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modulation haut débit et basse consommation dans une
plateforme photonique sur silicium
Maurin Douix
To cite this version:
Étude de l’intégration d’un
composant capacitif pour la
modulation haut débit et basse
consommation dans une
plateforme photonique sur silicium
Thèse de doctorat de l'Université Paris-Saclay
Préparée à l’Université Paris-Sud (au sein du Centre des
Nanosciences et des Nanotechnologies)
École doctorale n°575 : electrical, optical, bio : physics and
engineering (EOBE)
Spécialité de doctorat : Électronique et Optoélectronique, Nano- et
Microtechnologies
Thèse présentée et soutenue à Grenoble, le 22 mai 2018, par
Maurin DOUIX
Composition du Jury : Christophe Peucheret
Professeur, Université de Rennes 1 (Foton/ ENSSAT Lannion) Président
Frederic Gardes
Senior Lecturer, University of Southampton (Silicon Photonics Group) Rapporteur
Christian Seassal
Directeur de recherche, École Centrale de Lyon (INL) Rapporteur
Bertrand Szelag
Ingénieur – Chercheur, CEA LETI Examinateur
Fabrice Raineri
Maître de conférences, Université Paris Diderot (C2N) Examinateur
Delphine Marris-Morini
Professeur, Université Paris Sud (C2N) Directrice de thèse
Charles Baudot
Ingénieur de recherches, STMicroelectronics Encadrant de thèse
Table des matières
Remerciements . . . . vi
1 La photonique sur silicium . . . . 1
I - La consommation électrique au cœur des développements économiques . . . 1
1. Un monde virtuel de plus en plus matériel . . . 1
2. Architecture d’un centre de données . . . 2
3. La consommation électrique . . . 4
II - Les transmetteurs photoniques sur silicium . . . 7
1. Composition d’un transmetteur optique . . . 7
a. Exemple d’un produit commercial PSM4 . . . 7
b. Les acteurs de la photonique sur silicium . . . 8
2. Les facteurs de mérite . . . 9
3. Modulation de phase . . . 11
a. La région active . . . 11
i - Jonctions PN en régime de déplétion . . . 11
ii - Hétérojonctions en régime de déplétion . . . 14
iii -Modulation par effet non linéaire . . . 15
b. La structure interférométrique . . . 17
c. Normes de communication . . . 19
i - Modulations d’intensité à faibles et moyennes distances . . . 19
ii - Modulations complexes du champ électrique . . . 20
4. Modulation directe en intensité . . . 21
a. Jonctions PIN en régime d’injection de porteurs . . . 21
b. Effets Franz-Keldysh et QCSE . . . 22
III - Le modulateur capacitif . . . 24
1. Introduction . . . 24
2. Etat de l’art . . . 25
i - Les modulateurs capacitifs en silicium . . . 25
ii - Les modulateurs capacitifs hybrides . . . 26
IV - Objectifs et plan du manuscrit . . . 27
2 Simulations TCAD électro-optiques des modulateurs capacitifs . . . 29
I - Intégration des modulateurs capacitifs sur la plateforme photonique . . . 30
1. Contrainte de la plateforme . . . 30
2. Élaboration des guides capacitifs . . . 30
a. Intégration damascène . . . 30
b. Structure innovante COPA-H . . . 32
c. Structure innovante COPA-V . . . 32
II - Simulations électro-optiques par couplage entre TCAD et Lumerical . . . 33
1. Simulation du procédé technologique et simulation électrique . . . 33
2. Conversion en indice de réfraction et calcul du mode optique par Lumerical . . 35
III - Optimisation des modulateurs capacitifs . . . 37
1. Optimisation morphologique des guides capacitifs . . . 37
a. Modulateur horizontal (COPA-H) . . . 37
b. Résistances extraites . . . 42
3. Résultats électro-optiques . . . 44
a. Absorption du poly-silcium . . . 45
b. Performances statiques du modulateur COPA-H . . . 45
IV - Optimisation de l’amplitude de modulation . . . 46
1. Optimisation statique du modulateur COPA-H . . . 46
2. Performances statiques du modulateur COPA-V . . . 48
V - Conclusions du chapitre . . . 49
3 Solution analytique . . . 51
I - Introduction . . . 51
1. Motivations . . . 51
2. Description des structures . . . 52
3. Méthode de résolution . . . 54
II - Modèle analytique du couplage électro-optique : les modulateurs à électro-réfraction en équations . . . 54
1. Modèle électrique de la région active . . . 54
a. Le modulateur capacitif . . . 54
i - Régimes de fonctionnement . . . 54
ii - Tension de bandes plates . . . 55
iii -Accumulation . . . 56
iv -Déplétion . . . 57
v - Profils extraits du modèle . . . 58
b. Jonction PN en régime de déplétion . . . 58
c. Vitesse de fonctionnement : évaluation de la bande passante par la constante RC . . . 59
i - Capacité . . . 59
ii - Résistance . . . 60
iii -Bande passante et consommation électrique . . . 62
2. Modèle du couplage électro-optique . . . 62
a. Conversion des densités de charges . . . 63
b. Représentation du mode optique . . . 64
i - Mode TE gaussien . . . 64
ii - Mode TE du guide à fente . . . 65
c. Superposition électro-optique . . . 66
i - Théories des perturbations . . . 66
ii - Application au mode gaussien COPA-H . . . 67
iii -Application au mode gaussien d’un modulateur à jonction PN . . 67
iv -Application au guide à fente COPA-V . . . 67
3. Résultats du modèle . . . 67
a. Modulateur COPA-V . . . 67
b. Modulateur COPA-H . . . 68
c. Modulateur à jonction PN . . . 69
d. Comparaison des modulateurs . . . 70
III - Evaluation des performances des modulateurs capacitifs à partir du modèle . . . . 71
1. Bilan de puissance dans un interféromètre symétrique en configuration "PUSH-PULL" . . . 72
2. Performances statiques . . . 73
3. Performances dynamiques . . . 75
a. Fréquence de coupure et taux de transfert . . . 75
b. Longueur optimale . . . 76
c. Taux d’extinction et pertes d’insertion en fonction de la fréquence de coupure . . . 77
4 Intégration des modulateurs capacitifs dans la plateforme photonique . . . 81
I - Le procédé de fabrication . . . 82
1. Enchainement complet des étapes de fabrication . . . 82
2. Insertion d’étapes spécifiques à la fabrication des modulateurs capacitifs . . . . 83
II - Mise en œuvre du procédé de fabrication pour la première génération de composants 85 1. Définition des passifs . . . 85
2. Définition de la cavité . . . 88 a. Gravure COPA-V . . . 89 b. Gravure COPA-H . . . 90 3. Remplissage . . . 92 a. Fabrication du diélectrique . . . 92 b. Dépôt du silicium . . . 93 4. Planarisation . . . 94 a. Développement du procédé . . . 94
b. Retrait du masque dur . . . 96
5. Implantations et prise de contacts . . . 96
a. Implantations . . . 96
b. Gravure du poly-Si . . . 98
c. Prise de contact . . . 99
III - Composants achevés . . . 100
1. Région active du modulateur COPA-H . . . 100
2. Région active du modulateur COPA-V . . . 100
a. Morphologie des premiers échantillons fabriqués . . . 100
b. Caractérisations électriques préliminaires du modulateur COPA-V . . . 101
5 Caractérisation des modulateurs capacitifs . . . 103
I - Structures à caractériser . . . 103
1. La région active . . . 103
2. Conception des transitions . . . 104
3. Dispositifs fabriqués . . . 107
a. Extraction des pertes d’insertion . . . 108
b. Extraction du déphasage statique . . . 109
4. Variantes de fabrication d’un wafer à l’autre . . . 111
II - Mesures statiques . . . 113
1. Mesures électriques . . . 113
a. Effets de l’épaisseur de l’isolant de la largeur de guide . . . 114
b. Effets de l’épaisseur de SOI restant et de la couche mince de SiGe . . . 116
2. Mesures électro-optiques . . . 118
III - Mesures statistiques . . . 119
1. Pertes d’insertion . . . 120
a. Les transitions . . . 120
b. Les guides capacitifs . . . 121
c. Les régions actives dopées . . . 122
d. Bilan . . . 122
2. Déphasage . . . 123
a. Largeur de guide optimale . . . 123
b. Contrôle du déphasage par l’épaisseur de l’isolant . . . 123
c. Intégration du SiGe . . . 124
d. Epaisseurs des accès à la région active . . . 125
e. Bilan . . . 125
IV - Mesures dynamiques . . . 126
1. Coefficient de transmission électro-optique . . . 126
2. Coefficient de réflexion électrique . . . 127
3. Extraction d’un modèle petit signal . . . 128
4. Diagrammes de l’œil . . . 130
Remerciements
Je remercie les membres du jury pour avoir accepté d’évaluer ce travail de thèse de doctorat. Après ces trois années, et même un petit peu plus, je veux remercier chaleureusement Del-phine pour sa direction et Charles pour son encadrement. Je les remercie pour m’avoir laissé aller dans la direction que je voulais, pour m’avoir fait une confiance sans faille et pour m’avoir tou-jours montré la voie. C’est un plaisir de travailler dans la bonne humeur, avec deux encadrants en harmonie.
