Etude des composants nanophotoniques pour les interconnexions optiques sur silicium

Abstract

L'augmentation des fréquences de fonctionnement des circuits intégrés rend de plus en plus problématique l'utilisation d'interconnexions métalliques et requiert l'introduction de nouveaux types de liaisons telles que les liens optiques. Le premier objectif de cette thèse a été de montrer la faisabilité d'un lien optique en utilisant un procédé technologique compatible CMOS. Les principaux résultats obtenus concernent le développement de deux nouvelles filières de matériaux bas cout déposés par un procédé PECVD basse température : le nitrure de silicium (SiNx) et silicium amorphe (a-Si:H). Des guides rubans compacts ont été fabriqués et les pertes optiques mesurées de 2,2dB/cm et 5,5dB/cm respectivement à longueur d'onde de 1,3 m pour la filière nitrure et silicium amorphe sont à l'état de l'art mondial. La réalisation de composants élémentaires d'optique intégrée compact tel que des virages et des diviseurs de faisceaux de type MMI ont permis d'obtenir un premier lien optique de 1 vers 8 validant ainsi l'approche retenue dans ce travail. Afin de réaliser une intégration monolithique des sources et des photodétecteurs III-V peuvent être reportés sur le circuit optique par un procédé de collage de plaque par adhésion moléculaire. L'approche originale retenue lors de ce travail de thèse a consisté à utiliser des coupleurs guide à guide compacts pour le transfert de la lumière entre la couche active III-V et le circuit optique passif. L'efficacité de couplage obtenue est de 60%. Le codage de l'information dans un circuit optique nécessite l'emploi de modulateurs de lumière. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à l'étude des cavités résonantes permettant d'accroître les performances des modulateurs optiques à base de silicium. Compte tenu de la faible variation d'indice de réfraction induit par des effets électro-optique dans le silicium, ces effets sont renforcés par l'utilisation de microcavités et de structures diffractives (cristaux photonique unidimensionnel). Ces approches permettent de réduire de manière significative les dimensions des composants et augmenter leur fréquence d'utilisation. Pour la réalisation d'un modulateur otpique intégré, les résonateurs en anneaux de type stade et les cavités Fabry-Pérot sont les deux des structures résonantes explorés conduisant à des dispositifs compacts fabriquées dans une technologie de guide en arête. Sur le résonateur en anneau de type stade, le facteur de qualité de 5200 a été obtenu, et il a été montré que celui-ci est suffisant pour assurer une modélisation efficace dans le silicium.The increasing frequency of integrated circuits makes it problematic the use of metal interconncetions and requires the introduction o new types of connections such as optical link. The first objective of this thesis was to show the feasibility of an optical link using a CMOS compatible process technology. The main results concern the development of two new low-cost materials deposited by a low temperature process (PECVD) : the silicon nitride (SiNx) and amorphous silicon (a-Si :H). the compact strip waveguides were fabricated. The optical losses of 2.2 dB/cm and 5.5dB/cm at wavelength of 1.3 micrometer for silicon nitride and amorphous silicon have been measured. The realization of basic components as bends and beam splitters allows distributing the first optical link from 1 to 8. In order to transfer the light between the active layer III-V and passive optical circuit, the approach taken in this thesis was to use guide couplers. The coupling efficiency obtained is 60%. The second part of this thesis was devoted to the study of resonant cavities, which increase the performance of silicon optical modulators. The electro-optical effect is enhanced by the use of microcavities and diffraction structures. These approaches can significantly reduce the size of components and increase their working frequency. To achieve an integrated optical modulator, the racetrack resonators and Fabry-Perot cavities are the two resonant structures explored, which are manufactured in a rib waveguide. For the racetrack resonator, the quality factor of 5200 was obtained, and it was shown that it is adequate for an efficient modulation in silicon.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF