Chapitre 5: Etude de composants élémentaires pour la

Chap. V Composants optiques

177

Chapitre 5: Etude de composants élémentaires pour la réalisation de liens optiques au dessus de circuits intégrés


178


179

Introduction :

Ce chapitre décrit les différentes études et réalisations effectuées sur les composants

élémentaires nécessaires à la réalisation de liens optiques au dessus de circuits intégrés. La

conception et la caractérisation des différents composants sont exposées, les étapes de leur

fabrication étant détaillée dans l’annexe 6. Comme nous l’avons vus au cours de ce manuscrit,

la réalisation de composants compatibles avec des circuits intégrés nécessite l’utilisation de

filières technologiques particulières. Dans notre travail, trois filières technologiques utilisant

les matériaux décrits dans le quatrième chapitre ont été utilisées, deux à base de nitrure de

silicium, une à base de silicium amorphe. Ce chapitre s’articule autour des différents

composants élémentaires réalisés : guides d’ondes, micro-courbures et diviseurs de faisceaux.

1 Guides d’ondes Les guides d’ondes représentent la brique essentielle de liens optiques au dessus de

composants électroniques. Leurs performances sont les premiers facteurs critiques dans

l’éventuelle comparaison entre liens optiques et électriques et conditionnent la réussite-ou

non- de ce travail. Les guides doivent être jugés en fonction de différents facteurs :

-leurs pertes optiques. Pour les distances envisagées dans le cas de liens au

dessus de composants, des pertes de quelques dB/cm sont recherchées.

-leur compatibilité avec une intégration au dessus de composants électroniques.

Pour cela, des procédés basse température ont été mis au point tout au long de ce travail.

-Les guides doivent montrer une faible diaphonie, qui est un facteur limitant

dans le cas de réalisation de liaisons à haut débit et peut être comparée au bruit

électromagnétique observé sur les lignes métalliques.

Dans ce travail, une première partie a consisté à concevoir des guides d’ondes pouvant

satisfaire aux critères fixés, une seconde étude nous a permis de caractériser les guides

obtenus.

1.1 Conception des guides d’ondes

Le choix du type de guides d’onde a été effectué dans l’optique de réaliser des liens

au dessus de circuits intégrés. Différents critères ont ainsi été mis en avant :

- Compacité des guides et des composants.

- Faible diaphonie entre guides.

- Faibles pertes.


180

- Propagation monomode.

Géométrie des guides

l

h

Cœur du guide Nc

Couche d’isolation Ng

Couche de couverture Ng

Substrat Silicium Nsi

Gaine du guide

l

h

Cœur du guide Nc

Couche d’isolation Ng

Couche de couverture Ng

Substrat Silicium Nsi

Gaine du guide

Figure 5-1 : Schéma d’un guide d’onde de type ruban. H est la hauteur du guide, l sa largeur, le cœur du

guide possède un indice de réfraction Nc, la gaine un indice de réfraction Ng. Dans notre travail, les guides

sont réalisés sur substrat silicium d’indice de réfraction Nsi#3,44 à 1,3µm.

Pour obtenir des composants compacts, des guides rubans (ou « strip ») ont été

développés (Voir figure 5-1). Ils présentent des modes confinés et des indices effectifs

éloignés de l’indice de gaine, permettant la réalisation de courbures [Vlassov04] et de

diviseurs de faibles tailles. D’autre part, nos applications n’entraînant pas de contraintes

particulières quand à la polarisation, les guides ont été développées en vue d’une utilisation en

polarisation quasi-TE. D’une manière générale, tous les composants décrits ici ont été

développés et caractérisés pour la polarisation quasi-TE. Les études réalisées sur les guides

d’ondes à fort contraste d’indice ont montré qu’une forte source de pertes vient de la rugosité

des guides, et plus particulièrement de la rugosité des flancs crée lors des étapes de

lithographie et de gravure ([Agarwal99], [Lee01]). Dans notre approche, nous avons

privilégié une solution à base de guides rectangulaires. La hauteur limitée comparée à la

largeur permet ainsi de réduire l’interaction entre champs électromagnétique et rugosité des

flancs ([Vlasov04], [Orobtchouk05], [Dumon05]).

L’épaisseur des guides a été choisie de manière à obtenir des guides plans monomodes

lors du dépôt de la couche guidante, permettant ainsi de réaliser un contrôle des structures

avant les étapes de lithographie. Des épaisseurs de 0,4 µm et 0,2 µm ont été choisies pour les

guides respectivement de nitrures de silicium et pour la filière silicium amorphe. Une fois

l’épaisseur des guides fixée, leur largeur a été déterminée à l’aide du solveur de mode FVFD

défini dans le chapitre 2 pour avoir une propagation monomode. La largeur a été choisie

légèrement inférieure à la largeur de coupure monomode/multimode à 1,3µm, de manière à


181

avoir une propagation monomode à 1,3 et 1,55µm et un mode bien confiné dans le guide. Le

tableau 5-1 récapitule ainsi les largeurs limites pour avoir des guides monomodes pour chaque

technologie.

Technologie Epaisseur Limite monomode à

1.3µm

Limite monomode à

1.55µm

Nitrure standard 0,4 0,98 µm 1,33µm

Nitrure Haut indice 0,4 0,81 µm 1,05µm

Silicium amorphe 0,2 0,64 µm 1,08 µm

Tableau 5- 1 : Largeur limite des guides rubans assurant une propagation de la lumière monomode.

Finalement une largeur de 0,8µm a été choisie pour les filières nitrure de silicium, de 0,5µm

pour le silicium amorphe.

Pertes de propagation dans le substrat

Comme on peut le voir sur la figure 5-2, le substrat utilisé ici possède un indice de

réfraction supérieur ou égal à l’indice de cœur du guide. Il est donc nécessaire de

dimensionner la couche d’oxyde d’isolation pour éviter les pertes par effet tunnel optique

dans le substrat [Schnell05]. Ces pertes ont été déterminées par calcul FVFD et sont

représentées sur la figure 5-2.

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

0,01

0,1

1

10

100

Per

tes

optiq

ues

(dB

/cm

)

Epaisseur de la couche de silice entérrée (µm)

Silicium amorphe (à 1,3 µm) Nitrure de Silicium Haut Indice (à 1,3 µm) Nitrure de Silicium Standard (à 1,3 µm)

0,1 dB/cm

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

0,01

0,1

1

10

100

Per

tes

optiq

ues

(dB

/cm

)

Epaisseur de la couche de silice entérrée (µm)

Silicium amorphe (à 1,3 µm) Nitrure de Silicium Haut Indice (à 1,3 µm) Nitrure de Silicium Standard (à 1,3 µm)

0,1 dB/cm

Figure 5-2: Evolution des pertes par effet tunnel dans le substrat en fonction de l'épaisseur de la couche

d'isolation pour les trois structures étudiées.

Des épaisseurs de couches d’isolation respectives de 2µm et 1,5 µm ont été choisies pour les

deux filières nitrures et la filière silicium amorphe, correspondant à des pertes inférieures à

10-1 dB/cm.


182

Diaphonie entre guides

Le critère que nous avons choisi pour évaluer la diaphonie entre guides est la longueur

caractéristique lc [Schnell05] qui correspond à une distance de propagation pour qu’il y ait

transfert de 10% de l’énergie d’un guide à l’autre. Cette longueur est évaluée théoriquement à

l’aide du solveur de mode FVFD développé au laboratoire et de la théorie des modes couplés

[Yariv 91]. La figure 5-3 représente son évolution en fonction de la distance de séparation

entre les deux guides pour les trois structures envisagées.

1cm

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

10

100

1000

10000

L c (µm

)

Distance entre les bords des guides (µm)

Nitrure de silicium standard (1,3 µm) Nitrure de Silicium Haut Indice (1,3 µm) Silicium Amorphe (1,3 µm)

1cm

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

10

100

1000

10000

L c (µm

)

Distance entre les bords des guides (µm)

Nitrure de silicium standard (1,3 µm) Nitrure de Silicium Haut Indice (1,3 µm) Silicium Amorphe (1,3 µm)

Figure 5-3: Variation de la longueur de couplage Lc en fonction de la distance entre les bords des guides

pour les trois structures étudiées. La longueur de couplage est calculée pour une polarisation quasi TE,

avec une longueur d’onde de 1,3 µm.

Il résulte de cette étude que pour pouvoir négliger le parasitage entre lignes sur des distances

de l’ordre du cm, un écartement de 2,3 µm est nécessaire avec la technologie « nitrure

standard ». Pour le nitrure haut indice, un écartement de 1,8 µm est nécessaire alors qu'un

espacement de 0,8 µm est suffisant pour la technologie silicium amorphe.

Finalement, le tableau 5-2 récapitule les différentes caractéristiques géométriques des guides

développés ainsi que leurs indices effectifs. Ces guides (ainsi que le composants présentés par

la suite) ont été réalisés sur trois lots différents dénommés GUI 1, GUI 2 ET GUI 3. Les

composants en nitrure de silicium standard ont été mis au point grâce aux trois lots, les

composants en nitrure de silicium haut indice et en silicium amorphe grâce à GUI 3.


183

Largeur

(µm)

Hauteur

(µm)

Epaisseur de la

couche d'isolation

(µm)

Epaisseur de la

couche de

couverture (µm)

Indice effectif

Nitrure

Standard

0,8 0,4 2,0 0,5(GUI 1) 1,5

(GUI2-GUI3)

1,5803

(λ = 1,3 µm)

Nitrure

Haut Indice

0,8 0,4 2,0 1,5 1,6952

(λ = 1,3 µm)

Si amorphe 0,5 0,2 2,0 1,5 2,5510

(λ = 1,55 µm)

Tableau 5-2 : Caractéristiques optogéométriques des guides développés.

1.2 Etude des guides d’ondes

Durant notre étude, deux types de techniques d’injection ont été utilisées : par réseau

de diffraction et par couplage par la tranche.

1.2.1 Caractérisation à l’aide de coupleurs par réseau

Le couplage par réseau (voir chapitre 1 partie 2-4-2) a été utilisé sur le lot GUI1 avec

la filière nitrure de silicium standard, nous décrivons ici les dispositifs de couplage utilisés.

Coupleurs par réseaux utilisés

Les coupleurs par réseaux de diffraction ont été conçus à l’aide de codes de calculs par

RCWA (Rigourous Coupled Wave Analysis) ([Moharan 81], [Moharan 82], [Moharan95])

mis au point au laboratoire par Régis Orobtchouk qui permettent de simuler la réponse d’un

réseau de diffraction à une onde plane ainsi que de prendre en compte le caractère gaussien du

faisceau incident en décomposant celui-ci en une somme d’ondes planes ([Orobtchouk00],

[Schnell05]). Pour notre étude, la conception de coupleur à réseau de diffraction a répondu à

deux objectifs particuliers :

- Un angle de couplage permettant la caractérisation des composants compte tenu de

l'encombrement des éléments du montage expérimental (voir chapitre 2). Un angle proche de

20° a été recherché.

- Des réseaux de diffraction présentant des longueurs de couplage adaptées à des

faisceaux issus de fibres optiques multimodes, où la largeur à mi hauteur est de 25µm

environ.

L'empilement vertical des multicouches a été fixé pour satisfaire aux contraintes

spécifiques des guides d’onde et les réseaux de diffraction ont été définis par une seule étape


184

de gravure totale. L’optimisation des réseaux a principalement porté sur le pas du réseau de

diffraction.

Les coupleurs mis au point au cours de ce travail comprennent une transition

adiabatique de 1mm de long pour passer de la largeur des guides à celle des réseaux de 50µm.

Les réseaux présentent un pas de 0,7µm, ce qui leur donne un angle de couplage théorique de

19,88° à 1,3µm, et une efficacité théorique de 32,8%.

Caractéristiques expérimentales des coupleurs par réseau

La figure 5-4 montre une image MEB des réseaux de diffraction réalisés sur les

échantillons provenant du lot GUI1 dans le cas d'une technologie de guide en nitrure de

silicium standard.

Figure 5-4 : Images Meb des réseaux de diffraction utilisés pour le couplage et le découplage de la lumière

sur les échantillons du lot GUI1.

Les réseaux ont été caractérisés grâce à leur longueur de couplage, qui traduit la décroissance

de la lumière lors du découplage. En effet, un guide d'onde comportant un réseau de

diffraction peut être vu comme une structure à fuite, l'énergie du mode guidé décroît

exponentiellement durant sa propagation avec une décroissance du type exp(-x/Lcr), où x est

la distance et Lcr la longueur de couplage.


185

20µm

24µm

a)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

x (µm)

Pd (u

.a)

Log

(I) (

U.A

)

D (µm)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

x (µm)

Pd (u

.a)

Log

(I) (

U.A

)

D (µm)

b)

Figure 5-5 : a) Observation à la caméra infrarouge de la lumière provenant d'un coupleur à réseau de

diffraction dans le cas d'un guide de nitrure de silicium. Le maximum de la puissance découplée est centré

sur la longueur d'onde de 1300 nm, ce qui correspond à un angle d'incidence de 19,13°. b) Evolution du

profil du faisceau découplé suivant la direction de propagation du mode guidé en échelle logarithmique.

La pente donne la longueur caractéristique Lcr du coupleur à réseau de diffraction.

Sur la figure 5-5 a), une vue à la caméra infrarouge de la lumière provenant d'un découpleur à

réseau de diffraction a été reportée. Le maximum de la puissance découplée est centré sur la

longueur d'onde de 1300 nm, ce qui correspond à un angle d'incidence de 19,13°. La longueur

caractéristique Lcr est obtenue en reportant l'évolution du profil du faisceau découplé suivant

la direction de propagation du mode guidé en échelle logarithmique (figure 5-4 b)). La pente

donne la longueur caractéristique (Lcr = 23 µm) du coupleur à réseau de diffraction. Ces

valeurs expérimentales sont proches des valeurs calculées (θi = 19,88° et Lcr = 17,8 µm).

Il résulte de cette étude que dans le cas des coupleurs à réseau de diffraction réalisés sur les

guides de nitrure de silicium, une efficacité de couplage proche de 30 % est obtenue.

Ces coupleurs présentent ainsi une efficacité de couplage intéressante permettant de tester

rapidement des composants. Ils ont été utilisés pour déterminer les pertes des guides de nitrure

de silicium standard et l’équilibre des diviseurs de faisceaux de type MMI. Cependant, le

couplage dans les guides dépend de la longueur d’onde, et il est très compliqué de tester des

composants sur une large gamme spectrale, un incrément en longueur d’onde correspondant à

un incrément en angle d’injection. Les lots GUI2 et GUI3 postérieurs à GUI1 ont ainsi été

conçus avec un système d’injection par la tranche pour obtenir les réponses spectrales des

composants.


186

1.2.2 Caractérisation par couplage par la tranche

L’injection se fait alors à l’aide d’une fibre lentillée. Pour maximiser le couplage entre

faisceau incident et structure d’étude, les guides d’entrée ont été élargis. Une transition

adiabatique est ensuite utilisée pour transférer la lumière sur le guide étudié.

Pour la mesure des pertes intrinsèques des guides, deux dispositifs différents ont été utilisés :

Le premier dispositif est basé sur la comparaison de signaux obtenus après la séparation en

deux parties identiques. La figure 5-6 le représente schématiquement.

MMI 1→2

Figure 5-6: principe de mesure de pertes par comparaison.

La lumière est injectée dans un guide par la tranche de l’échantillon. Le faisceau

lumineux est séparé par un diviseur 1 vers 2 de type MMI. Un des bras de sortie est alors

utilisé comme référence, le second sert à calculer les pertes en allongeant sa taille d’une

distance D connue. La différence d’intensité des deux sorties est due aux pertes de

propagation des guides. La précision de ce type de mesure est déterminée par deux facteurs :

-Le premier est le déséquilibre éventuel du MMI.

-Le second est la limite de détection des signaux après les sorties : lorsque les pertes

de propagation dans les guides sont trop importantes, le signal sur les deux sorties du

dispositif devient inférieur au bruit de mesure du détecteur et la différence de mesure entre les

deux voies tend vers 0. La limite de détection est atteinte pour des pertes égales à 40dB/cm.

Dans notre étude, des différences D de 1 et 2 cm ont été utilisées pour les guides nitrures, de

0,5 et 1 cm pour les guides en silicium amorphe. Cette technique de mesure sera appelée dans

la suite du chapitre méthode par comparaison.

L’avantage de cette méthode est de pouvoir mesurer précisément les pertes de guides

d’onde pour de faibles valeurs de l’ordre du dB/cm en faisant abstraction des différences de

couplage en entrée des guides. L’inconvénient est qu’elle nécessite un travail de conception

dédié, et un encombrement important sur les masques de fabrication.


187

Pour cette raison, un second jeu de guides a été utilisé pour la filière silicium amorphe, qui

permet de réaliser une estimation des pertes pour de faibles distances. La figure 5-7 représente

une vue schématique du dispositif, où le guide de largeur étudiée est inséré grâce à des

transitions adiabatiques entre des portions de plus fortes largeurs.

Figure 5-7: Dispositif de mesure de pertes à transitions adiabatiques.

Dans ce type de dispositif, les sources de pertes sont multiples et s’ajoutent : pertes de

propagation dans le guide large, dans les transitions adiabatiques et dans le guide étroit. Si

l’on nomme Pg le coefficient de perte des guides, Plarg celui des sections larges, Ltot la

longueur totale, Lg la longueur des guides et que l’on attribue une valeur de pertes aux

transitions adiabatiques Pt, , on peut écrire que les pertes totales sont égales à :

( ) ltottlgg PLPPPLP ++−= 2 Equation 5-1

Par régression linéaire, la différence Pg-Pl est déterminée. La valeur de Pl est alors étalonnée

en mesurant les pertes d’un guide caractérisé avec la méthode de comparaison et les pertes des

guides Pg sont ainsi obtenues. Dans notre travail, la distance Lg varie entre 1, 3, 5 et 7 mm. Ce

dispositif sera appelé « mesures de pertes à transitions adiabatiques » dans la suite de ce

chapitre.

1.3 Résultats

1.3.1 Filière nitrure de silicium bas indice:

Caractéristiques des guides du lot GUI1

Le premier lot de composants dénommé GUI1 a été réalisé en utilisant la méthode

d’injection par réseaux de diffraction décrite précédemment. Une évaluation des pertes

optiques de ces guides à 1,3 µm a été effectuée par observation à la caméra infrarouge de la

décroissance de l’intensité diffusée le long du guide. La figure 5-8 a) représente l’image à la

caméra infrarouge de l’intensité diffusée le long du guide. Le logarithme décimal de l'intensité

a été reporté en fonction de la distance sur la figure 5-8 b). Par régression linéaire, des pertes

Lg

Ltot


188

de 6,4 dB/cm sont obtenues, avec une forte incertitude due au bruit de mesure, de l’ordre de

±1,5 dB/cm.

a)

b)

Figure 5-8 : a) Image à la caméra infrarouge de l’intensité diffusée par la surface de d’un guide d’onde de

0,4 par 0,8µm du lot GUI1. b) Intensité de la lumière découplée du guide en fonction de la distance ; des

pertes de 6,4dB/cm sont obtenues.

Une coupe MEB a été effectuée pour identifier les sources de pertes des guides, elle

est représentée figure 5-9.

Figure 5-9 : Photos MEB d’une coupe d’un guide du lot GUI 1 de 0,8µm par 0,4 µm. Une pente sur les

flancs du guide peut être observée, consécutive à une sur gravure lors de la gravure ionique. Les cotes

réalisées sont ainsi inférieures aux cotes visées.

Ce premier lot présente des flancs avec un angle important, proche de 22°,

caractéristiques d’une gravure trop importante lors de la définition des motifs. Les cotes des

guides sont également légèrement inférieures aux cotes visées, avec des valeurs proches de

750nm en bas de guide. D’autre part, sur ce premier lot, l’épaisseur de la couche de

couverture n’est que de 500nm. Les fortes valeurs de pertes peuvent être dues aux cotes des

guides inférieures aux cotes visées, ce qui peut entraîner un déconfinement du mode optique


189

et ainsi une plus grande sensibilité aux fuites dans le substrat et aux éventuelles poussières et

défauts en surface de la couche d’isolation.

Caractéristiques des guides des lots GUI2 et GUI3

Nous ne ferons pas la distinction entre les caractéristiques des guides issus des lots GUI2 et

GUI3 pour la filière nitrure de silicium standard. En effet, les deux lots ont subi les mêmes

procédés de fabrication et présentent les mêmes caractéristiques. Pour l’étude de ces guides, le

couplage par la tranche associé à la méthode de comparaison a été utilisé.

La figure 5-10 présente la courbe de réponse en fonction de la longueur d’onde pour

un guide de 0,4 µm d’épaisseur par 0,8 µm de largeur.

Figure 5-10 : Pertes optiques d’un guide de 0,8 µm par 0,4 µm en nitrure de silicium standard du lot

GUI3 en fonction de la longueur d’onde.

Des oscillations de type Fabry-Perot sont observées sur le spectre. Elles indiquent la

présence de réflexions au sein des composants du dispositif de test. En utilisant l’indice

effectif des guides et l’écart entre maxima observé, des longueurs de cavité équivalentes de

l’ordre de 27µm peuvent être calculées [Yariv91]. Il y a de nombreuses possibilités

d’interférences au sein de la structure de test présentant des dimensions de cet ordre de

grandeur (MMIs, transitions adiabatiques) et il apparaît très difficile d’identifier avec

précision leur origine exacte. Pour s’affranchir de l’effet de ces réflexions, la moyenne du

signal sur une période (25nm) a été rajoutée sur le graphique. Elle permet de mieux visualiser

les pertes dues aux guides. Ceux -ci montrent un faible niveau de pertes à 1,3 et 1,55µm avec

des valeurs respectives de 1,5 et 3 dB/cm. Ces valeurs sont sensiblement plus faibles que pour

les échantillons du lot GUI1, et peuvent en partie être rapportées aux dimensions


190

géométriques des guides. En effet les coupes MEB des guides (voir figure 5-11) montrent des

cotes légèrement supérieures, de 820nm par 430nm qui induisent un confinement plus

important du champs électromagnétique.

a) b)

Figure 5-11 : Photos MEB de coupes de guides de la filière nitrure de silicium standard du lot GUI2. a)

vue rapprochée du guide, des cotes de 820 nm par 430 sont obtenues, avec des flancs de gravures de

l’ordre de 20°. b) Vue éloignée d’un guide, l’épaisseur de la couche d’isolation de 1,5 µm est visible.

D’autre part, deux pics d’absorption sont observés, le premier autour de 1400 nm, le

second autour de 1530 nm. Le premier pic peut être relié à l’absorption du premier

harmonique de la vibration des liaisons O-H présentes dans la couche d'encapsulation de

silice. Nous avons vu dans le préambule du chapitre 3 que la silice déposée par PECVD

présente une quantité importante de ce type de liaisons, qui possèdent une fréquence de

résonance à 3636 cm-1. Le pic d’absorption observé ici correspond bien à l’excitation de leur

second harmonique de vibration.

Le deuxième pic est relié à la présence dans le nitrure de silicium de liaisons N-H

mises en évidence dans le chapitre 4 de ce manuscrit. Là encore l’excitation de leur première

harmonique de vibration entraîne une absorption optique.

1.3.2 Filière nitrure de silicium haut indice

Des guides en nitrure de silicium haut indice ont été développés sur le lot GUI3. Ils

ont été caractérisés grâce au dispositif d’injection par la tranche.

Les pertes obtenues sont représentées sur la figure 5-12, ainsi que leur moyenne sur 25 nm.


191

-10

-5

0

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650

Longueur d'onde (nm)

Pert

es (d

B/c

m)

pertes mesurées

valeurs moyenne sur 25 nm

Liaisons-OH Liaisons N-HLiaisons O-H

-10

-5

0

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650


Pert

es (d

B/c

m)

pertes mesurées

valeurs moyenne sur 25 nm

Liaisons-OH Liaisons N-HLiaisons O-H

Figure 5-12 : Pertes optiques des guides en nitrure de silicium haut indice du lot GUI3 en fonction de la

longueur d’onde entre 1250 nm et 1650 nm.

Des pertes de 3,5 dB/cm sont obtenues à 1300 nm, de 3,5 dB/cm à 1550 nm. Deux pics

d’absorption autour de 1400 nm et 1530 nm sont de nouveau observés, dus à l’absorption par

les liaisons O-H de la silice de gaine et les liaisons N-H contenues dans le nitrure haut indice.

L’observation MEB des guides (voir figure 5-13) montre des composants de cotes 0,817 µm

par 0,415 µm, proches des cotes nominales.

505nm

817nm

415nm

505nm

817nm

415nm

Figure 5-13 : Photo MEB d’un guide en nitrure de silicium haut indice du lot GUI3.

1.3.3 Filière Silicium amorphe

Les guides en silicium amorphe ont été développés sur le lot GUI3. Leurs pertes

optiques ont été caractérisées en fonction de la longueur d’onde par injection par la tranche.

La figure 5-14 représente l'évolution des pertes en fonction de la longueur d'onde d’un

guide de silicium amorphe de cote nominale 0,2 par 0,5µm. Les mesures ont été réalisées en


192

utilisant la méthode de comparaison pour une différence de longueur entre les deux bras de

2 cm.

-15

-10

-5

0

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650


Pert

es (d

B/c

m)

Liaisons O-H

-15

-10

-5

0

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650


Pert

es (d

B/c

m)

Liaisons O-H

Figure 5-14 : Evolution des pertes en fonction de la longueur d'onde d’un guide rectangulaire de silicium

amorphe de largeurs 457 nm pour la polarisation quasi-TE.

Les guides montrent des pertes de 5 dB/cm et 4,5 dB/cm respectivement pour les

longueurs d'onde de 1300 nm et de 1550 nm, ce qui les situe au niveau de l’état de l’art en ce

qui concerne les guides d’ondes à très fort contraste d’indice, proches des valeurs obtenues

sur composants en silicium cristallin et ce qui constitue le record mondial pour des guides

amorphes à fort contraste d'indice(voir paragraphe 5-6). L’observation MEB (voir figure 5-

15) montre de plus que les guides présentent des cotes légèrement inférieures aux cotes

nominales, avec une largeur de 457 nm pour 205 nm de hauteur, ce qui doit légèrement

augmenter leurs pertes. Enfin, un pic d’absorption très visible est situé autour de 1385 nm, il

est du aux liaisons O-H contenues dans la silice de recouvrement. Ce pic apparaît plus fort ici

que pour les guides précédent possédant la même silice de recouvrement. Cette forte

amplitude peut être attribuée au dé confinement plus important du mode guidé dans la gaine,

ce qui augmente l’interaction entre le champs élecromagnétique et la silice.

457nm

205nm

457nm

205nm

Figure 5-15: Photo MEB d’une coupe de guide en silicium amorphe (cote nominale de 500 nm de

largeur par 200 nm de hauteur).


193

Sur ces composants, l’influence de la largeur des guides sur les pertes optiques a été

étudiée. La figure 5-16 montre l'évolution du signal obtenu lors de la mesure des pertes par la

méthode « transition adiabatique » pour des guides de largeurs différentes de 457 nm et

760 nm. La mesure obtenue est la différence de pertes (Pg-Pl) entre la section étroite et la

section large de 2µm. Les courbes montrent la même forme caractéristique due au pic

d’absorption des liaisons O-H, et un niveau de perte proche de celui observé figure 5-13 est

trouvé pour le guide de 457nm, ce qui indique de faibles pertes dans le guide de section large.

Le pic d’absorption dù au liaisons O-H décroît avec la largeur de guide, ce qui peut être

attribué à un meilleur confinement du champs électromagnétique dans le cœur du guide.

-15

-13

-11

-9

-7

-5

-3

-1

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650

longueur d'onde (nm)

Pert

es (d

B/c

m)

W = 457 nmW = 760 nm

Figure 5-16: Evolution des pertes apparentes mesurées (Pg-Pl) en fonction de la longueur pour différentes

largeurs de guide ( 457 nm, 760 nm) (hauteur constante de 200nm) avec la méthode par transition. Une décroissance des pertes avec la largeur des guides est observée. En étalonnant ces

pertes par rapport à celles mesurées par comparaison sur le guide de 457 nm de large, leur

évolution en fonction de la largeur des guides peut être tracée, elle est représentée pour la

longueur d’onde de 1,3µm sur la figure 5-17.

0

1

2

3

4

5

6

7

0 500 1000 1500 2000 2500

largeur de guide (nm)

pert

es o

ptiq

ues

à 1,

3µm

(dB

/cm

)

Figure 5-17: Evolution des pertes à 1,3 µm de guides en silicium amorphe en fonction de la largeur de

guide.


194

Une rapide diminution des pertes avec la largeur des guides est observée entre 457 nm

et 760nm, puis plus lente entre 760nm et 2 µm. Cette décroissance peut être expliquée par la

diminution de l’interaction du mode guidé avec les flancs des guides rubans. Ceux-ci

s’écartent progressivement du maximum de champ et la diffusion par la rugosité des flancs

devient moins importante. D’autre part, les pertes diminuent jusqu’à tendre vers une valeur

proche de 0,6 dB/cm, qui peut être rapprochée des pertes de guides plans de type silice/

silicium amorphe/silice. On peut alors la comparer aux pertes mesurées pour les guides plans

silice /silicium amorphe /air. Cette valeur est légèrement plus faible que la valeur mesurée par

la technique du METRICON de 1dB/cm (voir chap 4). Cette différence peut être expliquée

par la plus forte différence d’indice de réfraction pour l’interface supérieure pour les guides

plans silicium amorphe/air que silicium amorphe/silice. Les pertes par rugosité étant

croissantes avec l’écart d’indice de réfraction [Yariv91], le fait de remplacer l’air par la silice

diminue l’écart d’indice et peut réduire les pertes optiques.

1.3.4 Origine des pertes des guides d’onde

Les pertes des guides rubans peuvent être attribuées à différentes contributions :

- pertes intrinsèques dues aux matériaux,

- pertes par effet tunnel dans le substrat,

- absorption intrinsèque des matériaux,

- diffusion par la rugosité des flancs de guides.

Les guides élaborés au cours de ce travail présentent deux sources d’absorption intrinsèque :

un pic d’absorption centré en 1,385µm dû aux liaisons O-H de la silice utilisée comme

matériau de gaine et, dans le cas des guides en nitrures- un second pic centré en 1,53µm du

aux liaisons N-H.

Le tableau 5-3 récapitule les valeurs de pertes obtenues sur les trois technologies de

guides d’ondes ainsi que les pertes des guides plans réalisés dans les matériaux associés

(reprises du chapitre 4).

Filière I.R cœur à 1,3µm (TE)

IR gaine à 1,3µm (TE)

Taille (µm²)

Pertes @1.3 µm (TE) (dB/cm)

Pertes @1.55µm (TE) (dB/cm)

Pertes guide plan @1.3 µm (TE) (dB/cm)

Pertes guide plan @1.55µm (TE) (dB/cm)

SiN Standard 1,8675 1,485 0,4*0,8 1,5 3 0,6 3,14 SiN Haut indice

2,0215

1,485 0,4*0,8 3,5 3,5 0,45

2,74

Silicium amorphe

3,3786 1,485 0,5*0,2 5,6 4,5 1,11 0,53

Tableau 5-3: récapitulatif des pertes des guides d’ondes et des guides plans gaine/cœur /air associés.


195

Pour le nitrure de silicium standard, les pertes à 1,55 µm apparaissent légèrement plus faibles

pour des guides rubans que pour des guides plans. Cette différence peut être attribuée aux

incertitudes cumulées des deux techniques de mesure de pertes.

Dans les autres cas, les valeurs de pertes des guides rubans sont supérieures aux pertes des

guides plans.

Nous avons vus précédemment que les pertes par effet tunnel ont été évitées grâce au

dimensionnement de la couche d’isolation. L’absorption intrinsèque des matériaux a été

déterminée précédemment. Enfin, nous avons vu au chapitre 4 que l’influence de diffusion par

la rugosité des interfaces horizontales est négligeable. Seules les pertes par diffusion sur les

flancs de guides peuvent expliquer la différence de pertes entre les deux structures. Il est à

noter que l’écart entre pertes en guide plan et guide ruban augmente avec l’indice de

réfraction des couches, ce qui concorde avec un phénomène de diffraction par la rugosité des

flancs, la diffraction augmentant avec le contraste d’indice. Pour les guides en nitrure de

silicium, la différence de pertes entre les deux structures est plus importante à 1,3µm qu’à

1,55µm, où elle tend vers 0. La chromaticité des pertes par rugosité dépends de sa périodicité

(caractérisé par la longueur de corrélation de la rugosité) qui agit comme une source de

diffraction [Payne94]. Cette évolution peut donc être attribué à une longueur de corrélation de

la rugosité des flancs interagissant particulièrement à 1,3µm pour cette technologie.

Sur la filière silicium amorphe, une diminution progressive des pertes avec la largeur

des guides a été observée. Les valeurs de pertes diminuent jusqu'à tendre vers la valeur de

pertes des guides plans, confirmant la proéminence des pertes par diffusion sur les flancs de

guide dans les pertes totales.

1.4 Conclusion

La mise au point de guides d’ondes à faibles pertes est une condition sine qua non pour

réaliser des liens optiques au dessus de composants électroniques. Pour cela, différentes

méthodes de simulation et de caractérisation ont été entreprises dans le but de mettre au point

des guides à faibles pertes et d’identifier leur origine. Trois filières ont été développées, à base

de nitrure de silicium standard, de nitrure de silicium haut indice et de silicium amorphe.

La filière nitrure de silicium standard apparaît aujourd’hui comme une technologie mature

qui présente de très faibles pertes de 1,5 dB/cm à 1,3µm et des pertes raisonnables à 1,55µm

(3 dB/cm). Son utilisation pour des applications de type interconnections optiques parait très

intéressante, particulièrement à 1,3µm.


196

La filière nitrure de silicium haut indice présente des pertes légèrement supérieures à

1,3µm, certainement dues à l’effet de la rugosité des interfaces. Par contre son niveau de

pertes à 1,55µm est identique et parait très intéressant pour des applications requérant une

compacité plus importante.

Enfin, les résultats obtenus sur le silicium amorphe peuvent révolutionner l’approche

actuelle de l’optique sur silicium à fort contraste d’indice. Les pertes sont comparables avec

celles de composants de type SOI à l’état de l’art (voir paragraphe 5-6) avec une technologie

montrant une flexibilité beaucoup plus importante et un coût bien moindre. Contrairement aux

technologies SOI, les dimensions des composants sont ici modifiables à faible coût et des

architectures originales peuvent être imaginées avec une technologie à fort contraste d’indice

de réfraction. Des dispositifs intégrant de la photonique multi niveaux, une co-intégration

avec des composants électroniques peuvent ainsi être réalisés dans une approche basse

température montrant une compatibilité aisée avec des procédés standard de

microélectronique. Ce seul résultat constitue une belle réussite de ce travail.

Ces résultats encourageants nous ont conduit à continuer les études sur ces filières, et à

développer des solutions pour réaliser d’autres briques de base de l’optique intégrée dédiée à

la réalisation d’un lien optique que sont les virages et les diviseurs de faisceaux.


197

2 Etude des micro-courbures Pour réaliser des liens optiques compacts et des fonctions complexes tels que la

distribution d’un signal au dessus d’un circuit, il est nécessaire d’effectuer des changements

de directions compacts et efficaces. Pour les guides à fort contraste d’indice de réfraction, si

des systèmes utilisant la réflexion sur une interface diélectrique/diélectrique ou

diélectrique/air ont déjà été proposés ([Joannopoulos99], [Cassan04], [Li03]), les micro

courbures restent la solution la plus efficace et la plus simple technologiquement

([Espinola01]), [Schnell04], [Vlassov04]) pour réaliser des virages.

Dans notre étude, des changements de directions utilisant des micro-courbures ont été

développés et des structures ont été adaptées pour diminuer leurs pertes optiques.

2.1 Source de pertes des micro-courbures et courbures continues

Les pertes optiques des courbures ont deux origines distinctes :

- Les pertes de radiation des guides courbes: Dans un guide courbe, le front d’onde

du mode guidé doit avancer en phase selon l’axe du guide. Sa vitesse tangentielle

doit alors augmenter avec la distance au centre de la courbe. Pour une certaine

distance du guide, une partie de l’onde doit avancer à une vitesse supérieure à la

vitesse de la lumière dans le matériaux de gaine et il y alors radiation de cette

partie [Marcuse74].

- Les pertes d’adaptation entre guide courbe et guide droit: les modes du guide

courbe et du guide droit possèdent une répartition spatiale et un indice effectif

différent pour chaque cas. Lors du passage de l’un à l’autre, ces différences

entraînent des pertes dues au mauvais recouvrement des champs et à la différence

d’indice effectif, synonyme de réflexion en entrée et en sortie de courbure

([Heiblum75], [Snyder84]).

La figure 5-18 représente schématiquement ces sources de pertes.


198

Décalage du mode

Energie radiée

Décalage du mode

Energie radiée

Figure 5-18 : Schéma de principe des pertes dans une micro courbure. Le mode se propageant dans le

guide droit est représenté en gris, celui dans le guide courbe en noir. Les pertes par radiations sont visibles

par l’apparition d’un champ rayonné vers la périphérie des courbures. Les pertes d’adaptation sont

visibles au niveau du décalage du mode guidé par rapport au milieu du guide.

Les pertes d’adaptation peuvent être minimisées par un dessin des virages adapté. Les

solutions en général utilisées sont de décaler entrée et sortie des guides par concaténation ou

bien d’élargir la section des guides courbes de manière à reconfiner le mode guidé

[Pennings90]. En 1995, F. Ladouceur et P. Labeye [Ladouceur95] ont proposé un dessin de

courbure utilisant un paramétrage polynomial pour avoir un changement de rayon de courbure

progressif ainsi qu’un élargissement du guide permettant de limiter la désadaptation de mode

et ainsi les pertes optiques. Les auteurs utilisent la théorie de faible guidage [Marcuse74] et la

méthode de l’indice effectif pour minimiser les pertes de structures paramétrées permettant de

définir des composants aux variations continues. Les auteurs ont montré une diminution

sensible des pertes par courbures dans des systèmes à faibles contrastes d’indices de type

silice dopée.

Au cours de notre travail, nous avons voulu évaluer la validité de ce type de

composant (dits courbures continues) sur des systèmes à plus fort contraste d’indice de

réfraction. Une comparaison des valeurs de pertes entre courbures continues et courbures à

rayon constant a été effectuée par simulation FDTD 2D et méthode de l’indice effectif pour

les filières nitrure de silicium. Pour le silicium amorphe, la simulation FDTD convient mal

pour discrétiser des très faibles rayons de courbure et la comparaison des deux types de

virages a été réalisée expérimentalement. La figure 5-19 représente les valeurs de pertes

obtenues en fonction du rayon de courbure pour des virages de type courbures continues ou

courbures constantes avec la filière nitrure de silicium standard.


199

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

10 15 20 25 30 35

Rayon de courbure (µM)

Pert

es (d

B)

Virage a rayon constant

Virage a coubure continue

Figure 5-19: Evolution des pertes par virage à 90° pour des courbures de type Rayon constant ou

Courbures Continues pour la filière nitrure de silicium Standard. Les pertes ont été calculées par FDTD

2D avec la méthode de l’indice effectif pour les cotes de guide décrites au tableau 5-3.

Une diminution des pertes optiques importante est observée, comprise entre 0,2 et 0,5

dB pour des rayons compris entre 30 et 15 µm. L’ajout de virage à courbure continue permet

d’obtenir une amélioration sensible des pertes des virages. Dans notre étude, des virages à

courbures continues ont été utilisés pour les filières nitrure de silicium haut et bas indice; pour

le silicium amorphe, des virages à courbure continue et des virages à rayon constant ont été

utilisés.

2.2 Caractérisation des micro-courbures

Les micro-courbures ont été caractérisées à l’aide de dispositif à couplage par la

tranche utilisant des diviseurs 1 vers 2 pour réaliser des mesures par comparaison. Un schéma

du dispositif est représenté figure 5-20.

Figure 5-20: Schéma du dispositif de mesure de pertes des virages par la méthode de comparaison.

500 µm 10 µm 10 µm

10 µm

R=5 µm

L1

10 µm 10 µm R1

200 µm


200

Le signal est divisé en deux parties grâce à un MMI de 1 vers 2, les deux guides de sorties

présentent alors un nombre de virages différent. La comparaison des intensités mesurées en

bout de guide permet de déterminer les pertes de chaque virage.

2.3 Résultats expérimentaux

Les pertes par virages ont été mesurées sur des dispositifs comprenant un nombre de 22 et

42 virages. La figure 5-21 a) représente un exemple de résultats expérimentaux quant à la

mesure des pertes des virages dans le cas des guides nitrures de silicium standard. Des

oscillations certainement dues à la présence de cavités Fabry Pérot entraînent un léger bruit

sur la mesure de l’ordre de 0,1dB. D’autre part, les valeurs obtenues en utilisant 22 ou 42

virages concordent bien, à une incertitude de mesure de 0,1 dB près.

-0,5

0

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650


Pert

es (d

B/c

ourb

ure)

42 Virages

22 Virages

a)

b)

Figure 5-21: a)Mesure des pertes par courbure en fonction de la longueur d’onde pour des virages à

courbures continues de 40 µm de rayon avec la technologie nitrure de silicium bas indice. B) Image infra

rouge de l’intensité contenue dans une courbure de 15 µm en nitrure de silicium bas indice (GUI2).

La figure 5-21b) représente une photo obtenue à la caméra infrarouge d’une courbure de 15

µm en nitrure de silicium bas indice utilisée sur le lot GUI2. La courbure possède de faibles

pertes et l’intensité apparaît bien confinée dans le guide.

