WO2006084999A1 - Modulateur a guide d’onde et procede de modulation associe - Google Patents

Modulateur a guide d’onde et procede de modulation associe Download PDF

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WO2006084999A1
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guide
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modulator
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Sylvain David
Emmanuel Hadji
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/32—Photonic crystals

Definitions

  • the invention relates to a modulator comprising a waveguide, for example an optical modulator, and an associated modulation method.
  • Modulators are devices intended to control the transmission of a wave, for example light transmission in the case of optical modulators. This concept therefore covers devices that can vary the intensity of the wave transmitted continuously or discontinuously, for example all or nothing in the case of switches.
  • Such a Mach-Zehnder device is for example described in the patent application US 2003/161565 according to which the group speed is varied in a branch of the device in order to obtain a phase shift of the signal in this branch with respect to the signal which goes through the other branch of the device.
  • the resulting wave In both cases (displacement of a resonance or interference of out of phase waves), the resulting wave, and in particular its intensity, varies according to the density of the charge carriers, which can itself be controlled by a voltage .
  • the modulations are obtained in these devices only on a narrow frequency band.
  • Mach-Zehnder devices have a relatively complex structure because they use two branches which must also be coupled to the main guide of the electromagnetic wave.
  • the invention proposes a modulator comprising a waveguide propagating an electromagnetic wave of a given wavelength with absorption, characterized by means capable of modifying the time of presence of the electromagnetic wave in the guide.
  • the waveguide is made for example in an absorbent material at the given wavelength.
  • the waveguide may also comprise, for example, nanostructures, which may be quantum dots or quantum wells of semiconductor material.
  • the waveguide may have a periodic variation of the dielectric permittivity, which makes it possible to benefit from the physical properties of a dispersive structure, in particular the existence of slow propagation modes at the boundary or Brillouin zone center.
  • the waveguide is a photonic crystal guide.
  • Such a guide can for example be made by silicon die processes, which simplifies the integration of the modulator into a component.
  • It can also be a guide type "rib” or "ridge” whose edges have a sinusoidal shape.
  • the means capable of modifying the time of presence may in practice comprise means capable of modifying the refractive index of the electromagnetic wave in the guide. This solution makes it possible to reduce the group velocity by modifying the index, and this very importantly when one considers the case of the slow propagation modes mentioned above.
  • the means capable of modifying the refractive index may comprise an electrical junction. This solution is also advantageous for integration into a component.
  • the invention also proposes a method of modulating an electromagnetic wave having a given wavelength and propagating in an absorption waveguide, characterized in that it comprises a step of modifying the time of presence of the electromagnetic wave. electromagnetic wave in the guide.
  • the step of modifying the presence time is for example obtained by modifying the refractive index of the electromagnetic wave in the waveguide.
  • Such a method optionally possesses the characteristics and advantages already mentioned above with regard to the modulator.
  • FIG. 1 represents a modulator produced in accordance with the teachings of the invention
  • FIG. 2 represents a sectional view of the modulator of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows dispersion curves illustrating the operation of the device of FIG. 1.
  • the modulator shown in FIG. 1 is an optical modulator which comprises an input region 2, a waveguide (here an optical guide) 4 and an output region 6.
  • the guide 4 is formed in a photonic crystal 8 (made for example by periodic holes in a semiconductor material) and thus has a periodic variation of the dielectric permittivity.
  • the waveguide 4 comprises nanostructures, for example quantum germanium on silicon (Ge / Si) boxes 5 (see FIG. 2), which allow absorption of the electromagnetic wave to be transmitted. Alternatively, this absorption could be obtained by choosing an absorbent material to make the guide.
  • Ga / Si quantum germanium on silicon
  • the intrinsic absorption of the materials is typically of the order of 1 cm -1 to 10 cm -1 .
  • the photonic crystal 8 is placed in an electrical junction 11 to which an electric voltage can be applied to the means of two contacts 10, 12 located on either side of the photonic crystal 8.
  • FIG. 2 represents a sectional view of the modulator which has just been described, in which the structure of the electrical junction 11 clearly appears.
  • the electrical junction 11 is for example deposited on a substrate 20 with the interposition of an optical index layer. lower than the material of the electrical junction, for example an oxide layer 22, in particular of silicon oxide.
  • the electrical junction is formed of a first layer 18 made of doped semiconductor (here Si-p) and deposited on the oxide layer 22 and in electrical contact with the contact 12, a second layer made of material semiconductor (here in Si) and deposited on the first layer 18, however without contact with the contact 12, and a third layer 14 doped semiconductor (here Si-n) and deposited on the second layer 16 without not entering contact with the contact 12.
