Modulation optique de phase par effet Pockels dans le silicium

L'évolution des performances des réseaux de communication optique classiques et quantiques, des systèmes informatiques, des circuits de détection (y compris gyroscopes et lidars), ainsi que des circuits intégrés, nécessite le développement de modulateurs optiques en phase pure compatibles avec les plateformes photoniques en silicium. Répondre à ce besoin permettra de relever les défis majeurs dans diverses applications (détection, photonique quantique, communications optiques) où la photonique sur silicium pourrait jouer un rôle transformateur. Le potentiel du silicium pour la photonique a été reconnu pour surmonter les limitations d'efficacité des interconnexions, tout en offrant une plateforme polyvalente pour résoudre les problèmes émergents dans des domaines tels que le Lidar et la photonique quantique. Malgré des avancées dans les modulateurs électro-optiques en silicium, les photodétecteurs en germanium et les lasers III-V sur silicium, plusieurs défis demeurent, notamment l'intégration de ces éléments sur une seule puce, l'amélioration de l'efficacité énergétique des modulateurs optiques et la réalisation d'une modulation optique en phase pure. Toutefois, le silicium étant un matériau centrosymétrique, il ne présente pas de non-linéarités optiques de second ordre, ce qui signifie qu'il n'y a pas d'effet Pockels intrinsèque. Pour surmonter cette limitation, une contrainte mécanique peut être appliquée au silicium afin de briser sa centrosymétrie et induire ainsi des non-linéarités de second ordre. Des preuves de concept récentes ont démontré des vitesses de modulation allant jusqu'à 20 GHz en utilisant des couches de contrainte en nitrure de silicium déposées par PECVD sur du silicium. Cette thèse se concentre sur l'optimisation de l'effet Pockels induit par la contrainte et sur la conception des électrodes. La première partie explore en profondeur le potentiel du silicium contraint comme plateforme pour induire l'effet Pockels par contrainte mécanique. Diverses structures de guides d'ondes optiques, telles que les guides bidimensionnels et les guides à fente, ont été explorées, mais la conception initiale du guide d'ondes issue des travaux précédents s'est avérée la plus efficace pour maximiser le tenseur de Pockels. De plus, des électrodes à ondes lentes ont été proposées pour augmenter la bande passante des modulateurs électro-optiques en réduisant l'inadéquation de vitesse entre les modes RF et optiques. Les résultats préliminaires suggèrent que cette méthode pourrait améliorer la bande passante, bien que les dispositifs fabriqués—utilisant du nitrure de silicium pour la contrainte—aient révélé que les effets de dispersion du plasme et les mécanismes d'absorption par les porteurs dominaient l'effet Pockels attendu. Aucun effet Pockels n'a été détecté, principalement en raison de l'influence des porteurs sur le processus de modulation.Face à ces limitations, la thèse s'oriente vers une autre approche. Bien que les contraintes induites par dépôt de nitrure de silicium aient été largement étudiées, elles se sont révélées inadaptées pour des modulateurs Pockels fiables en raison de problèmes comme les charges de surface et les pièges d'interface. La seconde moitié du travail explore donc l'étude et la validation expérimentale des modulateurs DC Kerr, offrant une solution prometteuse pour la modulation de phase pure et les applications à haute vitesse. Les modulations Kerr ont été quantifiées grâce à un nouveau protocole expérimental distinguant les contributions de l'effet Kerr de celles de la dispersion du plasme dans les modulations à haute vitesse. Les résultats expérimentaux ont montré que la modulation dans les dispositifs étudiés était exclusivement due à l'effet DC Kerr, permettant de démontrer un diagramme de l'œil ouvert à 100 Gbits/s. Cette avancée ouvre la voie à de futurs modulateurs en silicium exploitant l'effet DC Kerr pour des applications à haute vitesse.