Ce travail de thèse porte sur la réalisation d’un nouveau modulateur électro-optique pouvant s’intégrer sur un substrat SOI. Le modulateur proposé utilise une structure dite à fente ou SLOT formée verticalement par la couche superficielle de silicium du matériau SOI sur laquelle on dépose la couche de BTO puis une couche de silicium amorphe. Le confinement latéral dans ce guide de lumière est réalisé par gravure de la couche de silicium amorphe supérieure. La géométrie du ruban de silicium amorphe est optimisée pour obtenir un mode SLOT en polarisation TM (Transverse Magnétique) pour lequel la quasi-totalité de l’énergie lumineuse est confinée dans la couche active de BTO, ce qui permet d’augmenter l’efficacité du modulateur par rapport à une structure conventionnelle. La conception d’un tel modulateur a nécessité l’élaboration d’un outil numérique multi-physique lors de ce travail de thèse afin de prendre en compte rigoureusement les propriétés d’anisotropie des matériaux ferroélectriques, rarement disponibles dans les logiciels de simulation photonique commerciaux. Plus précisément, nous combinons un solveur de mode optique FVFD avec un solveur radiofréquence de Laplace. Il permet des calculs précis de la modulation d'indice de réfraction et de la réponse électro-optique induite par l’effet Pockels des matériaux anisotropes qui présentent une variation non-diagonale du tenseur de permittivité. L’optimisation du modulateur est réalisée, tant du point de vue optique qu’électrique en radiofréquence. Notamment, pour obtenir un modulateur rapide, il est nécessaire de concevoir une électrode qui possède une onde radiofréquence de même constante de propagation que le mode SLOT optique. Le travail de thèse est aussi consacré à la conception des briques de bases d’optique intégrée passive nécessaires à la réalisation des modulateurs: guides droits, diviseurs de faisceaux de type MMI (MultiMode Interference), de virages et de coupleurs directionnels. Un solveur de mode en coordonnées cylindriques a permis de concevoir des virages à très faibles rayons de courbure de 3,6 µm avec des pertes de radiation inférieures à 0.1 dB/90°. Étonnamment, pour des guides en arête, la réduction du rayon de courbure d’un virage n’implique pas forcément une augmentation des pertes de radiation et conduit à une amélioration des performances du dispositif. Ce résultat est très important parce que le virage est la brique de base qui est la plus difficile à miniaturiser en optique intégrée. Actuellement, les rayons de courbures sont limités à 15 µm dans les technologies utilisant les guides en arête. Ce résultat validé expérimentalement, montre qu’il est possible d’obtenir une densité d’intégration 4 à 5 fois plus importante sans modification de la technologie de fabrication. Le deuxième résultat innovant pour la photonique sur silicium porte sur l’obtention de diviseurs de faisceaux très compacts et insensibles à la polarisation (2.0 x 3.6 µm²). / The aim of this thesis is to explore a new electro-optic modulator which could be integrated on SOI substrate. The ferroelectric material BaTiO3 (BTO) is potentially the most interesting because it has highest linear electro-optic coefficient among perovskite materials, and its monolithic integration on a SOI substrate as a crystalline thin film was demonstrated in INL. The proposed modulator uses a structure SLOT formed vertically through the silicon layer of the SOI on which is deposited the layer of BTO then an amorphous silicon layer. The lateral confinement in the light guiding is formed by etching of the upper amorphous silicon layer. The geometry of the strip-loaded amorphous silicon is optimized to obtain a SLOT TM (Transverse Magnetic) polarization mode in which substantially all of the light energy is confined in the active layer of BTO, thereby increasing the efficiency of modulator with respect to a conventional structure. The design of such a modulator requirs the development of a multi-physics numerical tool to consider carefully anisotropic properties of ferroelectric materials, rarely available in commercial photonics simulation softwares. Specifically, we combine a FVFD optical mode solver with a radiofrequency Laplace solver. It allows precise calculation of the modulation of refractive index and the electro-optical response induced by Pockels effect of anisotropic materials exhibiting non-diagonal change in the permittivity tensor. The optimization of the modulator is carried out, from both aspects optical and electrical in radiofrequency. In particular, to obtain a rapid modulator, it is necessary to design a radiofrequency electrode that has a same wave propagation constant of optical SLOT mode. The thesis is as well devoted to the design of passive building blocks in integrated optics, which are necessary for the implementation of modulators: straight waveguides, beam splitters of type MMI (MultiMode Interference), turns and directional couplers. A cylindrical coordinate’s mode solver realizes the design of turns of very low bending radii of 3.6 microns with radiation losses less than 0.1dB/90°. Surprisingly, for strip-loaded guides, reducing the cornering radius of turns does not necessarily imply an increase in losses of radiation, and so leading to improved device performance. This result is very important because the turns is a basic building block the most difficult to be miniaturized in integrated optics. Currently, the radii of curvature are limited to 15 microns in waveguide technology. The experimental validation shows that it is possible to obtain a 4-5 times larger integration density without changing the manufacturing technology. The second result for innovative silicon photonics is about obtaining very compact and polarization insensitive beam splitters (2.0 x 3.6 μm²).