  • the contact 10 is deposited directly on the third layer 14, for joining this layer to ground according to the example shown in FIG.
  • a second oxide layer 24 optionally covers the third layer 14.
  • the first layer 18, the second layer 16 and the third layer 14 are traversed at regular intervals by recesses which form the holes of the photonic crystal 8 already mentioned.
  • the second layer 16 made of semiconductor material comprises nanostructures (here quantum boxes 5) which generate absorption in the guide as already mentioned.
  • the propagation of the electromagnetic wave in the photonic crystal guide 4 takes place with a group velocity determined by the slope at a point of a dispersion curve as shown in FIG.
  • FIG. 3 illustrates the case where the charge carrier depletion (obtained thanks to the electrical junction 11) of relatively high-speed germanium-on-silicon quantum wells or boxes is used, in which case part of the dispersion curve is used. concavity turned down. However, depending on the material and absorption process used, one could use a concavity curve portion facing upwards.
  • the dispersion curve of the waveguide 4 (which represents the energy as a function of the propagated mode wave vector) is not a straight line and therefore has a variable slope which cancels out at least one point due to the presence of optical modes of the photonic crystal 8 coupled to each other via the periodic character of the dielectric constant of this photonic crystal 8 (ie due to the band structure energy of the scatter plot).
  • the energy displacement of the dispersion curve can be such that the slope of this curve at the point corresponding to the wavelength ⁇ considered becomes zero or almost zero, without requiring the application a high voltage due to the large curvature of the dispersion curve.
  • This phenomenon makes it possible to reduce very significantly (division by 100) the group velocity of the wave propagated in the guide.
  • the group speed can in fact be reduced from c / 3 to c / 100, or even c / 1000 (where c is the celerity of light).
  • the very significant slowing of the light thus generated allows a corresponding increase in the time of presence of the electromagnetic wave in the guide, which leads to a very strong increase in the absorption generated overall by the passage of light through the guide. wave 4.
  • the term - can become very important because of the periodic variation of the dielectric permittivity as already explained.
  • the structure shown in FIG. 1, which comprises a single waveguide, can thus be used as an optical modulator without requiring the addition of a resonant structure or that of a parallel guide, as in devices of the Mach-Zehnder type. which avoids diffraction losses and widens the usable spectral range. It is further noted that the modification of the density of the charge carriers in the junction 11 in itself makes it possible to control the absorption of this material, in particular at the level of the guide 4 thanks to the quantum boxes 5.
  • the arrangement of the photonic crystal guide 4 within the junction 11 thus makes it possible to combine the two following effects in order to modulate the transmission by the guide when a voltage is applied to the junction:
  • the modulation of the propagation speed of the guided optical mode in order to increase the time of presence of the wave and thus to amplify the phenomenon of absorption by the guide.

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Abstract

L'invention concerne un modulateur comprenant un guide d'onde (4) propageant une onde électromagnétique de longueur d'onde donnée (λ) avec absorption. Des moyens tels qu'une jonction électrique (11 ) permettent de modifier le temps de présence de l'onde électromagnétique dans le guide. Un procédé de modulation correspondant est également proposé.

Description

Modulateur à guide d'onde et procédé de modulation associé
L'invention concerne un modulateur comprenant un guide d'onde, par exemple un modulateur optique, et un procédé de modulation associé.
Les modulateurs sont des dispositifs qui ont pour objet de contrôler la transmission d'une onde, par exemple la transmission de lumière dans le cas des modulateurs optiques. Cette notion recouvre donc les dispositifs qui peuvent faire varier l'intensité de l'onde transmise de manière continue, ou discontinue, par exemple en tout ou rien dans le cas des commutateurs.
On cherche de nos jours à concevoir ces modulateurs avec une structure telle qu'ils puissent être intégrés aux composants fabriqués dans la filière silicium en vue d'une simplification de la fabrication de l'ensemble et d'une réduction de la taille de celui-ci.
Dans ce contexte, il a déjà été proposé de modifier l'indice de réfraction d'un matériau par injection ou déplétion de porteurs de charge, comme décrit par exemple dans le document EP 1 403 684. Une telle modification de l'indice peut entraîner le déplacement spectral d'une résonance du guide d'onde ou un déphasage de l'onde, que l'on fait alors généralement interférer avec une onde non déphasée (dispositif de Mach-Zehnder).
