L’intégration monolithique de matériaux semi-conducteurs III-V sur substrat de Silicium est essentielle pour le développement de la photonique sur Silicium. L’objectif est de réaliser une micro-source optique à base d’un réseau ordonné de Nanofils (NFs) III-V (InAsP/InP) placés sur un guide d’onde Si. De par leur aptitude à relaxer les contraintes, les NFs sont d’un grand intérêt. C’est dans ce contexte que s’est déroulée cette thèse axée sur la croissance autocatalysée de NFs InP sur Silicium par épitaxie directe. Nous avons ainsi montré que la croissance auto-catalysée de NFs InP denses et verticaux dépend directement de la nature de l’oxyde de surface du substrat Si. Une distribution monomodale ou bimodale de NFs ont été achevées en fonction des conditions de formation des gouttelettes d’indium ou des paramètres de croissance. Une pression critique et une température critique ont permis de délimiter des domaines favorables à la croissance. Les propriétés optiques intrinsèques des NFs ont été déterminées suffisantes pour l’objectif visé. Enfin, des résultats sur la simulation optique et la polarisation de la lumière émise dans les NFs et le guide d’onde ont permis d’établir un cahier des charges pour la croissance des NFs verticaux sur SOI pour que le couplage/partage de leurs modes optiques soit le plus efficace possible aux longueurs d’onde télécom. / Monolithic integration of III-V semiconductors materials on Si substrate is essential for the Si photonic development. We aim at achieving an optical microsource based on a regular array of III-V (InAsP/InP) nanowires (NWs) standing on top a Si waveguide. Due to their ability to be fully relaxed, nanowires growth is of deep interest. This PhD thesis has been oriented towards such context especially among self-catalyzed InP NWs growth by epitaxy. Thus we have shown that highly dense and vertical self-catalyzed InP NWs accomplishment is related to Si substrate surface oxide. A monomodal or bimodal NWs distribution have been reached through a control of indium droplets formation or growth parameters. A critical pressure and a critical temperature have been found to delimit favorable growth regime. Intrinsic optical properties have been determined to be goal sufficient. Optical simulation modeling and characterization of the polarization light state in NWs and in the Si waveguide have led us to establish functional specifications to grow vertical NWs on SOI as way that their optical modes could be coupled efficiently at telecommunications wavelength.

L’utilisation du germanium dopé de type n et contraint en tension ouvre la possibilité d’obtenir une source laser monolithique pour la photonique sur silicium. Mes travaux étudient l’injection électrique dans le germanium pour sonder la réalisation d’un laser contraint. J’ai dimensionné les performances des futurs dispositifs en fonction de la contrainte et du dopage. Pour cela, j’ai simulé le transport des porteurs au travers de doubles hétérostructures afin d’obtenir l’inversion de population dans la couche de germanium a été mis en évidence. Un régime de fonctionnement qui permet de réduire de deux ordres de grandeur le courant de seuil d’inversion de population. En appliquant une déformation de 0.9%, avec un dopage de 4×〖10〗^19 cm-3, on peut obtenir des densités de courant de seuil inférieures à 10 kA/cm2. La formation d’hétérostructure avec le germanium est critique. Afin d’étudier expérimentalement l’électroluminescence du germanium, j’ai dû établir des méthodes alternatives d’injection des porteurs à la double hétérostructure GaAs-p/Ge-n/GaAs-n. On utilise des contacts redresseurs (Schottky) sur des couches de germanium dopées de type n. Cette méthode a été optimisée par la passivation de la surface du germanium avec une couche d’oxyde, qui permet l’amélioration des propriétés électriques et d’émission radiative. On a aussi développé une approche permettant de former des couches de SiGe sur germanium par épitaxie induite par recuit laser pour obtenir une double hétérostructure. J’ai réalisé plusieurs types de cavités en germanium qui permettent de combiner le transfert de la contrainte avec l’injection électrique. J’ai établi le procédé de fabrication pour des structures en guide d’onde et en micropilier en utilisant un transfert de déformation par des couches de SiN contraintes. Un niveau de déformation biaxial de 0.72% pour des cavités en micropilier sous injection électrique a été atteint. L’évaluation de la déformation à partir des spectres d’électroluminescence a été confrontée à des simulations de déformation mécanique par éléments