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42.modulateur électro-optique 7 Gbit/S en technologie silicium

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42.modulateur électro-optique 7 Gbit/S en technologie silicium

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L'une des propriétés les plus importantes d'un modulateur optique est sa vitesse de modulation ou sa largeur de bande, 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 90 nm, et la vitesse augmentera encore à mesure que la taille minimale des caractéristiques sera réduite [1]. Cependant, la largeur de bande 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 déformé a déjà donné des résultats intéressants [2], mais les non-linéarités ne permettent pas encore de réaliser des dispositifs pratiques. Les modulateurs photoniques en silicium les plus récents 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 vers l'avant présentent un produit tension-longueur aussi bas 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 des jonctions à polarisation inverse, la largeur de bande a été augmentée à environ 30 GHz [5,6], mais le produit voltagelongueur a augmenté jusqu'à VπL = 40 V mm. Malheureusement, ces modulateurs de phase à effet plasma produisent également une modulation d'intensité indésirable [7], et ils réagissent de manière non linéaire à la tension appliquée. Les formats de modulation avancés tels que la MAQ exigent toutefois 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 proposée [9-12]. La figure 1(a) présente un exemple de modulateur SOH. Il se compose d'un guide d'ondes à fente qui guide le champ optique et de deux bandes de silicium qui relient 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], 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 retombe à travers la fente grâce aux bandes de silicium conductrices. Le champ électrique qui en résulte modifie l'indice de réfraction dans la fente par un effet électro-optique ultra-rapide. Comme la fente a 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 grande efficacité de modulation puisque les champs modulants et optiques sont concentrés à l'intérieur de la fente, Fig. 1(b) [14]. En effet, les premières mises en œuvre de modulateurs SOH fonctionnant sous tension [11] ont déjà été montrées, et la modulation sinusoïdale jusqu'à 40 GHz a été démontrée [15,16]. Cependant, le défi dans la construction de modulateurs SOH à haute vitesse et à 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 largeur de bande du dispositif [10,14,17,18]. Afin de réduire 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 faut payer une pénalité supplémentaire pour les pertes car la mobilité des électrons est altérée par la diffusion des impuretés [10,14,19]. En outre, les tentatives de fabrication les plus récentes ont montré une conductivité étonnamment faible.