Je remercie l’équipe du C2N pour leur acceuil chaleureux, très chaleureux, pendant la période estivale 2017. Ils forment une équipe jeune, dynamique, et surtout aussi soudée qu’une famille, dans laquelle il fait bon évoluer. Je remercie en particulier Diego pour m’avoir montré en quelques jours toute la magie de la caractérisation dynamique sur banc. Je leur souhaite à tous un parcours professionel riche en découvertes et en rencontres.
Je remercie bien-sûr l’équipe photonique de Crolles. Pour ne citer que ceux qui ont eu affaire de près aux modulateurs capacitifs, je veux remercier Aurélie, Sébastien, Nathalie et Frédéric. Je suis heureux d’avoir travaillé dans cette équipe qui m’a permis de m’enrichir techniquement et de faire mes preuves en toute confiance. En caractérisation, je remercie Hervé, à Crolles, et Philippe et Daivid au LETI. Mais la photonique ne serait pas possible sans la contribution des ateliers ! Je suis infiniment reconnaissant en particulier envers Romuald, un graveur qui n’a pas froid aux yeux, et Jonathan, pour m’avoir fait une place important dans son module technique. Les modulateurs capacitifs ne fonctionnent pas non plus sans l’aide de l’équipe TT, parmi elle Rémi et Olivier, et de celle du LETI, Pablo et Sébastien.
Chapitre 1
La photonique sur silicium
I - La consommation électrique au cœur des développements
économiques
1. Un monde virtuel de plus en plus matériel
Figure 1.1 – Centre de données Google, The Dalles, Oregon (USA) [1]
Figure 1.2 – Trafic de données Internet mensuel annoncé par Cisco en 2015 [4]
Aujourd’hui, l’Internet des objets prend forme, les solutions de sauvegarde dans le nuage numérique et les supercalculateurs en réseau se multiplient. Si une poignée d’octets suffisaient à l’heure des disquettes pour stocker l’intégralité d’un système informatique, aujourd’hui, nos photos, nos comptes en banque et notre aspirateur se retrouvent connectés ou sauvegardés en plusieurs exemplaires aux quatre coins du globe.
Pour donner un ordre de grandeur, jusqu’en 2003, la totalité de l’information stockée sur Internet était de 5 exaoctets (1015 octets). En 2005, 4.4 exaoctets ont été échangés dans l’année.
Au rythme actuel de croissance du volume de données échangées, les prévisions de Cisco annoncent un volume de 10.5 exaoctets pour l’année 2019. Le monde virtuel est gigantesque à tel point qu’il est difficilement rationalisable. Pourtant, c’est une industrie dont la consommation électrique est à l’échelle de celle d’un pays développé [5]. 15 à 20 % de l’énergie dédiée au secteur des technologies de l’information et de la communication est consommée par les centres de données, et cette portion ne fait qu’augmenter.
2. Architecture d’un centre de données
(a) (b)
Figure 1.3 – Installation d’un centre de données Facebook [6] (a) installation d’une baie (b) photo d’un serveur extrait d’une baie
I - La consommation électrique au cœur des développements économiques
Les débits déployés obligent à utiliser la fibre optique, alors que les câbles traditionnels, en cuivre, ne peuvent dépasser des longueurs de l’ordre du mètre à ces vitesses. En effet, l’information digitale est transportée par un signal Radio-Fréquence (RF) à des fréquences de plusieurs dizaines de GHz dans les liens actuels, qui est absorbé par le métal. A titre d’exemple, l’atténuation d’un câble coaxial LMR-400-UF augmente avec une pente supérieure à 3 dB/100ft/décade avec la fré-quence, jusqu’à 42.6 dB/100m à 5.8 GHz [7]. La fibre optique est un support de transport de l’information digitale modulée. Grâce à l’emploi de la lumière comme porteuse du signal modulé, la fibre optique s’affranchit des limitations des câbles co-axiaux : le signal optique se propage sans délai et avec de très faibles pertes de signal (0.2 dB/km à 1.55 µm pour des fibres standards). La fibre optique fournit un lien rapide souvent employé pour transporter de grands volumes d’informa-tions tout en gardant de forts débits de transmission tels que ceux requis à l’intérieur d’un centre de données. Le produit vitesse-longueur du lien optique pour une fibre optique de type Single Mode Fiber – fibre monomode – (SMF) est actuellement de 1 T b/s.m [8].
Pour communiquer par fibre optique, il faut un convertisseur entre signaux électroniques et optiques. Les propriétés électroniques et optiques des semiconducteurs en font de bons candidats pour constituer le pont entre le monde électronique et le monde des communications optiques. Tout d’abord, la communication par fibre optique nécessite une source de lumière servant à propager l’information. La source laser est réalisée par des composés III-V à bande interdite directe. Ensuite, il faut transférer les signaux digitaux codés par des niveaux de tension électrique en modulation des propriétés du signal optique perceptibles par le récepteur. La modulation électro-optique peut être prise en charge par les semiconducteurs grâce à des effets de couplage entre le matériau et le signal optique qui le traverse. Enfin, il faut un récepteur capable de traduire l’information optique en effectuant le travail inverse. Les récepteurs emploient généralement une photodiode faite dans un semiconducteur absorbant dans la gamme de longueur d’onde choisie par la norme de communication. Les photons incidents génèrent par absorption des porteurs de charge. Le courant induit peut être amplifié pour reconstituer l’information digitale avec un codage binaire de la tension aux bornes du récepteur.