Optical traveling-wave resonator architectures have shown promise for the realization of many compact photonic functionalities in different research disciplines. Realizing these resonator structures in high-index contrast silicon enables dense and large scale integration of large arrays of functionalized resonators in a CMOS-compatible technology platform. Based on these motivations, the main focus of this Ph.D. research has been on the device physics, modeling, implementations, and applications of planar ultra-high Q silicon traveling-wave microresonators in a silicon-on-insulator (SOI) platform. Microdisk, microring, and racetrack resonators are the three general traveling-wave resonator architectures of interests that I have investigated in this thesis, with greater emphasis on microdisks. I have developed efficient tools for the accurate modeling of these resonators. The coupling to these resonators has been through a nano-waveguide side coupled to them. For this purpose, I have developed a systematic method for engineering a waveguide-resonator structure for optimum coupling. I have addressed the development of nanofabrication techniques for these resonators with efficient interaction with a nano-waveguide and fully compatible with active electronic integration. The outcome of the theoretical design, fabrication, and characterization of these resonators is a world-record ultra-high Q (3×10[superscript 6]) with optimum waveguide-resonator interaction. I have investigated the scaling of these resonators toward the ultimate miniaturization and its impact on different physical properties of the resonators. As a result of these investigations, I have demonstrated miniaturized Si microdisk resonators with radii of ~ 1.5 micron and Q > 10⁵ with single-mode operation over the entire large free-spectral range. This is the highest Q (~ one order more than that in previously reported data) that has been obtained for a Si microdisk resonator with this size on a SiO₂ substrate. I have employed these resonators for more advanced functionalities such as large-scale integration of resonators for spectroscopic and filtering applications, as well as the design of flat-band coupled-resonator filter structures. By proposing a systematic method of design, I have shown ultra-compact coupled-resonator filters with bandwidths ranging from 0.4 to 1 nm. I have theoretically and experimentally investigated the performance of ultra-high Q resonators at high powers and in the presence of nonlinearities. At high powers, the presence of two-photon absorption, free-carrier generation, and thermo-optic properties of silicon results in a rich dynamic in the response of the resonator. In both theory and experiment, I have predicted and demonstrated self-sustained GHz oscillation on the amplitude of an ultra-high Q resonator pumped with a continuous-wave laser.

