Performances ´ electro-optiques

R´esultats de l’´etude param´etrique

La Figure (4.11) donne un exemple de r´esultat de simulations ´electro-optique, o`u les param`etres sont fix´es au milieu de leur plage de variation (W_guide = 500 nm, N_dop = 5 × 10¹⁷ cm⁻³, et eox = 10 nm). Le produit VπLπ se situe autour de 0.4 V.cm, et est relativement constant pour des tensions sup´erieures `a 2 V (l’accumulation est atteinte, et la capacit´e est compl`etement charg´ee). En incluant les pertes du polysilicium (4 dB/mm), les pertes de rugosit´e (0.5 dB/mm) et les pertes de dopage, les pertes optiques sont inf´erieures `a 4.5 dB/mm et la bande passante ´electrique felec exc`ede 10 GHz (en supposant que la r´esistivit´e du poly-silicium est identique `a celle du silicium).

Pour une ´epaisseur d’oxyde donn´ee e_ox, la variation du dopage N_dop illustre le compromis `a faire entre l’efficacit´e et les pertes optiques ramen´ees `a une longueur de dispositif n´ecessaire pour r´ealiser un d´ephasage de π/2 (voir Figure 4.12). Plus le dopage augmente et plus l’efficacit´e et les pertes optiques augmentent.

Avec un niveau de dopage de 10¹⁸ cm⁻³ pour les deux couches semi-conductrices, et une ´epaisseur d’oxyde de 5 nm, un d´ephasage de π/2 est obtenu pour une longueur L_π/2= 625 µm, avec une efficacit´e de 0.25 V.cm, et une p´enalit´e de 3.75 dB en terme de pertes optiques normalis´ees. Cependant dans cette

Figure 4.11 – Produit VπLπ et pertes optiques α_{ef f} de la structure SISCAP pour une ´epaisseur d’oxyde e_ox = 10 nm, une largeur de guide W_guide= 500 nm, et un dopage N_dop= 5 × 10¹⁷ cm⁻³.

Figure 4.12 – ´Evolution du produit V_πL_π et des pertes optiques en fonction du dopage, pour e_ox= 5 nm `a 2 V.

configuration, la bande passante optique peut difficilement d´epasser les 5.6 GHz, avec une capacitance de 2.15 pF et une r´esistance d’acc`es d’environ 13.3 Ω.

Plusieurs approches peuvent ˆetre mises en oeuvre pour am´eliorer la bande passante :

1. Rapprocher les r´egions fortement dop´ees `a 0.4 µm du guide optique sans rajouter de pertes optiques, pour diminuer la r´esistance d’acc`es et atteindre 7.8 GHz de bande passante.

2. Augmenter le niveau de dopage `a 3 × 10<sup>18</sup> cm<sup>−3</sup> pour obtenir une faible r´esistance d’acc`es et atteindre 10 GHz, mais au prix de pertes optiques doubl´ees `a 7 dB.

3. Augmenter l’´epaisseur d’oxyde, mais cela va grandement impacter les autres figures de m´erites comme le montre le Tableau (4.4). Au-del`a d’une ´epaisseur d’oxyde de 10 nm, les pertes optiques deviennent beaucoup plus importantes, car la longueur du dispositif pour obtenir un d´ephasage de π/2 devient trop grande en raison d’une plus faible efficacit´e.

e_ox V_πL_π(2V ) α_{ef f}(0 V) α_{ef f}(0V ) × L_π/2(2V ) f_elec (nm) (V.cm) (dB/mm) (dB) (GHz) 5 0.25 6 3.75 5.6 10 0.4 5.4 5.4 11.2 15 0.52 5.1 6.6 16.8 20 0.69 4.9 8.5 22.4

Tableau 4.4 – Valeurs du produit V_πL_π, des pertes optiques pour un d´ephasage de π/2, et de la bande passante ´electrique pour un dopage de 1018 cm⁻³.