Dans les architectures de centres de données actuellement équipées de fibres optiques, la modulation électro-optique est intégrée directement au laser. Il s’agit de la technologie Vertical Cavity Surface Emitting Laser en anglais (VCSEL) [9]. Les normes de communication associées au VCSEL sont très spécifiques car la longueur d’onde émise est très proche du visible (850nm) et les fibres dans lesquelles est couplée la puissance optique générée par le laser en modulation directe sont des fibres multimodes.
3. La consommation électrique
Figure 1.4 – Évolution de la vitesse de transfert et du nombre de ports d’un serveur Après une quinzaine d’années d’expansion des centres de données, la tendance actuelle montre une croissance exponentielle de la vitesse de transfert, comparable à la loi de Moore qui concerne les fréquences d’horloge des processeurs [11]. Un article récent d’Oracle, entreprise qui propose des solutions pour équiper les centres de données, montre que les débits de données à la sortie d’un serveur doublent tous les deux ans [8]. Cette augmentation se fait en parallèle entre l’amélioration de la vitesse de transfert, l’augmentation du nombre de ports présents sur la carte (figure 1.4) et la complexification du format de modulation.
I - La consommation électrique au cœur des développements économiques
Figure 1.6 – Projection de l’évolution de la consommation énergétique des technologies de l’in-formation [12]
L’efficacité énergétique du centre de données est mesurée par l’énergie consommée par l’in-frastructure divisée par la fraction de cette énergie consommée par l’informatique – « l’énergie convertie en Internet ». En tenant compte des perspectives de développements des centres de don-nées, on observe que si les débits de données suivent une loi exponentielle, la quantité d’énergie consommée par les centres de données augmente également de façon exponentielle (moins rapide) : elle devrait avoir doublé d’ici 5 ans (figure 1.6) [12]. La photonique sur silicium apporte la solution pour la densification du réseau et l’augmentation du débit de données global car c’est une solution industrielle standardisée, à faibles coûts de production, et à forts volumes [13].
Figure 1.7 – Répartition de consommation d’un démonstrateur complet [18]
Pour s’intéresser en particulier à la consommation énergétique du lien optique, ci-dessus est représentée la répartition de la consommation électrique d’un démonstrateur complet à l’état de l’art en photonique sur silicium (figure 1.7). Ce démonstrateur intègre en particulier un Pseudo Random Binary Sequence – générateur de séquences binaires pseudo-aléatoires – (PRBS) (généra-teur et compara(généra-teur) et une horloge Phase Locked Loop en anglais – généra(généra-teur d’horloge digitale – (PLL) pour alimenter le PRBS. Ainsi, aucun instrument de mesure externe n’est requis pour caractériser le circuit. Le démonstrateur possède également des entrées et sorties électriques pour être utilisé dans sa fonction applicative de transmetteur. On voit que les contributeurs majeurs à la consommation électrique dédiées à la fonction de transmetteur sont le pilotage du modulateur, puis les amplificateurs à la réception, puis la source laser et enfin la polarisation du circuit.
La puissance statique concerne ce qui alimente le circuit pour qu’il soit fonctionnel. Il s’agit de polariser d’une part les transistors pour les placer dans le bon régime de fonctionnement et d’autre part le circuit photonique pour compenser des erreurs de déphasage ou de centrage en longueur d’onde. La principale contribution à la consommation statique du lien optique est dédiée à la source laser, dont les rendements électriques se situent entre 1% et 20% de puissance électrique en puissance optique [19]. Dans la répartition ci-dessus, la source laser est externe et de rendement inconnu. Une source intégrée consommerait probablement une part plus importante en énergie.
La puissance dynamique correspond à l’énergie consommée pour basculer le système entre les bits ‘0’ et ‘1’. Lorsque la charge de la sortie est un condensateur de capacité C, l’énergie consom-mée pour chaque transition s’exprime CV2/2, où V est la tension d’alimentation. La solution la
II - Les transmetteurs photoniques sur silicium
solutions actuelles – de l’ordre de 2 V .
Je vais maintenant présenter la photonique sur silicium. Je commencerai par décrire les com-posants d’un produit photonique et plus particulièrement les effets physiques utilisés pour la mo-dulation du signal optique. Puis je présenterai les récentes avancées au regard des quatre dernières années dans le domaine. Ce sera ensuite l’occasion de positionner les modulateurs capacitifs et l’opportunité de faible consommation électrique qu’ils présentent pour répondre à l’explosion du trafic de données. Je présenterai enfin les objectifs de mon travail de thèse.
II - Les transmetteurs photoniques sur silicium
1. Composition d’un transmetteur optique
a. Exemple d’un produit commercial PSM4
La spécificité de la photonique sur silicium est l’emploi d’un substrat apportant la rigidité mécanique du composant. Le silicium possède un fort indice de réfraction dans l’infra-rouge (3.5 à la longueur d’onde télécom ⁄ = 1.31 µm), de sorte que les guides d’onde fabriqués à la surface de la plaque doivent être isolés optiquement du substrat. L’emploi d’un substrat Silicon-On-Insulator – couche mince de silicium cristallin à la surface du wafer – (SOI) avec un oxyde enterré de 720 nm à 2 µm d’épaisseur est compatible avec les procédés de fabrication de microélectronique.
Figure 1.8 – Représentation 3D éclatée de la puce photonique pour la norme Parallel Single Mode – fibres SMF parallèles (4 canaux) – (PSM4) avec une puce électronique reportée
Généralement, le circuit électronique est fabriqué en parallèle puis assemblé sur le circuit photonique (figure 1.8). Le circuit illustré est un produit PSM4. Il s’agit de quatre circuits iden-tiques parallèles, chacun forme un lien optique indépendant, et huit fibres opiden-tiques en parallèle connectent les transmetteurs entre eux. On reconnait la partie émission en arrière plan du schéma, contenant les quatre modulateurs électro-optiques. Le récepteur est constitué quant à lui de quatre photodétecteurs.
Les produits en photonique sur silicium ont une architecture relativement commune. Le ou les lasers sont reportés sur la puce photonique qui sert de puce hôte. En l’absence de sources de type IV à l’heure actuelle [23, 24], l’utilisation d’un laser III-V reste obligatoire. L’intégration hybride permet de réduire le coût du lien optique par rapport à une technologie hétérogène ou monolithique.
L’électronique de commande est une technologie analogique, par exemple avec des transistors de type Fully-Depleted Silicon-On-Insulator – silicium sur isolant entiérement déserté – (FDSOI) ou des transistors bipolaires. La puce électronique est également collée sur la puce photonique, grâce à des soudures de micro-piliers de cuivre qui servent à interconnecter les deux puces pour la commande des régions actives par le circuit de commande électrique.
est faible. Cela permet un meilleur recouvrement optique avec le cœur de la fibre en silice pour un couplage efficace.
