit est démontrée.
La caractérisation dynamique apporte enfin une information cruciale pour la poursuite des développements. Le niveau de dopage choisi pour cette fabrication est relativement faible, < 5 ◊ 1017 cm≠3. Dans cette gamme de dopage, et jusqu’à 1018 cm≠3 au moins, le poly-Si est fortement résistif. La résistance d’accès est dix fois supérieure à la valeur que j’espérais en simulations. Pour atteindre les débits de données de l’état de l’art, un travail spécifique doit être mené sur le profil de dopage dans les zones d’accès électriques, en particulier côté poly-Si.
Conclusion
Ce travail de thèse se place dans le contexte de la photonique sur silicium pour les trans-missions optiques à courtes distances. Plus précisément, il s’agit d’une étude de développement d’un modulateur électro-optique en silicium utilisant l’accumulation de porteurs dans une capacité silicium cristallin - oxyde - poly-silicium pour obtenir une modulation de phase de l’onde guidée à travers la structure.
Cette structure présente différents avantages par rapport aux autres types de modulateurs, intégrant typiquement une jonction PN en régime de déplétion. En effet, grâce à l’emploi du régime d’accumulation dans les semiconducteurs, la capacité totale du composant est plus forte. Il en résulte une augmentation de la variation de densités de charges. Plus localisée et plus intense, la variation d’indice de réfraction qui en résulte bénéficie d’un bon recouvrement avec le mode optique. Le modulateur capacitif peut atteindre de forts déphasages sur une longueur de propagation plus courte que les composants concurrents.
Ce gain d’efficacité entraine cependant un défi à la fois technologique mais aussi au niveau de la conception, de la simulation et de l’optimisation des facteurs de mérite. Il s’agit de parvenir à la réalisation d’une région active intégrant un isolant d’une épaisseur typique de 10 nm au sein même du guide optique. La simulation des facteurs de mérite est également un défi pour parvenir aux meilleurs compromis entre efficacité, pertes optiques et rapidité des composants capacitifs.
Fabrication
J’ai proposé dans ce manuscrit deux procédés de fabrication sur un schéma damascène, c’est-à-dire que l’isolant est déposé ou oxydé au fond d’une cavité puis recouvert par un silicium poly-cristallin, lui-même planarisé. La réalisation d’une région active active COPA-V permet d’obtenir un guide à fente avec un oxyde vertical intégré dans un guide ruban. La région active COPA-H permet d’empiler un isolant horizontal sous le poly-silicium. La première génération de chacun de ces deux procédés a permis de développer les étapes spécifiques aux modulateurs capacitifs.
Les développements principaux qui ont été nécessaires pour la fabrication du modulateur sont :
— le choix d’une épaisseur et d’un type d’oxyde pour servir d’isolant, — le procédé de dépôt du silicium dans la cavité,
— la planarisation de ce silicium pour retrouver une surface de wafer plane au même niveau que les guides ruban passifs du circuit photonique,
— les implantations de la région active pour optimiser la résistance d’accès du modulateur capacitif
Mon choix d’intégration a été d’utiliser les étapes pré-existantes de la plateforme technologique, pour les fonctions passives du circuit et pour le récepteur. Les étapes de fabrication déjà développées sur la plateforme photonique servent aussi à la définition du SOI impliqué dans le guide capacitif, ainsi que les implantations – détournées pour le modulateur capacitif – et les métallisations. L’atout majeur de cette intégration est la transparence des étapes spécifiques au modulateur capacitif vis à vis des autres composants classiques d’un transmetteur photonique, la photodiode en germanium en particulier. Dans cette perspective, aucun développement supplémentaire ne sera nécessaire pour réaliser le premier transmetteur complet impliquant un modulateur capacitif et une photodiode en germanium.
Modélisation
L’intégration des modulateurs capacitifs s’est accompagnée de simulations TCAD. Elles per-mettent de décrire la morphologie du composant à partir de la simulation du procédé de fabrication. La TCAD permet surtout de simuler les énergies et doses d’implantation. Avec le profil de dopage, il est possible de réaliser une simulation électrique pour calculer les densités de porteurs libres en fonction de la tension appliquée entre les semiconducteurs isolés par l’oxyde d’interface. J’ai utilisé le logiciel Synopsys et j’ai développé son couplage avec l’outil Lumerical MODE. Le script implémente les équations de Soref pour convertir les densités de porteurs libres – les électrons accumulés dans le poly-Si et les trous accumulés dans le SOI – en indices de réfraction. Lumerical MODE calcule ensuite l’indice effectif en fonction de la tension appliquée. J’ai pu alors calculer les performances électro-optiques statiques des régions actives capacitives, et leur fréquence de coupure, le produit RC. Les simulations à éléments finis permettent d’optimiser le guide capacitif pour trouver les meilleurs compromis. En particulier, les simulations montrent que la résistance d’accès est un défi pour les performances dynamiques des modulateurs capacitifs. Pour compenser une capacité forte, 1.2 pF/mm, soit le triple d’une capacité de jonction PN latérale réalisée sur la même plateforme technologique, il faut veiller à doper fortement les zones d’accès électriques, au détriment des pertes de propagation. Dans le cas du modulateur capacitif COPA-H, il est égale-ment nécessaire d’augégale-menter au maximum l’épaisseur des zones d’accès à 100 nm de chaque côté du guide capacitif.