Large on-chip bandwidths required for high performance electronic chips will render optical components essential parts of future on-chip interconnects. Silicon photonics enables highly integrated photonic integrated circuit (PIC) using CMOS compatible process. In order to maximize the bandwidth density and design flexibility of PICs, vertical integration of electronic layers and photonics layers is strongly preferred. Comparing deposited silicon, single crystalline silicon offers low material absorption loss and high carrier mobility, which are ideal for multi-layer silicon PIC. Three different methods to build multi-layer silicon PICs based on single crystalline silicon are demonstrated in this dissertation, including double-bonded silicon-on-insulator (SOI) wafers, transfer printed silicon nanomembranes, and adhesively bonded silicon nanomembranes. 1-to-12 waveguide fanouts using multimode interference (MMI) couplers were designed, fabricated and characterized on both double-bonded SOI and transfer printed silicon nanomembrane, and the results show comparable performance to similar devices fabricated on SOI. However, both of these two methods have their limitations in optical interconnects applications. Large and defect-free silicon nanomembrane fabricated using adhesive bonding is identified as a promising solution to build multi-layer silicon PICs. A double-layer structure constituted of vertically integrated silicon nanomembranes was demonstrated. Subwavelength length based fiber-to-chip grating couplers were used to couple light into this new platform. Three basic building blocks of silicon photonics were designed, fabricated and characterized, including 1) inter-layer grating coupler based on subwavelength nanostructure, which has efficiency of 6.0 dB and 3 dB bandwidth of 41 nm, for light coupling between layers, 2) 1-to-32 H-tree optical distribution, which has excess loss of 2.2 dB, output uniformity of 0.72 dB and 3 dB bandwidth of 880 GHz, 3) waveguide crossing utilizing index-engineered MMI coupler, which has crossing loss of 0.019 dB, cross talk lower than -40 dB and wide transmission spectrum covering C-band and L-band. The demonstrated integration method and silicon photonic devices can be integrated into the CMOS back-end process for clock distribution and global signaling. / text

La demande sans cesse croissante des besoins des télécommunications a mis en relief les limites intrinsèques de l’électronique. La photonique s’est révélée comme une solution appropriée à ses limitations. STMicroelectronics a développé une plateforme photonique sur silicium dénommée PIC25G permettant une transmission monocanale à 25 Gb/s. Cependant, l’augmentation du débit avec du multiplexage en longueur d’onde (WDM) se heurte à certaines contraintes. La solution suggérée repose sur une approche hybride intégrant la photonique sur silicium et sur verre par échange d’ions développée au laboratoire IMEP LaHC. La solution consiste en un interposeur verre sur lequel est assemblée une puce photonique sur silicium. Les études ont d’abord porté sur les composants de la puce silicium en particulier sur l’optimisation des coupleurs à réseau et les multiplexeurs à base d’interféromètres de Mach Zehnder cascadés. Ensuite, les composants passifs optiques et électriques de l’interposeur verre ont aussi été étudiés et réalisés. La faisabilité d’un couplage optique entre la puce silicium et l’interposeur a été démontrée. Enfin, les structures de tests nécessaires à la validation de la solution proposée ont été étudiées. Ces structures de tests ont permis de transmettre des signaux radiofréquences jusqu’à 40 GHz entre la puce silicium et l’interposeur verre. Une nouvelle approche de fabrication des guides d’onde optiques de l’interposeur a été suggérée et réalisée afin de répondre aux problèmes du procédé de fabrication. A terme, elle permettra d’avoir un module électro-optique pour des applications haut-débit. / The ever-increasing demand for telecommunications needs has highlighted the intrinsic limitations of electronics. Photonics has proven to be a suitable solution to its limitations. STMicroelectronics has developed a silicon photonic platform called PIC25G that allows single-channel transmission at 25 Gb/s. The data rate increase with wavelength division multiplexing (WDM) encounter some constraints. The proposed solution is based on a hybrid approach integrating silicon photonics and glass ions exchanged photonics developed at the IMEP-LaHC laboratory. The solution consists of a glass interposer on which a silicon photonics chip is assembled. First, the studies focused on the components of the silicon chip especially on the optimization of grating couplers and (de)-multiplexers based on cascaded Mach Zehnder interferometers. Then, the optical and electrical passive components of the glass interposer were studied and realized. The feasibility of an optical coupling between the silicon chip and the glass interposer has been demonstrated. Finally, the test structures needed to validate the proposed solution were studied. These test structures allowed to transmit radiofrequency signals up to 40 GHz between the silicon chip and the glass interposer. A new approach to realize the optical waveguides of the interposer has been suggested and carried out in order to address the fabrication issues. Ultimately, this approach will provide an electro-optical module for high-speed applications.