Les deux activités principales réservées au circuit photonique sont la modulation et la récep-tion. Dans cette thèse, les modulateurs vont être étudiés en détail. Pour la réception, l’emploi d’un matériau absorbant dans l’infra-rouge, en général le germanium, permet de démoduler le signal optique vers le domaine électrique.
(a) (b)
(c)
Figure 1.9 – Exemple de produit 100G-PSM4 commercialisé par Luxtera : (1.9a) connecteur standardisé QSFP28 [28], (1.9b) exemple de montage du Circuit Electronique Intégré (EIC) et du laser III-V sur le Circuit Photonique Intégré (PIC) [29], (1.9c) représentation des circuits optiques et des blocs digitaux élémentaires [30]
La figure 1.9 présente un produit commercialisé par Luxtera. La figure 1.9a présente un produit photonique vendu dans un boitier standard pour les liens optiques de longueur inférieure à 2km. Les puces contenues dans ce boîtier sont assemblées par collage de la puce électronique EIC et du laser III-V sur la puce photonique (figure 1.9b). Le schéma de principe d’un lien optique pour la communication PSM4 est présenté figure 1.9c. Le circuit électrique permet de piloter le modulateur et de recevoir le signal en sortie de photodétecteur pour l’amplifier. Le circuit optique, dessiné en bleu, est également en deux parties : le modulateur transfert l’information digitale sur la porteuse optique issue d’un laser à intensité constante, et le photodétecteur convertit le signal optique en courant de porteurs.
b. Les acteurs de la photonique sur silicium
Figure 1.10 – Les acteurs du marché, répartis par profils : semiconducteurs ou optique, systèmes ou composants [31]
II - Les transmetteurs photoniques sur silicium
Mellanox, Aurrion et Acacia Communications sont autant d’entreprises de taille moyenne dédiées à ce marché en expansion.
Les industries de la microélectronique, IBM, HP, TSMC, Global Foundries ou STMicroelec-tronics par exemple, investissent elles aussi dans ce marché à forte valeur ajoutée, même si les volumes de production offerts ne peuvent satisfaire leur capacité de production. Ces entreprises privilégient un modèle économique sous forme de partenariats, ou de multi-projets pour donner du volume et réduire les coûts de fabrication pour leurs clients. Elles adaptent leurs plateformes de microélectronique pour proposer une fabrication standardisée de transmetteurs.
Figure 1.11 – Intégration monolithique de l’émetteur proposé par IBM pour la modulation On Off Keying – format de modulation d’amplitude associée au codage Non-Return to Zero – format de codage binaire, le signal a la même valeur de tension pendant toute la durée du cycle d’horloge – (NRZ) – (OOK), schéma électrique et microscopie de la puce
La particularité de la plateforme IBM est l’intégration monolithique des transistors et des guides optiques dans la même couche SOI. Cela permet de réduire les effets parasites du collage entre puce électronique et puce photonique, malgré la différence d’échelles [32, 33, 34]. Le modu-lateur présenté dans la figure 1.11 permet d’atteindre 32 Gb/s OOK.
À présent, il est nécessaire de présenter le fonctionnement du modulateur. À la suite de la définition des facteurs de mérite, les principes de la modulation de phase sont exposés, incluant l’état de l’art des modulateurs à jonction PN en particulier car ils font l’objet d’intenses recherches dans la communauté. Ensuite seront présentées les structures interférométriques, puis les formats de modulation. Enfin la modulation d’intensité sera détaillée dans une section séparée puisqu’elle constitue une alternative à la modulation de phase. L’état de l’art des modulateurs capacitifs constituent une section spécifique en fin de chapitre dans le but de positionner le sujet de thèse.
2. Les facteurs de mérite
La modulation du signal optique par le signal électrique RF se fait grâce à des effets physiques qui permettent de modifier la phase et l’intensité optique. Le modulateur est un transducteur entre le domaine électrique et le domaine optique (figure 1.12). En général son schéma électrique équi-valent est un circuit passe-bas, composé d’une résistance d’accès R et d’une capacité C représentant la région active. Dans le domaine optique, le modulateur est un composant capable de modifier la constante de propagation de l’onde optique dans le temps.
On évalue les performances du modulateur en comparant leur taux d’extinction, écart d’in-tensité entre l’état ‘1’ et l’état ‘0’, leurs pertes d’insertion optiques à travers le modulateur, leur consommation électrique et leur bande passante électrique [13]. On peut de plus considérer la bande passante optique, la dimension du composant dans le circuit photonique et la sensibilité thermique. L’efficacité statique de la région active seule est généralement évaluée en donnant la tension et la longueur nécessaires pour accumuler un déphasage maximal (180°), via un facteur de mérite indépendant de longueur de propagation dans la région active, le produit VfiLfi[V.cm]. Le taux
d’extinction renseigne également sur l’efficacité de modulation, mais pour un système complet, on réserve plutôt ce facteur de mérite aux mesures dynamiques d’un émetteur.
Les facteurs de mérite dédiés à l’évaluation d’un modulateur en tant que sous-système du circuit photonique se définissent ainsi :
— Le taux d’extinction [dB] correspond aux performances du modulateur :
ER= 10 log10 3I HAU T IBAS 4 (1.1) Il est à noter que les intensités optiques dépendent de la fréquence du signal RF si elle est proche de la fréquence de coupure du dispositif.
— Les pertes d’insertion [dB] correspondent à l’intensité perdue au cours de la traversée du modulateur, elles s’expriment en comparant l’intensité optique du signal de sortie en interfé-rences constructives IM AX à l’intensité injectée I0, correspondant à la puissance du laser :
IL= 10 log10 3 IM AX I0 4 (1.2) En supposant les pertes passives négligeables, les pertes d’insertion se dégradent si la partie active absorbe beaucoup.
— Il est possible de combiner ces deux facteurs de mérite en un, l’amplitude de modulation [dBm], définie comme [35, 36] : OM A= Plaser[dBm] + 10 log10 3 IHAU T ≠ IBAS 1mW 4 (1.3) L’amplitude de modulation est toujours négative pour une puissance d’entrée de 0 dBm, et l’optimisation en amplitude de modulation consiste à tendre vers 0 dBm (cas sans perte d’insertion et avec IBAS = 0, pour lequel le taux d’extinction diverge). C’est le facteur de
mérite le plus intuitif car il correspond à la sensation d’ouverture de l’œil que l’on observe directement à l’oscilloscope. De plus, le calcul de l’amplitude de modulation fournit une optimisation du compromis entre les pertes de la région active et le déphasage. Tandis que le taux d’extinction augmente et diverge lorsque le déphasage approche 180°, l’amplitude de modulation garde une valeur finie pour un déphasage de 180°, déterminée par les pertes d’insertion. Ce facteur de mérite est néanmoins complexe car dépendant de beaucoup de paramètres, y compris la puissance optique de la source que l’on normalise à I0= 1 mW .
