Advances in photonic materials are critical to the progress of photonic devices and optical systems. Even though a variety of materials, e.g. semiconductors, oxide based glasses, and polymers exist which are being used for numerous applications, there is a growing need to develop and find new materials in order to push the limits we are bound by with conventional materials, in pursuit of higher performance, higher levels of integration and lower cost. In this realm, new material development has had a considerable impact, as it is the material properties (optical, thermal, mechanical, electrical, ...) in addition to their processing and compatibilities with standard processes that enable us the creation of entirely new devices or improve the performance of currently available optical devices. In this dissertation, I will demonstrate the application of two new materials for novel photonic components. In the first part of the dissertation, I discuss how a hybrid approach to the silicon photonics platform can reduce thermal sensitivity using sol-gel based inorganic-organic hybrid materials. The approach is to design the optical waveguide so that it maintains its performance in a passive manner in response to environmental temperature variations and, thus, does not need external temperature control resulting in reduced electrical power consumption. Sol-gel materials are well-known, but they haven’t been exploited like polymers and titanium dioxide to be cladding layers to enable athermal silicon waveguides. In this work I show their advantages with respect to previous materials that were employed for athermal microring resonators. I studied the thermal curing parameters of the sol-gel and its effect on thermal wavelength shift of the microring resonance. With this method, I was able to achieve a thermal shift down to -6.8 pm/°C for transverse electric (TE) polarization, as well as thermal shifts below 1 pm/°C for transverse magnetic (TM) polarization in the C band under different curing conditions, all while preserving high Q resonator performance. The results and methodology described opens a new and more manufacturable approach to attain athermal silicon photonic devices. In the second part of the dissertation, I introduced a new, sulfur rich, low cost copolymer material developed by our colleagues in the chemistry department. This copolymer has unique properties that conventional optical polymers, such as polymethylmethacrylate and polycarbonate, lack, while also having low cost. I demonstrated that these polymers have very good processing capabilities, being easily moldable to make free space optical elements and solution processable for use in integrated optics. I studied their linear and nonlinear optical properties, finding them to possess high refractive indices and transparencies over a wide range from 550 nm to 6 µm, except for a small region of absorption from 3-3.3 µm. Finally, I demonstrated that these new copolymers are suitable and economical alternative for shortwave and midwave infrared optics (SWIR and MWIR, respectively).

Silicon-on-insulator (SOI) technology has become increasingly attractive because of the strong light confinement, which significantly reduces the footprint of the photonic components, and the possibility of monolithically integrating advanced photonic waveguide circuits with complex electronic circuits, which may reduce the cost of photonic integrated circuits by mass production. This thesis is dedicated to numerical simulation and experimental performance measurement of passive SOI waveguide devices. The thesis consists of two main parts. In the first part, SOI curved waveguide and corner turning mirror are studied. Propagation losses of the SOI waveguide devices are accurately measured using a Fabry-Perot interference method. Our measurements verify that the SOI corner turning mirror structures can not only significantly reduce the footprint size, but also reduce the access loss by replacing the curved sections in any SOI planar lightwave circuit systems. In the second part, an optical 90o hybrid based on 4 × 4 multimode interference (MMI) coupler is studied. Its quadrature phase behavior is verified by both numerical simulations and experimental measurements.