Un tel dispositif de Mach-Zehnder est par exemple décrit dans la demande de brevet US 2003/161565 selon lequel on fait varier la vitesse de groupe dans une branche du dispositif afin d'obtenir un déphasage du signal dans cette branche par rapport au signal qui parcourt l'autre branche du dispositif.
Dans les deux cas (déplacement d'une résonance ou interférence d'ondes déphasées), l'onde résultante, et notamment son intensité, varie en fonction de la densité des porteurs de charge, qui peut elle-même être commandée par une tension électrique. Toutefois, du fait des phénomènes physiques utilisés, les modulations ne sont obtenues dans ces dispositifs que sur une bande étroite de fréquence. Par ailleurs, les dispositifs de Mach-Zehnder ont une structure relativement complexe du fait qu'ils utilisent deux branches qui doivent de plus être couplées au guide principal de l'onde électromagnétique.
Il a également été proposé de moduler l'absorption d'un matériau de façon à moduler directement l'intensité de l'onde qui le traverse. De telles solutions ont été proposées par exemple dans les articles "Current induced intersubband absorption in GaAs/GaAIAs quantum wells", de A. Fenigstein et al. in PPL. Phys. Lett. 66 (19) du 8 mai 1995 et "Electromodulation of the interband and intraband absorption of Ge/Si cells assembled islands", de M. Elkurdi et al. in Physica E16 (2003) 450/454. Toutefois, la faible absorption des matériaux de la filière silicium ne permet pas de générer une modulation forte de l'intensité de l'onde transmise grâce aux techniques connues, qui ne rendent donc pas possible la réalisation d'un modulateur efficace et compact.
Afin notamment de surmonter ces problèmes, l'invention propose un modulateur comprenant un guide d'onde propageant une onde électromagnétique de longueur d'onde donnée avec absorption, caractérisé par des moyens aptes à modifier le temps de présence de l'onde électromagnétique dans le guide.
On peut ainsi amplifier le phénomène d'absorption de l'onde électromagnétique en augmentant le temps de présence de celle-ci dans le guide et obtenir ainsi une absorption résultante relativement importante, même lorsque l'absorption intrinsèque du matériau du guide est relativement faible.
Le guide d'onde est réalisé par exemple dans un matériau absorbant à la longueur d'onde donnée.
Le guide d'onde peut également comporter par exemple des nanostructures, qui peuvent être des boîtes quantiques ou des puits quantiques de matériau semi-conducteur.
Ces deux techniques, éventuellement compatibles, permettent d'obtenir un guide d'onde avec une absorption intrinsèque non négligeable, qui peut toutefois être relativement faible comme déjà indiqué. Le guide d'onde peut présenter une variation périodique de la permittivité diélectrique, ce qui permet de bénéficier des propriétés physiques d'une structure dispersive, en particulier de l'existence de modes de propagation lents en limite ou centre de zone de Brillouin. Selon un mode possible de mise en œuvre, le guide d'onde est un guide à cristal photonique. Un tel guide peut par exemple être réalisé par les procédés de la filière silicium, ce qui simplifie l'intégration du modulateur à un composant.
Il peut également s'agir d'un guide de type "rib" ou "ridge" dont les bords présentent une forme sinusoïdale.
Les moyens aptes à modifier le temps de présence peuvent comprendre en pratique des moyens aptes à modifier l'indice de réfraction de l'onde électromagnétique dans le guide. Cette solution permet de réduire la vitesse de groupe par la modification de l'indice, et ce de manière très importante lorsque l'on se place dans le cas des modes de propagation lents évoqués ci-dessus.
Selon un mode possible de réalisation, les moyens aptes à modifier l'indice de réfraction peuvent comprendre une jonction électrique. Cette solution est également avantageuse en vue de l'intégration dans un composant.
L'invention propose également un procédé de modulation d'une onde électromagnétique ayant une longueur d'onde donnée et se propageant dans un guide d'onde avec absorption, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de modification du temps de présence de l'onde électromagnétique dans le guide.
L'étape de modification du temps de présence est par exemple obtenue par modification de l'indice de réfraction de l'onde électromagnétique dans le guide d'onde.
Un tel procédé possède éventuellement les caractéristiques et les avantages déjà évoqués plus haut à propos du modulateur.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière de description qui suit, faites en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente un modulateur réalisé conformément aux enseignements de l'invention ;
- la figure 2 représente une vue en coupe du modulateur de la figure 1 ;
- la figure 3 présente des courbes de dispersion illustrant le fonctionnement du dispositif de la figure 1.