Depuis plusieurs années, le volume de données échangé à travers le monde augmente sans cesse. Pour gérer cette large quantité d’information, des débits élevés de transmission de données sur de longues distances sont essentiels. Puisque les interconnections à base de cuivre ne peuvent pas suivre cette tendance, des systèmes de transmission optique rapides sont requis dans les centre de données. Dans ce contexte, la photonique sur silicium est considérée comme une solution pour obtenir des circuits photoniques intégrés à un coût réduit. Bien que cette technologie ait connu une croissance significative au cours de la dernière décennie, les transmetteurs actuels à haut débit de transmission sont principalement basés sur des sources laser externes. Par conséquent, l’objectif de ce travail de thèse était de concevoir et produire un transmetteur à haut débit de transmission de données pour la photonique sur silicium, doté d’une source laser intégrée.Ce transmetteur se compose d’un modulateur silicium de type Mach-Zehnder, co-intégré sur la même plaque avec un laser hybride III-V sur silicium à réseaux de Bragg distribués, dont la longueur d’onde d’émission peut être contrôlée électriquement autour de 1.3μm. La conception des différents éléments constituant à la fois le laser (coupleurs adiabatique entre le III-V et le silicium, miroirs de Bragg) et le modulateur (jonctions p-n, électrodes à ondes progressives) est détaillée, de même que leur fabrication. Pendant la caractérisation des transmetteurs, des taux de transmission de données jusqu’à 25Gb/s, pour des distances allant jusqu’à 10km ont été démontrés avec succès, avec la possibilité de contrôler la longueur d’onde jusqu’à 8.5nm. Par ailleurs, afin d’améliorer l’intégration de la source laser avec le circuit photonique sur silicium, une solution basée sur le dépôt à basse température (en-dessous de 400°C) d’une couche de silicium amorphe pendant la fabrication est aussi évaluée. Des tests sur une cavité laser à contre-réaction distribuée ont montré des performances au niveau de l’état de l’art (avec des puissances de sortie supérieures à 30mW), prouvant ainsi la viabilité de cette approche. / For several years, the volume of digital data exchanged across the world has increased relentlessly. To manage this large amount of information, high data transmission rates over long distances are essential. Since copper-based interconnections cannot follow this tendency, high-speed optical transmission systems are required in the data centers. In this context, silicon photonics is seen as a way to obtain fully integrated photonic circuits at an expected low cost. While this technology has experienced significant growth in the last decade, the high-speed transmitters demonstrated up to now are mostly based on external laser sources. Thus, the aim of this PhD thesis was to design and produce a high-speed silicon photonic transmitter with an integrated laser source.This transmitter is composed of a high-speed silicon Mach-Zehnder, co-integrated on the same wafer with a hybrid III-V on silicon distributed Bragg reflector laser, which emission wavelength can be electrically tuned in the 1.3μm wavelength region. The design of the various elements constituting both the laser (III-V to silicon adiabatic couplers, Bragg reflectors) and the modulator (p-n junctions, travelling-wave electrodes) is thoroughly detailed, as well as their fabrication. During the characterization of the transmitters, high-speed data transmission rates up to 25Gb/s, for distances up to 10km are successfully demonstrated, with the possibility to tune the operating wavelength up to 8.5nm. Additionally, in order to further improve the integration of the laser source with the silicon photonic circuit, a solution based on the low-temperature (below 400°C) deposition of an amorphous silicon layer during the fabrication process is also evaluated. Tests on a distributed feed-back laser structure have shown performances at the state-of-the-art level (with output powers above 30mW), thus establishing the viability of this approach.

