Development of Photonic Devices Based on the Strained Silicon Technology

Abstract

[ES] En la última década, la plataforma de silicio ha emergido como la plataforma por excelencia para desarrollar circuitos fotónicos integrados debido a su versatilidad, la posibilidad de miniaturización y de una producción de bajo coste y a gran escala compatible con los sistemas CMOS ("complementary metal-oxide semiconductor"). La conversión de señales eléctricas a alta velocidad en señales ópticas es una función crítica hoy en día tanto para el procesamiento de datos como en el ámbito de las telecomunicaciones. La forma más eficaz de implementar actualementeuna ,modulación electro-óptica ultra-rápida se basa en el efecto Pockels que, de hecho,se encuentra en el corazón de los moduladores comerciales basados en niobato de litio y polímeros. Sin embargo, la implementación de esta funcionalidad se ve impedida en la plataforma de silicio debido a la simetría de inversión de la red cristalina del silicio. En este contexto, el silicio deformado surgió hace más de un decenio como una solución revolucionaria para romper esa centrosimetría y, de ese modo, hacer emerger no-linealidades de segundo orden en el propio silicio. Sin embargo, y a pesar de los alentadores resultados iniciales, estudios posteriores cuestionaron el origen de las respuestas obtenidas, achacando dichos resultados principalmente al efecto de dispersión de plasma. De hecho, más tarde se puso de manifiesto la presencia de varios factores limitantes y, más recientemente, se estimó que el valor del coeficiente χ(2) debía encontrarse en torno a varios pm/V. El trabajo desarrollado en esta tesis tiene como objetivo contribuir a impulsar el campo de silicio deformado mediante la investigación y el abordaje de dichos factores limitantes para, de esta fora, conseguir un efecto Pockels eficiente. Además, las características de captura de carga libre observadas en las estructuras de silicio deformado se han explotado para desarrollar un dispositivo fotónico no volátil.

[CA] En l'última dècada, la plataforma de silici ha emergit com la plataforma per excelència per a desenvolupar circuits fotònics integrats a causa de la seua versatilitat i la possibilitat de miniaturització i d'una producció de baix cost i a gran escala compatible amb els sistemes CMOS ("complementary metall-oxide semiconductor"). La conversió de senyals elèctrics a alta velocitat en senyals òptics és una funció crítica hui dia tant per al processament de dades com en l'àmbit de les telecomunicacions. La forma més eficaç d'implementar una modulació electro-òptica ultra-ràpida actualemente es basa en l'efecte *Pockels, que de fet,es troba en el cor dels moduladors comercials basats en el niobato de liti i polímers. No obstant això, la implementació d'aquesta funcionalitat es veu impedida en la plataforma de silici degut a la simetria d'inversió de la xarxa cristal·lina del silici. En aquest context, el silici deformat va sorgir fa més d'un decenni com una solució revolucionària per a trencar aqueixa centrosimetría i, d'aqueixa manera, fer emergir no-linealitats de segon ordre en el propi silici. No obstant això, malgrat els encoratjadors resultats inicials, estudis posteriors van qüestionar l'origen de la resposta obtinguda, atribuint-la principalment a aquest efecte de dispersió de plasma. De fet, més tard es va posar en relleu la presència de diversos factors limitants i, més recentment, es va estimar un valor de χ(2) en el rang de diversos pm/V. El treball desenvolupat en aquesta tesi té com a objectiu contribuir a impulsar el camp de silici deformat mitjançant la investigació i l'abordatge d'aquests factors limitants per a aconseguir un efecte Pockels eficient. A més, les característiques de captura de càrrega lliure observades en les estructures de silici deformat s'han explotat per a desenvolupar un dispositiu fotònic no volàtil.

[EN] In the last decade, silicon has emerged as the platform of choice for developing photonic integrated circuits due to its versatility, small footprint and the possibility of a low cost, large-scale CMOS compatible production. The conversion of high-speed electrical signals into optical digital data is a critical function for modern data communication technology. The most effective way for enabling ultra-fast electro-optical modulation is currently based on the Pockels effect, which is the basis of commercial modulators based on lithium niobate and polymers. However, the implementation of such functionality is prevented in the silicon platform due to the inversion symmetry of the silicon lattice. In this context, strained silicon emerged more than a decade ago as a revolutionary solution for breaking that centrosymmetry and, thus, allowing Pockels effect in the silicon material itself. However, despite the encouraging results from initial findings, following studies questioned the origin of the measured electro-optic response. In fact, the presence of several limiting factors was also later highlighted and a rather low strain induced χ(2) in the range of several pm/V was more recently estimated. The work developed on this thesis aims at contributing to push forward the strained silicon field by investigating and tackling such limiting factors to enable an efficient Pockels effect. Furthermore, the trapping properties observed in strained silicon structures have been exploited to develop a non-volatile photonic device.