Development of integrated silicon photonics modulation devices for digital and analog applications

Abstract

Silicon photonics is one of the most exciting and fastest growing photonic technologies in recent years. The salient feature of this technology is its compatibility with the mature silicon IC manufacturing based on complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) processes widely used in microelectronic industry. Another motivation is the availability of high-quality silicon-on-insulator (SOI) planar waveguide circuits that offer strong optical confinement due to the high index contrast between silicon (n=3.45) and SiO2 (n=1.45). This opens up miniaturization and very large scale integration of photonic devices allowing photonic integrated circuits for a wide range of applications and markets, from optical telecommunications to bio-photonic devices or precise fibre sensors. Optical modulators are key building-blocks for high speed signal transmission and information processing in any photonic interconnection solution. The work developed in this thesis, as part of the objectives of the European project HELIOS in which it is framed, is essentially focused on realizing compact and efficient modulators integrated on silicon chips. The thesis consists of three main chapters as well as the concluding section on the work accomplished. Chapter one is aimed at giving a general description of the benefits of using silicon photonics, showing its challenges and opportunities as well as at giving a deeply overview of all issues related to the electro-optic modulation. Chapter two is devoted to develop silicon modulators with high features for digital applications. Specifically, new optical structures different to the conventional ones are presented with the aim of enhancing the modulation performance or at least several critical parameters in the modulation. Chapter three is dedicated to the analog applications. The concept of microwave photonics is described as well as different researches carried out in the analog scope for application in the field of integrated microwave photonics, all of them using CMOS-compatible electro-optic silicon modulators which validate the potential of silicon photonics as a promising approach for enabling the development of integrated microwave photonics applications. Finally, conclusions on the work realized are provided in Chapter 4.

La fotónica de silicio es una de las tecnologías fotónicas que está experimentando un crecimiento más excitante y rápido en los últimos años. La característica más destacada de esta tecnología es su compatibilidad con las maduras técnicas de fabricación de circuitos integrados de silicio basadas en los procesos ¿complementary metal-oxide semiconductor¿ (CMOS) ampliamente utilizados en la industria microelectrónica. Otra motivación es la disponibilidad de circuitos de guía de ondas planas de silicio sobre aislante (SOI) de alta calidad que ofrecen un fuerte confinamiento óptico debido al alto contraste índices entre el silicio (n=3,45) y el SiO2 (n = 1,45). Esto abre las puertas a la miniaturización y a la integración a gran escala de dispositivos fotónicos lo que resulta en circuitos fotónicos integrados para una amplia gama de aplicaciones y mercados, desde telecomunicaciones ópticas a dispositivos bio-fotónicos o sensores de fibra precisos. Los moduladores ópticos son elementos básicos fundamentales para la transmisión de señales a alta velocidad y el procesado de información en cualquier solución de interconexión fotónica. El trabajo desarrollado en esta tesis, como parte del los objetivos del proyecto Europeo HELIOS en el que está enmarcada, se centra fundamentalmente en realizar moduladores compactos y eficientes, integrados en chips de silicio. La tesis consiste en 3 capítulos principales así como una sección de conclusiones del trabajo conseguido. El capítulo uno está destinado a dar una descripción general de los beneficios del uso de la fotónica de silicio, mostrando sus retos y oportunidades, así como a dar una visión profunda de todos los aspectos relacionados con la modulación electro-óptica. El capítulo dos está dedicado a desarrollar moduladores de silicio de altas prestaciones para aplicaciones digitales. Específicamente, se presentan nuevas estructuras ópticas diferentes a las convencionales con el objetivo de mejorar el rendimiento de la modulación o al menos algunos parámetros críticos en la modulación. El tercer capítulo se dedica a las aplicaciones analógicas. Se describe el concepto de la fotónica de microondas, así como diferentes investigaciones llevadas a cabo en el ámbito analógico para su aplicación en el campo de la fotónica integrada de microondas, todas ellas usando moduladores electro-ópticos de silicio compatibles con los procesos de fabricación CMOS, lo que valida el potencial de la fotónica de silicio como un prometedor enfoque para permitir el desarrollo de aplicaciones de la fotónica integrada de microondas. Por último, las conclusiones sobre el trabajo realizado se proporcionan en el Capítulo 4.