i - Les modulateurs capacitifs en silicium
Figure 1.31 – Première réalisation de modulateur capacitif [119]
La première réalisation de modulateur capacitif a été proposée par Intel en 2004 (figure 1.31). Il s’agissait du premier modulateur en photonique sur silicium à atteindre 1 GHz. Les recherches se sont ensuite orientées vers les modulateurs à jonction PN, permettant plus facilement d’augmenter la vitesse du composant. L’efficacité de modulation statique atteignait déjà 1 V.cm avec la solution d’Intel, une valeur forte en comparaison des jonctions PN. La solution proposée par Lightwire en 2014 [120] attire l’attention de la communauté car il s’agit d’une seconde performance dans l’histoire des modulateurs capacitifs en termes d’efficacité dynamique à 25 puis 40 Gb/s. Dès lors, les développements de divers groupes ont permis d’améliorer les performances dynamiques des modulateurs capacitifs pour la bande C, utilisés pour la modulation d’intensité [121], pour la région active d’un anneau résonant [122, 123], ou dans un MZ [124, 120, 125, 126, 127] (figure 1.32).
Figure 1.32 – État de l’art des modulateurs capacitifs : (a) anneau résonant, IMEC (2012) [122], (b) interféromètre linéaire, PETRA (2013) [124], (c) interféromètre linéaire, Cisco Lightwire (2014) [120, 126], (d) micro-disque, Georgia Institute of Technology (2015) [123]
Les modulateurs capacitifs apportent effectivement des efficacités statiques importantes, de l’ordre de 2 V.mm selon l’épaisseur de l’isolant employé. Les démonstrations récentes prouvent que la tension dynamique est réduite, de 7.7 Vppà 1.5 Vpp [122], puis 1 Vpp [120] (figure 1.32). Le taux d’extinction dynamique avoisine 8 dB et les pertes d’insertion sont de l’ordre de 7 dB/mm. Ce chiffre est notablement élevé par comparaison aux modulateurs à déplétion de porteurs, compensé par une forte efficacité qui permet de réduire la longueur active, à 400 µm [120]. L’origine de ces pertes est multiple. La principale contribution provient du matériau poly-Si intégré dans toutes les solutions proposées ci-dessus, déposé sur l’oxyde de silicium qui forme l’isolant de la région active. Ces pertes sont supérieures à 1 dB/mm. Ensuite, le niveau de dopage est élevé, de l’ordre de 1018cm≠3dans le guide, pour permettre une faible résistance d’accès, d’où une électro-absorption importante par rapport aux modulateurs à déplétion. Enfin, la présence de l’isolant au centre du
guide et des multiples interfaces Si/SiO2génère des pertes additionnelles de guidage et de couplage dans la zone active depuis les guides optiques passifs.
(a)
(b)
Figure 1.33 – Démonstrateur pour le 25 Gb/s PAM4 et 16-QAM [126] (a) Modulateur intégré, (b) Diagramme de l’oeil à 25 Gb/s
La conception de Cisco se détache nettement par de très bonnes performances dynamiques (figure 1.33). Le modulateur capacitif est testé avec l’électronique de pilotage dédiée, fonctionnant à 1 Vpp. Le démonstrateur fonctionne jusqu’à 40 Gb/s OOK, à 25 Gbaud PAM4 et 16-QAM. Par-dessus tout, le démonstrateur consomme 1 W seulement. L’économie provient de la faible tension appliquée sur les régions actives. En effet, l’emploi de convertisseurs digital-analogique permettant d’amplifier le signal RF – et consommant généralement 2 W chacun – n’est pas nécessaire.
ii - Les modulateurs capacitifs hybrides
Les composés III-V sont d’excellents matériaux électro-optiques, ils sont utilisés pour toutes les sources laser et sont par conséquent encore inévitables dans tout produit photonique [13]. La solution actuelle pour les produits en photonique sur silicium est d’utiliser un laser externe mise en boitier avec le circuit photonique sur silicium. Cette solution offre un avantage économique, elle permet d’assembler uniquement des puces fonctionnelles et évitent de gaspiller une source laser collée sur une puce photonique défectueuse [29].