Les résultats expérimentaux obtenus pour les différentes configurations à 1,3 et 1,55 µm sont

résumés dans le tableau 5-4.

15µm 15µm


201

Filière Rayon (µm) Courbures continues

Rayon constant

Pertes à 1,3 µm (±0.05 dB)

Pertes à 1,5µm (±0.05 dB)

SiN « Standard » 40 X 0 ,05 0,18 SiN « Standard» 30 X 0,1 0,3 SiN « Standard» 25 X 0,12 0,45 SiN «Standard » 20 X 0,15 0,7 SiN « Standard » 15 X 0,4 1,2 SiN « Haut indice » 15 X 0 0 SiN « Haut indice » 10 X 0,02 0,15 Si amorphe 5 X 0,05 0,05 Si amorphe 5 X 0,05 0,05 Si amorphe 2 X 0,05 0,15 Si amorphe 2 X 0,05 0,09

Tableau 5-4: Pertes par virages selon les technologies.

Pour les filières en nitrure de silicium, les pertes à 1,3µm ont été représentées en fonction du

rayon de courbure sur la figure 5-22. Sur cette dernière, les valeurs obtenues par simulation

FDTD pour la filière nitrure standard ont été ajoutées, elles montrent un bon accord avec les

valeurs expérimentales.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Rayon de courbure (µm)

Pert

es p

ar V

irage

s (d

B)

Simul SiN Std

SiN Std

SiN HI

Figure 5-22: Evolution des pertes des virages en fonction du rayon de courbure pour les filières nitrure

standard et haut indice. En traits pointillés ont été rajoutées les valeurs obtenues par simulation FDTD

2D.

La filière nitrure de silicium bas indice présente des pertes négligeables pour des

rayons supérieurs à 30 µm, la filière nitrure de silicium haut indice pour des rayons supérieurs

à 15 µm. Pour la filière silicium amorphe, les courbures continues montrent des valeurs de

pertes supérieures aux courbures à rayons constants, ce qui montre les insuffisances des

hypothèses de faible guidage utilisées pour dessiner les courbures continues. Les courbures à

rayon constant montrent de très faibles valeurs de pertes pour des rayons de courbures aussi

faibles que 2µm. De manière à identifier leur origine, les pertes des courbures à rayons

constant ont été comparées avec les valeurs calculées à partir du solveur de mode FVFD (voir


202

Chapitre 2). Celui-ci calcule les pertes par radiation des courbures, auxquelles nous avons

ajoutées les pertes par réflexion dues aux différences des indices effectifs. Les pertes par

désalignement ont ici été négligées. La figure 5-23 représente les pertes optiques en fonction

de la longueur d’onde de virages de 2, 5 et 10 µm en silicium amorphe. Pour chaque rayon,

données expérimentales et données de simulation ont été représentées.

Longueur d’onde (nm)

Pert

es (

dB/c

m)


Pert

es (

dB/c

m)

Pert

es (d

B/v

irage

)


Pert

es (

dB/c

m)


Pert

es (

dB/c

m)

Pert

es (d

B/v

irage

)

Figure 5-23: Evolution des pertes optiques en fonction de la longueur d’onde pour des

virages à rayon constant de 2, 5 et 10 µm de rayon en silicium amorphe.

Un très bon accord en expérience et théorie est observé, montrant des pertes augmentant en

fonction de la longueur d’onde pour le rayon de 2µm. Cet accord montre que pour les guides à

très fort contraste d’indice, le décalage entraîné par la courbure est négligeable, et que la

principale source de pertes vient des pertes par radiation. Ce résultat explique la raison des

pertes importantes des courbures continues : leur dessin, obtenu à partir d’hypothèses de

faible guidage peu adaptées au très fort contraste d’indice, surestime la désadaptation de mode

et entraîne des pertes supplémentaires par le mauvais recouvrement des modes en entrée et en

sortie de virage.

2.4 Conclusion

Des virages à très faibles pertes ont été développés pour les filières technologiques

utilisées. De faibles rayons de courbure ont été démontrés, avec des valeurs de 40µm, 15 et

2µm respectivement pour les filières nitrure de silicium standard, haut indice et silicium

amorphe. D’autre part, nous avons vu que l’influence des pertes de transition est plus

importante sur les composants à moyen contraste d’indice de réfraction qu’à fort contraste

d’indice et qu’il est intéressant d’utiliser des dessins de type courbure continue pour les

filières en nitrure de silicium – contrairement à la filière silicium amorphe.


203

D’un point de vue pratique, les virages développés au cours de ce travail permettent

d’envisager différents types d’applications pour les différentes filières. Pour des applications

de type distribution d’un signal d’horloge, ou des rayons de 40µm paraissent suffisant

[OConnor05], la filière nitrure de silicium standard parait la plus adaptée avec des pertes

négligeables à ces rayons et de très faibles pertes en guide droit à 1,3µm.

La filière nitrure de silicium haut indice représente une bonne alternative pour des

applications requérant des rayons de courbure plus faibles avec des courbures sans pertes pour

des rayons de 15µm. Des résonateurs compacts ([Phillip04]) peuvent ainsi être envisagés avec

des guides présentant des pertes modérés (3dB/cm) à 1,3 et 1,55µm.

Enfin, la filière silicium amorphe permet de réaliser des structures à très forte

compacité avec des dessins de composants simples. Des virages pour des liens compacts mais

aussi des structures plus complexes telles que microrésonnateurs en anneau ou micro-disques

peuvent désormais être envisagés avec cette technologie.


204

3 Diviseurs de faisceaux Deux types de composants permettant de diviser des faisceaux en n parties ont été

étudiés : des jonctions Y et des composants à interférence multimodes (ou MMI pour « Multi

Mode Interferometer »). Les jonctions Y ont été développées dans un premier temps sur les

lots GUI 1 et GUI 2. Leur caractérisation ayant mis en lumière des problèmes de répétabilité

et de forte chromaticité, nous nous sommes ensuite orienté vers des diviseurs de type MMI.

Nous présenterons rapidement les caractéristiques des jonctions Y, suivies de la mise au point

et la caractérisation des MMIs.

3.1 Jonctions Y

Deux types de jonctions Y ont été étudiés au cours de notre étude :

-dans un premier temps, (lots GUI 1 et GUI 2), des jonctions Y en nitrure de silicium

standard ont été développées. Leur dessin est basé sur des courbures continues décrites

précédemment dans lesquelles une pointe vient s’insérer pour diviser le faisceau. Il est

représenté schématiquement sur la figure 5-24 a).

Figure 5-24: schéma de principe des jonction Y.

Ces jonctions ont été caractérisées par injection par la tranche et un important déséquilibre

entre les voies a été observé, déséquilibre variable entre deux composants du même type.

Ainsi, la figure 5-25 représente le déséquilibre (I1/I2) d’une jonction Y en nitrure de silicium

standard en fonction de la longueur d’onde.

a)b)


205

-4,5

-4

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

1250 1300 1350 1400

λ (nm)

désé

quili

bre

(dB

)


I 1/I

2(dB

)

-4,5

-4

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

1250 1300 1350 1400

λ (nm)

désé

quili

bre

(dB

)


I 1/I

2(dB

)

Figure 5-25: Déséquilibre entre les branches d’une jonction Y « classique » en nitrure de silicium

standard. La mesure est effectuée en polarisation quasi-TE.

Un déséquilibre variant entre 1 et 2,5dB selon la longueur d’onde est observé.

Suite à ces observations, une hypothèse a été avancée quand à l’origine du déséquilibre

qui serait du à un défaut de lithographie sur la pointe des jonctions Y. La pointe effilée des

jonctions Y présente en effet des dimensions inférieures à la limite de résolution des outils de

lithographie utilisés (0,2µm pour la lithographie 248nm utilisée ici). L’incertitude sur la

définition de la pointe est alors importante et un faible désalignement de celle-ci peut

fortement détériorer l’équilibre du composant.

De manière à éliminer ce type de comportement, un nouveau type de composant a été

proposé. Par rapport a une jonction Y «classique», le V de la pointe de la jonction Y est ici

remplacé par un méplat (figure 5-24b) de 0,2 µm. Ainsi, la pointe est bien centrée et

l’intensité n’est par déséquilibrée sur une voie ou l’autre.

Malheureusement, suite à un problème de découpe des échantillons, ces nouvelles

jonctions réalisés en nitrure de silicium (standard et haut indice) n’ont pu être testées, et seuls

les composants en silicium amorphe ont pu être caractérisés. En utilisant une méthode par

comparaison semblable à celle décrite partie 1-2 de ce même chapitre, les pertes optiques de

chaque branche ont pu être mesurées en fonction de la longueur d’onde.

Les figure 5-26a) et b) montre l'évolution des pertes en excès et du déséquilibre d'une jonction

Y de ce type en silicium amorphe.


206

0

5

10

15

20

25

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650


Per

tes

en e

xcés

(dB

)

-3

-2

-1

0

1

2

3

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650


Dés

équi

libre

(dB

)

a) b) Figure 5-26: Evolution des pertes en excès (a)) et du déséquilibre (b)) d’une jonction Y en technologie

silicium amorphe en fonction de la longueur d'onde.

Un très bon équilibre entre les sorties est observé, avec une différence inférieure à 1dB

entre 1300 et 1500nm. De plus, les mesures effectuées sur différents composants ont montré

une très bonne reproductibilité, avec un déséquilibre inférieur à 0,5dB pour trois composants.

Ceci confirme nos hypothèses quand à l’origine des déséquilibres sur les jonctions Y

classiques et montre l’intérêt de l’ajout d’un méplat.

Par contre, on peut constater que les pertes de composants sont importantes (5dB à

1,3µm), et augmentent très fortement avec la longueur d'onde. Ceci peut être expliqué par un

phénomène de diffraction sur la pointe de la jonction Y. Cet effet est d'autant plus important

lorsque l'on utilise des guides à fort contraste d'indice de très petite taille, ce qui rend ce

composant très chromatique et à fortes pertes. Les jonctions Y représentent ainsi des solutions

peu intéressantes pour la distribution de signal avec des composants de types ruban à fort

contraste d’indice. Il est possible que les effets de diffraction soient plus faibles sur les filières

nitrure de silicium où le contraste d’indice est plus réduit. Une évaluation de ces composants

devra ainsi être menée dans le futur. Cependant, une autre méthode a été mise en oeuvre au

cours de ce travail pour diviser des faisceaux : les diviseurs par interférence multimode.