finis, tout en considérant l’injection électrique des porteurs dans la structure / Tensile strained and n-doped germanium can be used as an active material for the realization of an optical source for silicon photonics. I have investigated electroluminescence of device as a function of tensile strain and n-doping. For that, I have performed modeling of the carrier transport through double heterostructures to obtain population inversion in the germanium layer. An operating point that reduces by two orders of magnitude the population inversion current threshold has been evidenced. For a germanium layer doped at 4×〖10〗^19 cm-3 with a 0.9% biaxial strain, the current density threshold could be reduced below the 10 kA/cm2 range. The germanium interface properties are critical. To experimentally investigate electroluminescence in germanium, I had to establish different methods of carrier injection to offer an alternative to the double heterostructure p-GaAs/n-Ge/n-GaAs. We first propose to use a Schottky heterostructure to inject carriers in n-doped germanium. We show that carrier injection and electroluminescence devices can be optimized by depositing a thin interfacial oxide layer on top of n-doped germanium. We have also developed an approach to form SiGe layers on germanium by epitaxial laser induced annealing in order to obtain a double heterostructure. I have developed several clean room processes to fabricate germanium cavities which can combine electrical injection and strain transfer, including waveguides and micropilars structures. We show that a biaxial tensile strain up to 0.72% can be transferred in micropilar cavities under electrical pumping. The evaluation of strain level was confronted to finite element simulations of mechanical deformation, taking into account the electrical carrier injection

Ce travail vise à concevoir un modulateur optique assisté par plamsons, compatible CMOS et à faible consommation électrique. L’électro-absorption, basée sur l’effet Franz-Keldysh dans le germanium, a été choisie comme principe de modulation pour réduire la taille du dispositif et la consommation d'énergie électrique associée. L’effet Franz-Keldysh se traduit par un changement du coefficient d'absorption du matériau près du bord de bande sous l'application d'un champ électrique statique, d'où la production d'une modulation directe de l'intensité lumineuse. L'utilisation de plasmons permet en principe d’augmenter l'effet électro-optique en raison du fort confinement du mode optique. Un outil de simulation électro-optique intégré a été développé pour concevoir et optimiser le modulateur. Le modulateur plasmonique proposé a un taux d'extinction de 3.3 dB avec des pertes d'insertion de 11.2 dB et une consommation électrique de seulement 20 fJ/bit, soit la plus faible consommation électrique décrite pour les modulateurs photoniques sur silicium. Le couplage du modulateur à un guide silicium standard en entrée et en sortie a également été optimisé par l’introduction d'un adaptateur de mode Si-Ge optimisé, réduisant les pertes de couplage à seulement 1 dB par coupleur. Par ailleurs, un travail expérimental a été effectué pour tenter de déplacer l'effet Franz-Keldysh, maximum à 1650 nm, à de plus faibles longueurs d'onde proches de 1.55 μm pour des applications aux télécommunications optiques. / This work aims to design a CMOS compatible, low-electrical power consumption modulator assisted by plasmons. For compactness and reduction of the electrical power consumption, electro-absorption based on the Franz-Keldysh effect in Germanium was chosen for modulation. It consists in the change of the absorption coefficient of the material near the band edge under the application of a static electric field, hence producing a direct modulation of the light intensity. The use of plasmons allows enhancing the electro-optical effect due to the high field confinement. An integrated electro-optical simulation tool was developed to design and optimize the modulator. The designed plasmonic modulator has an extinction ratio of 3.3 dB with insertion losses of 13.2 dB and electrical power consumption as low as 20 fJ/bit, i.e. the lowest electrical power consumption reported for silicon photonic modulators. In- and out-coupling to a standard silicon waveguide was also engineered by the means of an optimized Si-Ge taper, reducing the coupling losses to only 1 dB per coupler. Besides, an experimental work was carried out to try to shift the Franz-Keldysh effect, which is maximum at 1650 nm, to lower wavelength close to 1.55 μm for telecommunication applications.

