WO2012107691A1 - Photonic crystal device. - Google Patents

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WO2012107691A1
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silo
photonic crystal
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Sophie Marie-Claude Roseline PERRIN-FASQUEL
Lionel Stéphane CANIONI
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Universite Bordeaux 1
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    • G02F2202/32Photonic crystals

Definitions

  • FIGS. 1A, 1B, 1C and 1D are perspective diagrams of an embodiment of photonic crystals according to the invention.
  • FIG. 2 is a sectional view in the layer containing the silos 7 of the embodiment of FIG. 1;
  • Figures 1B, C and D represent parallelepipedal silos, these can have various shapes. In particular, the physical phenomena of etching and doping round the angles to a greater or lesser extent.
  • the manufacture of the photonic crystal uses conventional techniques of microelectronics (deposition, etching, lithography, etc.) and is therefore fully compatible with the manufacture of SOI MOS circuit for performing the conventional electronic functions.
  • the realization of optical functions can be obtained on the one hand by using the crystal without defect in forbidden band regime for example.
  • the insertion of defects in the structure of the photonic crystal can trap the photons so as to achieve confinement structures.
  • one understands the addition or the suppression, without necessarily respecting the periodicity, of silos of any type in the structure by analogy with a defect in a crystal linked to the lack of an atom or, on the contrary, to the presence of 'a supernumerary atom.
  • MOSFET in the silos makes it possible to create a modulation of the optical index of the silicon under the gate which makes it possible to modulate the guided optical field in the photonic structure.
  • V DS drain-source
  • V GS V GS polarizations
  • the architectures of FIGS. 5A and 5B show that the optical modulation effect by the transistors is in this case particularly advantageous where the light is confined, that is to say in the defect.

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Abstract

The photonic crystal device comprises, on a substrate (3): a stack of a first layer (5) having a first refractive index; and a second layer (9) having a second refractive index that is higher than the first, said second layer comprising a plurality of wells (7) arranged in a periodic two-dimensional structure, each well comprising a solid material having a third refractive index, the second layer with the plurality of wells forming a 2D Bravais lattice of photonic crystals. In addition, at least one well comprises an electronic device for modulating the refractive index of the well by modulating the density of electric charge in at least one part of the well.

Description

DISPOSITIF DE CRISTAUX PHOTONIQUES  PHOTONIC CRYSTAL DEVICE
La présente invention concerne un dispositif de cristaux photoniques. The present invention relates to a photonic crystal device.
Pour mémoire, un cristal photonique est une structure artificielle périodique qui, lorsque la période est de l'ordre de la longueur d'onde, possède une bande interdite pour les photons par analogie au gap des électrons dans les semi-conducteurs. Dans le domaine de l'optique intégrée les cristaux photoniques sont utilisés pour réaliser des structures guidantes ayant de nombreuses propriétés physiques comme le routage, le (dé) -multiplexage, l'effet superprisme ou encore la réfraction négative.  For the record, a photonic crystal is a periodic artificial structure which, when the period is of the order of the wavelength, has a forbidden band for the photons by analogy to the gap of the electrons in the semiconductors. In the field of integrated optics photonic crystals are used to produce guiding structures having many physical properties such as routing, (de) -multiplexing, superprism effect or negative refraction.
Dans le domaine de la nanoélectronique à haute densité d' intégration la miniaturisation des composants montre qu'il apparaît nécessaire d'intégrer dans un même système des fonctionnalités optiques et des fonctionnalités électroniques. Or les structures et les procédés de fabrication de ces différentes fonctionnalités ne sont pas toujours compatibles. Ainsi les composants électroniques sont réalisés sous forme d'un empilement de couches de différents matériaux, le tout étant mis en forme par un ensemble d'étapes technologiques de type diffusion, implantation ionique, lithographie, gravure et métallisation . Les (nano) - structures photoniques peuvent être réalisées par des technologies de type MESA, c'est-à-dire une forme en relief de plateaux et de vallées formant par exemple un guide ruban, ou plus récemment par des cristaux photoniques généralement obtenus par gravure de trous selon une structure périodique bi ou tridimensionnelle appartenant aux réseaux de bravais. De ce fait, l'intégration se fait généralement sous forme de modules hybrides. Cette solution a pour inconvénient d' augmenter les coûts de fabrication en multipliant les étapes de fabrication. De plus, la fabrication des modules hybrides impliquent des problématiques de positionnement des modules pour que les guides d'onde s'alignent en face des photodédecteurs , par exemple . In the field of high integration density nanoelectronics, the miniaturization of the components shows that it appears necessary to integrate optical functionalities and electronic functionalities into one and the same system. But the structures and manufacturing processes of these different functionalities are not always compatible. Thus the electronic components are made in the form of a stack of layers of different materials, the whole being shaped by a set of technological steps of the diffusion type, ion implantation, lithography, etching and metallization. The (nano) photonic structures can be made by MESA type technologies, ie a raised form of trays and valleys forming for example a ribbon guide, or more recently by photonic crystals generally obtained by etching holes according to a two or three-dimensional periodic structure belonging to the bravais networks. As a result, integration is usually in the form of hybrid modules. This solution has the disadvantage of increasing manufacturing costs by multiplying the manufacturing steps. In addition, the manufacture of hybrid modules involve module positioning problems so that the waveguides are aligned in front of the photodedectors, for example.