En combinant toutes ces consid´erations, une bande passante ´electrique de 25 GHz peut ˆetre obtenue pour une ´epaisseur d’oxyde de 15 nm, un dopage de 5 × 10¹⁷ cm⁻³, une largeur de guide de 400 nm, et des contacts plac´es `a 0.4 µm du guide. L’efficacit´e du modulateur est alors de 0.6 V.cm `a 2 V, et les pertes optiques normalis´ees sont de 6.6 dB. Un raisonnement analogue peut ˆetre fait pour optimiser les pertes optiques et l’efficacit´e, et sont r´esum´ees Figure (4.13). Une efficacit´e de 0.2 V.cm peut ˆetre obtenue avec un fort dopage, mais au prix d’une bande passante relativement faible.

P = 𝟓. 𝟏𝟎^𝟏𝟕𝒄𝒎−𝟑 N = 𝟓. 𝟏𝟎^𝟏𝟕𝒄𝒎−𝟑 W = 400 nm 𝒕_𝒐𝒙= 15 nm

Bande passante

P = 𝟐. 𝟒. 𝟏𝟎^𝟏𝟕𝒄𝒎−𝟑 N = 𝟐. 𝟒. 𝟏𝟎^𝟏𝟕𝒄𝒎−𝟑 W = 500 nm 𝒕_𝒐𝒙= 5 nm P = 𝟐. 𝟓. 𝟏𝟎^𝟏𝟖𝒄𝒎−𝟑 N = 𝟏. 𝟏𝟎^𝟏𝟖𝒄𝒎−𝟑 W = 600 nm 𝒕_𝒐𝒙= 4 nm α_𝑒𝑓𝑓 0 𝑉 8.6 dB/mm α_𝑒𝑓𝑓(0V) x 𝐿_π/2(2V) 4.3 dB 𝑓_{𝑒𝑙𝑒𝑐} 6 GHz 𝑉_π𝐿_π(2 V) 0.2 V.cm

Pertes optiques

Efficacité

α_𝑒𝑓𝑓 0 𝑉 4.4 dB/mm α_𝑒𝑓𝑓(0V) x 𝐿_π/2(2V) 6.6 dB 𝑓_{𝑒𝑙𝑒𝑐} 25 GHz 𝑉_π𝐿_π(2 V) 0.6 V.cm α_𝑒𝑓𝑓 0 𝑉 3.8 dB/mm α_𝑒𝑓𝑓(0V) x 𝐿_π/2(2V) 2.5 dB 𝑓_{𝑒𝑙𝑒𝑐} 3.7 GHz 𝑉_π𝐿_π(2 V) 0.26 V.cm

Figure 4.13 – Synth`ese des diff´erents param`etres obtenus apr`es une ´etude param´etrique pour l’opti-misation des performances ´electrooptique de la structure SISCAP

Comparaison avec les performances exp´erimentales

Une comparaison des r´esultats th´eoriques avec les r´esultats exp´erimentaux a ´et´e possible suite `

a la publication par CISCO en 2014 d’informations sur la g´eom´etrie de la r´egion active, et sur le comportement ´electro-optique de la r´egion active [125] (voir Figure 4.14).

Il est notamment mentionn´e que le guide fait environ 500 nm de large, avec des ´epaisseurs de 120 nm pour le silicium et 125 nm pour le poly-silicium. La courbe C(V) indique Cmax≈ 9 fF/µm2, ce qui correspond `a une ´epaisseur d’oxyde d’environ 3.8 nm. Annonc´e avec une efficacit´e de modulation de ∆φ = 150 deg/mm `a 2 V, cela correspond `a un produit V_πL_π de 0.25 V.cm. Les pertes optiques

sont estim´ees `a 6.5 dB/mm et la r´egion active fait 400 µm de long (soit un d´ephasage de 60^◦/mm). Enfin le dispositif fonctionne entre les tensions 1.2 V et 2.2 V.

Figure 4.14 – (a) Vue transverse de la structure SISCAP, (b) Image SEM du composant (c) Courbe C(V), (d) Modulation de phase en fonction de la tension. Figures tir´ees de [125].