3.2 Diviseur de faisceau de type MMI

Les composants à interférence multi mode (ou MMI) utilisent une propriété des guides

d’ondes multi-modes dite de « self Imaging », qui consiste à pouvoir reproduire le profil du

champ électromagnétique d’entrée du guide en une ou plusieurs images réparties

périodiquement dans la direction de propagation du guide [Bryngdahl73]. Le principe est

d’utiliser une portion de guide d’onde multimode à la suite d’un guide monomode. A l’entrée

du guide monomode, le champ électromagnétique qui était confiné sur le mode d’ordre 0 va


207

se décomposer en une distribution de champs de tous les modes guidés du guide large. Le

champ à l’intérieur de la structure peut alors être vu comme la somme des intensités couplées

sur les différents modes guidés. Ces modes possédant des constantes de propagations

différentes, l’intensité varie en fonction de la position dans le guide et l’on peut montrer que

pour des positions particulières une image identique de l’entrée est observée. Soldano et

Pennings [Soldano95] décrivent, grâce à une analyse modale, le fonctionnement de tels

composants. En décrivant la propagation dans un guide d’une largeur effective We, les auteurs

montrent que pour des positions L=(P/N)(3Lπ) où P est un entier et Lπ la longueur de

battement entre le deux premiers modes; on obtient N images du champs d’entrée, situées aux

positions N

Wenqpy p )2( −= , chacune avec une amplitude de N1 et a l’intérieur du guide.

Ainsi, si l’on place une portion de guide multimode à la suite d’un guide monomode et que

l’on ajuste sa taille et la position des guides de sortie, il est possible de séparer l faisceaux en

N parts de même amplitude. La figure 5-27 représente le schéma de principe d’un diviseur 1

vers 2.

L

W ec

Figure 5-27: Schéma d’un diviseur MMI 1 vers 2. W est la largeur, L la longueur et ec l'écartement entre

guides.

3.2.1 Conception des MMIs

Dans notre étude, des diviseurs de 1 vers 2 et de 1 vers 4 ont été conçus pour les trois

filières technologiques utilisées. La longueur d’onde d’optimisation a été choisie à 1,3µm.

Pour simuler le comportement de guides multimodes et des composants finis avec de fort

contraste d’indice, la simulation par FDTD en trois dimensions a été utilisée. Les composants

ont été optimisés pour présenter de faibles pertes, un bon équilibrage entre les sorties et une

forte compacité. La procédure d’optimisation des MMIs est la suivante :

1) Simulation par FDTD 3D d’une structure comportant un guide monomode d’entrée et

un guide multimode de très forte longueur dans lequel vont se former les images


208

multiples. La position optimale des guides de sortie est déterminée précisément en

utilisant des sections virtuelles de guides d'ondes permettant de calculer la puissance

couplée dans une section de guide en fonction de la position.

2) Après avoir déterminé la position optimale des guides de sortie, une simulation du

MMI incluant les guides de sortie permet de déterminer la réponse spectrale du

composant.

La figure 5-28 représente la carte de champs d’un diviseur de 1 vers 2 et d’un diviseur de 1

vers 4 en nitrure de silicium standard.

Figure 5-28: Simulation du champs électromagnétique d’un MMI de 1 vers 2(a/) et de 1 vers4 (b/) en

filière nitrure de silicium bas indice par FDTD 3D. La polarisation est quasi-TE et le champ est imagé à

mi-hauteur du guide d’onde.

Ajout de transitions adiabatiques

Hill et al. [Hill 03] ont montré en 2003 l’intérêt d’ajouter des transitions adiabatiques en

entrée et en sortie des composants pour diminuer les pertes. La figure 5-29 a) représente ainsi

le schéma d’un diviseur 1 vers 2 avec transitions adiabatiques. Par simulation FDTD, ils

montrent qu’un optimum est atteint lorsque la largeur de guide est égale à un tiers de la

largeur du composant pour un diviseur de 1 vers 2. L’ajout de transitions sur nos composants

a été évalué par simulation FDTD. Leur longueur et leur largeur a été optimisée de manière à

obtenir une réponse spectrale plate et de faibles pertes. Pour les diviseurs 1 vers 4, les

transitions n’entraînent pas de diminution significative des pertes optiques et leur ajout n’a

pas été jugé nécessaire. Au contraire, l’ajout de transitions sur les diviseurs 1 vers 2 entraîne

une amélioration de la réponse spectrale des composants. La figure 5-29 c/ représente la

réponse spectrale d’un MMI de 1 vers 2 en nitrure de silicium « bas indice » avec ou sans

transition adiabatique optimisée.


209

L

W

L1

W1

ec

L

W ec1

ec2

b)

c)

Figure 5-29: a) Schéma d’un MMI de 1 vers 2 avec transition adiabatique.b) Schéma d’un MMI de 1 vers

4. W est la largeur du composant, L sa longueur, ec, ec1 et ec2 l’écartement des guides intérieurs et

extérieurs par rapport au milieu du composant; W1 est la largeur maximale de la transition adiabatique,

L1 sa longueur. c) Réponse spectrale d’un MMI 1 vers 2 en nitrure de silicium à bas indice avec ou sans

transition adiabatique.

Les composants avec transitions présentent une réponse spectrale plus « plate » avec la

longueur d’onde et un niveau de perte plus faible, ce qui est le cas pour les trois filières

développées.

Finalement, les dimensions des MMIs réalisés au cours de notre étude sont récapitulées dans

le tableau 5-5.

Filière Composant L (µm) l (µm) ec/ec1 (µm)

ec2 (µm) L1 (µm) W1 (µm)

SiN Bas Indice 1 vers 2 6,8 3.2 0,75 1,2 1 SiN Bas Indice 1vers 4 36,6 10,48 1,3 3,88 Sin Haut Indice 1 vers 2 5,32 2,5 0,75 1,2 1 SiN Haut Indice 1 vers 4 35,5 10 Si Amorphe 1 vers 2 3,6 2 0,52 0,6 0,5 Si Amorphe 1 vers 4 16 5 0,88 1,89

Tableau 5-5 : Dimensions des MMIs utilisés.

3.2.2 Caractérisations des MMIs

Filière nitrure de silicium bas indice

Caractérisation par réseau. Le lot Gui1 a donné lieu à la caractérisation des MMI de 1 vers 2

et de 1 vers 4 de la filière nitrure de silicium bas indice par injection par réseaux. Les figures

5-30 a) et b) représentent les images infra rouges d’une distribution de 1 vers 4 réalisée avec

des MMIs de 1 vers 2.

a)


210

Figure 5-30 : a/ Image infra rouge d’une distribution de 1 vers 4 par 3 MMIs de 1 vers 2 en filière nitrure

de silicium bas indice b/Image infra rouge des faisceau de découplage des réseaux associés à la

distribution.

Nous avons tracé figure 5-31 l’intensité découplé intégré sur la longueur des coupleurs en

fonction de la position. Les quatre taches des sorties sont bien reconnaissables et montrent des

valeurs très proches. En intégrant l’intensité découplée sur la surface totale des réseaux, un

déséquilibre inférieur à 8% est obtenu.

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

0 50 100 150 200 250 300 350

Position (U.A)

Inte

nsité

inte

grée

sel

on x

(U

.A)

Figure 5-31 : Intensité intégrée sur la longueur des réseaux de découplage pour les quatre sorties du MMI

de 1 vers 4 en silicium standard. La figure 5-32 a) représente quand à elle une image infrarouge d’un MMI 1 vers 4 réalisé en

nitrure de silicium bas indice. Sur la figure 5-32 b), l’intensité découplé intégrée selon la

longueur des coupleurs a été tracée en fonction de la direction y. Un déséquilibre inférieur à

6% est obtenu en intégrant l’intensité sur la surface totale des réseaux..

58µm

15µm

a) 58µm

15µm

b)

xy


211

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

0 50 100 150 200 250 300 350

Position (U.A)

Inte

nsité

inté

grée

sel

on x

(U.A

)

Figure 5-32 : a/Image infra rouge d’un MMI de 1 vers 4 b/ Image infra rouge des réseaux de découplages

associés au MMI de 1 vers 4.

Le très bon équilibre trouvé entre les sorties des dispositifs, que ce soit le MMI de 1 vers 2 ou

le MMI de 1 vers 4 montre un bon accord avec la simulation. Cependant, la caractérisation

par réseau ne nous a pas permis de déterminer les pertes des composants avec une précision

suffisante. C’est pourquoi, dans la suite de notre étude, les MMIs ont été caractérisés par

injection par la tranche.

Caractérisation par la tranche

Un dispositif de mesure de pertes par comparaison a été utilisé pour mesurer les pertes

des MMIs. Un MMI de 1 vers 2 est utilisé pour séparer le signal en deux entre une branche de

référence et une branche ou se trouve le composant a étudier et ses différentes sorties.

Figure 5-33 : schéma d’un dispositif de caractérisation par la tranche d’un MMI 1 vers 2.

Les pertes en excès du dispositif sont obtenues par comparaison de la somme des intensités

des sorties du composant avec la branche de référence. L’équilibre est obtenu en comparant

les sorties du composant entre elles.

a)

x y

Branche de référence

Composant testé

b)


212

MMI de 1 vers 2

Les figures 5-34 a) et b) représentent les pertes en excès et le déséquilibre pour un

MMI de 1 vers 2 en nitrure de silicium standard de dimension décrites dans le tableau 5-6.

Les sorties montrent un déséquilibre très faible, inférieur à 0,5dB pour la totalité de la gamme

spectrale étudiée. Les pertes en excès du composant valent 1dB à 1,3 µm et sa gamme

spectrale à 1dB est de 500 nm.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650


Pert

es e

n ex

cés

(dB

)

-1

-0.5

0

0.5

1

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650


Dés

équi

libre

(dB

)

a) b)

Figure 5-34 : Pertes en excès (a)) et déséquilibre (b)) d’un MMI de 1 vers 2 en nitrure de silicium

standard. La mesure est effectuée en polarisation TE.

MMI de 1 vers 4

Les figures 5-35 a) et b) représentent les pertes en excès et le déséquilibre d’un MMI 1

vers 4 en nitrure de silicium bas indice. Le déséquilibre est indiqué en normalisant l’intensité

des sorties 2, 3 et 4 par l’intensité de la sortie numéro 1 (Les sorties 2 et 3 sont donc à

l’intérieur, les sorties 1 et 4 à l’extérieur). Les pertes en excès à 1,3 µm sont très faibles et

comprises dans l’incertitude de mesure de ±0,2dB. L’équilibre des sorties est très bon,

inférieur à 0,5 dB sur toute la gamme spectrale. Ce composant présente une gamme spectrale

à 1dB d’environ 100 nm, entre 1250 et 1350 nm.