Il serait donc avantageux d'obtenir des dispositifs dans lesquels les technologies optiques et électroniques seraient compatibles de façon à obtenir l'intégration de toutes les fonctions sur un même support ainsi que, si possible, une fabrication simultanée.  It would therefore be advantageous to obtain devices in which the optical and electronic technologies would be compatible so as to obtain the integration of all the functions on the same support and, if possible, simultaneous manufacturing.
Pour résoudre un ou plusieurs des inconvénients cités précédemment, un dispositif de cristaux photoniques comprend un empilement sur un substrat d'une première couche ayant un premier indice optique et d'une deuxième couche ayant un deuxième indice optique supérieur au premier, ladite deuxième couche comprenant une pluralité de silos disposés selon une structure périodique bidimensionnelle, chaque silo comprenant un matériau solide ayant un troisième indice optique, la deuxième couche avec la pluralité de silos formant un réseau de Bravais 2D de cristaux photoniques. Le dispositif comprend en outre au moins un silo comprend un dispositif électronique de modulation de l'indice optique du silo par modulation de la densité de charges électriques dans au moins une partie du silo.  To solve one or more of the aforementioned drawbacks, a photonic crystal device comprises a stack on a substrate of a first layer having a first optical index and a second layer having a second optical index greater than the first, said second layer comprising a plurality of silos arranged in a two-dimensional periodic structure, each silo comprising a solid material having a third optical index, the second layer with the plurality of silos forming a 2D Bravais network of photonic crystals. The device further comprises at least one silo comprising an electronic device for modulating the optical index of the silo by modulating the density of electrical charges in at least a portion of the silo.
Ainsi, avantageusement, les dispositifs à cristaux photoniques intégrés peuvent être construits directement à partir de composants de type MOSFET appartenant à des technologies CMOS sur SOI.  Thus, advantageously, integrated photonic crystal devices can be constructed directly from MOSFET components belonging to CMOS technologies on SOI.
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont : la deuxième couche est en outre recouverte au moins partiellement par une couche ayant un quatrième indice optique inférieur au deuxième et au troisième, et la structure a un empilement de premières, deuxièmes et quatrièmes couches, tel que le dispositif crée un confinement optique par réflexion totale interne dans l'axe de croissance de ces différentes couches ; Particular characteristics or embodiments that can be used alone or in combination are: the second layer is furthermore at least partially covered by a layer having a fourth optical index smaller than the second and third, and the structure has a stack of first, second and fourth layers, such that the device creates an optical confinement by total reflection internal in the growth axis of these different layers;
il présente un diagramme de bande pouvant comporter une bande interdite pour un rayonnement ayant une longueur d' onde de même ordre de grandeur que la période de la structure ; it has a band diagram that may include a band gap for radiation having a wavelength of the same order of magnitude as the period of the structure;
la structure périodique bidimensionnelle présente au moins un défaut sous forme d'un silo différent, et/ou manquant et/ou surnuméraire permettant de réaliser des fonctions de routage, filtrage ou de réfraction négative ; the two-dimensional periodic structure has at least one defect in the form of a different, and / or missing and / or supernumerary silo making it possible to perform routing, filtering or negative refraction functions;
il comprend une pluralité de défauts sous forme de silos différents, manquants ou supplémentaires disposés sous forme d'une bande suivant un des axes cristallographiques de sorte que ladite bande forme un guide d'onde dont le mode est confiné verticalement dans la deuxième couche ; les silos forment une bande perpendiculaire à un axe cristallographique de sorte à former une lentille plate à indice de réfraction négatif ; il présente des propriétés de métamatériaux pour une onde lumineuse ayant une longueur d' onde prédéterminée injectée dans le plan ou normalement au plan de périodicité ; it comprises a plurality of defects in the form of different, missing or additional silos arranged in the form of a band along one of the crystallographic axes so that said band forms a waveguide whose mode is confined vertically in the second layer; the silos form a band perpendicular to a crystallographic axis so as to form a flat lens with a negative refractive index; it has properties of metamaterials for a light wave having a predetermined wavelength injected into the plane or normally at the periodicity plane;
le contraste d'indice optique entre les silos et les interstices du cristal photonique soit très grand de sorte que la période de la structure est sensiblement dix fois inférieure à la longueur d'onde prédéterminée et/ou la perméabilité et/ou la permittivité sont négatives ; the optical index contrast between the silos and the interstices of the photonic crystal is very large so that the period of the structure is substantially ten times smaller than the length predetermined wave and / or permeability and / or permittivity are negative;
• les matériaux des couches et des silos sont des matériaux organiques de type polymère et/ou des matériaux semi-conducteurs ;  • the materials of the layers and silos are organic materials of polymer type and / or semiconductor materials;
• le dispositif électronique est un transistor MOSFET et que l'indice optique est modulé par une tension électrique appliquée sur la grille du transistor MOSFET et/ou entre le drain et la source du transistor MOSFET ;  The electronic device is a MOSFET transistor and the optical index is modulated by an electric voltage applied to the gate of the MOSFET transistor and / or between the drain and the source of the MOSFET transistor;
• la première couche déposée sur un substrat de silicium est une couche d'oxyde de silicium, la deuxième couche en silicium contenant des silos en oxyde de silicium contenant des silos de silicium plus petits de sorte que l'association de chaque grand et petit silo forme un transistor MOSFET sur SOI à caissons d' isolation en oxyde de silicium ; l'ensemble pouvant comporter des défauts de un ou plusieurs transistors avec ou sans oxyde d' isolation ; et les silos ainsi que la deuxième couche de silicium peuvent être recouverts au moins partiellement par une couche d'oxyde de silicium ; et/ou  The first layer deposited on a silicon substrate is a silicon oxide layer, the second silicon layer containing silicon oxide silos containing smaller silicon silos so that the combination of each large and small silo forms a SOI MOSFET transistor with silicon oxide isolation housings; the assembly may include defects of one or more transistors with or without isolation oxide; and the silos and the second silicon layer may be at least partially covered by a silicon oxide layer; and or
• il comprend en outre une pluralité d'empilement de secondes couches ou de premières et secondes couches de façon à former un cristal photonique tridimensionnel ou un métamatériau .  It further comprises a plurality of stack of second layers or first and second layers so as to form a three-dimensional photonic crystal or a metamaterial.
L' invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d'exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles :  The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example, and with reference to the appended figures in which:
- les figures 1A, 1B, 1C et 1D sont des schémas en perspective d'un mode de réalisation de cristaux photoniques selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe dans la couche contenant les silos 7 du mode de réalisation de la figure 1 ; FIGS. 1A, 1B, 1C and 1D are perspective diagrams of an embodiment of photonic crystals according to the invention; FIG. 2 is a sectional view in the layer containing the silos 7 of the embodiment of FIG. 1;
- la figure 3 A est une première variante du mode de réalisation de la figure 1 et 3B la vue en coupe associée ;  FIG. 3A is a first variant of the embodiment of FIG. 1 and 3B the associated sectional view;
- la figure 4 est une deuxième variante du mode de réalisation de la figure 1 ;  FIG. 4 is a second variant of the embodiment of FIG. 1;
- les figures 5 sont des vues en coupe d'une variante du mode de réalisation de la figure 4 comportant des défauts qui sont des transistors sans isolation en oxyde de silicium. En A, une structure de guide droit formé par une rangée de défauts et le diagramme de bande associé dans la direction du guide. En B, une structure de filtrage directif composée de deux guides parallèles séparés par une cavité résonnante. En C, une lentille plate à indice de réfraction négatif, le schéma associé montre la focalisation d'une source ponctuelle placée à gauche de la lentille ; et  - Figures 5 are sectional views of a variant of the embodiment of Figure 4 having defects which are transistors without isolation of silicon oxide. In A, a straight guide structure formed by a row of defects and the associated band diagram in the direction of the guide. In B, a directional filtering structure composed of two parallel guides separated by a resonant cavity. In C, a flat lens with negative refractive index, the associated diagram shows the focusing of a point source placed to the left of the lens; and
- la figure 6 est un graphe représentant des mesures optiques. Il montre l'évolution de l'indice du silicium sous la grille modulé par une tension drain-source dans un transistor MOSFET.  - Figure 6 is a graph showing optical measurements. It shows the evolution of the silicon index under the gate modulated by a drain-source voltage in a MOSFET transistor.
En référence à la figure 1A, un dispositif 1 de cristaux photoniques comprend un empilement sur un support 3 d'une première couche 5 ayant un premier indice de réfraction optique, abrégé ci-après en indice optique.  With reference to FIG. 1A, a device 1 for photonic crystals comprises a stack on a support 3 of a first layer 5 having a first optical refractive index, abbreviated hereinafter as an optical index.
Le support 3 est typiquement un substrat de silicium monocristallin, la couche 5 est de l'oxyde de silicium. Sur cette tranche, un procédé de gravure sélective permet d'obtenir, figure 1B, une pluralité de silos 7 en oxyde de silicium disposés selon une structure périodique bidimensionnelle, figure 1C. L'interstice 9 entre les silos est comblé, par exemple par un procédé de dépôt, par un matériau ayant un deuxième indice optique. L' interstice 9 entre les silos correspond typiquement à du silicium. Comme il est connu, l'indice optique du silicium des couches 3 et 9 est égal à 3,45 et est supérieur à l'indice optique de l'oxyde de silicium de la couche 5 et des silos 7 égal à environ 1,45. L'ensemble de la structure pourrait être encore recouverte par une couche d'oxyde de silicium, notamment dans un cas particulier d'un réseau de silos et d'interstices ayant un indice supérieur à l'oxyde de silicium. The support 3 is typically a monocrystalline silicon substrate, the layer 5 is silicon oxide. On this slice, a selective etching process makes it possible to obtain, FIG. 1B, a plurality of silicon oxide silos 7 arranged in a two-dimensional periodic structure, FIG. 1C. The interstice 9 between the silos is filled, for example by a deposition process, with a material having a second optical index. The interstice 9 between the silos typically corresponds to silicon. As is known, the optical index of silicon of layers 3 and 9 is equal to 3.45 and is greater than the optical index of the silicon oxide of layer 5 and silos 7 equal to about 1.45 . The entire structure could still be covered by a layer of silicon oxide, particularly in a particular case of a network of silos and interstices having an index greater than silicon oxide.
La figure 1D est une vue tridimensionnelle du cristal photonique obtenu avec une maille cubique.  Figure 1D is a three-dimensional view of the photonic crystal obtained with a cubic mesh.
Bien que les figures 1B, C et D, représente des silos parallélépipédiques , ceux-ci peuvent avoir des formes variées. En particulier, les phénomènes physiques de gravure et de dopage arrondissent les angles de façon plus ou moins importante.  Although Figures 1B, C and D represent parallelepipedal silos, these can have various shapes. In particular, the physical phenomena of etching and doping round the angles to a greater or lesser extent.
La pluralité de silos 7 insérés dans une couche de silicium 9 forme un cristal photonique qui appartient aux réseaux de Bravais 2D. Par exemple la symétrie choisie sur la figure 2 correspond à une maille hexagonale (ou triangulaire) symbolisée par la zone de Brillouin KM. La distance entre le centre de deux silos selon un de ces axes définit la périodicité notée a du cristal photonique sur cet axe.  The plurality of silos 7 inserted in a silicon layer 9 forms a photonic crystal which belongs to 2D Bravais networks. For example, the symmetry chosen in FIG. 2 corresponds to a hexagonal (or triangular) mesh symbolized by the KM Brillouin zone. The distance between the center of two silos along one of these axes defines the periodicity noted a of the photonic crystal on this axis.
A titre d'exemple, pour une structure photonique fonctionnant à 1.55ym, le support 3 a une épaisseur de 375ym, la couche 5 une épaisseur de 375 nm et la deuxième couche 9 avec ses silos 7 une épaisseur de 150 à 200 nm. Ces épaisseurs sont basées sur une technologie de transistor CMOS-130 nm sur SOI comportant des caissons d'isolation en oxyde de silicium. Cette configuration permet de construire un cristal photonique fonctionnant autour de 1.55 ym directement à partir des briques de base technologiques d'un circuit intégré. By way of example, for a photonic structure operating at 1.55 m.sub.2, the support 3 has a thickness of 375.sub.m, the layer 5 has a thickness of 375 nm and the second layer 9 with its silos 7 has a thickness of 150 to 200 nm. These thicknesses are based on a technology of CMOS-130 nm SOI transistor with silicon oxide isolation boxes. This configuration makes it possible to build a photonic crystal operating around 1.55 μm directly from the basic technological bricks of an integrated circuit.
Il est à noter que ce type de dispositif à cristaux photoniques intégrés offre la possibilité de travailler avec des technologies de tailles très différentes. En effet, pour travailler à une longueur d'onde donnée, en s ' appuyant sur une technologie bien choisie, il suffit d'adapter les paramètres opto- géométriques du cristal photonique comme la période.  It should be noted that this type of integrated photonic crystal device offers the possibility of working with technologies of very different sizes. Indeed, to work at a given wavelength, relying on a well-chosen technology, it suffices to adapt the opto-geometric parameters of the photonic crystal as the period.
A titre d'exemple, la description qui suit détaille cette réalisation de cristal photonique en vue d'une intégration sur un circuit en technologie CMOS sur SOI .  By way of example, the following description details this embodiment of photonic crystal for integration on a circuit in SOI CMOS technology.
Dans une première variante, le dispositif 1 est complété, figure 3 A et 3B, par la réalisation d'un silo de silicium 11 inséré dans le silo d'oxyde de silicium 7. Cette structure permet de réaliser un cristal photonique à partir d'un réseau de transistors MOSFET sur SOI à caissons d'isolation utilisant une technologie mise au point et largement développée. Dans cette première variante le cristal photonique est obtenu par un réseau de transistors sans la réalisation des contacts de grille, drain et source. Le cristal photonique est construit uniquement à partir des différentes couches de silicium et de S1O2 constituant un transistor MOSFET sur SOI. Ce type de structure en cristal photonique directement intégrable sur une technologie MOSFET SOI possède l'avantage de contrôler la lumière dans toutes les directions de l'espace. Dans la direction d'empilement des différentes couches, la lumière est confinée par réflexion totale interne, dans le plan du cristal photonique la lumière est contrôlée par effet de bande interdite par exemple. Dans une deuxième variante, figure 4, une couche d'oxyde de silicium 13 recouvre au moins partiellement les silos 11. Ces silos 11 comprennent des transistors MOSFET complets comportant une grille 15, un drain 17 et une source 19 avec les dopages nécessaires et les contacts métalliques. Ce sont par exemple des transistors à déplétion partielle ou totale. L'oxyde de silicium de la deuxième couche 7 correspond à un caisson d' isolation pour ces transistors. Comme il est explicité plus loin, l'ajout des éléments de polarisation du transistor introduit un concept très original basé sur la modulation du cristal photonique par un nombre choisi de motifs de répétitions, permettant de nombreuses architectures de modulation optique. In a first variant, the device 1 is completed, FIG. 3A and 3B, by the production of a silicon silo 11 inserted in the silicon oxide silo 7. This structure makes it possible to produce a photonic crystal from a network of SOI MOSFET transistors with isolation boxes using developed and widely developed technology. In this first variant, the photonic crystal is obtained by a network of transistors without the realization of the gate, drain and source contacts. The photonic crystal is constructed solely from the different layers of silicon and S1O 2 constituting a SOI MOSFET transistor. This type of photonic crystal structure directly integrable on SOI MOSFET technology has the advantage of controlling light in all directions of space. In the stacking direction of the different layers, the light is confined by total internal reflection, in the plane of the photonic crystal the light is controlled by band gap effect for example. In a second variant, FIG. 4, a silicon oxide layer 13 at least partially covers the silos 11. These silos 11 comprise complete MOSFET transistors comprising a gate 15, a drain 17 and a source 19 with the necessary dopings and metal contacts. These are, for example, partial or total depletion transistors. The silicon oxide of the second layer 7 corresponds to an isolation box for these transistors. As is explained below, the addition of the polarization elements of the transistor introduces a very original concept based on the modulation of the photonic crystal by a chosen number of repeating patterns, allowing many optical modulation architectures.
Ainsi, la fabrication du cristal photonique utilise les techniques classiques de la microélectronique (dépôt, gravure, lithographie, etc.) et est donc totalement compatible avec la fabrication de circuit MOS sur SOI permettant de réaliser les fonctions électroniques classiques. La réalisation de fonctions optiques peut être obtenue d'une part en utilisant le cristal sans défaut en régime de bande interdite par exemple. D'autre part par l'insertion de défauts dans la structure du cristal photonique permet de piéger les photons de manière à réaliser des structures de confinement. Par défaut, on entend l'ajout ou la suppression, sans forcément respecter la périodicité, de silos de tout type dans la structure par analogie avec un défaut dans un cristal lié au manque d'un atome ou, au contraire, à la présence d'un atome surnuméraire.  Thus, the manufacture of the photonic crystal uses conventional techniques of microelectronics (deposition, etching, lithography, etc.) and is therefore fully compatible with the manufacture of SOI MOS circuit for performing the conventional electronic functions. The realization of optical functions can be obtained on the one hand by using the crystal without defect in forbidden band regime for example. On the other hand by the insertion of defects in the structure of the photonic crystal can trap the photons so as to achieve confinement structures. By default, one understands the addition or the suppression, without necessarily respecting the periodicity, of silos of any type in the structure by analogy with a defect in a crystal linked to the lack of an atom or, on the contrary, to the presence of 'a supernumerary atom.