— La fréquence de coupure [GHz] représente la limitation en vitesse de transfert de la région active. Pour la modulation par effet électro-réfractif, la limitation prédominante est souvent purement électrique :
fc= 1
II - Les transmetteurs photoniques sur silicium
— La consommation électrique du modulateur [pJ/bit] dépend de l’amplitude électrique en V2
pp,
de la capacité totale du modulateur, et du format de modulation. En codage NRZ, elle s’exprime :
Ebit=
CVpp2
4 (1.5)
3. Modulation de phase
Pour comprendre comment fonctionne la modulation électro-optique et pour donner un état de l’art des performances aujourd’hui atteintes, il faut commencer par décrire la méthode de couplage électro-optique très largement étudiée par la communauté.
Le développement des modulateurs en photonique sur silicium s’intéressent principalement à des effets d’électro-réfraction dans les semiconducteurs. Il s’agit de modifier l’indice de réfraction du matériau en faisant varier les densités de porteurs libres sur le trajet de la lumière. Cette modification influence la propagation du mode optique à travers la région active, ce qui se traduit par une variation de son indice effectif. Il en résulte une variation de la vitesse de phase du signal optique, qui accumule un déphasage au cours de la propagation à travers la région active [37].
Dans un premier temps, la région active où se produit le couplage est présentée. La modula-tion de phase résultant du couplage est ensuite convertie en modulamodula-tion d’amplitude grâce à une structure interférométrique qui sera présentée par la suite. En effet, le plus souvent le récepteur est une photodiode sensible uniquement à l’intensité optique. Les formats de modulation utilisent donc de préférence l’intensité optique. Les normes de communications seront finalement présentées, y compris les développements des formats de modulation dans le plan complexe – qui exploitent l’information portée par la phase.
a. La région active
i - Jonctions PN en régime de déplétion
Figure 1.13 – Vue en coupe des deux régions actives utilisées pour la modulation de phase dans le cas d’un interféromètre linéaire
Figure 1.14 – Modulateur externe de type Mach-Zehnder (MZ) intégrant une jonction PN, et piloté par un circuit électronique FDSOI externe (photo de droite) [39]
L’optimisation des modulateurs à jonction PN en régime de déplétion passe par une concep-tion aboutie de la région active, ce qui inclut principalement un travail sur les profils de dopage. Actuellement, les jonctions PN latérales atteignent des efficacités optimales, de l’ordre de 1 V.cm pour les jonctions les plus efficaces, tandis que les recherches se concentrent sur l’augmentation du débit de données par canal. Pour les jonctions PN latérales, la communauté semble converger vers une conception incluant [40, 41, 39, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53] :
— un guide d’onde optique muni de zones d’accès en SOI fortement conductrices, et d’un ruban de largeur 300 à 500 nm selon l’épaisseur de la couche, la longueur d’onde, et la polarisation, — des implantations uniformes à travers l’épaisseur du SOI, incluant plusieurs énergies
d’im-plantation pour chaque niveau de dopage,
— un niveau de dopage asymétrique entre le type p et le type n, de l’ordre de 5◊1017cm≠3, pour
augmenter l’efficacité de modulation en favorisant la contribution des trous, plus efficaces que les électrons [38],
— un décalage de la position de la jonction par rapport au centre du guide, d’au moins 30 nm, en faveur des trous également, afin de centrer le mode optique sur la zone de variation de densité de trous [54].
II - Les transmetteurs photoniques sur silicium Ré fé re nc e G rou pe An née B an de E ffi cac it é st at iqu e [V. cm ] Ouv erture de l’œil [dB ] Pe rt es d’ in se rt ion [dB ] L on gu eu r ac ti ve [m m ] C on som m at ion él ec tr iqu e [Vpp ] Débi t de don né es [47] Pekin 2017 C 1.68 OM Aint 1.7mW 4* (10) 2 5 35GBd-PAM4 [55] PETRA 2017 O 0.4 2 1.6dB /mm 0.8 0.9 40GBd PAM4 [56] Mc Gill 2017 C 8.9 0.22*(12) 0.126(R) 2 50Gb/s35GBd- – PAM4 [41] C2N/STMicro. 2017 O 0.95 5 2.5* 1 3.3(3.4pJ/bit) 25Gb/s [57] Toronto/ASTAR 2017 O 0.94 2.2 2.5* 2 2.9(2.2pF/mm) 24Gb/s(44Gb/s bande C)
[44] Wuhan 2017 O 4.8 4 2.5 (OOK)– 7 (QAM) 28Gb/s
[45] Shanghai/Fujikura 2017 C 0.95/1.26 30 2.9*(8) 1 3 20GBd OOK et PAM4 – 30GBd BPSK [58] Aachen 2017 C 0.19 6 5.7 5 ◊22(R) 4 30Gb/s
[59] LETI/STMicro. 2016 O 2.14 4.7 15dB/cm*(18) 4 2.5 25Gb/s (laserintégré)
[60] IHP 2016 C 3.1 2.2 3(56fJ/bit) 25Gb/s pré-formatté
[42] MIT 2016 C 12 5.5*(8) 28Gb/s OOKet BPSK
[34] IBM 2015 O 1.47 6.3 9.2dB/cm*(5) 2+1 1.1(5pJ/bit) 28GBdPAM4
[61] IMEC 2015 C 100pm/V 4 10 0.03(R) 2.5 (29fF ) 56Gb/s
[62] ASTAR 2014 C 2.4 4.4 4.2 4 1.3(0.6pJ/bit) 50Gb/s
[40] South-ampton 2013 C 2.7 6.5 15*(25) 3.5 6.5 40Gb/s(20Gb/s DPSK [63]) TABLEAU 1.1 – revue des performances des modulateurs à jonction (*pertes d’insertion dans la région active (totales),(R) périmètre de l’anneau)
Les modulateurs à jonction montrent aujourd’hui des résultats au-delà de 25 Gb/s, pouvant atteindre 50 Gb/s OOK (tableau 1.1). En terme de déphasage par unité de longueur, une jonction PN latérale avoisine les 20¶/mm, soit V
fiLfi ≥ 1 ≠ 2 V.cm, pour des pertes d’insertion IL =
1 ≠ 3 dB/mm. Les taux d’extinction mesurés sont en général de 4 dB en dynamique, pour des amplitudes RF de l’ordre de 1 à 3 Vppet des longueurs actives de l’ordre de 2 à 4 mm, généralement
communication à faibles distances dans les centres de données.
Figure 1.15 – Intégration de jonctions PN avancées : (a) profils de dopage d’une jonction hori-zontale et mode optique, (b) jonction horihori-zontale surmontée d’un dépôt de silicium amorphe pour la définition du guide ruban, (c) sous-dopage des coins du guide ruban, (d) conception en créneau
Actuellement, des conceptions plus avancées de la jonction PN sont étudiées :
— implantation en coin dans la partie centrale pour augmenter la surface de la jonction tout en maximisant le recouvrement électro-optique [40],
— définition horizontale de la jonction, en implantant par poches à différentes profondeurs [64], ou par croissance de silicium pré-dopé ou implanté en surface entre chaque croissance (figures 1.15a et b) [65],
— sous-dopage des régions du guide inutiles électriquement pour la conduction ou la déplétion des porteurs libres, dans les coins supérieurs du guide ruban (figure 1.15c) [62],
— augmentation de la capacité par unité de longueur active en repliant la jonction en accordéon, en créneaux par exemple (figure 1.15d) [66, 67, 68],
— compensation de la variabilité due aux mauvais alignements des masques d’implantations sur le masque de définition des guides optiques, par contre dopage d’un type sur l’autre [69, 57, 70].
ii - Hétérojonctions en régime de déplétion
Il est possible d’améliorer l’efficacité de la région active en utilisant le régime de déplétion d’une hétérojonction de type SiGe/Si. En effet, le SiGe est un matériau de la microélectronique montrant de meilleurs coefficients de couplage électro-optiques que le silicium pur.