Los moduladores son elementos claves para la transmisión de la señal y el procesamiento de la información. Las técnicas de fabricación avanzadas "complementary metal-oxide semiconductor" (CMOS) permiten reducir drásticamente las dimensiones de estos dispositivos de interés para la implementación a gran escala en un chip de silicito a bajo coste. El trabajo realizado en esta tesis se centra en el diseño, la fabricación y la caracterización de estructuras de onda lenta con el objetivo de realizar moduladores compactos y eficientes integrados en un chip de silicio. El trabajo se divide en cuatro capítulos y un capítulo de conclusión y perspectivas. El capítulo uno introduce los fundamentos de física del estado sólido y de los mecanismos básicos de propagación guiada de la luz por reflexión total interna. El capítulo dos presenta los parámetros importantes de los moduladroes electro-ópticos así como un trabajo de recopilación de todos los mecanismos físicos que pueden ser empleados para modular la luz en silicio. Además, se presenta el estado del arte de los moduladores basados en silicio. El capítulo tres presenta el diseño , fabricación y caracterización de un modulador electro-óptico en silicio compacto y eficiente basado en el efecto de onda lenta en una estructura periódica unidimensional integrada, cuya geometría, similar a la de una red de Bragg, permite reducir la velocidad de grupo de un paquetes de ondas. Dicho efecto, se emplea para incrementar la interacción luz-materia y por lo tanto la eficiencia del modulador electro-óptico. El capítulo cuatro demuestra experimentalmente que dicha guía unidimensional periódica puede ser mejorada a fin de conseguir que el efecto de baja velocidad de grupo suceda en un rango mayor de longitudes de onda para posibles aplicaciones como la multiplexación por división de longitudinal de onda. En el capítulo cinco, se proporcionan conclusiones y perspectivas sobre el trabajo realizado. / Brimont ., ACJ. (2011). Towards Compact and High Speed Silicon Modulators [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14345 / Palancia

Silicon photonics is one of the most exciting and fastest growing photonic technologies in recent years. The salient feature of this technology is its compatibility with the mature silicon IC manufacturing based on complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) processes widely used in microelectronic industry. Another motivation is the availability of high-quality silicon-on-insulator (SOI) planar waveguide circuits that offer strong optical confinement due to the high index contrast between silicon (n=3.45) and SiO2 (n=1.45). This opens up miniaturization and very large scale integration of photonic devices allowing photonic integrated circuits for a wide range of applications and markets, from optical telecommunications to bio-photonic devices or precise fibre sensors. Optical modulators are key building-blocks for high speed signal transmission and information processing in any photonic interconnection solution. The work developed in this thesis, as part of the objectives of the European project HELIOS in which it is framed, is essentially focused on realizing compact and efficient modulators integrated on silicon chips. The thesis consists of three main chapters as well as the concluding section on the work accomplished. Chapter one is aimed at giving a general description of the benefits of using silicon photonics, showing its challenges and opportunities as well as at giving a deeply overview of all issues related to the electro-optic modulation. Chapter two is devoted to develop silicon modulators with high features for digital applications. Specifically, new optical structures different to the conventional ones are presented with the aim of enhancing the modulation performance or at least several critical parameters in the modulation. Chapter three is dedicated to the analog applications. The concept of microwave photonics is described as well as different researches carried out in the analog scope for application in the field of integrated microwave photonics, all of them using CMOS-compatible electro-optic silicon modulators which validate the potential of silicon photonics as a promising approach for enabling the development of integrated microwave photonics applications. Finally, conclusions on the work realized are provided in Chapter 4. / La fotónica de silicio es una de las tecnologías fotónicas que está experimentando un crecimiento más excitante y rápido en los últimos años. La característica más destacada de esta tecnología es su compatibilidad con las maduras técnicas de fabricación de circuitos integrados de silicio basadas en los procesos ¿complementary metal-oxide semiconductor¿ (CMOS) ampliamente utilizados en la industria microelectrónica. Otra motivación es la disponibilidad de circuitos de guía de ondas planas de silicio sobre aislante (SOI) de alta calidad que ofrecen un fuerte confinamiento óptico debido al alto contraste índices entre el silicio (n=3,45) y el SiO2 (n = 1,45). Esto abre las puertas a la miniaturización y a la integración a gran escala de dispositivos fotónicos lo que resulta en circuitos fotónicos integrados para una amplia