Passive and active silicon photonics devices at TLC telecommunication wavelengths for on-chip optical interconnects

Abstract

[EN] Optical technologies are the backbone of modern communication systems providing high-speed access to the Internet, efficient inter and intra-data center interconnects and are expending towards growing research fields and new markets such as satel- lite communications, LIDARs (Laser Imaging Detection and Ranging) applications, Neuromorphic computing, and programable photonic circuits, to name a few. Be- cause of its maturity and low-cost, silicon photonics is being leveraged to allow these new technologies to reach their full potential.As a result, there is a strong need for innovative, high-speed and energy-efficient photonic integrated building blocks on the silicon platform to increase the readiness of silicon photonic integrated circuits. The work developed and presented in this thesis is focused on the design and char- acterization of advanced passive and active devices, for photonic integrated circuits. The thesis consists of three main chapters as well as a motivation and concluding sections exposing the rationale and the accomplishments of this work. Chapter one describes the design and characterization of an electro-optical Mach-Zehnder mod- ulator embedded in highly efficient vertical pn junction exploiting the free-carrier dispersion effect in the O-band.. Chapter two is devoted to the design and charac- terization of a novel geometry of asymmetrical multimode interference device and its implementation in a Mach-Zehnder modulator. Chapter three is dedicated to the design and characterization of innovative 1-dimensional photonic crystal designs for slow- lightmodulation applications. An extensive analysis of the main trade-off arising from the use of slow light is presented.

[ES] Las tecnologías ópticas son el eje vertebrador de los sistemas de comunicación mod- ernos que proporcionan acceso de alta velocidad a la Internet, interconexiones efi- cientes entre centros de datos y dentro de ellos. Además, se están expandiendo hacia campos de investigación crecientes y nuevos mercados como son las aplicaciones de comunicaciones por satélite, los LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging), la computación neuromórfica y los circuitos fotónicos programables, por nombrar algunos. La fotónica de silicio está considerada y aceptada ampliamente como una de las tecnologías clave para que dichas aplicaciones puedan desarrollarse. Como resultado, hay una fuerte necesidad de estructuras fotónicas básicas integradas que sean innovadoras, que soporten altas velocidades de transmisión y que sean más eficientes en términos de consumo de potencia, a fin de aumentar la capacidad de los circuitos integrados fotónicos de silicio. El trabajo desarrollado y presentado en esta tesis se centra en el diseño y la car- acterización de dispositivos avanzados pasivos y activos, para circuitos fotónicos integrados. La tesis consta de tres capítulos principales, así como de sendas sec- ciones de motivación y conclusiones que exponen los fundamentos y los logros de este trabajo. El capítulo uno describe el diseño y la caracterización de un modulador electro-óptico Mach-Zehnder incorporado en una unión pn vertical altamente eficien- ciente que explota el efecto de dispersión de plasma en banda O. El capítulo dos está dedicado al diseño y caracterización de una nueva geometría de dispositivo de interferencia multimodo asimétrico y su aplicación en un modulador Mach-Zehnder. El capítulo tres está dedicado al diseño y caracterización de innovadores cristales fotónicos unidimensionales para aplicaciones de modulación con luz lenta. Se pre- senta un amplio análisis de los principales retos derivados del uso de la misma.

[CA] Les tecnologies òptiques són l'eix vertebrador d'aquells sistemes de comunicació moderns que proporcionen accés d'alta velocitat a la Internet, així com intercon- nexions eficients inter i entre centres de dades. A més a més, s'estan expandint cap a camps d'investigació creixents i nous mercats com són les aplicacions de co- municacions per satèl·lit, els LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging), la computació neuromòrfica i els circuits fotònics programables, entre d'altres. La fotònica de silici és considerada i acceptada àmpliament com una de les tecnologies clau i necessàries perquè aquestes aplicacions puguen desenvolupar-se. Per aquest motiu, es fa necessària l'existència d'estructures fotòniques bàsiques integrades que siguen innovadores, que suporten altes velocitats de transmissió i que siguen més eficients en termes de consum de potència, a fi d'augmentar la capacitat dels cir- cuits integrats fotònics de silici. El treball desenvolupat i presentat en aquesta tesi se centra en el disseny i la caracterització de dispositius avançats passius i actius, per a circuits fotònics integrats. La tesi consta de tres capítols principals, així com d'una secció de motivació i una altra de conclusions que exposen els fonaments i els assoliments d'aquest treball. El capítol u descriu el disseny i la caracterització d'un modulador electro-òptic Mach-Zehnder incorporat en una unió pn vertical d'alta efi- ciència que explota l'efecte de dispersió de plasma en la banda O. El capítol dos està dedicat al disseny i caracterització d'una nova geometria de dispositiu d'interferència multimode asimètric així com a la seua aplicació en un modulador Mach-Zehnder. El capítol tres està dedicat al disseny i caracterització d'innovadors cristalls fotònics unidimensionals per a aplicacions de modulació amb llum lenta. S'inclou també una anàlisi detallada dels principals reptes derivats de l'ús d'aquest tipus de llum.