Figure 1.16 – Schéma d’un bras du modulateur fait d’un guide implanté et d’une épitaxie SiGe à la surface du guide
II - Les transmetteurs photoniques sur silicium
type p du silicium par une diode passante, la couche mince joue le rôle d’une zone de type p elle aussi et dont l’interface avec le côté n du silicium est active dynamiquement en régime de déplétion. Le SiGe permet d’une part l’augmentation de la largeur effective de la zone de charge d’espace et, d’autre part, les coefficients de couplage électro-optiques sont plus favorables dans le SiGe en contrainte que dans le silicium grâce à une meilleure mobilité des trous. La structure mesurée est un interféromètre dont la région active mesure 800 µm de longueur. L’ajout de la couche mince est simulé, il promet une amélioration de 50 % de l’efficacité de modulation en diminuant le VfiLfi
à 0.4 V.cm. Les pertes d’insertion à 1.31 µm sont en revanche plus importantes (1.6 dB/mm). Au premier ordre, ceci s’explique par un modèle de Drude : la contribution de la mobilité – plus élevée dans le SiGe contraint que dans le silicium pur – augmente le coefficient de conversion des densités de porteurs en coefficient d’absorption [72]. Les mesures dynamiques montrent un diagramme de l’œil OOK à 25 Gb/s pour une amplitude de tension faible (0.9 Vpp). Un diagramme de l’œil au
format Pulse Amplitude Modulation – format de codage sur 2 bits par symbole – (PAM4) est également présenté pour une puissance RF environ deux fois plus forte.
iii - Modulation par effet non linéaire
La modulation de l’indice de réfraction est aussi possible par effet d’optique non linéaire. Il s’agit dans ce cas d’un couplage entre le champ électrostatique RF et le champ électromagnétique optique. Ce type de modulation est utilisé dans les modulateurs LiNbO3commerciaux [73].
Figure 1.17 – Intégration de l’effet Pockels par génération de contraintes sur un guide rectangulaire en silicium [74]
L’effet Pockels est un effet non linéaire du premier ordre, pour lequel l’indice de réfraction varie de manière linéaire avec le champ électrique appliqué. De par la centro-symétrie de la maille cristalline, le silicium ne possède pas d’effet Pockels. Pour utiliser cet effet, il est nécessaire d’intégrer un autre matériau [75, 76], ou de contraindre le silicium pour déformer la maille et empêcher la centro-symétrie du réseau cristallin (figure 1.17) [77, 74, 78, 79]. En déposant un nitrure de silicium compressif autour du guide d’onde rectangulaire en silicium, il est possible de le déformer de façon asymétrique. Des coefficients de conversion sont mesurés entre 100 et 340 pm/V , selon la force de la contrainte appliquée. Les effets non linéaires sont issus d’effets dipolaires impliquant les atomes du matériau, le temps caractéristique de ces effets n’est pas limitant pour les débits de données actuels (figure 1.19b) [80]. Pour autant, il est difficile de s’affranchir des effets de charge qui s’ajoutent aux effets non linéaires. Actuellement, la communauté recherche un moyen de séparer la contribution des charges et celle des effets non linéaires aux coefficients de couplage mesurés [81].
L’effet Kerr (ou effet ‰(3) du nom du coefficient de conversion électro-optique) est l’effet non
(a) (b)
Figure 1.18 – Polymères électro-optiques : (1.18a) évolution [82] et (1.18b) intégration au-dessus d’un guide optique en silicium à fente et à ondes lentes [83]
Plusieurs travaux portent sur l’intégration hybride de matériaux polymères présentant un effet non linéaire, déposés autour des guides en silicium (figure 1.18 et 1.19). Le défi est alors de coupler le champ optique entre le polymère et le silicium, pour maximiser l’effet non linéaire en augmentant la fraction du champ présent dans le polymère plutôt que dans le silicium. Les guides à fente sont de très bons candidats [84, 85, 86, 87], couplés à des cristaux photoniques pour augmenter la durée de l’interaction grâce à un régime à ondes lentes [88, 89, 90].
(a)
(b)
II - Les transmetteurs photoniques sur silicium b. La structure interférométrique
(a)
(b)
Figure 1.20 – (1.20a) Schéma de principe d’un interféromètre intégré de type MZ et (1.20b) réponse optique dynamique
Les effets physiques permettant de contrôler la phase du signal nécessitent un interféromètre pour traduire l’information du déphasage du signal en intensité optique (figure 1.20a). L’interfé-romètre fonctionne en combinant deux signaux optiques cohérents dont on pilote le déphasage. Lorsque les signaux sont en phase en sortie d’interféromètre, ils s’ajoutent pour donner une in-tensité optique maximale et coder un bit ‘1’ en sortie de modulateur. S’ils sont en opposition de phase, l’interférence destructive éteint la lumière, codant un bit ‘0’ (en utilisant un codage NRZ). Le déphasage se fait via une région active qui est alimentée par le signal RF. La largeur de bande optique de l’interféromètre ne dépend que des deux composants passifs employés pour séparer l’intensité optique puis la recombiner après le déphasage des bras de l’interféromètre.
L’interféromètre symétrique est fortement robuste aux variations de température et de fabri-cation au sein du circuit photonique ou de variations de fabrifabri-cation. En effet les deux bras cumulent en parallèle le même mode commun qui est supprimé lors de la recombinaison. La configuration symétrique permet également la modulation de phase différentielle (figure 1.20b), un bras étant en état ON et l’autre étant en état OFF successivement.
L’interféromètre doit être placé en quadrature pour moduler le signal optique dans la zone la plus efficace de l’interféromètre. La quadrature correspond à un déphasage statique de 90° entre les deux bras et donc à une transmission de ≠3 dB. La réponse optique de l’interféromètre est une fonction sinusoïdale du déphasage, dont la pente la plus forte est à la quadrature. Ensuite, en activant un bras, les interférences constructives permettent d’augmenter l’intensité optique en sortie d’interféromètre. À l’inverse, en activant l’autre bras, les interférences destructives sont recherchées pour diminuer l’intensité optique.
Il est également possible d’utiliser un circuit optique résonant pour convertir la modulation de phase en modulation d’amplitude optique [92, 54]. L’utilisation d’un guide optique en anneau permet d’exploiter le phénomène de résonance (figure 1.21).
L’anneau est alimenté par un guide d’onde droit, servant de bus optique, auquel il est cou-plé. Si l’anneau est électriquement actif, il est possible de modifier la condition de résonance. En positionnant la résonance à proximité de la longueur d’onde de la porteuse optique, il est pos-sible de décaler la longueur d’onde de résonance de l’anneau de quelques pm/V pour prélever dynamiquement la longueur d’onde présente dans le bus optique.
