L'une des propriétés les plus importantes d'un modulateur optique est sa vitesse de modulation, ou bande passante, qui doit être au moins aussi rapide que l'électronique disponible. Des transistors ayant des fréquences de transit bien supérieures à 100 GHz ont déjà été démontrés en technologie silicium 90 nm, et cette vitesse augmentera encore à mesure que la taille minimale des caractéristiques sera réduite [1]. Cependant, la bande passante des modulateurs actuels à base de silicium est limitée. Le silicium ne possède pas de non-linéarité χ(2) en raison de sa structure cristalline centrosymétrique. L'utilisation de silicium contraint a déjà conduit à des résultats intéressants [2], mais les non-linéarités ne permettent pas encore de réaliser des dispositifs pratiques. Les modulateurs photoniques au silicium de pointe reposent donc toujours sur la dispersion des porteurs libres dans les jonctions pn ou pin [3–5]. Il a été démontré que les jonctions polarisées en direct présentent un produit tension-longueur aussi faible que VπL = 0,36 V·mm, mais la vitesse de modulation est limitée par la dynamique des porteurs minoritaires. Français Pourtant, des débits de données de 10 Gbit/s ont été générés à l'aide d'une préaccentuation du signal électrique [4]. En utilisant des jonctions polarisées en inverse à la place, la bande passante a été augmentée à environ 30 GHz [5,6], mais le produit tension-longueur est passé à VπL = 40 V mm. Malheureusement, de tels modulateurs de phase à effet plasma produisent également une modulation d'intensité indésirable [7], et ils répondent de manière non linéaire à la tension appliquée. Les formats de modulation avancés comme QAM nécessitent, cependant, une réponse linéaire et une modulation de phase pure, ce qui rend l'exploitation de l'effet électro-optique (effet Pockels [8]) particulièrement souhaitable.
2. Approche SOH
Récemment, l'approche hybride silicium-organique (SOH) a été suggérée [9–12]. Un exemple de modulateur SOH est illustré à la figure 1(a). Il se compose d'un guide d'ondes à fente guidant le champ optique et de deux bandes de silicium qui connectent électriquement le guide d'ondes optique aux électrodes métalliques. Les électrodes sont situées en dehors du champ modal optique pour éviter les pertes optiques [13], figure 1(b). Le dispositif est recouvert d'un matériau organique électro-optique qui remplit uniformément la fente. La tension de modulation est transportée par le guide d'ondes électrique métallique et décroît à travers la fente grâce aux bandes de silicium conductrices. Le champ électrique résultant modifie ensuite l'indice de réfraction dans la fente par effet électro-optique ultra-rapide. La fente ayant une largeur de l'ordre de 100 nm, quelques volts suffisent à générer des champs de modulation très puissants, de l'ordre de grandeur de la rigidité diélectrique de la plupart des matériaux. La structure présente une efficacité de modulation élevée, car les champs modulant et optique sont concentrés à l'intérieur de la fente (Fig. 1(b) [14]. En effet, les premières implémentations de modulateurs SOH fonctionnant en sous-volt [11] ont déjà été présentées, et une modulation sinusoïdale jusqu'à 40 GHz a été démontrée [15,16]. Cependant, le défi de la construction de modulateurs SOH basse tension et haute vitesse est de créer une bande de connexion hautement conductrice. Dans un circuit équivalent, la fente peut être représentée par un condensateur C et les bandes conductrices par des résistances R (Fig. 1(b). La constante de temps RC correspondante détermine la bande passante du dispositif [10,14,17,18]. Afin de diminuer la résistance R, il a été suggéré de doper les bandes de silicium [10,14]. Si le dopage augmente la conductivité des bandes de silicium (et donc les pertes optiques), il entraîne une pénalité de perte supplémentaire car la mobilité des électrons est altérée par la diffusion des impuretés [10,14,19]. De plus, les tentatives de fabrication les plus récentes ont montré une conductivité étonnamment faible.
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Date de publication : 29 mars 2023