L’objectif de cette thèse est d'étudier les propriétés thermodynamiques et clarifier les toutes premières étapes de la croissance hétérogène de GaP sur Si (désaccord de maille de 0,3 %) pour les applications en photonique et dans le domaine de l’énergie. Tout d’abord, les énergies absolues de surfaces {001}, {136}, {114}, et d'interfaces abruptes et compensées de GaP/Si sont déterminées par des calculs de théorie fonctionnelle de la densité. L’étude des propriétés de mouillage de GaP/Si permet ensuite de démontrer que le mouillage total n’est jamais atteint dans ce système, quel que soit le potentiel chimique, et que cet effet est renforcé par la passivation de la surface du Si. Les calculs de variation d’énergie libre montrent l’importance des termes de surface et d'interface par rapport au terme d’énergie élastique dans la croissance 3D III-V/Si.Ces résultats sont généralisés à l’ensemble des systèmes III-V/Si. Un mécanisme pour la croissance III-V/Si est proposé pour clarifier les premières étapes de la croissance et expliquer la génération de défauts tels que les domaines d’antiphase, qui est reliée aux propriétés de mouillage partiel du système. Des études expérimentales ont été réalisées pour comprendre l'influence de la surface initiale du silicium lors de la reprise de croissance IIIV. Ensuite, une étude préliminaire de l'efficacité de marqueurs AlGaP sur l'annihilation des parois d’antiphase et une première caractérisation des leurs propriétés électriques sont présentées. Enfin, une ingénierie d’énergie de surface est utilisée pour la réalisation d’une surface de GaP texturée, intégrée sur silicium, pour des applications dans le domaine de l’énergie. / This thesis aims to investigate thermodynamic properties and epitaxial processes at the very early stages of GaP on Si heterogeneous growth for photonics and energy applications. The absolute {001}, {136}, {114} surfaces energies and abrupt and compensated interface energies of the GaP/Si material system are first determined by density functional theory (DFT) calculations. Furthermore, we studied the wetting properties of the GaP/Si through the surface and interface energies computed by DFT. We found that the partial wetting (observed experimentally) is always achieved whatever the chemical potential, and that it is even favoured by the silicon surface passivation. Through free energy change calculations, we have shown that the surface and interface energies play a crucial role in the III-V/Si 3D- growth while the impact of elastic energy contribution on surface island morphology is negligible. These conclusions are generalized to the various III-V/Si systems. A general III-V on Si growth mechanism is finally proposed to clarify the very early stages of growth and the defect generation (such as antiphase domains) that fundamentally originate from the partial wetting of III-V on Si. Experimental studies have been performed to understand the influence of the initial silicon surface on the III-V overgrowth. Furthermore, preliminary studies on AlGaP markers efficiency on antiphase domains annihilation and a first characterization of their electrical properties are also presented. Finally, surface energy engineering was used to demonstrate a textured GaP template monolithically grown on silicon that could be used for photoelectrochemical water splitting applications.

En s’appuyant sur les procédés de fabrication matures et sur la production à grande échelle de l’industrie CMOS, la technologie photonique silicium est une solution potentielle pour le développement de liens optiques haut débit peu onéreux destinés aux centres de données. Un premier pas a été franchi il y a une dizaine d’année avec la réalisation, à l’échelle industrielle, de transmetteurs/récepteurs avec des débits jusqu’à 100Gb/s. Cependant, tout semble indiquer que des vitesses encore plus élevées, (200 voir 400Gb/s), seront bientôt nécessaires. Malheureusement, les limitations techniques de cette première génération de circuits photoniques suggèrent qu’il sera difficile de réaliser des multiplexeurs (MUX/DEMUX) performants. Ces composants sont à la base des solutions de multiplexage en longueur d’onde (WDM) envisagées pour répondre à cette nouvelle demande de bande passante. Par ailleurs, on assiste depuis quelques années à une diversification des applications de la photonique intégrée qu’il semble également difficile de satisfaire au vu des performances de la technologie actuelle. C’est dans ce contexte que s’inscrit le travail de thèse présenté dans ce manuscrit. La solution étudiée est basée sur l’intégration d’un second circuit optique dont les propriétés sont complémentaires de celles du circuit silicium formant ainsi une plateforme optique performante quelle que soit la fonction à réaliser. Un schéma d’intégration monolithique a été privilégié afin de limiter les couts de production et d’assemblage. Le matériau choisi pour la réalisation de ce second circuit optique est le nitrure de silicium (SiN). Il possède en effet des propriétés parfaitement complémentaires de celles du circuit silicium : contraste d’indice réduit, coefficient thermo optique faible et grande gamme de transparence. C’est également un matériau utilisé depuis de nombreuses