Les résultats de simulations ont permis de calibrer un modèle analytique des modulateurs à électro-réfraction. J’ai implémenté les expressions analytiques permettant de décrire le compor-tement électrique de la région active à une dimension d’une part, et de calculer le facteur de recouvrement pour en déduire le déphasage et les pertes de propagation d’autre part. Ce modèle résout le régime de déplétion des modulateurs capacitifs et des modulateurs à jonction PN, il résout aussi le régime d’accumulation pour des tensions supérieures à la tension de bandes plates des mo-dulateurs capacitifs. Avec ce modèle, il est possible de comparer les deux versions de momo-dulateurs capacitifs à l’étude et de confronter leurs performances à ceux d’une jonction PN de référence.
J’ai ainsi pu montrer que le régime d’accumulation, propre aux modulateurs capacitifs, per-met de surpasser les variations de densités de charges atteintes par les jonctions PN et par le régime de déplétion en général. Grâce à un déphasage quasi-linéaire avec la tension appliquée, le régime d’accumulation apporte un gain d’efficacité qui permet de réduire la longueur de la région active du modulateur capacitif et l’amplitude de tension nécessaire à la modulation. Dans le cadre de ma thèse, l’accent est porté sur la diminution de la consommation électrique du transmetteur. En diminuant la tension, de l’ordre de 2 Vpp pour une jonction PN, à 0.9 Vpp, le modulateur capa-citif atteint des performances électro-optiques optimales. En effet, si la consommation électrique augmente lorsque l’amplitude de tension augmente, les pertes d’insertion apportées par la charge d’accumulation augmentent elles-aussi avec la tension appliquée. Il en résulte que l’amplitude de modulation du modulateur capacitif COPA-H est optimale, ≠4.5 dBm, pour une longueur infé-rieure à 2 mm et une consommation électrique de la région active de 1 pJ/bit. Les modulateurs capacitifs apportent une rupture par rapport à la jonction PN car leurs pertes de propagation plus élevées sont compensées par une efficacité plus élevée.
En termes de comparaison, le modulateur capacitif COPA-H est plus intéressant que la version COPA-V où l’isolant est vertical. En travaillant en polarisation TE, le modulateur COPA-V se comporte comme un guide à fente. Le fort confinement du mode optique à l’intérieur de l’isolant dégrade fortement le facteur de recouvrement optique et explique les performances électro-optiques restreintes du modulateur COPA-V par rapport à COPA-H.
Caractérisation
La caractérisation de la première génération de modulateurs capacitifs COPA-H confirme ce qui a été décrit en simulations.
La dépendance du déphasage en épaisseur d’isolant a été clairement démontrée expérimen-talement. Sur une gamme de 4 à 15 nm d’épaisseur, j’ai montré que le régime d’accumulation est d’autant plus efficace que l’isolant est fin grâce à une augmentation de la capacité de l’isolant. De même, j’ai montré que le régime de déplétion est faiblement efficace et indépendant de l’épaisseur de l’isolant. En mettant la priorité sur la consommation électrique, l’amplitude de tension
appli-V - Conclusions du chapitre
quée à la région active est fixée à une faible valeur de 0.9 Vpp en régime d’accumulation – entre
VF B = 0.9 V et 1.8 V . J’ai alors mesuré des déphasages allant de 10 à 60 ¶/mm. Dans le but d’augmenter la bande passante de la région active, on montre qu’une épaisseur d’isolant supérieure à 10 nm est nécessaire. Toutefois, au-delà de 15 nm d’épaisseur, les modulateurs capacitifs ne sont plus intéressants. En effet, la capacité totale de la région active est supérieure à la capacité d’une jonction PN définie avec les mêmes profils de dopage tandis que le déphasage à même amplitude (0.9 Vpp) est du même ordre de grandeur (10¶/mm).
Les guides capacitifs dopés ont été mesurés avec des pertes de propagation de 2.6 dB/mm. Cette valeur est proche de la simulation, de l’ordre de 2dB/mm selon le niveau de dopage. Le poly-silicium employé apporte un terme d’absorption de l’ordre de 1 dB/mm, ce qui correspond à une contribution de l’ordre 0.5 ≠ 0.6 dB/mm sur la mesure globale.