Pour autant, à défaut de disposer d’une source laser avec les matériaux communs de la microélectronique [128], d’intenses recherches tendent à rapprocher le matériau III-V au plus proche de la couche photonique [23]. L’épitaxie de III-V est en cours de développement. Une solution prometteuse est un collage moléculaire du substrat ou des puits quantiques achevés sur le SOI partiellement fonctionnalisé [129, 130, 59, 131, 132].
Figure 1.34 – Modulateur hybride proposé par NTT : (a) structure interférométrique, (b) région active, (c) simulations, (d) diagramme de l’oeil à 32 Gb/s
Les modulateurs capacitifs sont dignes d’intérêt dans ce domaine, car le matériau utilisé pour le collage est un isolant, par exemple de l’oxyde de silicium ou de l’alumine, pouvant servir de région active hybride III-V/ oxyde/ Si. Utiliser cette interface pour le modulateur est un véritable défi, car le collage doit être parfait, sous peine de détruire le modulateur [133, 134, 135, 136, 137]. Un modulateur fonctionnant sur ce principe a été réalisé (figure 1.34). Un fonctionnement à 32 Gb/s est obtenu avec un taux d’extinction de 3.1 dB utilisant une région active de 250 µm dans un MZ
IV - Objectifs et plan du manuscrit
symétrique. Une amélioration importante du coefficient de conversion électro-optique des électrons accumulés côté III-V permet d’abaisser le VfiLfi théorique à 0.9 V.mm pour un oxyde de 10 nm d’épaisseur à l’interface III-V/ Si [138]. Des performances similaires ont pu être prédites en rem-plaçant l’oxyde par de l’alumine, oxyde à forte constante diélectrique, permettant de déposer une couche plus épaisse d’isolant à l’interface de collage [135].
En résumé, j’ai exploré le marché de la datacom et la course au débit de données. J’ai montré que la photonique sur silicium apporte une réponse mature et industrielle aux volumes de pro-duction disponibles sur le marché de la datacom dans les centres de données. Le défi à remplir dans les prochaines années est la consommation électrique du lien optique. J’ai exposé l’état de l’art du modulateur intégré sur SOI, des différents systèmes et phénomènes exploitables pour la modulation haut débit (25 à 50 Gb/s). Les modulateurs à jonction sont à présent des standards de la modulation en photonique sur silicium, embarqués dans un interféromètre linéaire large bande, ou comme région active des anneaux résonants, pratiques pour répondre au marché WDM. En-suite, j’ai présenté l’état de l’art des modulateurs capacitifs et montré l’intérêt des plateformes hybrides pour le régime d’accumulation à l’interface de collage. Je vais terminer cette introduction en présentant les objectifs de mon travail de thèse et le plan de ce manuscrit.
IV - Objectifs et plan du manuscrit
Dans ce contexte les objectifs de mon travail de thèse ont été :
— Développer les premiers modulateurs capacitifs intégrés dans la plateforme technologique photonique sur wafers 300 mm de STMicroelectronics
— Proposer une méthode d’intégration transparente pour les autres composants développés sur la plateforme
— Concevoir les modulateurs capacitifs et évaluer leurs performances en fonction de la méthode d’intégration retenues, tout en les comparant aux performances des modulateurs matures à jonction PN
— Suivre la fabrication des composants
— Caractériser électriquement et optiquement les modulateurs capacitifs
— Conduire une étude parallèle sur un point clé de l’intégration : la fabrication du poly-Si Le plan de mon manuscrit est le suivant.
Dans le chapitre 2, je vais présenter les deux intégrations de modulateurs capacitifs que je propose, ainsi que les simulations à éléments finis des régions actives. Les simulations incluent une simulation des étapes de fabrication, pour l’optimisation morphologique du guide d’onde capacitif, une simulation électrique et une simulation modale.
Le chapitre 3 est dédié au modèle analytique que j’ai développé. Ce modèle est calibré sur les simulations, il prolonge l’analyse des performances des deux configurations de modulateur capacitif. Une analyse comparative des modulateurs capacitifs et d’un modulateur de référence à jonction PN est proposée. Mon travail a ceci de nouveau que le confinement optique du mode est amélioré pour une version du modulateur en particulier, dans le but de réduire la largeur du guide et donc de la capacité. Ceci permet d’améliorer la bande passante tout en préservant les performances d’efficacité des modulateurs capacitifs.