Les modulateurs résonants possèdent de très grands facteurs de qualité, propres aux systèmes résonants, qui permettent d’obtenir de très grandes valeurs de taux d’extinction dynamiques. Du fait même de la présence d’une résonance optique, le modulateur en anneau possède un temps caractéristique correspondant à la durée de vie des photons dans l’anneau. Cette limitation doit être réfléchie à la conception pour ne pas ajouter de limitation à la bande passante électro-optique de la région active [93]. Les anneaux résonants montrent de très bonnes performances atteignant des débits de données comparables aux interféromètres linéaires, 50 Gb/s. La limitation RC de la région active est relâchée grâce à la compacité des anneaux, permettant de faibles valeurs de résistance d’accès et de capacité à charger [94, 61, 95, 96].
L’inconvénient principal de l’anneau résonant est la variabilité du positionnement de la lon-gueur d’onde de résonance du fait de sa compacité. Un contrôle statique est inévitable pour recen-trer la résonance à la longueur d’onde de conception, à l’aide d’un déphaseur thermique, coûteux en consommation électrique (dissipation par effet Joule).
Figure 1.22 – Couplage à plusieurs anneaux résonants : (a) 3 anneaux identiques [97], (b) 2 anneaux identiques et un interféromètre symmétrique [56], (c) 2 ◊ 5 anneaux identiques en confi-guration "PUSH-PULL" [58]
Certains systèmes proposent de coupler plusieurs systèmes interférométriques (figure 1.22). Le but recherché en couplant plusieurs anneaux est d’augmenter la largeur spectrale de la modulation en dégradant la qualité individuelle des résonances. Il s’agit de surcoupler les anneaux résonants et de réduire leur taille [97, 56, 58, 98]. En couplant les anneaux à l’intérieur d’un interféromètre linéaire, on préserve la configuration différentielle qui permet de doubler le déphasage (figure 1.20b).
Figure 1.23 – Modulateur en anneau à ondes stationnaires, grâce à un réseau de diffraction autour de l’anneau résonant, les guides sont en gris et les régions actives sont colorées
II - Les transmetteurs photoniques sur silicium
L’excitation de ce mode stationnaire dans un anneau est étudié puis le système à un port qui en résulte est intégré afin d’obtenir un modulateur ayant une entrée isolée optiquement et une sortie modulée en amplitude.
c. Normes de communication
L’emploi de normes de communications à l’intérieur du lien optique a un objectif principal : augmenter la capacité du lien. Le format de codage NRZ est le plus intuitif. Un bit ‘1’ correspond à un signal optique d’intensité maximale – lumière allumée – et un bit ‘0’ à une intensité minimale – lumière éteinte.
Il y a deux façons d’augmenter les débits de données : augmenter la vitesse du modulateur par canal ou augmenter le nombre de canaux. Les choix de format de modulation sont dépendants de la longueur du lien. Les liens courts nécessitent des émetteurs rapides pour permettre un débit par canal évelé. Pour autant, il existe des normes de communication à plusieurs niveaux qui permettent d’augmenter le taux de transfert du lien optique. Dans le premier paragraphe sont présentées les normes de communication par modulation d’intensité, plutôt associées aux liens optiques à faibles et moyennes distances.
Dans le deuxième paragraphe, la phase du signal optique apporte une seconde dimension de codage pour doubler le taux de transfert. Ces normes sont riches et innovantes, mais elles complexifient la réception et la démodulation du signal, ce qui augmente le prix du lien optique. Les normes associées sont plutôt réservées aux liens optiques les plus longs, par exemple inter-continentaux.
i - Modulations d’intensité à faibles et moyennes distances
Pour les connexions les plus courtes, les formats de modulations les plus simples interviennent et la tendance est d’augmenter le débit de données du modulateur – et du récepteur – lui-même. La norme PSM4 évolue de 40 à 100 Gb/s, elle se compose de 4 canaux parallèles. Le transmetteur est répété 4 fois et 8 fibres optiques unidirectionnelles forment le lien.
(a) (b)
Figure 1.24 – Diagrammes de l’œil en sortie d’émetteur [100] (a) codage NRZ, (b) codage PAM4 Les diagrammes de l’œil consistent à mesurer le signal RF reçu par la photodiode en fonction du temps (figure 1.24). En codage NRZ OOK, le diagramme de l’œil possède deux niveaux, ‘1’ et ‘0’. En PSM4, 4 diagrammes de l’œil se propagent en parallèle avec le même débit de données.
Figure 1.25 – Schéma d’intégration Dense Wavelength Division Multiplexing (WDM) exploitant la propriété de filtrage en longueur d’onde par anneaux résonants [15]
En ce qui concerne les liens plus longs (jusqu’à 2 km) et moins nombreux, la contrainte du prix du lien diminue, ce qui permet de multiplier le nombre de sources lasers par lien. En intégrant 4 lasers dans chaque lien optique, constitué d’un simple binôme de fibres SMF, les 4 canaux sont multiplexés et injectés dans la fibre sans risque d’interférences entre les 4 longueurs d’onde. Ce schéma de modulation ajoute un composant passif à l’émetteur et au récepteur, le multiplexeur-démultiplexeur, qui effectue ce mélange à la sortie des 4 modulateurs ou avant les 4 photodiodes. La famille de normes associées compte les normes CWDM4, FR4 et LR4 notamment, chacune destinée à une longueur de fibre spécifique.
Un exemple de lien optique DWDM est proposé par HP (figure 1.25), il n’emploie pas de multiplexeur spécifique grâce à l’utilisation d’anneaux résonants. Les lasers sont externes, chacun couplé dans le circuit photonique de l’émetteur. Le circuit sert alors de bus contenant les 4 longueurs d’onde et la modulation est réalisée à l’aide d’un anneau résonant sélectif à une seule des 4 longueurs d’onde. Cet anneau est piloté par un circuit électronique dans le but de prélever de façon dynamique la longueur d’onde à moduler par couplage évanescent avec le bus optique. Le récepteur fonctionne également avec des anneaux résonants utilisés comme filtres pour prélever chaque longueur d’onde et l’injecter dans une photodiode large bande.
ii - Modulations complexes du champ électrique
Figure 1.26 – Résultats de modulation 4-QAM après démodulation dans le plan complexe, à 40 Gbaud [102]
D’autres formats de modulation exploitent davantage la richesse de l’information que l’on peut transporter sur un signal optique cohérent issu d’une source laser. Grâce à la cohérence de la source laser, l’information de la phase du signal reçu fournit un second niveau de codage en parallèle de l’amplitude du signal optique.
II - Les transmetteurs photoniques sur silicium
pour la phase et quatre pour l’amplitude. Le système emploie des interféromètres imbriqués dont chacun performe la modulation d’un niveau d’amplitude puis de phase. Ce format de modulation n’a pas encore sa place dans les standards de communication à l’intérieur des centres de données, principalement parce que le récepteur doit gérer l’information QAM. La démodulation nécessite une référence locale de phase, c’est-à-dire une source laser servant d’oscillateur local. On peut néanmoins citer les produits photoniques sur silicium de la société américaine Acacia pour la communication longue distance (à l’échelle du globe) [103].