Les progrès dans la fabrication des systèmes de calcul reconfigurables de type « Field Programmable Gate Arrays » (FPGA) s’appuient sur la technologie CMOS, ce qui engendre une consommation des puces élevée. Des nouveaux paradigmes de calcul sont désormais nécessaires pour remplacer les architectures de calcul traditionnel ayant une faible performance et une haute consommation énergétique. En particulier, optique intégré pourrait offrir des solutions intéressantes. Beaucoup de travail sont déjà adressées à l’utilisation d’interconnexion optique pour relaxer les contraintes intrinsèques d’interconnexion électronique. Dans ce contexte, nous proposons une nouvelle architecture de calcul reconfigurable optique, la « optical lookup table » (OLUT), qui est une implémentation optique de la lookup table (LUT). Elle améliore significativement la latence et la consommation énergétique par rapport aux architectures de calcul d’optique actuelles tel que RDL (« reconfigurable directed logic »), en utilisant le spectre de la lumière au travers de la technologie WDM. Nous proposons une méthodologie de conception multi-niveaux permettant l'explorer l’espace de conception et ainsi de réduire la consommation énergétique tout en garantissant une fiabilité élevée des calculs (BER~10-18). Les résultats indiquent que l’OLUT permet une consommation inférieure à 100fJ/opération logique, ce qui répondait en partie aux besoins d’un FPGA tout-optique à l’avenir. / Advances in the design of high performance silicon chips for reconfigurable computing, i.e. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), rely on CMOS technology and are essentially limited by energy dissipation. New design paradigms are mandatory to replace traditional, slow and power consuming, electronic computing architectures. Integrated optics, in particular, could offer attractive solutions. Many related works already addressed the use of optical on-chip interconnects to help overcome the technology limitations of electrical interconnects. Integrated silicon photonics also has the potential for realizing high performance computing architectures. In this context, we present an energy-efficient on-chip reconfigurable photonic logic architecture, the so-called OLUT, which is an optical core implementation of a lookup table. It offers significant improvement in latency and power consumption with respect to optical directed logic architectures, through allowing the use of wavelength division multiplexing (WDM) for computation parallelism. We proposed a multi-level modeling approach based on the design space exploration that elucidates the optical device characteristics needed to produce a computing architecture with high computation reliability (BER~10-18) and low energy dissipation. Analytical results demonstrate the potential of the resulting OLUT implementation to reach <100 fJ/bit per logic operation, which may meet future demands for on-chip optical FPGAs.

