Aujourd’hui les interconnections optiques ont devancé les interconnections électriques à longue, moyenne et courte distance dans le domaine des télécommunications. La photonique silicium a connu un tel développement que même les interconnections inter et intra puces deviennent progressivement à dominante optique. En revanche, la multiplication des terminaux d’accès et l’augmentation constante du volume de données échangées imposent l’apparition de nouveaux composants avec une consommation énergétique encore plus faible. Dans ce contexte, les composants optoélectroniques à faible consommation à base des puits quantiques Ge/SiGe ont été développés. Jusqu’à présent l’utilisation des puits quantiques Ge/SiGe était seulement limitée aux modulateurs à électro-absorption Les travaux menés durant la première partie de ma thèse consistaient à étudier un nouveau type de région active à base de puits quantiques Ge/SiGe couplés. Ces études ont abouti à la démonstration d’un effet d’électro-réfraction géant dans ces structures. La région active basée sur les puits couplés donne lieu à une variation de l’indice de réfraction de 2.3×10-3 sous une tension de 1.5 V seulement. L’utilisation d’un tel effet pour la réalisation de modulateurs optiques intégrés a ensuite nécessité le développement des briques de base passives afin d’obtenir une structure interférométrique. Des virages compacts et des interféromètres de Mach Zehnder sont conçus, fabriqués et caractérisés avec succès. La sensibilité de ces structures à la polarisation est évaluée par simulation numérique et les structures insensibles à la polarisation sont conçues. Un modulateur à électroréfraction intégré est ensuite conçu et fabriqué, nécessitant la mise en place d’un nouveau procédé technologique. Les résultats de caractérisation préliminaires sont présentés. Les perspectives de ce travail sont la réalisation d’un modulateur efficace ayant une tension de commande inférieure à 2V.Le champ d’application des circuits photoniques ne se limite pas au secteur des télécommunications. L’approche basée sur l’optique intégrée est aussi très prometteuse pour l’identification et analyse des espèces chimiques environnantes. La région spectrale de moyen infrarouge est particulièrement adaptée à cet effet car les raies d’absorption spécifiques de nombreuses espèces chimiques y sont présentes. L’utilisation des circuits optiques sur substrat silicium permet de développer des systèmes spectroscopiques performants, compacts et à bas cout. La seconde partie de ma thèse était dédiée au développement de la plateforme photonique large-bande basée sur les guides d’ondes Si1-xGex riches en Ge. Les guides d’onde large bande fonctionnant entre 5.5 et 8.6 µm ont été démontrés expérimentalement ce qui a permis de concevoir des structures plus complexes telles que les MMI et les interféromètres de Mach Zehnder ultra large bande. Le même dispositif possède une bande passante théorique de 3.5 µm en polarisation TE et d’une octave en polarisation TM. Le fonctionnement a été démontré expérimentalement entre 5.5 et 8.6 µm et est seulement limité par la plage de longueurs d’ondes adressable par le laser. Ce travail ouvre les perspectives pour la future démonstration des systèmes spectroscopiques ultra-large bande sur la plateforme Si1-xGex riche en Ge. Une dernière partie de ce travail a été consacrée à l’étude de la génération de la seconde harmonique dans les puits quantiques Ge/SiGe pour les systèmes spectroscopiques dans le moyen infrarouge. Les premières structures sont conçues et fabriquées. / Today optical interconnects have overpassed wires on long, mid and short distances on the telecommunication field. Silicon photonics have known such a development that even inter and intra chip communications progressively become optical. However, the multiplication of data access terminals and the constant increase of data consumption force new components with even lower power consumption to appear. In this context, low power consumption components based on Ge/SiGe quantum wells have been developed. Until now, the use of Ge/SiGe quantum wells has been only limited to electroabsorption modulators. The first part of my thesis was dedicated to the study of a new kind of active region based on coupled Ge/SiGe quantum wells. This work led to the demonstration of giant electrorefractive effect in these structures. The active region based on coupled quantum wells gives a refractive index variation of 2.3×10-3 under a bias of only 1.5 V. The use of this effect for the development of integrated optical modulators needed the development of main building blocks to obtain interferometric structures. Compact bends and Mach Zehnder interferometers have been designed, fabricated and successfully characterized. The sensitivity to the polarization of these structures was evaluated with numerical simulations and polarization insensitive structures were designed. Then, an integrated electrorefractive modulator has been designed and fabricated which needed the development of a new technological process. The first charaterization results are presented. The perspectives of this work are the realization of an efficient