élément actif photonique sur silicium

élément actif photonique sur silicium

Les composants actifs photoniques désignent spécifiquement les interactions dynamiques intentionnellement conçues entre la lumière et la matière. Un composant actif photonique typique est un modulateur optique. Tous les modulateurs optiques actuels sont à base de silicium.modulateurs optiquessont basés sur l'effet des porteurs libres du plasma. Modifier le nombre d'électrons et de trous libres dans un matériau à base de silicium par dopage, méthodes électriques ou optiques, permet de modifier son indice de réfraction complexe. Ce processus est décrit par les équations (1,2), obtenues par ajustement des données de Soref et Bennett à une longueur d'onde de 1550 nanomètres. Comparés aux électrons, les trous contribuent davantage aux variations des parties réelle et imaginaire de l'indice de réfraction ; autrement dit, ils peuvent induire un déphasage plus important pour une variation de perte donnée.modulateurs Mach-Zehnderet pour les modulateurs en anneau, on préfère généralement utiliser des trous pour réalisermodulateurs de phase.

Les différentsmodulateur en silicium (Si)Les différents types de modulateurs sont illustrés sur la figure 10A. Dans un modulateur à injection de porteurs, la lumière est injectée dans le silicium intrinsèque au sein d'une jonction PIN très large, et des électrons et des trous y sont injectés. Cependant, ces modulateurs sont plus lents, avec une bande passante typique de 500 MHz, car la recombinaison des électrons et des trous libres après injection est plus longue. C'est pourquoi cette structure est souvent utilisée comme atténuateur optique variable (AOV) plutôt que comme modulateur. Dans un modulateur à déplétion de porteurs, la lumière est injectée dans une jonction pn étroite, et la largeur de la zone de déplétion de cette jonction est modifiée par un champ électrique appliqué. Ce modulateur peut fonctionner à des vitesses supérieures à 50 Gbit/s, mais présente des pertes d'insertion importantes. La tension de seuil typique est de 2 V·cm. Un modulateur MOS (métal-oxyde-semiconducteur) contient une fine couche d'oxyde dans une jonction pn. Ce dispositif permet une certaine accumulation et une certaine déplétion des porteurs de charge, autorisant une tension VπL plus faible, d'environ 0,2 V·cm, mais présente l'inconvénient de pertes optiques et d'une capacité linéique plus élevées. Par ailleurs, il existe des modulateurs d'absorption électrique en SiGe, basés sur le déplacement de la bande d'absorption de ce matériau (alliage silicium-germanium). De plus, certains modulateurs à base de graphène utilisent ce dernier pour commuter entre métaux absorbants et isolants transparents. Ces exemples illustrent la diversité des applications de différents mécanismes permettant une modulation de signal optique à haute vitesse et à faibles pertes.

Figure 10 : (A) Diagramme en coupe de différentes conceptions de modulateurs optiques à base de silicium et (B) diagramme en coupe de conceptions de détecteurs optiques.

Plusieurs détecteurs de lumière à base de silicium sont présentés sur la figure 10B. Le matériau absorbant est le germanium (Ge). Le Ge est capable d'absorber la lumière jusqu'à des longueurs d'onde d'environ 1,6 micron. La structure PIN la plus répandue commercialement à ce jour est représentée à gauche. Elle est composée de silicium dopé de type P sur lequel du Ge est déposé. Le Ge et le Si présentent un désaccord de maille de 4 %, et afin de minimiser les dislocations, une fine couche de SiGe est d'abord déposée comme couche tampon. Un dopage de type N est ensuite réalisé sur la couche de Ge. Une photodiode métal-semiconducteur-métal (MSM) est représentée au centre, et une APD (photodétecteur d'avalanche) est illustrée à droite. La zone d'avalanche dans la photodiode à avalanche (APD) se situe dans le silicium, qui présente des caractéristiques de bruit plus faibles que la zone d'avalanche dans les matériaux élémentaires du groupe III-V.

À l'heure actuelle, aucune solution ne présente d'avantage évident pour l'intégration du gain optique à la photonique sur silicium. La figure 11 illustre plusieurs options possibles, classées par niveau d'assemblage. À l'extrême gauche figurent les intégrations monolithiques, qui utilisent du germanium (Ge) épitaxié comme matériau à gain optique, des guides d'ondes en verre dopé à l'erbium (Er) (tels que l'Al₂O₃, nécessitant un pompage optique) et des points quantiques d'arséniure de gallium (GaAs) épitaxiés. La colonne suivante décrit l'assemblage plaquette à plaquette, impliquant la liaison d'oxydes et de composés organiques dans la région de gain du groupe III-V. La colonne suivante présente l'assemblage puce à plaquette, qui consiste à intégrer la puce du groupe III-V dans la cavité de la plaquette de silicium, puis à usiner la structure du guide d'ondes. L'avantage de cette première approche (trois colonnes) réside dans la possibilité de tester pleinement le fonctionnement du dispositif à l'intérieur de la plaquette avant la découpe. La colonne de droite concerne l'assemblage puce à puce, incluant le couplage direct de puces de silicium à des puces du groupe III-V, ainsi que le couplage via des coupleurs à lentilles et à réseaux. La tendance des applications commerciales se déplace de la droite vers la gauche du graphique, vers des solutions plus intégrées.

Figure 11 : Intégration du gain optique dans la photonique sur silicium. De gauche à droite, le point d’insertion de la fabrication recule progressivement dans le processus.