Nonlinéarités optiques du second ordre dans le silicium

L’explosion de la demande en donnees a impose de nouvelles exigences en terme de debit de transmission qui sont de plus en difficiles a satisfaire sans accroitre considerablement les consommations energetiques dans les centres de donnees, points nevralgiques des reseaux de telecommunications. Dans ce contexte, la photonique silicium est consideree comme la solution la plus adaptee pour repondre de ces problematiques en remplacant les interconnexions metalliques par des liaisons optiques a base de silicium. Le modulateur electro-optique constitue l’un des composants cles de ces liaisons optiques. Cependant, la centrosymetrie du silicium empeche l’exploitation de l’effet Pockels, un phenomene d’optique non lineaire tres efficace dans la conception de modulateurs a tres grande bande passante et a faible consommation energetique. Cette limitation peut etre neanmoins contournee lorsque des contraintes mecaniques sont appliquees au silicium de facon a briser sa symetrie d’inversion. Plusieurs travaux theoriques et experimentaux ont alors ete entrepris recemment pour mettre en evidence et quantifier l’effet Pockels induit par contraintes dans le silicium. Mais la nature semi-conductrice du silicium rend l’analyse de l’effet Pockels profondement complexe et cela a souleve une controverse quant a sa reelle existence dans le silicium contraint. En effet, l’influence des porteurs libres dans le silicium et aux interfaces engendrent un fort signal de modulation, noyant la signature de l’effet Pockels. Pour enrayer les effets de porteurs, la solution apportee par le travail de these a ete d’etudier le signal de modulation a hautes frequences (> 5 GHz). Plusieurs etudes hyperfrequences de l’effet Pockels ont donc ete menees dans des structures photoniques en silicium contraint et seront presentees dans ce manuscrit de these. Les premieres etudes ont ete realisees sur une plate-forme SOI et les resultats experimentaux ont permis de mettre en evidence la presence d’un signal de modulation electro-optique a hautes frequences et dont l’intensite depend clairement de l’orientation cristallographique du silicium et de l’amplitude de la contrainte appliquee sur celui-ci. Sur la base d’un modele theorique decrivant le tenseur de susceptibilite electrique du second ordre χ(²), un modele multiphysique a ete developpe et a permis de decrire de maniere tres precise a la fois les resultats experimentaux et la distribution spatiale du χ(²) dans des guides d’onde silicium contraints. Ces travaux ont egalement permis de montrer que les faibles intensites des champs electriques appliques dans les guides d’onde silicium, dues a la distribution des porteurs, sont en grande partie responsable de la faible efficacite de modulation par effet Pockels. Une seconde etude a donc ete menee sur une plate-forme SOI modifiee et permettant la conception de circuits electriques plus performants avec des champs electriques generes plus intenses. Les resultats experimentaux obtenus montrent une amelioration d’un facteur 20 de l’efficacite de modulation par effet Pockels en comparaison des premieres etudes. De plus, le modele multiphysique a de nouveau permis de decrire ces resultats, renforcant donc davantage sa validite. L’ensemble de ces travaux ouvrent notamment comme perspectives la possibilite d’obtenir un diagramme de l’œil electro-optique dans la mesure ou une contrainte plus importante est appliquee aux guides d’onde silicium. De plus, le modele decrivant le tenseur de susceptibilite electrique du second ordre χ(²) peut egalement etre exploite pour decrire le phenomene de generation de seconde harmonique en optique guidee dont l’existence reste encore ambigue a l’heure actuelle.