modulator with switching voltage lower than 2V. The field of application of photonic integrated circuits is not only limited to the telecommunications. The approach based on integrated optics is also very promising for the identification and analysis of surrounding chemical species. Mid infrared spectral region is particularly suitable for this purpose as it contains specific absorption fingerprints of different chemical species. The use of photonic integrated circuits on silicon substrate allows to develop performant, compact and low cost spectroscopic systems. The second part of my thesis was focused on the development of wideband photonic platform based on Ge-rich Si1-xGex waveguides. Wideband waveguides between 5.5 and 8.5 µm were experimentally demonstrated which made possible the developpement of more complex structures such as MMIs or ultra-wideband Mach Zehnder interferometers. The same device has a theoretical bandwidth of 3.5 µm in TE polarization and of one octave in TM polarization. The operation was experimentally demonstrated between 5.5 and 8.6 µm and is only limited by laser spectral range. This work paves the way for future development of ultra-wideband spectroscopic systems on Ge-rich Si1-xGex platform. The last part of this work concerned second harmonic generation in Ge/SiGe quantum wells for mid infrared spectroscopic systems. First test devices have been designed and fabricated

La photonique silicium est un domaine de recherche en pleine expansion depuis quelques années. Elle est envisagée comme une solution prometteuse pour le remplacement des interconnexions électriques par des liens optiques. A terme, l’intégration de l’optique et de l’électronique sur les mêmes puces doit permettre une augmentation des performances des circuits intégrés, et ainsi proposer des composants à hautes performances et à bas coût. Dans ce contexte, les travaux menés durant ma thèse ont porté plus spécifiquement sur l’étude de la modulation optique autour de la bande interdite directe et à température ambiante des structures à puits quantiques Ge/SiGe, par effet Stark confiné quantiquement (ESCQ). Des simulations électriques et optiques ont été menées pour concevoir un modulateur fonctionnant à la longueur d’onde de 1.3μm. La fabrication et la caractérisation de ce dispositif a permis de démontrer une modulation efficace autour de 1.3μm avec des taux de modulation atteignant 6 dB avec un dispositif de 50 µm de long. Le second objectif de mon travail a été de concevoir un modulateur intégré sur une plateforme SOI, bénéficiant de structures passives performantes et compactes. La démonstration de l’ESCQ sur une structure à puits quantique Ge/SiGe épitaxiée sur un substrat homogène de 360 nm a ouvert la voie à cette intégration. Des simulations ont été menées pour démontrer la possibilité de réaliser un couplage vertical évanescent entre un guide optique SOI et la structure Ge/SiGe, et pour évaluer les performances de ce dispositif. Un procédé technologique de fabrication a ensuite été défini et toutes les étapes ont été optimisées pour la réalisation du modulateur intégré avec les guides d’onde. Principalement six étapes de lithographies électroniques, et quatre étapes de gravure sont nécessaires. Les résultats préliminaires obtenus avec ces dispositifs sont présentés. Les perspectives de ce travail de thèse concernent la réalisation de circuits intégrés photoniques complexes, intégrant modulateurs, photodétecteurs et structures passives sur le même circuit. / Silicon photonics has generated a great interest for several years, for applications from long-haul optical telecommunication to intra-chip interconnects. The ultimate integration of optics and electronics on the same chip would allow an increase of the integrated circuit performances at low cost. In this context, the work done during my Ph.D is focused on the study of optical modulation around the direct bandgap of Ge/SiGe quantum well structures, at room temperature, by Quantum Confined Stark effect (QCSE). Electrical and optical simulations have been used to design a modulator operating at 1.3μm. Such device has been fabricated and characterized, demonstrating an extinction ratio up to 6 dB using a 50 µm-long structure. The second objective of my work was to design and demonstrate a modulator integrated on SOI waveguide. The demonstration of an efficient QCSE in Ge/SiGe quantum wells grown on the top of a 360nm homogeneous virtual substrate has paved the way for such integration. Simulations were conducted to demonstrate the feasibility of an evanescent vertical coupling between an SOI optical waveguide and a Ge/SiGe active region and to evaluate the performance of this device. A technological process has then been proposed to fabricate the devices. All steps have been optimized for the fabrication of the modulator integrated with the waveguides. Mainly six electronic beam lithography and four etching steps were used. Preliminary experimental results obtained with such component are presented. This work paves the way to the demonstration of complex photonic integrated circuits, including modulators, photodetectors and passive structures on the same chip.