Avec le développement de l’usage d’internet et les nouveaux services tout en ligne, la quantité de données traitée par les data-centers ne cessent de croître. Ainsi, si la mise en parallèle de plusieurs serveurs permet de répondre à cette demande, un problème structurel apparaît. Comme dans les supercalculateurs entre les noeuds de calculs, les données ne circulent plus suffisamment rapidement entre les serveurs sur les câbles électriques classiques. Pour pallier à ce goulot d’étranglement, l’utilisation de l’optique permet d’obtenir des débits plus importants. Si les câbles actifs existants permettent une solution rapide, la photonique sur silicium présente un avantage certain. L’intégration des composants optiques au plus près des puces électroniques permet de réduire considérablement le chemin des interconnexions ainsi que leurs coûts énergétiques. Une chaine de communication optique complète nécessite différents composants. Si les modulateurs, multiplexeurs, coupleurs fibres, démultiplexeurs et photodetecteurs ont déjà été démontrés, les sources lasers utilisées sont toujours extérieures à la puce photonique. Il s’agit en effet du chainon manquant dans l’intégration complète de l’optique grâce à la photonique sur silicium. Plusieurs architectures ont déjà été proposées mais cette thèse s’appuie sur l’intégration hybride d’un matériau III-V sur le silicium. Le travail de cette thèse a consisté en la conception, la fabrication et la caractérisation de sources laser hybrides III-V sur silicium et a été entièrement accompli aux CEA/LETI. L’architecture du LETI d’un guide III-V couplé à un guide silicium a été améliorée grâce à un critère adiabatique pour obtenir une zone active de laser efficace et robuste. Cette architecture a été déclinée en différents types de lasers (Fabry-Pérot, DBR, racetrack et DFB). La fabrication de ces lasers a nécessité des développements de procédés de structuration du matériau III-V reporté sur du silicium dans les laboratoires du CEA/LETI. Les premiers résultats ont permis la validation de l’architecture utilisée. Les lasers DBR présentent des seuils inférieurs à 20mA et des puissances optiques maximales supérieures à 20mW dans le guide silicium. Ces lasers ont également un fonctionnement monomode avec un SMSR de plus de 50dB. Les lasers DFB possèdent quant à eux des seuils de 30mA et des puissances optiques maximales supérieurs à 40mW dans le guide silicium. Ils sont monomodes avec un SMSR de 40dB. Ces résultats sont à l’état de l’art mondial sur les sources lasers hybrides en photonique sur silicium. / With the development of the Internet and the new cloud services, the amount of data processed by data-centers is increasing. Though, if the paralleling of multiple server answer to this growing quantity, a structural problem arises. As in super calculators between nodes calculations, data are not transmitted quickly enough between servers on classical electric cables. This bottleneck can be overcome thanks to the optic which can access greater data rates. If existing active cables allow a quick resolution, silicon photonic has a clear benefit. The integration of the optical components closer to the electronic chips reduces substantially the path of interconnections and their energetic costs.An optical transmitter and receptor need different components. If modulators, multiplexers, fiber coupler, multiplexer and photo-detectors are already achieved, laser sources used are still outside the photonic chip. This is the missing link for a complete optical integration thanks to the silicon photonic. Several architectures have been proposed but this thesis relies on hybrid integration of III-V material on silicon.The work of this thesis consisted on the conception, the fabrication and the characterization of hybrid III-V on Silicon laser sources and was completely done at the CEA/LETI. The LETI architecture composed by a III-V waveguide coupled to a silicon waveguide was improved thanks to a adiabatic criterion to obtain an efficient and robust active area of the laser. This architecture was declined in different kinds of lasers (Fabry-Pérot, DBR, Racetrack and DFB). The fabrication required technological development for the structuration of the reported III-V material on silicon at the laboratories of the CEA/LETI. The first results validates the proposed architectures. The DBR lasers have threshold of less than 20mA and maximal optical power of more than 20mW inside the silicon waveguide. Those lasers are monomode with a SMSR of more than 50dB. The DFB Lasers have threshold of 30mA and maximal optical power of more than 40mW inside the silicon waveguide. They are monomode with SMSR more than 40dB. Those results are world state-of-the-art for hybrids laser sources in silicon photonic.