années dans l’industrie CMOS. Le premier objectif de ce travail de thèse a donc consisté à développer le schéma d’intégration de ce second circuit optique au sein de la technologie photonique PIC50G de STMicroelectronics. Une fois les différentes étapes du flot de fabrication validées, le développement de composants a pu débuter. Tout d’abord les guides d’onde, proposant des pertes de propagation inférieures à 0,2dB/cm à 1300nm, mais également divers composants élémentaires : transitions entre les différentes géométries de guides, coupleur fibre/puce, terminaison de guide d’onde, filtre de signaux parasites et coupleurs/séparateurs de puissance. Une caractérisation statistique de la transition optique entre les circuits Si et SiN a révélé des pertes d’insertion inférieures à 0,3dB entre 1270nm et 1330nm, validant la stabilité de ce composant particulièrement critique. Une attention particulière a été portée à la gestion de la polarisation dans les guides d’onde via le développement de séparateurs et de rotateurs de polarisation dont les performances sont à l’état de l’art des composants silicium. Une étude complète sur les MUX/DEMUX en SiN a également été réalisée. Des réseaux de guides d’onde ont notamment montré de bonnes performances : dérive en température < 12pm/°C, faible sensibilité à la polarisation, pertes d’insertion <1dB, diaphonie < -30dB, fonctionnement jusqu’à 12 canaux, bande passante à -1dB >11nm. Pour terminer, un émetteur/récepteur WDM quatre canaux a été conçu pour démontrer l’intérêt de cette plateforme hybride Si/SiN, il est actuellement en attente de caractérisation. Enfin, une étude des propriétés optiques non linéaires du SiN a permis de démontrer la génération de troisième harmonique de l’UV jusqu’au visible ainsi que la génération d’un supercontinuum s’étendant de 425nm à 1660nm, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications. / Based on CMOS industry's mature manufacturing processes and large-scale production, silicon photonics technology is a potential solution for inexpensive high-speed optical links for data centers. About ten years ago, a first step was taken with the realization, at an industrial scale, of transmitters/receivers with data rates up to 100Gb/s. However, it seems that even higher speeds (typically 200 or 400Gb/s) will soon be needed. Unfortunately, the technical limitations of this first generation of photonic circuits suggest that it will be difficult to make efficient multiplexers (MUX / DEMUX), which form the basis of wavelength division multiplexing (WDM) solutions designed to meet this new bandwidth demand. Moreover, a diversification of the applications of integrated photonics is ongoing for a few years, which also seems difficult to satisfy given the performance of current technology. The thesis work presented in this manuscript yielded from this context. The studied solution is based on the integration of a second optical layer whose properties are complementary to those of the silicon circuit. This forms an integrated optical platform which can be efficient whatever the function to be performed. A monolithic integration scheme is chosen leveraging the low cost and manufacturing capability of CMOS industry. Silicon nitride (SiN), with a reduced index contrast and a low thermo-optical coefficient, is an interesting candidate for the realization of this second photonic circuit. Indeed, those properties are perfectly complementary to the silicon ones, and particularly adapted to the realization of MUX/DEMUX. Moreover, SiN is a well-known material of CMOS electronics. The first objective of this thesis was to develop the integration scheme of the second optical circuit within ST Microelectronics PIC50G photonic technology. Once all the fabrication steps validated, the development of photonic devices could begin. It starts with several kinds of optical waveguides, among which rib-type demonstrated propagation losses below 0.2dB/cm at 1300nm, but also various elementary components: transitions between waveguides, fiber/chip coupler, waveguide termination, parasitic signals filters and power splitters/combiners. A statistic characterization of the optical transition between Si and SiN circuits reveal insertion losses below 0,3dB from 1270nm to 1330nm, confirming the stability of this critical device. Special attention was paid to the polarization management within the SiN circuit. Polarization splitters and rotators were developed showing comparable performances with Si devices state of the art. An exhaustive study about the realization of SiN MUX/DEMUX was also carried out. Arrayed waveguide gratings especially show good performances: thermal drift < 12pm/°C, low polarization sensitivity, insertion loss <1dB, crosstalk level < -30dB, up to twelve channels, -1dB bandwidth >11nm. To conclude this work, a four channel WDM transmitter/receiver was designed in order to demonstrate the interest of this hybrid Si/SiN platform, its currently waiting for characterization. Finally, a study of the nonlinear properties of SiN demonstrated the generation of a third harmonic optical signal from UV to visible and the generation of a supercontinuum spanning from 425nm to 1660nm, paving the way to new applications.