gama de aplicaciones y mercados, desde telecomunicaciones ópticas a dispositivos bio-fotónicos o sensores de fibra precisos. Los moduladores ópticos son elementos básicos fundamentales para la transmisión de señales a alta velocidad y el procesado de información en cualquier solución de interconexión fotónica. El trabajo desarrollado en esta tesis, como parte del los objetivos del proyecto Europeo HELIOS en el que está enmarcada, se centra fundamentalmente en realizar moduladores compactos y eficientes, integrados en chips de silicio. La tesis consiste en 3 capítulos principales así como una sección de conclusiones del trabajo conseguido. El capítulo uno está destinado a dar una descripción general de los beneficios del uso de la fotónica de silicio, mostrando sus retos y oportunidades, así como a dar una visión profunda de todos los aspectos relacionados con la modulación electro-óptica. El capítulo dos está dedicado a desarrollar moduladores de silicio de altas prestaciones para aplicaciones digitales. Específicamente, se presentan nuevas estructuras ópticas diferentes a las convencionales con el objetivo de mejorar el rendimiento de la modulación o al menos algunos parámetros críticos en la modulación. El tercer capítulo se dedica a las aplicaciones analógicas. Se describe el concepto de la fotónica de microondas, así como diferentes investigaciones llevadas a cabo en el ámbito analógico para su aplicación en el campo de la fotónica integrada de microondas, todas ellas usando moduladores electro-ópticos de silicio compatibles con los procesos de fabricación CMOS, lo que valida el potencial de la fotónica de silicio como un prometedor enfoque para permitir el desarrollo de aplicaciones de la fotónica integrada de microondas. Por último, las conclusiones sobre el trabajo realizado se proporcionan en el Capítulo 4. / Gutiérrez Campo, AM. (2013). Development of integrated silicon photonics modulation devices for digital and analog applications [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/33330 / TESIS

El proyecto consistirá en implementar funcionalidades fotónicas avanzadas sobre silicio tales como conmutación ultra rápida o la realización de puertas lógicas todo ópticas. Para ello se emplearán efectos no lineales del silicio basados en el efecto Kerr, producido por el coeficiente no lineal de tercer orden chi(3) .Los dispositivos deberán funcionar al menos a 40Gbps para que sean competitivos con los dispositivos actuales de última generación. También deberán ser compatibles con tecnología CMOS, lo cual es crucial para que la fabricación se pueda realizar a gran escala a precios competitivos. / Matres Abril, J. (2014). Ultrafast, CMOS compatible, integrated all optical switching [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/37984 / TESIS

La salud y el bienestar siempre han sido el centro de atención de muchas instituciones de investigación y empresas de todo el mundo. Esto llevó a la tecnología a desarrollarse en los campos químico, biológico, médico y clínico con el objetivo de proporcionar una mejor protección al ser humano. Como consecuencia, ha surgido una competición entre el tiempo necesario para que la enfermedad progrese y el tiempo necesario para que el hombre trate dicha enfermedad. Para ganar esta competición, es necesario actuar con anticipación, cuando la enfermedad aún no está demasiado desarrollada. Esto es posible realizando una detección precoz de la enfermedad. El logro de este objetivo allana el camino para el desarrollo de dispositivos ópticos de biosensado capaces de detectar la presencia de ciertas moléculas en concentraciones extremadamente bajas. Entre ellos, las estructuras integradas fotónicas están teniendo un gran éxito debido a su considerablemente alta sensibilidad. Sin embargo, el mecanismo de detección de estas estructuras se basa en la interacción entre la onda evanescente, que se propaga a lo largo de la superficie de la estructura, y el analito a detectar. De esta forma, no todo el campo que se propaga en la estructura fotónica se usa con fines de detección, sino solo una pequeña cantidad de éste. Esto representa una limitación crucial de los sensores basados en fotónica integrada. El objetivo de esta tesis doctoral es superar esta limitación y desarrollar estructuras fotónicas de sensado más sensibles que sean capaces de detectar las concentraciones más bajas posibles. Con este objetivo, nos centramos en el estudio del silicio poroso como plataforma para el desarrollo de estructuras ópticas con sensibilidades extremadamente altas gracias a que la interacción de sensado se realiza directamente dentro de la propia estructura, lo que permite explotar todo el campo que se propaga. / Health and well-being have always been the center of attention of many research institutions and companies around the world. This led the technology to develop in the chemical, biological, medical and clinical fields with the aim to provide a better protection to the human being. As a consequence, a competition is born between the time necessary to the disease to progress and the time necessary to man to treat such disease. In order to win this competition, it is necessary to act with anticipation, when disease is