Suite au développement remarquable d'Internet, il est attendu que le trafic numérique augmente de manière exponentielle, ainsi que la nécessité d'utiliser des liens de communication très hauts débits. Pour adresser ces problématiques, il est donc essentiel de proposer des systèmes performants avec une consommation énergétique réduite. La photonique sur silicium est une solution prometteuse qui répond à ce besoin en intégrant des fonctionnalités optiques dans un circuit intégré utilisant les procédés de fabrication de pointe de la microélectronique. Dans ce contexte le sujet de thèse porte sur le modulateur optique. Celui-ci doit supporter des hauts débits de transmission, avoir de faibles pertes optiques, et être peu énergivore. Pour respecter ces objectifs, plusieurs paramètres doivent être optimisés en tenant compte des contraintes de fabrications, afin de trouver le meilleur compromis entre ces différents facteurs de mérite. Durant cette thèse, la recherche de l'obtention de meilleures performances du composant a été faite de trois manières. La première approche a été d'améliorer les simulations de la technologie existante de modulateurs à jonction PN. En intégrant les étapes de fabrication dans le processus d'optimisation des performances du composant, les résultats numériques sont plus réalistes. Le point clé de cette étude est la comparaison entre les caractérisations et les simulations de deux architectures différentes de modulateur obtenues dans les mêmes conditions de fabrication. Une partie importante de la thèse a aussi été consacrée au développement de nouveaux modulateurs basés sur l'utilisation d'une capacité verticale intégrée au milieu d'un guide d'onde. Des outils numériques dédiés ont permis de dimensionner deux nouvelles architectures de modulateurs possédant une grande efficacité. Un nouveau procédé de fabrication a été mis en place, et les premiers lots d'étude nous ont permis d'extraire des informations utiles pour la fabrication de ces composants. Enfin, une étude comparative générale entre trois des modulateurs étudiés au cours de cette thèse a été faite. Les résultats permettent de déterminer la configuration optimale pour chaque type de modulateur en fonction de l'application visée. De plus, l'ensemble des données nous a permis de générer un modèle compact pour optimiser rapidement le composant en un temps de simulation réduit. / With the outstanding development of the internet, it is expected that global network traffic will grow exponentially, as well as the concern about the need for high-speed links and interconnections. To address these issues, it is then essential to propose performant systems that will support high speed transmission with low power consumption. Silicon photonics is a promising solution and integrate complex optical functions in a silicon chip, by using standard fabrication process used in microelectronic. In this context, the subject of my PhD is focused on the optical modulator which should support high speed transmission, have low optical losses, and have low power consumption. To obtain these constraints, several parameters need to be optimized while taking account fabrication constraints in order to find the best compromise between the different figures of merit. During this PhD, the improvement of the performances of the component was made by three different ways. The first optimization is related to the simulations for the current technology of modulators based on PN junctions. By integrating the fabrication process in the optimization process, more reliable numerical results are obtain. The key point of this study is the comparison of experimental characterizations and numerical simulations of two architectures of modulator. A substantial part of the PhD was also focused on the development of new modulators based on vertical capacitive junctions. The use of dedicated numerical tools reveals several key aspects of these components, and allow us to optimize two different architectures in order to obtain high efficient modulator. A new fabrication process has been established, and several information were extracted from the first run of fabrication. Then, a comparative study between most of modulators reviewed during this PhD was performed. The results allow us to determine which configuration has the best performances depending of the targeted application. In addition, a compact model was generated to optimize the component in a reduced simulation time.