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[ES] En la última década, la plataforma de silicio ha emergido como la plataforma por excelencia para desarrollar circuitos fotónicos integrados debido a su versatilidad, la posibilidad de miniaturización y de una producción de bajo coste y a gran escala compatible con los sistemas CMOS ("complementary metal-oxide semiconductor"). La conversión de señales eléctricas a alta velocidad en señales ópticas es una función crítica hoy en día tanto para el procesamiento de datos como en el ámbito de las telecomunicaciones. La forma más eficaz de implementar actualementeuna ,modulación electro-óptica ultra-rápida se basa en el efecto Pockels que, de hecho,se encuentra en el corazón de los moduladores comerciales basados en niobato de litio y polímeros. Sin embargo, la implementación de esta funcionalidad se ve impedida en la plataforma de silicio debido a la simetría de inversión de la red cristalina del silicio. En este contexto, el silicio deformado surgió hace más de un decenio como una solución revolucionaria para romper esa centrosimetría y, de ese modo, hacer emerger no-linealidades de segundo orden en el propio silicio. Sin embargo, y a pesar de los alentadores resultados iniciales, estudios posteriores cuestionaron el origen de las respuestas obtenidas, achacando dichos resultados principalmente al efecto de dispersión de plasma. De hecho, más tarde se puso de manifiesto la presencia de varios factores limitantes y, más recientemente, se estimó que el valor del coeficiente χ(2) debía encontrarse en torno a varios pm/V. El trabajo desarrollado en esta tesis tiene como objetivo contribuir a impulsar el campo de silicio deformado mediante la investigación y el abordaje de dichos factores limitantes para, de esta fora, conseguir un efecto Pockels eficiente. Además, las características de captura de carga libre observadas en las estructuras de silicio deformado se han explotado para desarrollar un dispositivo fotónico no volátil. / [CA] En l'última dècada, la plataforma de silici ha emergit com la plataforma per excelència per a desenvolupar circuits fotònics integrats a causa de la seua versatilitat i la possibilitat de miniaturització i d'una producció de baix cost i a gran escala compatible amb els sistemes CMOS ("complementary metall-oxide semiconductor"). La conversió de senyals elèctrics a alta velocitat en senyals òptics és una funció crítica hui dia tant per al processament de dades com en l'àmbit de les telecomunicacions. La forma més eficaç d'implementar una modulació electro-òptica ultra-ràpida actualemente es basa en l'efecte *Pockels, que de fet,es troba en el cor dels moduladors comercials basats en el niobato de liti i polímers. No obstant això, la implementació d'aquesta funcionalitat es veu impedida en la plataforma de silici degut a la simetria d'inversió de la xarxa cristal·lina del silici. En aquest context, el silici deformat va sorgir fa més d'un decenni com una solució revolucionària per a trencar aqueixa centrosimetría i, d'aqueixa manera, fer emergir no-linealitats de segon ordre en el propi silici. No obstant això, malgrat els encoratjadors resultats inicials, estudis posteriors van qüestionar l'origen de la resposta obtinguda, atribuint-la principalment a aquest efecte de dispersió de plasma. De fet, més tard es va posar en relleu la presència de diversos factors limitants i, més recentment, es va estimar un valor de χ(2) en el rang de diversos pm/V. El treball desenvolupat en aquesta tesi té com a objectiu contribuir a impulsar el camp de silici deformat mitjançant la investigació i l'abordatge d'aquests factors limitants per a aconseguir un efecte Pockels eficient. A més, les característiques de captura de càrrega lliure observades en les estructures de silici deformat s'han explotat per a desenvolupar un dispositiu fotònic no volàtil. / [EN] In the last decade, silicon has emerged as the platform of choice for developing photonic integrated circuits due to its versatility, small footprint and the possibility of a low cost, large-scale CMOS compatible production. The conversion of high-speed electrical signals into optical digital data is a critical function for modern data communication technology. The most effective way for enabling ultra-fast electro-optical modulation is currently based on the Pockels effect, which is the basis of commercial modulators based on lithium niobate and polymers. However, the implementation of such functionality is prevented in the silicon platform due to the inversion symmetry of the silicon lattice. In this context, strained silicon emerged more than a decade ago as a revolutionary solution for breaking that centrosymmetry and, thus, allowing Pockels effect in the silicon material