Les mesures dynamiques conduites au cours de ma thèse sont préliminaires. J’ai utilisé une structure avec un oxyde le plus épais, 15 nm, et un profil de dopage agressif, dans le but de mesurer le produit RC le plus faible de la génération de composants fabriqués. Une première mesure de coefficient de transmission permet de mesurer une bande passante de l’ordre de 4 GHz. Pour expliquer l’écart important avec les simulations de la région active, il fallait accéder à la résistance d’accès de la région active. Ceci est possible grâce à la mesure des paramètres S du composant. L’analyse a révélé que la résistance d’accès est très élevée et très dispersée d’un composant à l’autre. Un facteur 10 par rapport à la simulation TCAD sur la résistance d’accès du poly-silicium explique la limitation dynamique de cette première génération. Pour diminuer significativement la résistance du poly-silicium, la solution consistera dans les futures fabrications à augmenter fortement le niveau de dopage dans les zones d’accès électriques car, à fortes doses (> 1018 cm≠3), la résistance du poly-Si est proche la résistance d’un silicium cristallin de même dopage.
Perspectives
En démontrant des performances statiques avec un produit VfiLfi = 5.5 V.mm et une ampli-tude de tension de 0.9 Vpp, il est possible de diminuer drastiquement la consommation électrique du modulateur optique en-dessous de 1 pJ/bit. Cet effort de diminution de l’amplitude de ten-sion permettra dans le même temps de simplifier l’électronique de commande du modulateur. En particulier, il est possible de retirer les amplificateurs RF qui génèrent un part importante de la consommation électrique du transmetteur, après la source laser.
En perspectives, je veux proposer deux axes majeurs de développements des modulateurs capacitifs.
Vers un modulateur plus rapide
Dans la suite directe de ce travail de thèse, le premier objectif à court terme consiste à améliorer la vitesse de fonctionnement du modulateur. Pour cela, il faut travailler sur le profil de dopage, augmenter les doses d’implantation dans les zones d’accès, rapprocher les zones de fort dopage au plus proche du centre du guide (100 nm de l’arête du guide) et réduire au minimum la distance contact à contact (1 µm).
Vers un modulateur plus efficace
Une seconde perspective consiste à développer fortement l’avantage principal des modula-teurs capacitifs : l’efficacité. En favorisant sans compromis l’efficacité des modulamodula-teurs, grâce à des épaisseurs d’isolant inférieures à 10 nm, les modulateurs capacitifs peuvent être employés pour des formats de modulation à plusieurs niveaux (PAM ou PSK) nécessitant de forts taux d’extinction. Pour ce faire, je propose deux axes de développements : continuer les développements de modu-lateurs capacitifs en silicium avec la seconde génération de composants COPA-V, ou préférer des intégrations hybrides exploitant des matériaux plus efficaces.
Seconde génération de modulateurs capacitifs à oxyde vertical
En premier lieu, le procédé de fabrication COPA-V est conçu pour intégrer des structures sub-longueur d’onde et des motifs pouvant atteindre une taille de 250 nm.
(a)
Figure 5.35 – Seconde génération de composants COPA-V : (a) simulation du procédé de fabri-cation COPA-V impliquant une structure sub-longueur d’onde, (b) illustration de l’emploi d’un cristal photonique autour de la région active COPA-V
En utilisant une structure périodique (figure 5.35a), il est possible d’améliorer le facteur de recouvrement électro-optique et donc de réduire la longueur de propagation dans la région active. Néanmoins, cette solution doit être étudiée avec précision car la capacité par unité de longueur augmente nettement, obligeant à utiliser un isolant plus épais (15 nm).
En utilisant un cristal photonique (figure 5.35b), il est possible d’améliorer l’interaction électro-optique. Il s’agit d’utiliser un défaut de la maille du cristal photonique pour confiner le signal optique et autoriser une propagation à l’intérieur de la bande interdite du cristal. Ceci favo-rise l’augmentation de l’indice de groupe, qui se traduit par un effet ondes lentes. En positionnant la région active capacitive à l’intérieur de ce défaut, on peut espérer diminuer drastiquement la longueur de propagation à travers la région active.
Intégrations hybrides combinant effet plasma et effet Pockels
Dans cette perspective, l’efficacité des modulateurs capacitifs peut être prolongée par l’inté-gration de matériaux moins communs dans les procédés de microélectronique. J’ai déjà proposé une épitaxie SiGe avant le dépôt de l’isolant pour exploiter l’apport du germanium dans la couche contrainte en termes d’efficacité. Il est possible de poursuivre ce travail afin de trouver un meilleur compromis entre électro-absorption et électro-réfraction dans la couche mince.
Par ailleurs, un modulateur hybride en composés III-V sur SOI avec une interface isolante