Les centres de données subissent une augmentation exponentielle du trafic de données, à laquelle la photonique sur silicium apporte une solution grâce à de forts volumes de production, à faibles coûts et à haut rendements. Aujourd'hui la consommation énergétique est un défi supplémentaire à relever face à la densification du réseau. Le modulateur capacitif permet en particulier de réduire la part d'énergie consommée par l'émetteur du circuit photonique qui réalise la modulation d'intensité optique. Les travaux d'intégration et de conception réalisés au cours de cette thèse consistent à introduire un isolant diélectrique au centre du guide d'onde, pour former une capacité silicium/ oxyde/ poly-silicium en régime d'accumulation. Une première version consiste à empiler l'isolant horizontal entre les deux semiconducteurs. Une seconde version complémentaire emploie un isolant vertical au centre du guide d'onde ruban à fente. La première génération de ces composants permet de démontrer leur faisabilité dans la plateforme industrielle de STMicroelectronics. Les mesures conduites au C2N, au CEA-LETI et à STMicroelectronics évaluent les compromis entre l'efficacité, atout du modulateur capacitif, les pertes d'insertion et la bande passante du composant à isolant horizontal. Des pertes de 3 dB/mm sont extraites, dont seulement 0.5 dB/mm dues au poly-silicium. Un taux d'extinction de 2 dB est mesuré à travers 700 µm sur un diagramme de l'œil à 10 Gb/s, grâce à un produit VpLp=5.5 V.mm à 15 nm d'épaisseur d'oxyde (1.2 pF/mm). La consommation électrique du modulateur capacitif est finalement optimisée pour atteindre 1 pJ/bit à 0.9 Vpp. / Global datacenter data exchange is exponentially growing and silicon photonics is the key answer, thanks to high production volume, at low cost and high yield. Today, energy consumption is a new challenge highlighted by network densification. Capacitive modulators address a specific reduction of the power dedicated to the photonic circuit emitter for light intensity modulation. Design and integration of capacitive modulators are carried out during this thesis. It consists of inserting a dielectric insulator within the optical waveguide center, in order to shape a capacitance with a silicon/ oxide/poly-silicon stack in accumulation regime. A first device is made up of an horizontal insulator stacked between the semiconductors. A second device type comprises a vertical insulator in the center of a slot rib waveguide. The first fabrication release demonstrates device feasibility within STMicroelectronics industrial platform. Characterization results of the first device type from C2N, CEA-LETI and STMicroelectronics evaluate the trade-offs between efficiency - featured by capacitive modulators - insertion losses and bandwidth. 3 dB/mm insertion losses are measured, including 0.5 dB/mm poly-silicon absorption only. 2 dB extinction ratio through 700 µm is evaluated on a 10 Gb/s eye diagram, thanks to a VpLp =5.5 V.mm at 15 nm oxide thickness (1.2 pF/mm). Capacitive modulator power consumption is eventually optimized for 1 pJ/bit at 0.9 Vpp.

L’augmentation des flux d’information sur puce conduit l’électronique intégrée à un certain nombre de limitations, liées en particulier à la saturation des débits binaires transmissibles entre blocs et cœurs et au niveau excessif de puissance dissipée. Dans ce contexte, la photonique silicium a été proposée il y a plusieurs années comme une solution intéressante pour lever certains verrous. Ce domaine, qui a connu un intérêt marqué depuis, repose sur le développement de liens optiques sur puce, donc sur le développement de toutes les structures nécessaires pour l’émission, le guidage, la modulation, et la détection des signaux optiques. Au stade actuel, les progrès ont été spectaculaires mais des difficultés demeurent : d’une part, la puissance consommée par les composants optoélectroniques, en particulier de modulation, se situe toujours au-dessus des niveaux requis par les applications ; d’autre part, la taille des composants optiques intégrées classiques ne peut pas être miniaturisée en-dessous de la limite de diffraction (de l’ordre de 250nm dans les cas usuels de la photonique silicium, dans la fenêtre des longueurs d’onde télécoms λ=1,55µm), ce qui ne permet pas d’envisager une co-intégration poussée de l’optique avec l’électronique CMOS.Dans cette thèse, nous avons exploré les potentialités de l’utilisation de matériaux organiques non-linéaires au sein de structures métalliques pour la réalisation de guides d’ondes plasmoniques nonlinéaires. Les propriétés de la plasmonique autorisant la réalisation de structures sub-longueur d’onde à confinement extrême du champ électromagnétique, les composants qui en découlent sont caractérisés par un renforcement significatif des