not too developed yet. This is possible by performing an early-detection. The achievement of this goal paves the way for the development of optical biosensing devices able to detect the presence of certain molecules at extremely low concentrations. Among them, photonic integrated structures are finding a great success due to their considerably high sensitivity. However, the sensing mechanism of these structures is based on the interaction between the evanescent wave, propagating along the structure surface, and the target analyte to detect. In this way, not all the field propagating in the photonic structure is used for sensing purposes, but rather only a small amount of it. This represents a crucial limitation of the integrated photonics based sensors. The aim of this PhD Thesis is to overcome this limitation and to develop more sensitive photonic sensing structures able to detect the lowest concentration possible. To this aim, we focused on the study of porous silicon as platform for the development of optical structures with extremely high sensitivities thanks to the fact that the sensing interaction takes place directly inside the structure itself, allowing to exploit all the field propagating in the structure. / La salut i el benestar sempre han sigut el centre d'atenció de moltes institucions de recerca i empreses de tot el món. Açò va portar a la tecnologia a desenvolupar-se en els camps químic, biològic, mèdic i clínic amb l'objectiu de proporcionar una millor protecció a l'ésser humà. Com a conseqüència, ha sorgit una competició entre el temps necessari per que la malaltia progresse i el temps necessari per que l'home tracte aquesta malaltia. Per a guanyar aquesta competició, és necessari actuar amb anticipació, quan la malaltia encara no està massa desenvolupada. Açò és possible realitzant una detecció precoç de la malaltia. L'assoliment d'aquest objectiu facilita el camí per al desenvolupament de dispositius òptics de biosensat capaços de detectar la presència de certes molècules en concentracions extremadament baixes. Entre ells, les estructures fotòniques integrades estan tenint un gran èxit a causa de la seua considerablement alta sensibilitat. No obstant açò, el mecanisme de detecció d'aquestes estructures es basa en la interacció entre l'ona evanescent, que es propaga al llarg de la superfície de l'estructura, i l'analit a detectar. D'aquesta forma, no tot el camp que es propaga en l'estructura fotònica s'usa amb finalitats de detecció, sinó solament una xicoteta quantitat d'aquest. Açò representa una limitació crucial dels sensors basats en fotònica integrada. L'objectiu d'aquesta tesi doctoral és superar aquesta limitació i desenvolupar estructures fotòniques de sensat més sensibles que siguen capaces de detectar les concentracions més baixes possibles. Amb aquest objectiu, ens centrem en l'estudi del silici porós com a plataforma per al desenvolupament d'estructures òptiques amb sensibilitats extremadament altes gràcies a que la interacció de sensat es realitza directament dins de la pròpia estructura, el que permet explotar tot el camp que es propaga. / Caroselli, R. (2018). Development of high sensitivity photonic sensing structures based on porous silicon substrates [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107318 / TESIS

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.

Ce travail de thèse est une contribution à la thématique de l’intégration de matériaux actifs en photonique silicium pour la réalisation de fonctions actives. L’accent a été mis sur des matériaux préparés en couches minces pouvant être dépose sur substrats silicium pour la réalisation de sources de lumière intégrées. L’approche classique en photonique silicium dans le fenêtre télécom (1.55μm) repose sur l’utilisation de guides strip fabriqués à partir de substrats silicium sur isolant, SOI). Le choix qui été fait dans ce travail repose en revanche sur l’utilisation de guides à cœur creux (‘slot waveguides’) en raison de l’excellent recouvrement qu’ils permettent entre leur mode optique fondamental quasi-TE et les matériaux de couverture utilisés. Les contributions de cette thèse ont porté à la fois sur les étapes de conception/simulation et sur celles liées à l’optimisation des étapes de fabrication en salle blanche. Des guides slot Si/SiO2 et SiN/SiO2 et des résonateurs en anneaux basés sur ces guides ont conduit à : - des pertes de propagation typiquement comprises entre 1dB/cm et 7dB/cm. - des résonateurs à facteur de qualité de quelques dizaines de milliers pour des structures couvertes par des liquides d’indice. Dans un deuxième temps, les travaux poursuivis ont visé à l’intégration de matériaux actifs dopés à l’Erbium dans les guides à fentes présentés en première partie en vue de la démonstration de gain optique sur puce dans la fenêtre télécom (1.55μm). Une première collaboration nous a amené à la démonstration de gain optique sur puce à partir d’une géométrie de guide en arête inversée fabriqué en polymère actif. Un gain interne de l’ordre de 25dB sur puce a été obtenu par cette approche pour une puissance de pompe optique de l’ordre de 70 à 80mW. Une seconde collaboration s’est focalisée, quant à elle, sur l’intégration d’oxyde