Le modulateur représenté à la figure 1 est un modulateur optique qui comprend une région d'entrée 2, un guide d'onde (ici un guide optique) 4 et une région de sortie 6. Le guide 4 est formé dans un cristal photonique 8 (réalisé par exemple par des trous périodiques au sein d'un matériau semi-conducteur) et possède ainsi une variation périodique de la permittivité diélectrique.
Le guide d'onde 4 comporte des nanostructures, par exemple des boîtes quantiques de germanium sur silicium (Ge/Si) 5 (voir figure 2), qui permettent une absorption de l'onde électromagnétique à transmettre. En variante, cette absorption pourrait être obtenue par le choix d'un matériau absorbant pour réaliser le guide.
En technologie silicium, l'absorption intrinsèque des matériaux est typiquement de l'ordre de 1 cm'1 à 10 cm"1. Le cristal photonique 8 est placé au sein d'une jonction électrique 11 à laquelle une tension électrique peut être appliquée au moyen de deux contacts 10, 12 situés de part et d'autre du cristal photonique 8.
La figure 2 représente une vue en coupe du modulateur qui vient d'être décrit dans laquelle apparaît clairement la structure de la jonction électrique 11. La jonction électrique 11 est par exemple déposée sur un substrat 20 avec interposition d'une couche d'indice optique plus faible que le matériau de la jonction électrique, par exemple une couche d'oxyde 22, en particulier d'oxyde de silicium. La jonction électrique est formée d'une première couche 18 réalisée en semi-conducteur dopé (ici en Si-p) et déposée sur la couche d'oxyde 22 et en contact électrique avec le contact 12, d'une seconde couche réalisée en matériau semi-conducteur (ici en Si) et déposée sur la première couche 18, sans contact toutefois avec le contact 12, et d'une troisième couche 14 semi-conducteur dopé (ici en Si-n) et déposée sur la seconde couche 16 sans entrer non plus en contact avec le contact 12. En revanche, le contact 10 est déposé directement sur la troisième couche 14, pour jonction de cette couche à la masse selon l'exemple représenté à la figure 1.
Une seconde couche d'oxyde 24 recouvre éventuellement la troisième couche 14.
Comme visible sur la figure 2, la première couche 18, la seconde couche 16 et la troisième couche 14 (et éventuellement la seconde couche d'oxyde 24) sont traversées à intervalle régulier par des évidements qui forment les trous du cristal photonique 8 déjà mentionné. Par ailleurs, au niveau du guide optique 4, la seconde couche 16 en matériau semi-conducteur comporte des nanostructure (ici des boîtes quantiques 5) qui génèrent une absorption dans le guide comme déjà mentionné.
Une onde électromagnétique (par exemple lumineuse) quasi- monochromatique de longueur d'onde λ pénètre dans le guide 4 par la région d'entrée 2, est transmise à travers le cristal photonique 8 par le guide 4 avec absorption et émerge du cristal photonique 8 par la région de sortie 6.
La propagation de l'onde électromagnétique dans le guide à cristal photonique 4 a lieu avec une vitesse de groupe déterminée par la pente en un point d'une courbe de dispersion telle que représentée à la figure 3.
La figure 3 illustre le cas où l'on utilise la déplétion en porteurs de charge (obtenue grâce à la jonction électrique 11) de puits ou boîtes quantiques de germanium sur silicium, relativement rapide, auquel cas on utilise une partie de la courbe de dispersion à concavité tournée vers le bas. Toutefois, selon le matériau et le processus d'absorption utilisés, on pourrait utiliser une partie de courbe à concavité tournée vers le haut.
Le cristal photonique 8 étant une structure dispersive, la courbe de dispersion du guide d'onde 4 (qui représente l'énergie en fonction du vecteur d'onde du mode propagé) n'est pas une droite et présente donc une pente variable qui s'annule en au moins un point du fait de la présence de modes optiques du cristal photonique 8 couplés entre eux via le caractère périodique de la constante diélectrique de ce cristal photonique 8 (c'est-à-dire du fait de la structure en bandes d'énergie du diagramme de dispersion).