effets optiques non-linéaires et leur co-intégration avec l’électronique devient envisageable en terme de compacité et d’encombrement.Nous avons développé une approche basée sur la théorie des modes couplées applicable à des guides à pertes (absorption par les métaux) et, couplées à des calculs par éléments finis, nous l’avons appliquée à l’exploration des plusieurs effets. Deux types de guides ont été considérés, guides plasmoniques et guides plasmoniques hybrides. Les phénomènes de génération de seconde harmonique et de rectification optique (assistée électriquement ou pas) ont été étudiés principalement ; les compromis entre pertes de propagation (par absorption) et confinement du champ électromagnétique ont été explorés et l’ensemble a conduit à proposer plusieurs configurations caractérisées par des longueurs d’interaction de quelques dizaines de µm typiquement et des efficacités (de conversion de longueur d’onde, de rectification, etc) se situant au-delà de l’état de l’art actuel.Ces propositions théoriques ont été complétées par un volet expérimental, concrétisé par la fabrication de structures plasmoniques, et qui a permis de valider la possibilité d’une injection efficace de la lumière depuis une fibre optique vers des guides plasmoniques très sub-longueur d’onde. / With the rapid increasing bandwidth of data transmission and signal processing, integrated electronics encounters bottlenecks. Silicon photonics provides a low-cost solution to overcome some of these bottlenecks by introducing on-chip optical links. After a decade of development, silicon photonics is now the most active discipline and most promising platform within the field of integrated optics. However, in the process of further development, new stumbling blocks emerge, among which the fact that the size of photonic devices is limited by the diffraction limit, which results in a large mismatch between photonic and electronic components. Plasmonics seems to be an ideal solution to overcome this obstacle thanks to its ability to confine the optical field into nanoscales beyond the diffraction limit. Meanwhile, the localized strong field enhancement in plasmonic structures enhances interaction of light and matter, which is promising for nonlinear applications.In this dissertation, we combine the plasmonic and organic technologies onto the silicon photonics platform to create silicon plasmonic organic structures and investigate the nonlinear effects induced in them. Silicon plasmonic organic structures combine the advantages of silicon with ultra-compact performance of plasmonics and ultrafast property of organic materials that have great potentials in nonlinear integrated optics.A full-vectorial nonlinear coupled-wave equation model which is valid for lossy plasmonic waveguides is proposed and then utilized to analyze the nonlinear effects in silicon plasmonic waveguides. This dissertation addresses the use of two kinds of plasmonic waveguides, plasmonic slot waveguide (PSW) and hybrid plasmonic waveguide (HPW), for nonlinear applications. Specifically, enhanced second harmonic generation, electro-optical /optical rectification effect in PSW and enhanced second harmonic generation in HPW and ring resonators are proposed. The mode phase matching technique is applied for the phase matching of the nonlinear processes. Based on the effective nonlinear effects within short distances, possible applications in optical signal processing such as phase regeneration, modulation and detection are envisaged.Design, fabrication and measurement of PSW are also provided. By spin-coating a commercial available second order nonlinear polymer, preliminary results regarding the nonlinear response of the PSW are investigated.

La photonique sur silicium connaît depuis plusieurs années un fort développement avec la démonstration d’importants résultats concernant les interconnexions optiques. En effet, l’explosion du trafic de données au sein des centres de données a nécessité de trouver une solution annexe aux interconnexions métalliques afin de supporter de très hauts débits de transmission, tout en assurant une faible consommation énergétique et un coût raisonnable. Les applications de la photonique se situent d’une part dans le domaine des communications à longue distance entre équipements dont les standards actuels visent un débit de 400 Gb/s, et d’autre part dans le domaine des calculateurs à haute performance afin de réaliser les interconnexions courte distance entre un processeur et une banque de mémoires.STMicroelectronics s’est lancé depuis 2012 dans le développement d’une plateforme photonique sur silicium sur wafers de 300mm. Les principaux objectifs sont : la conception des composants optiques passifs et actifs pour réaliser un transceiver élémentaire à un débit de 