Multilevel modulation on silicon photonics

The purpose of this thesis is to characterize efficiently electro-optic modulators Mach-Zehnder made on SOI wafers (Silicon on Insulator). To achieve this goal, I have divided my work in three different steps, performed in chronological order: the study of the devices and measurement techniques, the opto-electrical characterization of the devices, the analysis of measures obtained. In the first phase of work I studied how the devices were designed, their operational purposes and the various measurement techniques. In the second phase of the experience I applied measurement techniques studied in the first step to obtain consistent data. In the third phase I structured and analysed the data obtained. Starting from the physical, optical and electrical measurements performed, I verified the devices characteristics. Using the measured values in numerical simulations, it was possible to find parameters to be corrected to improve the operation of the modulators, in order to make them usable in the applications envisaged for the future of the devices them-self.

Un modulatore elettro-ottico è un dispositivo in cui un fascio di luce che attraversa il dispositivo stesso è modulato tramite un segnale elettrico. La modulazione può essere effettuata sulla fase, frequenza, ampiezza, o la polarizzazione del fascio. Uno dei primi modulatori elettroottici consisteva in un cristallo di niobato di litio, il cui indice di rifrazione è una funzione della forza del campo elettrico locale. Esponendo il niobato di litio a un campo elettrico, la luce viaggerà più lentamente attraverso esso. In questo caso la fase della luce è direttamente proporzionale al tempo necessario alla luce per attraversare il cristallo. La fase della luce laser può essere controllata variando l'indice di rifrazione del cristallo, cioè cambiando il campo elettrico applicato al cristallo stesso. La convergenza della fotonica e dell'elettronica sarà essenziale per superare le attuali limitazioni degli odierni sistemi d’informazione, soprattutto in termini d’interconnessioni. La fotonica su silicio è una tecnologia promettente per affrontare questo problema, poiché può permettere la fabbricazione di circuiti integrati su larga scala con elevata capacità d’interconnessioni ottiche, integrando una serie di dispositivi optoelettronici su un substrato di silicio. Un array di modulatori in silicio ad alta velocità svolge un ruolo chiave nel convertire una grande quantità di dati da segnali elettrici a ottici. Ciascun modulatore deve essere compatto ed efficiente in termini di potenza per ottenere una larga scala e un’alta densità d’interconnessioni. Di conseguenza, negli ultimi dieci anni, i ricercatori hanno studiato diversi tipi di modulatori in silicio per soddisfare questi requisiti. Lo scopo di questa tesi è di caratterizzare in maniera efficiente modulatori elettro-ottici Mach-Zehnder realizzati su wafer SOI (Silicon on Insulator). “Il Silicio su Isolante (SOI) può essere utilizzato per fabbricare guide d'onda ottiche e altri dispositivi ottici passivi per ottica integrata. Lo strato di silicio cristallino è inserito tra l'isolatore (ossido di silicio, zaffiro ecc.) e il piano rivestimento (aria o ossido di silicio o altro materiale a basso indice di rifrazione). Ciò consente la propagazione di onde elettromagnetiche nelle guide d'onda sulla base della riflessione totale interna”. Per realizzare l’obiettivo ho diviso il mio lavoro in tre diversi blocchi fondamentali, eseguiti in ordine cronologico: studio della bibliografia inerente ai dispositivi e alle tecniche di misura, caratterizzazione opto elettrica dei dispositivi, elaborazione delle misure ottenute. Nella prima fase di lavoro è stato necessario prendere conoscenza di come i dispositivi sono stati progettati, dei loro fini operativi e delle varie tecniche per effettuare delle misure degli stessi. Nella seconda fase dell’esperienza ho applicato le tecniche di misura studiante nella prima fase per ottenere dei dati consistenti e correlabili che sono stati poi strutturati e analizzati nella terza e ultima fase di lavoro. Partendo dalle misure fisiche, ottiche ed elettriche portate a termine sui dispositivi, è stato possibile verificare il loro funzionamento e le loro caratteristiche. Utilizzando i valori misurati e usandoli in simulazioni numeriche è stato possibile trovare diversi parametri da correggere per migliorare il funzionamento dei modulatori, al fine di renderli utilizzabili nelle applicazioni previste per il futuro dei dispositivi stessi. I modulatori Mach-Zehnder su substrato di silicio caratterizzati durante il mio stage presso l’Istituto d’elettronica fondamentale (IEF) dell’Università di Parigi Sud, operano una lunghezza d'onda di 1270 nanometri e sono stati progettati sotto le specifiche del progetto SILVER. Questo rapporto è suddiviso in cinque parti principali: la prima riguarda lo stato dell'arte fino a oggi, la seconda riguarda i principi dei modulatori, il terzo è la struttura di dispositivi caratterizzati, il quarto si prende cura di descrivere i risultati ottenuti e il quinto e ultimo è attribuito all’analisi delle misure, cercando di dare una risposta ai risultati che ho ottenuto. Elettronicamente parlando, durante la mia esperienza il miglior valore ottenuto, in termini di prodotto Vπ∙Lπ, è stato pari a 1.7 V∙cm. Questo risultato si avvicina a quello calcolato da M. Ziebell durante la fase di progettazione dei modulatori per il progetto SILVER. Otticamente parlando, i risultati ottenuti non sono quelli sperati: ho di conseguenza simulato nuovamente sia i reticoli di accoppiamento originariamente progettati da L. Vivian, sia le guide ottiche originariamente progettate da M. Ziebell. Dalle simulazioni che ho realizzato, ho osservato che i componenti analizzati sono stati correttamente progettati. Tuttavia, ho trovato delle differenze fra le guide d’onda fabbricate e quelle progettate da M. Ziebell. Simulando i dispositivi e considerando le differenze trovate (differenza nelle dimensioni delle guide ottiche), ho scoperto che esse sono la causa della non aspettata risposta ottica dei dispositivi: con i nuovi parametri le guide sono al limite del regime di mono modalità e di conseguenza influenzano il corretto funzionamento del dispositivo. Maggiori dettagli sono riportati nel capitolo quattro di questo elaborato.