Les composants conçus ont ensuite été fabriqués dans la plateforme STMicroelectronics. L’en-semble des étapes de fabrication sont détaillées succinctement, et avec plus de détails sur les étapes spécifiques au modulateur capacitif dans le chapitre 4.
Finalement les résultats de caractérisations sont reportés dans le dernier chapitre. Nous mon-trons notamment que seule la configuration horizontale a pu être testée avec succès. En effet les modulateurs en configuration verticale ne fonctionnent pas électriquement, de même qu’une trans-mission optique et un déphasage très faibles ont été mesurés pour cette première génération de composants. Concernant les modulateurs en configuration horizontale, les premiers résultats sont très prometteurs. Une étude statique est reportée, donnant les règles de conception pour les fu-tures générations de composants. Pour une épaisseur d’isolant de l’ordre de 10 nm, un VfiLfi de 5.5 V.mm sur une longueur de région active de 700 µm et des pertes inférieures à 3 dB/mm sont mesurés. La caractérisation dynamique a pu être effectuée jusqu’à 10 Gb/s. Au-delà de ce débit, le
fonctionnement est limité par la bande passante réduite du composant, qui a été expliquée par une forte résistivité dans le poly-Si. Une modulation de type PAM4 a tout de même pu être réalisée avec ce composant.
Ce manuscrit se termine par une conclusion et une présentation des perspectives ouvertes par ce travail, notamment à court terme sur les solutions mises en place pour augmenter la bande passante des modulateurs capacitifs développés.
Chapitre 2
Simulations TCAD
électro-optiques des modulateurs
capacitifs
L’objectif de ce chapitre est de présenter les simulations à éléments finis réalisées pour étu-dier le modulateur capacitif. D’abord je présente brièvement les deux composants à l’étude et le schéma d’intégration dans la plateforme photonique de STMicroelectronics. Ensuite, je présente la méthode de simulation et le couplage entre les solveurs employés pour la simulation électro-optique. Les résultats de simulation permettent l’optimisation morphologique des guides capacitifs et des performances électro-optiques des modulateurs capacitifs. Les résultats de simulations sont enfin présentés en fonction des paramètres clés du composant : le niveau de dopage et l’épaisseur de l’isolant. Dans la continuité de ces simulations, un modèle analytique est mis en place et calibré sur ces résultats. Il prolonge la compréhension des modulateurs en termes de performances systèmes. Ce sera l’objet du chapitre suivant.
J’ai tenu à utiliser des simulations électriques issues d’un logiciel très fiable pour les simu-lations et la résolution des équations de semiconducteurs. Sentaurus Technology Computer-Aided Design – conception assistée par ordinateur dédiée aux technologies semiconducteurs – (TCAD) (version J-2014.09), une suite Synopsys, Inc., est capable de simuler la fabrication étape par étape d’un composant puis d’utiliser la géométrie pour une simulation électrique du composant. Il m’a fallu ensuite extraire les résultats, c’est à dire les densités de porteurs libres nécessaires pour la simulation optique faite avec Lumerical MODE (version 7.9.1102).
Sentaurus possède deux avantages majeurs. En premier lieu, la simulation du procédé de fabrication permet une description réaliste des interfaces entre matériaux : pentes de gravures, angles arrondis, etc., cruciaux car le guide d’onde du modulateur capacitif possède de nombreuses interfaces. En second lieu, cette même simulation est capable de simuler le profil de dopage à partir des énergies et doses d’implantation, par tirage Monte Carlo ou par représentation analytique. Comme nous allons le montrer, l’analyse de la bande passante du composant nécessite un profil de dopage détaillé, que seul une simulation TCAD peut fournir.
D’un point de vue convergence du solveur enfin, Sentaurus adapte seul le maillage pour améliorer la convergence du solveur électrique, comme je vais le décrire dans la suite. Sentaurus est le seul solveur pour lequel je peux sans peine définir un maillage aussi fin que nécessaire, tandis que Lumerical Device pose problème pour les mailles sub-nanométriques.
I - Intégration des modulateurs capacitifs sur la plateforme
photonique
Avant de décrire les simulations, je présente succintement le procédé de fabrication des deux versions de modulateur capacitif. Je détaille aussi les innovations spécifiques à chacune des deux intégrations.