213

00,5

11,5

22,5

33,5

44,5

5

1250 1300 1350 1400


Pert

es e

n ex

cès

(dB

)

-3

-2

-1

0

1

2

3

1250 1270 1290 1310 1330 1350 1370 1390


Dés

équi

libre

(dB

)

I2/I1i3/I1I4/I1

a) b)

Figure 5-35 : Pertes en excès (a)) et déséquilibre (b)) d’un MMI de 1 vers 4 en nitrure de silicium

standard. Les mesures sont effectuées en polarisation TE. Sur la figure b), l’intensité de chacune des

sorties est représentée normalisée par la branche de référence.

3.2.3 Filière nitrure de silicium haut indice

Nous n’avons pu étudier les composants de cette filière à la suite d’un problème de

découpe. Les facettes d’entrée et de sortie du lot en nitrure de silicium haut indice sont de très

mauvaise qualité ce qui n’a pas permis d’avoir des résultats reproductibles et pertinents.

Néanmoins, au vu des résultats obtenus sur la filière nitrure de silicium standard, il est

probable que les caractéristiques soient comparables ici. Il sera nécessaire de confirmer les

simulations sur de prochains lots.

3.2.4 Filière silicium amorphe

MMI de 1 vers 2

Les figures 5-36 a) et b) représentent les pertes en excès et le déséquilibre d’un MMI 1

vers 2 en silicium amorphe (dimensions indiquée dans le tableau 5-3) en fonction de la

longueur d’onde.

Des sorties très équilibrées sont obtenues, avec un déséquilibre inférieur à 0,5 dB à

1,3 µm et des pertes de 1,5 dB à cette même longueur d’onde. Ce composant présente par

ailleurs une bande passante à 1dB d’environ 120 nm.


214

02468

101214161820

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650


Pert

es e

n ex

cès

(dB

)

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650

Longueur d'onde(nm)

désé

quili

bre

(dB

)

a) b) Figure 5-36: Pertes en excès (a)) et déséquilibre (b)) d'un MMI 1 vers 2 en silicium amorphe en fonction de

la longueur d'onde.

MMI 1 vers 4

Les MMIs 1 vers 4 en silicium amorphe n’ont pu être caractérisé par comparaison et

seul le déséquilibre entre les branches a pu être mesuré. La figure 5-37 représente les

intensités des sorties 2, 3 et 4 normalisées par la sortie numéro 1 (Les sorties 2 et 3 sont à

l’intérieur, les sorties 1 et 4 à l’extérieur).

-5

0

5

10

15

1250 1300 1350 1400

longueur d'onde (nm)

désé

quili

bre

(dB

)

I2/I1I3/I1I4/I1

Figure 5-37: Pertes en excès d'un MMI 1 vers 4 en silicium amorphe en fonction de la longueur d'onde.

Les sorties du composant montrent un très bon équilibre autour de leur longueur

d’onde de conception de 1,3µm, avec une différence inférieure à 0,5dB. Leur bande passante

à 1dB est d’environ 50nm. Des oscillations dues à des interférences par effet Fabry Perot

quelque part dans le composant sont toutefois observées.

D’autre part, une forte dépendance de la réponse du composant avec la longueur

d’onde est observée, avec une bande passante beaucoup plus faible que celle des composants


215

en nitrure de silicium. Cette forte chromaticité peut être reliée à la forte compacité du

composant, qui entraîne une variation rapide des indices effectif des modes guidés

[Soldano95]. La longueur de battement Lπ varie ainsi fortement avec la longueur d’onde,

entraînant un décalage important de la position à laquelle se forment les images. Le bon

équilibre entre les sorties autour de 1,3µm indique par contre un bon accord entre simulation

et expérience.

3.3 Conclusion

Au cours de cette partie, deux différentes façons de diviser le signal optique ont été

étudiées: jonctions Y et Diviseurs MMIs. Les jonctions Y traditionnelles présentent

l’inconvénient d’être très sensibles aux conditions de fabrication ce qui peut entraîner un

déséquilibre variable et important, condition inacceptable pour nos applications. De nouvelles

jonctions Y ont été mises au point, moins sensibles aux effets de pointe. Si elles montrent un

bon équilibre, elles présentent cependant une forte chromaticité pour la filière silicium

amorphe ainsi que de fortes pertes, certainement dues à des effets diffractifs.

Les diviseurs MMIs présentent par contre des caractéristiques particulièrement

intéressantes. Les diviseurs de 1 vers 2 possèdent ainsi de faibles pertes d’insertion

(inférieures à 1,5dB) sur une large gamme spectrale ainsi qu’un très bon équilibre pour toutes

les filières étudiées. De par leur conception, ils sont très compacts et peu sensibles aux

imperfections de fabrication. Ils représentent ainsi une solution particulièrement adaptée pour

distribuer un signal à l’échelle d’un composant. Des diviseurs de faisceaux de 1 vers 4 ont

également été étudiés. Ils montrent des caractéristiques très intéressantes pour la filière nitrure

de silicium standard, avec des pertes négligeables et un très bon équilibre sur une large

gamme spectrale.

4 Comparaison avec la littérature Les composants optiques mis au point au cours de ce travail répondent à un cahier des

charges particulier axé sur la compatibilité avec des circuits microélectroniques, ce qui

implique des procédés de fabrication basse température. Peu de travaux dans la littérature

possèdent une telle approche. Néanmoins, l’utilisation de ces composants n’est pas exclusive

et il est intéressant de comparer leurs performances avec celles de dispositifs d’optique

classique présentant des tailles comparables.


216

Les tableaux 5-7 et 5-8 récapitulent les pertes optiques des guides d’ondes et des

micro-courbures pour des guides d’ondes submicroniques développés par les principaux

groupes de recherche. Les technologies de type SOI et Nitrure de silicium sont reportées. Il

convient de noter que leur compatibilité avec une intégration au dessus de circuits intégrés

n’est pas possible (excepté pour le travail de [Kobrinsky04]).

Filière / Auteurs Hauteur (nm)

Largeur (nm)

Longueur d’onde (µm)

Pertes (dB/cm)

Guides recouverts

Reférence

Nitrure Standard 400 800 1,3 1,55

1,5 3

Oui Oui

présent

Nitrure H.I. 400 800 1,3 1,55

3 2,75

Oui Oui

Present

SiN LPCVD 600 1000 1,55 1,2 Oui [Phillip04] SiN PECVD 300 300 0,850 3 Non [Kobrinsky04] Silicium Amorphe

205 457 1,3 1,55

5,8 4,5

Oui Oui

Present

SOI/Cornell 270 470 1,55 5,0 Non [Vlassov04] SOI/IBM 220 445 1,55 3,0 Non [Vlassov04] SOI/IMEC 220 500 1,55 2,4 Non [Dumon05] SOI/MIT 200 500 1,55 32,0 Oui [Vlassov04]

Tableau 5-7 : récapitulatif des pertes de guides submicroniques. Comparaison avec la littérature.

Filière / Auteurs Hauteur (nm)

Largeur (nm)

Rayon (µm)

Longueur d’onde (µm)

Pertes (dB)

Reférence

Nitrure Standard

430 820 40 30

1,3 1,55 1,3 1,55

<0,05 0,18 0,1 0,3

present

Nitrure H.I.

416 817 15 10

1,3 1,55 1,3 1,55

0 0 0,02 0,15

present

SiN LPCVD 600 330

1000 1200

25 20 15 25 20 15

1,55 0,02 0,08 0,16 0,05 0,12 0,2

[philipp04]

Silicium Amorphe

205 457 5 2

1,3 1,55 1,3 1,55

<0,05 <0,05 0,05 0,09

présent

SOI/NTT 300 300 3.0 2.0

1,55 0,17 0,46

[Vlassov04]

SOI/IBM 220 445 2,0 1,55 0,013 [Vlassov04] SOI/IMEC 220 500 5,0

2,0 1,55 0,01

0,03 [Dumon05]

SOI/MIT 200 500 1.0 1,55 0,5 [Vlassov04] Tableau 5-8 : récapitulatif des pertes par micro-courbures. Comparaison avec la littérature.

La filière nitrure de silicium standard présente des pertes comparables avec l’état de

l’art des guides submicroniques en technologie haute température, avec des valeurs aussi


217

faibles que 1,5 dB/cm à 1,3 µm et des courbures sans pertes pour des rayons de 40µm. Pour

les diviseurs de faisceaux, peu de travaux ont été publiés sur les diviseurs de 1 vers 4 ou de 1

vers 2 en nitrure de silicium (ou contraste d’indice de réfraction équivalent), et les composants

développés au cours de cette thèse présentent à notre connaissance la plus forte compacité et

les plus faibles pertes.

La filière nitrure de silicium haut indice présente des pertes légèrement plus

importantes mais elle permet d’atteindre un plus fort degré d’intégration et d’obtenir des

courbures sans pertes à l’état de l’art pour des rayons de 15µm.

Enfin, le silicium amorphe montre des performances record, équivalentes à la

photonique SOI, avec des pertes à 1,3 et 1,55µm à l’état de l’art pour des guides recouverts.

Des courbures très compactes peuvent être obtenues sans pertes pour des rayons de 2µm. Les

diviseurs montrent des pertes de 1,5dB pour des composants de 2*3,6µm, comparables avec

ceux publiés par Sakai et al. [Sakai01] (MMI 3 µm x 6,8µm, bon équilibre, pertes non

mentionnés) et Dumon et al.[Dumon05] (MMI 3 µm x 7,6 µm, pertes <1dB annoncées) pour

la photonique SOI.

Ainsi, grâce aux filières développés au cours de ce travail, des liens élémentaires

comportant guides, changements de direction et diviseurs de faisceaux peuvent être réalisés au

dessus de composants microélectroniques avec des caractéristiques optiques comparables à

l’état de l’art de la photonique à fort contraste d’indice.

Exemple de distribution du signal d’horloge

Ces liens peuvent être utilisés pour distribuer un signal d’horloge au sein d’un

composant (voir Chap. 1). Pour cette application, des circuits en H sont utilisés et la

différence de puissance entre entrée et sorties ne doit pas excéder des valeurs proches de 30dB

[Cassan03]. Les meilleurs résultats aujourd’hui publiés utilisent des guides en arrête en SOI

réalisés sur une plaque optique qui doit être rapportée sur le circuit et montrent des pertes

totales de 14dB pour une distribution 1 vers16 de 1 cm de long [Vivien05]avec des pertes de

propagation comprises entre 0,1 et 0,4 dB/cm.