20 Gb/s, l’intégration accrue des dispositifs électro-optiques afin de constituer un interposeur photonique, la capacité à gérer plusieurs longueurs d’onde.Dans ce contexte, le sujet de cette thèse porte sur la mise au point d’un circuit de qualification proposant l’intégration d’un transmetteur électro-optique à l’échelle de la puce.Cette solution tire bénéfice de l’architecture de l’assemblage en trois dimensions des éléments constitutifs au sein de l’interposeur et permet de traiter l’hétérogénéité des composants électriques et optiques.Dans ces travaux, nous proposons dans un premier temps d’étudier le modulateur optique. Celui-ci repose sur l’utilisation d’un anneau résonant dont la bande passante est optimisée afin de permettre des débits jusqu’à 50 Gb/s. Dans un second temps, nous décrivons la conception du driver électrique en technologie CMOS 55nm et expliquons le compromis mis en jeu entre la vitesse et la puissance consommée par le transmetteur. Les deux dispositifs sont fabriqués sur des plateformes distinctes, puis caractérisés et analysés par rapport à leur modèle respectif. Puis, nous réalisons une première intégration du transmetteur complet via un assemblage wire-bonding, ce qui nous permet de valider son fonctionnement et d’identifier les difficultés d’une telle co-intégration. Enfin, la dernière partie de la thèse est consacrée à la préparation d’un démonstrateur intégrant, dans un assemblage 3D à base de micro-piliers en cuivre, un lien électro-optique capable de transmettre 16 canaux à 20 Gb/s. Le multiplexage en longueurs d’onde déployé dans ce lien devrait permettre d’atteindre un débit total de 320 Gb/s. De plus, l’étude énergétique du système permet de s’assurer que l’interconnexion finale respectera les contraintes de consommation de puissance. / Stimulated by a series of important breakthrough, silicon photonics has been experiencing a significant development for several years. Indeed, due to exponential growth of data traffic inside datacenters, an alternative solution to metallic interconnects has been proposed to address very high transmission rates while ensuring a low energy consumption and a reasonable cost. Promising applications are in the field of both long- and short-distance optical communications. Long-range interconnects between datacenter equipment currently target an aggregate throughput of 400 Gb/s while short-reach interconnects are involved in high performance computers between a processor and a memory bank.STMicroelectronics has been developing a silicon photonic platform on 300 mm wafers since 2012. The main objectives are: the design of passive and active optical components to achieve an elementary 20 Gb/s transceiver, the increased integration of electro-optic devices to form a photonic interposer, the ability to manage several wavelengths.In this context, this PhD report deals with a testchip development at wafer level, proposing the integration of anelectro-optic transmitter. This solution benefits from the three dimensions assembly architecture of the dies within the photonic interposer and can handle the heterogeneity of electrical and optical components.This work first proposes to study the optical modulator which is based on a ring resonator. The ring bandwidth is optimized to operate up to 50 Gb/s. Secondly, the 55nm CMOS electrical driver design is described and the trade-off between transmitter speed and power consumption is highlighted. Both devices are fabricated on distinct technological platforms, then characterized and analyzed with respect to their respective models. A first integration of the complete transmitter is assembled through wire-bonding method, which enables to validate the transmitter operation. Finally, the last part of the report is devoted to the preparation of a 3D demonstrator based on micro-copper pillars assembly. The demonstrator integrates a wavelength division multiplexed link with 16 channels, which is expected to achieve a total throughput of 320 Gb/s. In addition, the system study enables to ensure that the final interconnect will respect power consumption constraints.

La photonique sur silicium a le potentiel de rendre des technologies de télécommunication optiques accessibles au grand public. Alors que l’indice de réfraction élevé du silicium permet de fabriquer des circuits photoniques intégrés (CPI) compacts, il rend difficile l’injection de lumière sur les puces de silicium. Pour faciliter le transfert de lumière d’une fibre optique vers un guide d’onde en silicium, une plateforme technologique nommée coupleur évanescent optimisé pour les différences d’indice de réfraction élevées (CEIRE) a été développée à l’Université de Sherbrooke. Afin d’appuyer cette méthode d’injection, des technologies complémentaires ont également été étudiées.