Al2O3 dans des guides à fentes SiN fabriqués à Orsay. Les problématiques d’intégration des matériaux ont été étudiées dans un premier temps. Le résultat le plus marquant a été obtenu pour un guide de longueur 400μm, pour lequel un gain relatif de 1.5dB a été obtenu pour une puissance de pompe de l’ordre de 50mW à longueur d'onde 1480nm. De manière complémentaire, nous avons exploré une seconde voie destinée à la démonstration de structures émettrices/amplificatrices sur puce, exploitant l’utilisation de nanotubes de carbone semi-conducteurs. Notre équipe du C2N, en forte collaboration avec le CEA-Saclay, a développé une méthode de préparation de solutions riches en nanotubes de carbone semi-conducteurs (séparation par centrifugation). Au final, les couches minces qui en ont résulté ont constitué un milieu actif qui a pu être intégré de manière planaire sur des échantillons de silicium pour le développement de fonctions optiques intégrées par intégration hybride. Par cette approche, nous avons démontré : - qu’un pompage vertical des structures photoniques pouvait donner lieu à une extraction de photoluminescence (PL) en sortie guidée par la tranche, dans des guides à fentes, - qu’un renforcement significatif de la PL était obtenu par effet de recyclage des photons dans des résonateurs diélectriques à base de guides à fente. Pour conclure, l’ensemble des travaux présentés dans cette thèse apporte une contribution au développement d’une photonique hybride sur silicium exploitant les propriétés de la plateforme de guidage optique sur SOI et celles de matériaux actifs (polymères dopés à l’Erbium ou aux nanotubes de carbone). / This thesis is a contribution to the hybrid integration of active materials including Erbium-doped and carbon nanotubes rich layers on silicon for on-chip light emission.In a first step, we designed, fabricated, and characterized within the silicon-on-insulator and silicon nitride platforms a range of photonic structures including strip/slot waveguides, micro disks, strip/slot ring resonators, and micro cavities aiming at preparing a set of passive device building blocks needed for hybrid integration on Si. Silicon slot waveguides and slot ring add-drop resonators filled with index liquids with linear propagation losses 2-7 dB/cm and Q-factors up to 30,000, have been demonstrated around wavelength=1.55µm. Propagation loss of silicon nitride slot waveguides were minimized down to ~4dB/cm for compact spiral structures (2cm long, within ~500µm×500µm area). Air-band mode Nano beam cavities were also investigated, leading to Nano cavities with mode volumes V ~0.03(wavelength/n)^3 and Q-factors ~70,000 when filled with soft materials.In a second step, hybrid integration of Erbium doped materials and semiconducting single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) was investigated for light emission under optical pumping.Integration of Erbium-doped materials was studied within the framework of two collaborations: Prof. Daming Zhang’s team, in State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Jilin University, China, and Prof. Zhipei Sun, in Department of Micro- and Nanosciences, Aalto University, Finland. Erbium doped layers coming from Jilin were composed of Er3+ and Yb3+ co-doped core {shell} nanoparticles which were copolymerized with methyl methacrylate (MMA) to synthesize nanocomposite (PMMA-NPs: Er3+/Yb3+). We conducted the experimental characterization that led to the demonstration of an internal net gain up to 10-17dB/cm at wavelength=1.53µm in Erbium doped polymer rib waveguides fabricated in Jilin. The second Erbium doped material available during this thesis was based on Er2O3/Al2O3 atomic layers, grown in Aalto University. This collaboration was devoted to integrate high Erbium ion concentration (10E21/cm3) in oxide cladding layers on top of silicon nitride slot waveguides, which were fabricated in our group for the demonstration of on-chip optical net gain. The carried out experiments have conducted to the demonstration of 1.5-22.8dB/cm gain for sub millimeter length waveguides.In another direction, hybrid integration of SWCNTs emitting at wavelengths around 1.3 µm on ring resonators and Nano beam cavities has been investigated. First, we studied the coupling of SWCNTs photoluminescence (PL) in silicon micro-ring resonators and compared it with the PL intensity coupled into the bus waveguide . It has been shown that the pump beam polarization controls the light coupling into the straight bus waveguide. We demonstrated an enhancement of the PL intensity of 20dB at resonance. We also explored CNT hybrid integration with ultra-small mode volume Nano beam optical cavities, and hence with larger Purcell-like Q/V factors in comparison with the one obtained in micro-ring resonators. The results revealed that the PL resonance enhancement due to Nano beam cavity field confinement exhibited a nonlinear growth as a function of the pump power. It was also shown that the resonance of the PL peak intensity grows faster with the pump power than the PL background, which is accompanied by a line width narrowing of the resonance PL peak. This result is the first step to achieve an integrated laser based on carbon nanotubes.