La configuration qui a ´et´e pr´esent´ee est relativement proche du point de fonctionnement simul´e pour e_ox = 5 nm, mˆeme en incluant les incertitudes sur les pertes intrins`eques du poly-silicium, except´e pour la bande passante. En effet, le composant tient des d´ebits de 28 Gb/s, ce qui est tr`es difficile d’obtenir avec une bande passante ´electrique estim´ee `a 5.6 GHz...

La cause de ce point noir vient probablement des hypoth`eses du mod`ele RC pour calculer la bande passante ´electrique, en particulier le calcul de la r´esistance d’acc`es du dispositif. En effet il a ´

et´e suppos´e un dopage uniforme sans tenir compte de la distribution des porteurs en fonction de la tension³. Le profil de dopage r´eel ´etant non uniforme, l’effet d’une couche d’accumulation le long d’un barreau semi-conducteur sur la r´esistivit´e n’´etant pas connue, et les lignes de champs n’´etant pas suivant une seule direction, tous ces ´el´ements font que le mod`ele est `a prendre avec pr´ecaution. Plusieurs solutions ont ´et´e envisag´ees pour r´esoudre ce probl`eme (dopages non uniformes, utilisation d’autres structures tests, ou simulations temporelles) sans succ`es. La principale difficult´e est de calculer num´eriquement la r´esistivit´e de chaque barreau dans les conditions d’accumulation (sachant qu’il n’y a pas de courant qui traverse la structure...). On retiendra que l’estimation num´erique de la bande passante dans ce cas est sans doute sous-estim´ee.

Synth`ese : Plusieurs points sont `a retenir de l’´etude ´electro-optique de la structure SISCAP faite `

a 1.55 µm :

– L’utilisation d’une structure capacitive permet de profiter de deux r´egimes ´electriques diff´ e-rents (d´epl´etion et accumulation) assurant une bonne efficacit´e de modulation, en g´en´eral une d´ecade inf´erieure `a celle obtenue pour les modulateurs PN,

– La variation de charges dans une structure capacitive ´etant toujours localis´ee pr`es de l’oxyde, l’efficacit´e de modulation est maximale lorsque le mode optique est lui aussi centr´e par rapport `

a l’oxyde,

– L’utilisation du poly-silicium est p´enalisante, car cela entraˆıne des pertes optiques non n´egligeables. Dans le cas d’un modulateur MZI, il est alors n´ecessaire d’assurer une effica-cit´e suffisante pour obtenir une longueur de r´egion active faible,

– L’´epaisseur d’oxyde est un param`etre critique, car il joue un rˆole essentiel sur l’efficacit´e de modulation et sur la bande passante ´electrique. Pour donner un ordre de grandeur, doubler l’´epaisseur d’oxyde revient `a doubler la bande passante et diviser l’efficacit´e de modulation par deux.

3. N´eanmoins, l’efficacit´e trouv´ee reste coh´erente par rapport `a ce qui est annonc´e, car elle est conditionn´ee seulement sur le niveau de dopage proche de l’oxyde (`a ± 60 nm) par rapport `a la hauteur totale du barreau

De plus, l’´etude param´etrique r´ev`ele que chaque param`etre a un impact diff´erent sur les per-formances du modulateur, et qu’un compromis est `a faire entre efficacit´e, bande passante et pertes optiques. Les r´esultats de simulations sont proches de ceux annonc´es par CISCO malgr´e les hypo-th`eses de dopages uniformes et des pertes intrins`eques du poly-silicium de 4 dB/mm, le cas de la bande passante ´etant mis `a part.

Ces r´esultats permettent de confirmer la m´ethode de simulation, et de passer `a l’´etape suivante : dimensionner la nouvelle structure capacitive `a 1.31 µm.

Dans le document Développement de modulateurs optiques sur silicium à faible consommation énergétique pour les prochaines générations d'interconnexions optiques (Page 89-93)