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 dans la technologie du silicium à 90 nm, et la 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 centro-symétrique. 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. Néanmoins, des débits de données de 10 Gbit/s ont été générés à l'aide d'une préaccentuation du signal électrique [4]. En utilisant à la place des jonctions polarisées en inverse, la bande passante a été augmentée jusqu'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 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 présenté sur la figure 1 (a). Il se compose d'un guide d'onde à fente guidant le champ optique et de deux bandes de silicium qui connectent électriquement le guide d'onde optique aux électrodes métalliques. Les électrodes sont situées en dehors du champ modal optique pour éviter les pertes optiques [13], Fig. 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 chute à travers la fente grâce aux bandes conductrices de silicium. Le champ électrique résultant modifie ensuite l’indice de réfraction dans la fente grâce à l’effet électro-optique ultra-rapide. La fente ayant une largeur de l'ordre de 100 nm, quelques volts suffisent pour générer des champs modulants très puissants qui sont de l'ordre de grandeur de la rigidité diélectrique de la plupart des matériaux. La structure a une efficacité de modulation élevée puisque les champs de modulation et optiques sont concentrés à l'intérieur de la fente, Fig. 1 (b) [14]. En effet, les premières implémentations de modulateurs SOH avec fonctionnement sub-volt [11] ont déjà été montrées, et une modulation sinusoïdale jusqu'à 40 GHz a été démontrée [15,16]. Cependant, le défi dans la construction de modulateurs SOH haute vitesse basse tension 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]. Alors que le dopage augmente la conductivité des bandes de silicium (et augmente donc les pertes optiques), on paie une pénalité de perte supplémentaire car la mobilité électronique 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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Heure de publication : 29 mars 2023