En appliquant une tension électrique au sein de la jonction 11 (au moyen des contacts 10, 12 comme représenté schématiquement sur la figure 1), on peut faire varier le peuplement du cristal photonique 8 en porteurs de charge et ainsi déplacer en énergie (c'est-à-dire par un décalage vertical sur la figure 3) la courbe de dispersion du guide 4, par exemple de la courbe C2 à la courbe C1 représentée en figure 2. On modifie ainsi l'indice de réfraction du mode optique au sein du guide d'onde 4, ce qui revient à modifier la vitesse de propagation de la lumière pour une longueur d'onde donnée. Comme montré à la figure 3, le déplacement en énergie de la courbe de dispersion peut être tel que la pente de cette courbe au point correspondant à la longueur d'onde λ considérée devienne nulle ou quasi-nulle, et ce sans nécessiter l'application d'une tension élevée du fait de la courbure importante de la courbe de dispersion.
Ce phénomène permet de réduire de façon très conséquente (division par 100) la vitesse de groupe de l'onde propagée dans le guide. En pratique, la vitesse de groupe peut en effet être réduite de c/3 à c/100, voire c/1000 (où c est la célérité de la lumière). Le ralentissement très important de la lumière ainsi généré permet une augmentation correspondante du temps de présence de l'onde électromagnétique dans le guide, ce qui conduit à une augmentation très forte de l'absorption générée globalement par le passage de la lumière à travers le guide d'onde 4.
L'absorption globale Og est en effet liée à l'absorption intrinsèque a{ par la relation : c% = at/vg, où vg est Ia vitesse de groupe.
Cet effet s'applique également pour les longueurs d'onde voisines de la longueur d'onde λ, pour lesquelles la pente de la courbe de dispersion est quasi- nulle et la vitesse de groupe fortement diminuée.
En effet, comme déjà mentionné, pour un guide présentant une variation périodique de la permittivité diélectrique, Ia variation du temps de présence At dans le guide n'est pas proportionnelle à la variation d'indice An (comme c'est le cas dans un guide rectiligne), mais peut augmenter de manière plus importante encore, selon les relations mathématiques : dt 9(1/ v.) At ≈ An. — = An.l. — où / est la longueur du guide et vs la vitesse de dn dn
groupe, le terme — pouvant devenir très important du fait de la variation dn périodique de la permittivité diélectrique comme déjà expliqué.
La structure présentée à la figure 1 , qui comprend un seul guide d'onde, peut ainsi être utilisée comme modulateur optique sans nécessiter l'adjonction d'une structure résonante ni celle d'un guide parallèle comme dans les dispositifs du type Mach-Zehnder, ce qui évite des pertes par diffraction et élargit la gamme spectrale utilisable. On remarque en outre que la modification de la densité des porteurs de charge dans la jonction 11 permet en elle-même de contrôler l'absorption de ce matériau, notamment au niveau du guide 4 grâce aux boîtes quantiques 5.
La disposition du guide 4 à cristal photonique 8 au sein de la jonction 11 permet donc de combiner les deux effets suivant afin de moduler la transmission par le guide lorsqu'une tension est appliquée à la jonction :
- la modulation de l'absorption intrinsèque du guide optique ;
- la modulation de la vitesse de propagation du mode optique guidé afin d'augmenter le temps de présence de l'onde et ainsi d'amplifier le phénomène d'absorption par le guide.
L'exemple donné ci-dessus ne représente naturellement qu'un mode possible de réalisation de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Modulateur comprenant un guide d'onde (4) propageant une onde électromagnétique de longueur d'onde donnée (λ) avec absorption, caractérisé par des moyens (11 ) aptes à modifier le temps de présence de l'onde électromagnétique dans le guide.
2. Modulateur selon la revendication 1 , dans lequel le guide d'onde (4) est réalisé dans un matériau absorbant à la longueur d'onde donnée (λ).
3. Modulateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le guide d'onde (4) comporte des nanostructures (5).
4. Modulateur selon la revendication 3, dans lequel les nanostructures sont des boîtes quantiques semi-conductrices (5).
5. Modulateur selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le guide d'onde (4) présente une variation périodique de la permittivité diélectrique.
6. Modulateur selon la revendication 5, dans lequel le guide d'onde (4) est un guide (4) à cristal photonique (8).
7. Modulateur selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens aptes à modifier le temps de présence comprennent des moyens aptes à modifier l'indice de réfraction de l'onde électromagnétique dans le guide.
8. Modulateur selon la revendication 7, dans lequel les moyens aptes à modifier l'indice de réfraction comprennent une jonction électrique (11 ).
9. Procédé de modulation d'une onde électromagnétique ayant une longueur d'onde donnée (λ) et se propageant dans un guide d'onde (4) avec absorption, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de modification du temps de présence de l'onde électromagnétique dans le guide.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'étape de modification du temps de présence est obtenue par modification de l'indice de réfraction de l'onde électromagnétique dans Ie guide d'onde (4).
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