Cette thèse est consacrée à l’étude des propriétés optiques et optoélectroniques autour de la bande interdite directe des structures à puits quantiques Ge/SiGe pour la modulation, la photodétection et l’émission de lumière sur la plateforme silicium. Les principaux composants réalisés sont : un modulateur optique en guide d’onde, rapide et à faible puissance électrique, basé sur l’Effet Stark Confiné Quantiquement, les premières photodiodes Ge/SiGe dont le comportement fréquentiel est compatible avec les transmissions de données à 40 Gbit/s, et la première diode à électroluminescence à puits quantiques Ge/SiGe, base sur la transition directe de ces structures et fonctionnant à température ambiante. Les caractérisations statiques et fréquentielles ont été réalisées sur l’ensemble des composants, qui ont tous été fabriqués avec la même structure épitaxiée et les mêmes procédés de fabrication. Des modèles théoriques simples ont ensuite été utilisés pour décrire analyser les comportements observés. Finalement les études menées permettent de conclure que les structures à puits quantiques Ge/SiGe sont un candidat de choix pour la réalisation d’une nouvelle plateforme photonique à haut débit, totalement compatible avec les technologies silicium. / This PhD thesis is devoted to study electro-optic properties of Gemanium/Silicon-Germanium (Ge/SiGe) multiple quantum wells (MQWs) for light modulation, detection, and emission on Si platform. It reports the first development of high speed, low energy Ge/SiGe electro-absorption modulator in a waveguide configuration based on the quantum-confined Stark effect (QCSE), demonstrates the first Ge/SiGe photodiode with high speed performance compatible with 40 Gb/s data transmission, and realizes the first Ge/SiGe light emitting diode based on Ge direct gap transition at room temperature. Extensive DC and RF measurements were performed on each tested prototype, which was realized using the same epitaxial growth and fabrication process. Simple theoretical models were employed to describe experimental properties of the Ge/SiGe MQWs. The studies show that Ge/SiGe MQWs could potentially be employed as a new photonics platform for the development of a high speed optical link fully compatible with silicon technology.

This PhD thesis is devoted to study electro-optic properties of Gemanium/Silicon-Germanium (Ge/SiGe) multiple quantum wells (MQWs) for light modulation, detection, and emission on Si platform. It reports the first development of high speed, low energy Ge/SiGe electro-absorption modulator in a waveguide configuration based on the quantum-confined Stark effect (QCSE), demonstrates the first Ge/SiGe photodiode with high speed performance compatible with 40 Gb/s data transmission, and realizes the first Ge/SiGe light emitting diode based on Ge direct gap transition at room temperature. Extensive DC and RF measurements were performed on each tested prototype, which was realized using the same epitaxial growth and fabrication process. Simple theoretical models were employed to describe experimental properties of the Ge/SiGe MQWs. The studies show that Ge/SiGe MQWs could potentially be employed as a new photonics platform for the development of a high speed optical link fully compatible with silicon technology.