itself. However, despite the encouraging results from initial findings, following studies questioned the origin of the measured electro-optic response. In fact, the presence of several limiting factors was also later highlighted and a rather low strain induced χ(2) in the range of several pm/V was more recently estimated. The work developed on this thesis aims at contributing to push forward the strained silicon field by investigating and tackling such limiting factors to enable an efficient Pockels effect. Furthermore, the trapping properties observed in strained silicon structures have been exploited to develop a non-volatile photonic device. / Olivares Sánchez-Mellado, I. (2021). Development of Photonic Devices Based on the Strained Silicon Technology [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/167055 / TESIS

Rare-earth ions in crystalline hosts have been identified as attractive media for quantum optical applications where record-high coherence times, quantum storage efficiency in solids, and quantum storage bandwidth have been demonstrated. Among rare-earth ions, Erbium uniquely possesses optical transitions at 1.5 micrometer region, making it suitable for integration with fiber telecommunication and silicon photonics. However, the intra-4f optical transitions are parity forbidden for rare-earth ions. Although, transitions are observed due to the interaction of the 4f valence electrons' energy levels with crystal fields or the lattice vibrations, the photon emission rate is prolonged for these ions. For example, Er³⁺ excited state lifetime for 1530nm transition is around 10 ms, which is about a million times longer than the excited state lifetime of alkali atoms like cesium and rubidium. There have been some recent works showing enhanced emission rate of erbium ions by about 10³ times by building a nano-photonic cavity to reach high Purcell factors. Our alternative approach to solving this problem is to use an ensemble of ions instead of a single ion to induce collective interactions in a suitable platform. In one experiment, we fabricated a SiN micro-ring resonator and implanted 10⁴ isotopically pure ¹⁶⁸Er ions in narrow segments located precisely in solids. The segments are typically separated by 0.962nm corresponding to multiples of the wavelength of Er emission at 1520nm. And we showed that when the lattice of ions is commensurate with the wavelength of the light, the scattering loss caused by the other ions is reduced. We have demonstrated for the first time that how designing atomic geometries in a solid-state photonic system can reduce the radiative loss due to spontaneous emission of ions into other photonic channels. This phenomenon is analogous to the Borrmann effect seen in x-ray transmissions of crystals at the Bragg angle of incidence. We have also shown how the interference between the optical cavity mode and atomic Bragg mode generates Fano-type resonance features. We performed these measurements using erbium ions in the SiN host. The limitations such as low coherence time and large inhomogeneous broadening in this platform prohibit observing cooperative and quantum behavior. To improve the optical property of erbium ions and study other cooperative effects, we engineered an effective ion array in an Er-doped Yttrium Orthosilicate crystal which can exhibit higher coherence time and narrower inhomogeneous broadening compared to SiN. So, we used the spectral hole burning technique to make an atomic grating in randomly distributed Er ions inside YSO. Two counter-propagating pump pulses created a standing wave inside the crystal, which enabled the creation of spectral holes only near the antinode locations. At the same time, atoms near nodes remain in the ground state. Such atomic population grating behaved like an atomic array. We have seen coherent backscattering up to 20% of the incident probe from this atomic grating resembling a mirror. To increase the reflection efficiency, we tried to increase the ion concentration in the YSO crystal. But, at high concentrations, the dipole-dipole interaction increases the broadening and decoherence rates of the ions. To increase the optical density without increasing the ion concentration, we fabricated long waveguides in SiN and LiNbO₃ with rare-earth ions implanted inside.As a future direction, we are trying to increase the reflection efficiency from the atomic grating to the point where we can see atomic mirror-assisted light trapping. We are also trying to see long-range co-operative behavior from rare-earth ion-doped crystals and rare-earth ions implanted inside long waveguides. This can open possibilities of new quantum photonic device engineering for applications in scalable and multiplexed quantum networks.