En utilisant la filière nitrure de silicium standard à 1,3 µm avec 5 MMIs 1 vers 4, 10

courbures de 40µm pour une distance totale de 1cm, en considérant le pire cas de pertes vis-à-

vis de l’incertitude de nos mesures, une distribution théorique montrant des pertes de 15 dB

peut être réalisée. Des résultats équivalents peuvent ainsi être obtenus, et ce en utilisant une

architecture ne nécessitant pas de coûteuse étape de report. De même, l’utilisation de guides

de la filière silicium amorphe à 1,3µm, de 15 MMI 1 vers 2 à 1,3µm et de dix micro-


218

courbures de rayon 2 µm sur une distance totale de 1cm peut conduire à l’obtention de pertes

aussi faibles que 21,3 dB, ce qui parait largement suffisant pour assurer la distribution d’un

signal d’horloge.

Conclusion A l’aide de composants développés au cours de notre travail, il est possible de réaliser

des liens optiques à faibles pertes et forte compacité au dessus de circuits électroniques. Trois

filières technologiques distinctes ont été développées basées sur les matériaux mis au point

dans les chapitres précédents : nitrure de silicium standard, nitrure de silicium haut indice et

silicium amorphe. A l’aide d’outils de simulation et de caractérisation, des guides, des micro-

courbures et des diviseurs de faisceaux ont été mis au point. Ils présentent de faibles pertes et

une forte compacité, comparable à l’état de l’art. Plus précisément, la filière nitrure de

silicium standard est aujourd’hui une technologie mature qui permet de réaliser des liens de

compacités raisonnables (du type distribution d’horloge) avec des pertes optiques globales à

1,3µm très intéressantes. Son introduction au sein de circuit microélectroniques ne pose aucun

problème de compatibilité et peut apporter rapidement des avantages certains. La filière

nitrure de silicium haut indice représente une solution plus compacte, qui entraîne des pertes

supplémentaires raisonnables à 1,3µm et le même degré de pertes à 1,55µm. Son introduction

peut permettre de réaliser des circuits complexes nécessitant un plus fort degré d’intégration

tout en gardant une faible gamme de pertes optiques (<3dB/cm)

Enfin, l'étude menée sur un lien optique à base de guides ruban en silicium amorphe

constitue à notre connaissance une première mondiale, et met en lumière les potentialités de

cette technologie. La filière silicium amorphe combine les avantages de la photonique à fort

contraste d’indice de type SOI et la versatilité des méthodes de dépôt et de fabrication

utilisées. Les pertes optiques des guides, des courbures, et des diviseurs la situent à l’état de

l’art des composants à très fort contraste d’indice et ouvrent la voie à l’intégration à bas coût

de composants optiques submicroniques au sein de circuits intégrés, ou bien encore à la

réalisation aisée de composants novateurs de type optique à multi niveaux, cristaux

photoniques 3D etc.….

Chap. V Bibliographie

219

Bibliographie du chapitre 5

[Agarwall99] A. Agarwal, J.S. Foresi, L.M. Giovane, L. Liao, J. Michel, K. Wada, and L.C. Kimmerling, Defect Engineering for silicon Microphotonics , Defects in silicon III,1999, pp.215-21.

[Bryngdahl73] O. Bryngdahl, Image formation using self imaging Technique. Journal Optical Society America,

1973, Vol 63, N°4.pp.416-419.

[Cassan03] E. Cassan, S. Laval, S.Lardenois, A. Koster. On-Chip optical interconnects with compact and low loss light distribution in Silicon –On-Insulator Rib waveguides IEEE Jour. Of Selected. Topics in Quant. Electronics. Vol.9, NO.2, March/April 2003.

[Cassan04] E. Cassan, L. Vivien, S. Laval, Polarization-independent 90_-turns in single-mode micro-waveguides on silicon-on-insulator wafers for telecommunication wavelengths, Optics Communications, 2004, Vol. 235, pp. 83-88, 2004.

[Dumon05] P. Dumon,G. Roelkens,W. Bogaerts, D. Van Thourhout,J. Wouters, S. Beckx, P. Jaenen, R. Baets, Basic photonic wire components in silicon-on-insulator Source, Proceedings of the Conf. on Group IV Photonic, 2005, pp. 189-91.

[Espinola01] R. L. Espinola, R.U. Ahmad, F. Pizzuto, M. Steel, R.M. Osgood, A study of high-index-contrast 90° waveguide bend structures Optics Express, 2001,Vol. 8, N° 9, pp.2564-9.

[Heiblum75] M. Heiblum, J. Harris, Analysis of curved optical waveguides by conformal transformation, Journal of Quantum Electronics, 1975, Vol. 11, pp. 75-83.

[Hill03]

M. T. Hill, X. J. M. Leijtens, G. D. Khoe, M. K. Smith, Optimizing Imbalance and Loss in 2 2 3-dB Multimode Interference Couplers via Access Waveguide Width, Journal of Lightwave Technology, 2003,Vol. 21, pp. 2305-13.

[Kobrinsky04] M.J. Kobrinsky, B.A. Block, J.F. Zheng, B.C. Barnett, E. Mohammed, M. Reshotko, F. Robertson, S. List, I. Young, K . Cadien, On-chip optical interconnects Intel Technology Journal, 2004, Vol. 8. N°2. pp129-142

[Ladouceur95] F. Ladouceur, E. Labeye, A new general approach to optical waveguide path design Journal of Lightwave Technology, 1995, Vol. 13, N° 3, pp. 481-92.

[Lee01]

K. K. Lee, D. R. Li, L. C. Kimerling, J. Shin, F. Cerrina, Fabrication of ultralow-loss Si_SiO2 waveguides by roughness reduction, Optics Letters, 2001, Vol. 26, pp. 1888-90.

[Li03] L.Li, G.P. Nordin, J.M. English, J. Jiang. Small-area bends and beamsplitters for low-index-contrast waveguides Opt. express. V 11, No3. (2003)

[Marcuse74] D. Marcuse. Light transmission optics. Taylor and Francis Ed. 1974

[Moharan81] M. G. Moharan, T. K. Gaylord, Rigorous coupled wave analysis of planar grating diffraction, Journal of the Opt. Soc. Am. A, 1981, Vol. 71, pp. 811-18.

[Moharan82] M. G. Moharan, T. K. Gaylord, Diffraction analysis of dielectric surface relief gratings, Journal of the Opt. Soc. Am. A, 1982, Vol. 72, pp. 1385-92.

[Moharan95] M. G. Moharam, D. A. Pommet, E. B. Grann, T. K. Gaylord, Stable implementation of the rigorous coupled wave analysis for surface relief gratings: enhanced transmittance matrix approach, Journal of the Opt. Soc. Am. A, 1995,Vol. 12, pp. 1077-86.

[Orobtchouk00] R. Orobtchouk, A. Layadi, H. Gualous, D. Pascal, A. Koster, S. Laval, High efficiency light coupling in a submicrometric silicon on insulator waveguide, Applied Optics, Vol. 39, pp. 5773-77, 2000.

http://www.engineeringvillage2.org/controller/servlet/Controller?CID=quickSearchCitationFormat&searchWord1=%7bDumon%2C+P.%7d&section1=AU&database=2&yearselect=yearrange&sort=yr

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220

[Orobtchouk05] R.Orobtchouk, N.Scnell, T.Benyattou, J.M.Fedeli, Compact building blocks for optical link on

SOI technology Proc .Of the ECIO CONF. Grenoble 2005

[Payne94] F.P. Payne, J.P.R. Lacey, A theoretical analysis of scattering loss from planar optical waveguides Optical and Quantum Electronics, 1994, Vol. 26, N° 10, p 977-86.

[Pennings90] E.C.M.Pennings, Bends in optical ridge waveguides (modeling and experiments). Ph.D. dissertation Tecknische Universiteit Delft, Netherlands. 1990.

[Phillipp04] H.T.Philipp, K.N. Andersen, W. Svendsen, Amorphous silicon rich silicon nitride optical waveguides for high density integrated optics Electronics Letters, 2004,Vol. 40, N° 7, pp. 419-21.

[Popov00] E. Popov, M. Neviere, Grating theory : new equations in fourier space leading to fast converging results for TM polarization, Journal Of Opt. Soc. Am. A, 2000, Vol. 17, pp. 1773-84.

[Sakai01] T. Sakai, R.U. Ahmad, G.C. Camarda, R. Pizutto, R.I. Espinola, R.M. Osgood, Ultra-compact 90° bends and MMI couplers in silicon-on-insulator, Proceedings of Lasers and Electro-Optics Conf. 2001, pp. 36-7.

[Schnell04] N. Schnell, M. Martin, R. Orobtchouk, T. Benyattou, R. Perrin, P.R. Labeye, J.M Fedeli, Characterization and design of optical integrated devices for optical clock distribution network Proceedings of the SPIE, 2004, Vol. 5451, N° 1, pp. 593-602.

[Schnell05] N.Schnell, Réalisation et étude de composants passifs d’optique intégrée sur substrat silicium sur isolant pour les interconnexions optiques Thèse de Doctorat, INSA Lyon, le 15 Sept. 2005

[Snyder84] A.W. Snyder , J.D.Lowe, Optical Waveguide Theory. Chapman and Al. 1984.

[Soldano95] L.B. Soldano, E.B.M. Pennings, Optical multi-mode interference devices based on self imaging: principles and applications Journ. Lightwave Technology, 1995, Vol.13, N° 4, pp.615-627.

[Vassallo97] C. Vassallo, 1993-1995 Optical mode solvers, Optical and Quantum Electronics, 1997, Vol. 29, pp. 95-114.

[Vivien05] L.Vivien, F. Grillot, E. Cassan, D. Pascal, S.Lardenois, A.Lupu, S. Laval, M. Heitzmann, J.M. Fedeli, Comparison between strip and rib SOI microwaveguides for intra-chip light distribution Optical Materials, 2005, Vol. 27, N° 5, pp 756-62.

[Vlasov04] Y.A. Vlasov, S.J. McNab, Losses in single-mode silicon-on-insulator strip waveguides and bends Optics Express, 2004,Vol. 12, N° 8, pp.235-9.

[Yariv91] A. Yariv Optical Electronics, 4th ed. Saunders College Press, 1991.

http://scholar.google.com/url?sa=U&q=http://picmos.intec.ugent.be/fileadmin/projectdata/publications/LPM_ECIO05.pdf

http://scholar.google.com/url?sa=U&q=http://picmos.intec.ugent.be/fileadmin/projectdata/publications/LPM_ECIO05.pdf

http://www.engineeringvillage2.org/controller/servlet/Controller?CID=quickSearchCitationFormat&searchWord1=%7bPhilipp%2C+H.T.%7d&section1=AU&database=2&yearselect=yearrange&sort=yr

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221

Documents

Chapitre 5: Etude de composants élémentaires pour la