La photonique sur silicium est envisagée comme une solution technologique très prometteuse pour le remplacement des interconnexions électriques par des interconnexions optiques devant se produire dans les prochaines années. Des dispositifs optoélectroniques comme des sources lasers, des modulateurs et des détecteurs, ont été développés pour la réalisation de circuits intégrant des émetteurs/récepteurs. Parmi les défis devant être relevés pour faire avancé la photonique sur silicium, la réduction de la consommation électrique du modulateur est un point crucial. L’intégration des composants passifs et actifs en utilisant une seule et même technologie est également un enjeu majeur pour les futurs systèmes de communication optique. Grâce au développement de l'intégration hybride de semi-conducteurs III-V sur silicium pour la réalisation de sources laser sur silicium, de nouvelles voies peuvent être envisagée pour réaliser des modulateurs optiques et des photodétecteurs efficaces et compacts. De plus, les cristaux photoniques 2D (PhC) et spécifiquement les structures à ondes lentes, qui sont connues pour renforcer les interactions entre la lumière et la matière peuvent apporter des solutions intéressantes pour diminuer de manière ultime la puissance consommée.Dans ce contexte, les travaux menés durant ma thèse ont porté plus spécifiquement sur la conception, la fabrication et la caractérisation de modulateurs à électro-absorption à onde lente en semiconducteur III-V sur silicium. Dans une première partie consacrée à la modélisation, une attention particulière est portée à la conception du cristal photonique et au couplage de la lumière du guide silicium vers l’onde lente. Les performances de la structure optimisée sont aussi analysées, donnant un modulateur de seulement 18.75 µm de longueur fonctionnant à 15 GHz avec un taux d’extinction supérieure à 5 dB sur une gamme spectrale supérieure à 10 nm. Par la suite, l’ensemble des procédés de nanotechnologies durant la thèse pour la fabrication des dispositifs sont présentés. Enfin, les résultats expérimentaux obtenus au cours de cette thèse démontrent l’effet Stark Confiné Quantiquement et l’effet de photodétection obtenu sur les structures intégrées.Les perspectives de ce travail de thèse concernent la réalisation de circuits intégrés photoniques complets, incluant sources lasers, modulateurs à électroabsorption et photodétecteurs en utilisant une seule et même technologie. / Silicon photonics is considered as a promising solution to replace electrical interconnections in the next years. Among the remaining challenges, the driving power of the active devices has to be minimized. Furthermore the use of a common technological platform for the realization of Silicon (Si) photonics passive and active devices would present a great interest in term of fabrication complexity and cost. III-V on Si is a good candidate for such a common technological platform as the physical properties of III-V semiconductors allow for active functionalities such as III-V on Si laser which have already been successfully demonstrated. In this perspective, 2D photonic crystals (PhCs) and slow light structures, which are known to intrinsically reinforce light/matter interactioncan alsobring interesting opportunities.In this context, the work is focused on the design, fabrication and characterization of slow-light III-V- on-silicon electroabsorption modulators. In a first part, the photonic crystal structure and light coupling from silicon waveguide to slowlight III-V waveguide are designed and modeled. The performance of the optimized structure is analyzed, showing a modulator operating at 15 GHz and exhibiting an extinction ratio of more than 5 dB over a spectral range of more than 10 nm, using a 18.75 µ;m-long modulator. Subsequently, the masks and fabrication steps for a hybrid III-V photonic crystalon Si modulators are presented. Finally, the experimental results obtained during this thesis are presented, showing Quantum Confined Stark Effect and photodetection in the waveguide integrated structures.The reported works open perspective towards the integrating of optical modulators with III-V on silicon nanolasers and photodetectors using a single technology.

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.