Modulateur ` a jonction capacitive (accumulation de porteurs)

Le premier modulateur d´epassant la barre symbolique du GHz est un modulateur capacitif. Il fˆut pr´esent´e par Intel en 2004 [16]. Le modulateur a une structure similaire `a un transistor MOS (voir Figure 2.16). La principale caract´eristique de ce type de structure est l’utilisation du poly-silicium au-dessus de la grille d’oxyde qui entraˆıne des pertes optiques suppl´ementaires importantes. Une solution pour r´eduire ces pertes est d’utiliser d’autres techniques d’´epitaxie afin d’obtenir du silicium cristallin. Cela a permis `a un modulateur MZI de 13 mm de long d’atteindre 10 Gbps avec un taux d’extinction dynamique de 3.8 dB et 10 dB de pertes d’insertion [124].

L’apparition de modulateur `a jonction PN a progressivement ´eclips´e les modulateurs capacitifs pendant pr`es de 5 ans, car ils ´etaient plus simple `a r´ealiser. L’int´erˆet pour les modulateurs capacitifs repris suite `a la pr´esentation en 2009 d’un modulateur MZI capacitif efficace (un produit V_πL_π de 0.2 V.cm) et compact (Ldispo = 0.8 mm) par la start-up Lightwire. Par la suite, elle fˆut rachet´ee par l’entreprise CISCO en 2012 `a 271 millions de dollars et continua d’am´eliorer les performances du composant [125].

En parall`ele, des ´etudes th´eoriques sur la r´egion active capacitive ont ´et´e men´ees [126], et une ´

equipe de l’IMEC a propos´e un d´emonstrateur avec une structure capacitive dans un anneau [127]. De mˆeme, une ´equipe de PETRA a pr´esent´e un modulateur similaire `a celui d’Intel [128], et continue de travailler activement pour am´eliorer la qualit´e de fabrication du poly-silicium [129].

Un r´esum´e des diff´erentes performances des modulateurs capacitifs est donn´ee dans le Tableau (2.1). Les efficacit´es de ces modulateurs sont typiquement une d´ecade au-dessus de la plupart des modulateurs `a jonction PN, avec des longueurs de r´egion actives r´eduites (pour CISCO et PETRA). En revanche, tous ces modulateurs utilisent du polysilicium.

a) b)

c) d)

Figure 2.16 – Architectures utilis´ees pour r´ealiser un modulateur capacitif. D´emonstrateur r´ealis´e par a) INTEL [16], b) CISCO [125], c) l’IMEC [127], d) PETRA [129].

Des recherches sont toujours en cours sur les modulateurs capacitifs, que ce soit pour utiliser d’autres d’oxydes [130], int´egrer la r´egion active dans un micro-disque [131], ou d’explorer des archi-tectures innovantes [132].

´

Equipe INTEL [16] PETRA [129] IMEC [127] CISCO [125]

D´ephaseur MZI de 13 mm MZI de 200 µm anneau de 5 µm MZI de 400 µm

Produit VπLπ 3.3 V.cm 0.3 V.cm 0.24 V.cm 0.2 V.cm

ER 3.8 dB `a 10 Gbps 3.6 dB `a 15 Gbps 8 dB `a 3 Gbps > 8 dB `a 25 Gbps

Tension 1.4V_pp 1.5V_pp 1.5V_pp 1.2V_pp

eox [nm] 10.5 5 5

-Consommation ≈ 400 pJ/bit - 180 fJ/bit < 3 pJ/bit

Tableau 2.1 – ´Etat de l’art des modulateurs capacitifs.

Conclusion

En r´esum´e, la modulation ´electro-optique est le m´ecanisme qui manipule la phase ou l’amplitude de l’onde optique pour convertir une information ´electrique en une information optique. Dans le cas o`u une modulation par ´electro-r´efraction est utilis´ee, c’est une modulation de phase qui est obtenue. Pour la convertir en modulation d’intensit´e, plus facile `a d´etecter, il est alors n´ecessaire d’impl´ementer la r´egion active qui produit la modulation de phase dans une structure interf´erom´etrique.

Pour caract´eriser les performances de chaque modulateur, plusieurs facteurs de m´erite sont utilis´es soit au niveau de la r´egion active, soit au niveau du composant. Les diff´erentes correspondances de ces facteurs de m´erite sont r´esum´ees dans le Tableau (2.2).

Il existe plusieurs m´ecanismes physiques pour r´ealiser une modulation ´electro-optique, et ils sont caract´eris´es par l’amplitude et la rapidit´e du ph´enom`ene. L’effet thermo-optique est un m´ecanisme de forte amplitude, mais qui est intrins`equement lent. Il n’est pas utilis´e pour la modulation, mais doit ˆetre pris en compte lors des caract´erisations. L’effet Franz-Keldysh ou l’effet Pockels peuvent

Performance associ´ee FOM R´egion active FOM Composant Efficacit´e D´ephasage ∆φ [^◦/mm] Taux d’extinction ER [dB]

Produit V_πL_π [V.cm] Ratio ∆α_{on−of f}/α_on

Att´enuation signal Pertes optiques [dB/mm] Pertes d’insertion (IL) [dB] Vitesse de Bande passante Bande passante optique f_opt, transmission ´electrique f_elec Bande passante RF f_RF et

Bande passante ´el´ectro-optique f_EO [GHz] Consommation E_dyn [mW/Gb/s]

Autres Amplitude de modulation

optique (OMA) [dBm]

Tableau 2.2 – Liste des diff´erentes facteurs de m´erites permettant de caract´eriser un modulateur ´

electro-optique. Les grandeurs adimensionnelles sont exprim´ees en dB.

ˆ

etre utilis´es `a partir d’alliage de type SiGe ou mat´eriaux III-V. Ces effets sont applicables au silicium seulement lorsque celui-ci est contraint.

Pour r´ealiser un modulateur en silicium, c’est l’effet li´e `a une variation de charges qui est utilis´e, car c’est un m´ecanisme efficace qui permet d’atteindre des bandes passantes de plusieurs dizaines de GHz. Les niveaux de dopage utilis´es pour produire cette variation de charges se situe entre 10¹⁷cm⁻³ et 5 × 10¹⁸ cm⁻³. L’utilisation d’une structure dop´ee implique d’augmenter les pertes optiques de la r´egion active, et un compromis entre l’efficacit´e et les pertes du modulateur est un point important qu’il faut quantifier.

La structure privil´egi´ee pour r´ealiser cette variation est une jonction PN, qui peut ˆetre impl´ e-ment´ee dans un anneau ou un Mach-Zehnder. Le choix de l’architecture d´epend directement de l’application vis´ee. En moins de 10 ans, plusieurs approches de modulateurs furent test´ees et beaucoup de progr`es ont ´et´e faits pour atteindre des d´ebits de plus en plus importants, avec des efficacit´es de plus en plus ´elev´ees. L’approche d’utiliser une structure capacitive a permis notamment d’obtenir des efficacit´es une d´ecade sup´erieure aux modulateurs `a jonction PN et permet de r´eduire la taille du composant et la tension de fonctionnement. L’approche d’utiliser une jonction PN reste n´eanmoins pour le moment l’approche la plus utilis´ee.

Chapitre 3

Optimisation et caract´erisation de

modulateurs `a jonction PN

Sommaire

3.1 Mod´elisation des performances d’un modulateur . . . . 44