4. Modulation directe en intensité
La modulation d’intensité consiste à moduler le coefficient d’absorption de la région active sans nécessiter de structure interférométrique. Il est possible d’employer la partie imaginaire de l’effet plasma ou de moduler directement la longueur d’onde du bord de la bande interdite. Ces deux cas sont étudiées successivement dans cette section.
a. Jonctions PIN en régime d’injection de porteurs
Les jonctions polarisées en injection modulent la phase du signal optique grâce au flux de porteurs à travers la région active. On emploie en général des jonctions PIN pour la modulation par injection [104, 105]. La zone intrinsèque sert de zone de recouvrement optique, elle permet de diminuer les pertes d’insertion dues aux dopants, sans impacter le flux de porteurs.
Figure 1.27 – Modulateur en injection intégré dans une cavité Fabry-Pérot avec un profil de dopage en peigne : (a) vue de dessus de la cavité Fabry-Pérot, (b) vue en coupe du modulateur à jonction PIN
IHP Microelectronics et l’université de Berlin proposent une conception innovante de jonction PIN permettant de contourner la limitation intrinsèque en vitesse de ces dispositifs, due au temps de recombinaison des porteurs [60]. D’une part la région active est définie à l’intérieur d’une cavité Fabry-Perot, plutôt que dans un interféromètre de type MZ, pour augmenter les interactions entre porteurs et onde optique. D’autre part les profils de dopage sont assez spécifiques. Le guide n’est pas dopé, mais un peigne de dopage se retrouve tout de même dans la direction de propagation avec des niveaux très élevés de dopage (1020cm≠3) à comparer aux niveaux de dopage optiquement
acceptable des jonctions PN abruptes (entre 1017 et 1018 cm≠3). Les pointes de dopage agissent
comme des antennes pour injecter les porteurs dans la zone intrinsèque sur une largeur de seulement 190 nm bien que la largeur totale de guide soit de 450 nm. On relève une amplitude RF de 3 Vpp et un taux d’extinction de 3.1 dB. Les pertes d’insertion sont effectivement faibles pour un
région active qui forme le niveau ‘1’ pendant la durée entière du bit. Cette solution peut sembler prometteuse pour piloter un système limité en temps de décharge [106].
Tandis que l’injection de porteurs permet d’atteindre de fortes densités de porteurs libres à travers le signal optique, il est aussi possible d’obtenir des densités de porteurs libres en excès dans le semiconducteur sans limitation par le temps de recombinaison. Le régime d’accumulation consiste à attirer les porteurs libres majoritaires par un champ électrostatique à proximité d’une interface avec un isolant intégré dans le guide d’onde optique. En effet, les porteurs s’accumulent aux interfaces plutôt que de traverser la jonction. C’est le cœur du sujet de cette thèse et l’état de l’art de ces structures sera présenté dans la partie III - de ce chapitre.
b. Effets Franz-Keldysh et QCSE
Les modulateurs à électro-absorption travaillent à proximité du bord de la bande interdite. L’absorption inter-bande couplée à des phénomènes excitoniques permettent d’obtenir une absorp-tion importante et modulable en tension. Aux longueurs d’onde Datacom, l’énergie de la bande interdite du silicium est trop élevée, de sorte que l’absorption inter-bandes n’existe pas. Il faut intégrer du germanium, par épitaxie de SiGe riche en Ge. L’application d’un champ électrique fort génère ensuite des distorsions de bandes qui changent le coefficient d’absorption par les excitons. Ce phénomène est référencé comme l’effet Franz-Keldysh [107].
Figure 1.28 – Mesure de l’effet QCSE : fonctions d’onde pour les électrons (vallées L et ) en haut à gauche et pour les trous lourds (HH) et légers (LH) en bas à gauche, observations du décalage du spectre d’absorption dû aux transitions ≠ HH (indiqué par les flèches vertes) en fonction de la tension et de la contrainte (propagation TE parallèlement aux interfaces) [108, 109]
II - Les transmetteurs photoniques sur silicium
Figure 1.29 – Description d’une architecture émetteur-récepteur utilisant les puits quantiques en tant que modulateur et récepteur, et mesure de photo-courant associé, dépendant de la tension et de la longueur d’onde
Étant basé sur l’absorption et la variation du coefficient d’absorption de la région active, la même structure peut être utilisée pour la modulation optique par effet QCSE et pour la photo-détection [110, 117]. Un lien complet modulateur/ guide d’onde/ photodétecteur a ainsi pu être réalisé (figure 1.29) [118].
Après avoir montré la composition des produits photoniques sur silicium commerciaux, j’ai montré ce que propose la communauté pour augmenter les débits de données des modulateurs à jonction. Des solutions plus amonts ont été présentées, montrant l’étendue des effets physiques électro-optiques exploitables en photonique sur silicium. Je vais maintenant m’intéresser au cœur de mes travaux de recherche : le modulateur capacitif en silicium.
III - Le modulateur capacitif
1. Introduction
(a) (b)
Figure 1.30 – Représentation schématique de la région active d’un modulateur capacitif : (1.30a) schéma de principe, (1.30b) défi d’intégration à relever
Le principe du modulateur capacitif est d’insérer un isolant dans le guide d’onde pour isoler les électrodes P et N (figure 1.30). Cet isolant jouera le rôle de barrière diélectrique empêchant les porteurs libres de diffuser vers la région de dopage opposé où ils sont minoritaires et soumis aux mécanismes de recombinaison. On obtient un régime d’accumulation de charges aux bornes de l’isolant, qui modulent l’indice effectif du mode optique en interaction avec les porteurs libres.
Ce régime, inaccessible aux jonctions PN, montre un bon compromis entre régimes de dé-plétion et d’injection. Il ne nécessite pas d’injection de porteurs, donc aucun courant continu n’augmente la consommation électrique du modulateur. De plus les porteurs libres sont toujours majoritaires, aucun niveau ne leur est accessible pour la recombinaison, il n’y a pas de limitation de vitesse intrinsèque due au temps de vie des porteurs comme pour une jonction PIN en injec-tion. Enfin, la charge d’accumulation est très localisée à l’interface avec l’isolant, par opposition à l’extension spatiale de la largeur de déplétion. Si la conception est soignée, la zone de variation de charge se retrouve au centre du mode optique, ce qui maximise le recouvrement électro-optique et donc l’efficacité de modulation.
L’apport majeur des modulateurs capacitifs est leur efficacité, contrôlée via la charge d’ac-cumulation. Contrairement au régime de déplétion, la charge d’accumulation excède largement les densités de porteurs majoritaires dans les zones neutres. Par ailleurs, cette charge est inversement proportionnelle à l’épaisseur de l’isolant. En effet, si l’isolant est plus fin, le champ électrostatique qui y réside est plus fort, attirant davantage de charges. Le pendant de ce régime a priori plus efficace est le temps de charge de la capacité de l’isolant. Celle-ci augmente si le nombre de charges à accumuler est trop important par rapport à la durée du symbole à transmettre.
III - Le modulateur capacitif
2. Etat de l’art
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
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
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
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.
