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 présentant des fréquences de transit largement supérieures à 100 GHz ont déjà été réalisés en technologie silicium 90 nm, et cette vitesse augmentera encore avec la réduction de la taille minimale des composants [1]. Cependant, la bande passante des modulateurs actuels à base de silicium est limitée. Le silicium ne présente 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 la réalisation de dispositifs pratiques. Les modulateurs photoniques en silicium les plus performants 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 obtenus grâce à une préaccentuation du signal électrique [4]. L'utilisation de jonctions polarisées en inverse a permis d'augmenter la bande passante à environ 30 GHz [5,6], mais le produit tension-longueur a alors atteint VπL = 40 V/mm. Malheureusement, ces modulateurs de phase à effet plasma produisent également une modulation d'intensité indésirable [7] et leur réponse à la tension appliquée est non linéaire. Or, les formats de modulation avancés tels que la modulation QAM requièrent une réponse linéaire et une modulation de phase pure, ce qui rend l'exploitation de l'effet électro-optique (effet Pockels [8]) particulièrement intéressante.
2. Approche SOH
Récemment, l'approche hybride silicium-organique (SOH) a été proposée [9–12]. Un exemple de modulateur SOH est présenté sur la figure 1(a). Il est constitué d'un guide d'ondes à fente guidant le champ optique et de deux bandes de silicium assurant la connexion électrique entre ce guide d'ondes et des électrodes métalliques. Ces électrodes sont situées hors du champ modal optique afin de minimiser les pertes optiques [13] (figure 1(b)). Le dispositif est recouvert d'un matériau électro-optique organique qui remplit uniformément la fente. La tension de modulation est véhiculée par le guide d'ondes métallique et s'atténue aux bornes de la fente grâce aux bandes de silicium conductrices. Le champ électrique ainsi généré modifie l'indice de réfraction dans la fente par effet électro-optique ultrarapide. La largeur de la fente étant de l'ordre de 100 nm, quelques volts suffisent à générer des champs de modulation très intenses, de l'ordre de grandeur de la rigidité diélectrique de la plupart des matériaux. Cette structure présente une efficacité de modulation élevée, car les champs de modulation et optique sont concentrés à l'intérieur de la fente (Fig. 1(b)) [14]. De fait, les premières réalisations de modulateurs SOH fonctionnant sous une tension inférieure à 1 volt [11] ont déjà été présentées, et une modulation sinusoïdale jusqu'à 40 GHz a été démontrée [15,16]. Cependant, la difficulté de réaliser des modulateurs SOH basse tension et haute vitesse réside dans la création d'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]. Bien que le dopage augmente la conductivité des bandes de silicium (et donc les pertes optiques), il induit une perte supplémentaire due à la diminution de la mobilité des électrons par diffusion sur les 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