Dans un premier exemple, figure 5A une bande de transistors 31 sans les isolations en Si02, permet de réaliser un défaut linéique constituant un guide optique selon un des axes cristallographiques , ΓΚ. En positionnant une source lumineuse de longueur d'onde λ à l'entrée de cette bande et en choisissant bien la périodicité des silos, il est possible de réaliser un guide d'onde monomode. En effet, figure 5A, le diagramme de bande du guide dans la direction du guide montre en 33 des plages spectrales monomodes notamment autour du point a/ À = 0,25 où a est le pas de périodicité des silos dans une maille hexagonale. Le point de fonctionnement 35 en bord de bande interdite indique le point à partir duquel le mode n'est plus guidé. In a first example, FIG. 5A a band of transistors 31 without the SiO 2 insulations, makes it possible to produce a linear defect constituting an optical guide along one of the crystallographic axes, ΓΚ. By positioning a light source of wavelength λ to the entry of this band and by choosing well the periodicity of the silos, it is possible to realize a monomode waveguide. In fact, in FIG. 5A, the band diagram of the guide in the direction of the guide shows monomodal spectral ranges at 33 in particular around the point a / λ = 0.25 where a is the interval step of the silos in a hexagonal mesh. The operating point 35 at the edge of the forbidden band indicates the point from which the mode is no longer guided.
Dans un second exemple, figure 5B, deux guides parallèles sont couplés par une cavité résonnante de manière à réaliser un filtre directif à insertion- extraction appelé « Add-drop ». Dans un troisième exemple, figure 5C, le dispositif forme une bande de silos sans défauts disposés perpendiculairement à une source lumineuse pour former une lentille plate à indice de réfraction négatif.  In a second example, FIG. 5B, two parallel guides are coupled by a resonant cavity so as to produce a directional insertion-extraction filter called "Add-drop". In a third example, FIG. 5C, the device forms a band of faultless silos arranged perpendicularly to a light source to form a flat lens with a negative refractive index.
Par ailleurs, l'utilisation de transistor MOSFET dans les silos permet de créer une modulation de l'indice optique du silicium sous la grille qui permet de moduler le champ optique guidé dans la structure photonique. En effet, en utilisant les polarisations VDS (drain-source) et/ou VGS il est possible d'injecter des porteurs dans le canal drain-source, sous la grille. Cette injection ou désertion de porteurs permet de moduler l'indice optique sous la grille et donc de moduler le champ optique guidé dans cette couche. A titre d'exemple, les architectures de la figure 5A et 5B montrent que l'effet de modulation optique par les transistors est dans ce cas particulièrement intéressant là où la lumière est confinée, c'est-à-dire dans le défaut. Dans cette configuration, il est nécessaire d'enlever les isolations en oxyde de silicium qui isolent la partie modulée par le transistor du champ optique. Par exemple, la figure 5A montre qu'en modulant l'indice on pourra passer des points de type 33 à 35 de manière à réaliser un modulateur optique. En d'autres termes on contrôle l'état du guide, passant ou bloquant, en modulant la polarisation des transistors. Furthermore, the use of MOSFET in the silos makes it possible to create a modulation of the optical index of the silicon under the gate which makes it possible to modulate the guided optical field in the photonic structure. Indeed, by using the V DS (drain-source) and / or V GS polarizations it is possible to inject carriers into the drain-source channel, under the gate. This injection or desertion of carriers makes it possible to modulate the optical index under the gate and thus to modulate the optical field guided in this layer. By way of example, the architectures of FIGS. 5A and 5B show that the optical modulation effect by the transistors is in this case particularly advantageous where the light is confined, that is to say in the defect. In this configuration, it is necessary to remove the silicon oxide insulations that isolate the portion modulated by the transistor of the optical field. For example, Figure 5A shows that by modulating the index we can pass type points 33 to 35 so as to provide an optical modulator. In other words, the state of the guide, passing or blocking, is controlled by modulating the polarization of the transistors.
On réalise ainsi un modulateur optique par effet d'injection ou de désertion de charges (selon le type N ou P) dans un transistor à effet de champ. Des mesures expérimentales réalisées dans le laboratoire de l'inventeur montrent l'évolution de la variation d'indice du silicium sous la grille en fonction de la polarisation, figure 6, à partir d'un transistor MOSFET AMS Bi-CMOS de largeur de grille 0,35 ym. Ces mesures ont été réalisées par éclairement laser de la grille non- métallisée ; la variation de l'indice étant obtenue par des mesures en réflexion. Une variation maximale de l'indice de l'ordre de 3. 10~3 a été mesurée avec un transistor saturé à environ 500 μΑ pour une tension grille-source de 3,3V. An optical modulator is thus produced by the effect of injection or desertion of charges (according to the N or P type) in a field effect transistor. Experimental measurements carried out in the inventor's laboratory show the evolution of the silicon index variation under the gate as a function of the polarization, FIG. 6, from a grid-width AMS Bi-CMOS MOSFET transistor. 0.35 μm. These measurements were performed by laser illumination of the non-metallized grid; the variation of the index being obtained by measurements in reflection. A maximum variation of the index of the order of 3.times.10.sup.- 3 was measured with a transistor saturated at about 500 .mu.M for a gate-source voltage of 3.3V.
L' invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d'exemple et non comme limitant l'invention a cette seule description. De nombreuses autres variantes de réalisation sont possibles.  The invention has been illustrated and described in detail in the drawings and the foregoing description. This must be considered as illustrative and given by way of example and not as limiting the invention to this description alone. Many other embodiments are possible.
Par exemple, les premières et deuxièmes couches peuvent être usinées et empilées successivement pour former un réseau tridimensionnel de plots de S1O2 dans du silicium par exemple. Ceci permettrait d'obtenir un cristal photonique tridimensionnel. For example, the first and second layers can be machined and successively stacked to form a three dimensional network of pads S1O 2 in silicon for example. This would result in a three-dimensional photonic crystal.
La variation d' indice optique peut se faire en utilisant un autre dispositif qu'un transistor MOSFET tel que, par exemple, une jonction PN ou une capacité.  The optical index variation can be done using a device other than a MOSFET transistor such as, for example, a PN junction or capacitance.
Il est également possible d'obtenir des comportements optiques de type métamatériaux . Pour rappel les métamatériaux sont des matériaux dont la structuration est au moins dix fois plus petite que la longueur d'onde. Par exemple, dans une configuration de silos à très hauts indice dans une couche de S1O2 ou de silicium, on peut s'approcher d'un comportement méta matériaux dans lequel on pourra obtenir une perméabilité et une permittivité négative. L'effet de modulation du courant dans le canal du transistor permet justement d'entrevoir une nouvelle classe de méta matériaux intégrés dont la perméabilité, dans cet exemple, pourrait être modulée par un effet transistor. It is also possible to obtain optical behaviors of the metamaterial type. As a reminder, metamaterials are materials whose structuring is at least ten times smaller than the wavelength. For example, in a configuration of very high index silos in a layer of SiO 2 or silicon, it is possible to approach a meta-materials behavior in which a permeability and a negative permittivity can be obtained. The modulation effect of the current in the transistor channel makes it possible to glimpse a new class of integrated meta-materials whose permeability, in this example, could be modulated by a transistor effect.
Enfin, on notera que bien que cette description s'appuie sur des technologies et des matériaux semi¬ conducteurs, il est également possible d'utiliser des matériaux organiques tels que des polymères ou bien des matériaux métalliques et cela, en respectant les propriétés d' indice optique telles que décrites ci- dessus . Finally, it is noted that although this description is based on technology and semi ¬ conductive materials, it is also possible to use organic materials such as polymeric or metallic materials and that, in accordance with the properties of optical index as described above.
D'autres applications dans le domaine des capteurs biochimiques basées sur la modulation ou non d'une structure en cristal photonique intégrée, découlent directement de la présente invention. Par exemple, il est envisageable de détecter le greffage de molécules biochimiques sur les silos ou une autre partie du cristal photonique. Par modification de l'indice des silos induit par ce greffage, il apparaît un déplacement fréquentiel des modes optiques guidés.  Other applications in the field of biochemical sensors based on the modulation or not of an integrated photonic crystal structure, derive directly from the present invention. For example, it is conceivable to detect the grafting of biochemical molecules on the silos or another part of the photonic crystal. By modifying the silo index induced by this grafting, a frequency shift of the guided optical modes appears.
Dans les revendications, le mot « comprenant » n'exclue pas d'autres éléments et l'article indéfini « un/une » n'exclue pas une pluralité.  In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements and the indefinite article "one" does not exclude a plurality.

Claims

REVENDICATIONS
Dispositif de cristaux photoniques comprenant un empilement sur un substrat (3) d'une première couche (5) ayant un premier indice optique et d'une deuxième couche (9) ayant un deuxième indice optique supérieur au premier, ladite deuxième couche comprenant une pluralité de silos (7) disposés selon une structure périodique bidimensionnelle, chaque silo comprenant un matériau solide ayant un troisième indice optique, la deuxième couche avec la pluralité de silos formant un réseau de Bravais 2D de cristaux photoniques caractérisé en ce qu'au moins un silo comprend un dispositif électronique de modulation de l'indice optique du silo par modulation de la densité de charges électriques dans au moins une partie du silo. Photonic crystal device comprising a stack on a substrate (3) of a first layer (5) having a first optical index and a second layer (9) having a second optical index greater than the first, said second layer comprising a plurality silos (7) arranged in a two-dimensional periodic structure, each silo comprising a solid material having a third optical index, the second layer with the plurality of silos forming a 2D Bravais network of photonic crystals characterized in that at least one silo comprises an electronic device for modulating the optical index of the silo by modulating the density of electrical charges in at least part of the silo.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième couche est en outre recouverte au moins partiellement par une couche (13) ayant un quatrième indice optique inférieur au deuxième et au troisième, et la structure a un empilement de premières, deuxièmes et quatrièmes couches, tel que le dispositif crée un confinement optique par réflexion totale interne dans l'axe de croissance de ces différentes couches. Device according to Claim 1, characterized in that the second layer is furthermore at least partly covered by a layer (13) having a fourth optical index which is smaller than the second and third, and the structure has a stack of first, second and fourth layers, such that the device creates an optical confinement by total internal reflection in the growth axis of these different layers.
Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu' il présente un diagramme de bande pouvant comporter une bande interdite pour un rayonnement ayant une longueur d' onde de même ordre de grandeur que la période de la structure. Device according to claims 1 or 2, characterized in that it has a band diagram which may comprise a forbidden band for a radiation having a wavelength of the same order of magnitude as the period of the structure.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure périodique bidimensionnelle présente au moins un défaut sous forme d'un silo différent, et/ou manquant et/ou surnuméraire permettant de réaliser des fonctions de routage, filtrage ou de réfraction négative. Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the two-dimensional periodic structure has at least one defect in form a different silo, and / or missing and / or supernumerary for carrying out routing functions, filtering or negative refraction.
Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' il comprend une pluralité de défauts sous forme de silos différents, manquants ou supplémentaires disposés sous forme d'une bande suivant un des axes cristallographiques de sorte que ladite bande forme un guide d' onde dont le mode est confiné verticalement dans la deuxième couche.  Device according to Claim 4, characterized in that it comprises a plurality of defects in the form of different, missing or additional silos arranged in the form of a strip along one of the crystallographic axes so that said strip forms a waveguide of which the mode is confined vertically in the second layer.
Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les silos forment une bande perpendiculaire à un axe cristallographique de sorte à former une lentille plate à indice de réfraction négatif. Device according to claim 4, characterized in that the silos form a strip perpendicular to a crystallographic axis so as to form a flat lens with a negative refractive index.
Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu' il présente des propriétés de métamatériaux pour une onde lumineuse ayant une longueur d' onde prédéterminée injectée dans le plan ou normalement au plan de périodicité. Device according to claim 1 or 2, characterized in that it has properties of metamaterials for a light wave having a predetermined wavelength injected in the plane or normally at the periodicity plane.
Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce le contraste d'indice optique entre les silos et les interstices du cristal photonique soit très grand de sorte que la période de la structure est sensiblement dix fois inférieure à la longueur d'onde prédéterminée et/ou la perméabilité et/ou la permittivité sont négatives . Device according to claim 7, characterized in that the optical index contrast between the silos and the interstices of the photonic crystal is very large so that the period of the structure is substantially ten times lower than the predetermined wavelength and / or permeability and / or permittivity are negative.
Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les matériaux des couches et des silos sont des matériaux organiques de type polymère et/ou des matériaux semi-conducteurs. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the materials of the layers and silos are organic materials of the polymer type and / or semiconductor materials.
10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif électronique est un transistor MOSFET et que l'indice optique est modulé par une tension électrique appliquée sur la grille du transistor MOSFET et/ou entre le drain et la source du transistor MOSFET. 10. Device according to claim 1, characterized in that the electronic device is a MOSFET transistor and that the optical index is modulated by an electric voltage applied to the gate of the MOSFET transistor and / or between the drain and the source of the MOSFET transistor. .
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la première couche déposée sur un substrat de silicium est une couche d'oxyde de silicium, la deuxième couche en silicium contenant des silos en oxyde de silicium contenant des silos de silicium plus petits de sorte que l'association de chaque grand et petit silo forme un transistor MOSFET sur SOI à caissons d'isolation en oxyde de silicium. 11. Device according to claim 10, characterized in that the first layer deposited on a silicon substrate is a silicon oxide layer, the second silicon layer containing silicon oxide silos containing smaller silicon silos of silicon. so that the association of each large and small silo form a SOI MOSFET transistor with silicon oxide isolation boxes.
12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les silos sont recouverts au moins partiellement par une couche d'oxyde de silicium. 12. Device according to claim 10 or 11, characterized in that the silos are at least partially covered by a layer of silicon oxide.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la deuxième couche de silicium est recouvertes au moins partiellement par une couche d'oxyde de silicium. 13. Device according to claim 12, characterized in that the second silicon layer is at least partially covered by a silicon oxide layer.
14. Dispositif selon la revendication 11, comportant des défauts selon la revendication 4 de un ou plusieurs transistors avec ou sans oxyde d'isolation. 14. Device according to claim 11, comprising defects according to claim 4 of one or more transistors with or without insulating oxide.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que qu'il comprend en outre une pluralité d'empilement de secondes couches ou de premières et secondes couches de façon à former un cristal photonique tridimensionnel ou un métamatériau . 15. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a plurality of stack of second layers or first and second layers so as to form a three-dimensional photonic crystal or a metamaterial.
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