L’explosion de la demande en données a imposé de nouvelles exigences en terme de débit de transmission qui sont de plus en difficiles à satisfaire sans accroître considérablement les consommations énergétiques dans les centres de données, points névralgiques des réseaux de télécommunications. Dans ce contexte, la photonique silicium est considérée comme la solution la plus adaptée pour répondre de ces problématiques en remplaçant les interconnexions métalliques par des liaisons optiques à base de silicium. Le modulateur électro-optique constitue l’un des composants clés de ces liaisons optiques. Cependant, la centrosymétrie du silicium empêche l’exploitation de l’effet Pockels, un phénomène d’optique non linéaire très efficace dans la conception de modulateurs à très grande bande passante et à faible consommation énergétique. Cette limitation peut être néanmoins contournée lorsque des contraintes mécaniques sont appliquées au silicium de façon à briser sa symétrie d’inversion. Plusieurs travaux théoriques et expérimentaux ont alors été entrepris récemment pour mettre en évidence et quantifier l’effet Pockels induit par contraintes dans le silicium. Mais la nature semi-conductrice du silicium rend l’analyse de l’effet Pockels profondément complexe et cela a soulevé une controverse quant à sa réelle existence dans le silicium contraint. En effet, l’influence des porteurs libres dans le silicium et aux interfaces engendrent un fort signal de modulation, noyant la signature de l’effet Pockels. Pour enrayer les effets de porteurs, la solution apportée par le travail de thèse a été d’étudier le signal de modulation à hautes fréquences (> 5 GHz). Plusieurs études hyperfréquences de l’effet Pockels ont donc été menées dans des structures photoniques en silicium contraint et seront présentées dans ce manuscrit de thèse. Les premières études ont été réalisées sur une plate-forme SOI et les résultats expérimentaux ont permis de mettre en évidence la présence d’un signal de modulation électro-optique à hautes fréquences et dont l’intensité dépend clairement de l’orientation cristallographique du silicium et de l’amplitude de la contrainte appliquée sur celui-ci. Sur la base d’un modèle théorique décrivant le tenseur de susceptibilité électrique du second ordre χ(²), un modèle multiphysique a été développé et a permis de décrire de manière très précise à la fois les résultats expérimentaux et la distribution spatiale du χ(²) dans des guides d’onde silicium contraints. Ces travaux ont également permis de montrer que les faibles intensités des champs électriques appliqués dans les guides d’onde silicium, dues à la distribution des porteurs, sont en grande partie responsable de la faible efficacité de modulation par effet Pockels. Une seconde étude a donc été menée sur une plate-forme SOI modifiée et permettant la conception de circuits électriques plus performants avec des champs électriques générés plus intenses. Les résultats expérimentaux obtenus montrent une amélioration d’un facteur 20 de l’efficacité de modulation par effet Pockels en comparaison des premières études. De plus, le modèle multiphysique a de nouveau permis de décrire ces résultats, renforçant donc davantage sa validité. L’ensemble de ces travaux ouvrent notamment comme perspectives la possibilité d’obtenir un diagramme de l’œil électro-optique dans la mesure où une contrainte plus importante est appliquée aux guides d’onde silicium. De plus, le modèle décrivant le tenseur de susceptibilité électrique du second ordre χ(²) peut également être exploité pour décrire le phénomène de génération de seconde harmonique en optique guidée dont l’existence reste encore ambiguë à l’heure actuelle. / The explosion of data demand imposed new requirements in terms of data transmission rate that are more and more difficult to meet without greatly increasing the power consumption in data centres, hot spots of telecommunications networks. In this context, silicon photonics is considered the most adapted solution to address these complex issues by replacing metallic interconnects by silicon-based photonic links. The electro-optic modulator is one major building block in such photonic links and ensure the conversion of data carried by an electric signal to an optical one. However, silicon being a centrosymmetric material, it cannot exhibit the Pockels effect, a very valuable optical nonlinear phenomenon used in most high-speed and low power consumption modulators. This limitation is nonetheless relaxed by applying deformations to the silicon lattice by means of stress in order to break its inversion symmetry. Numerous theoretical and experimental studies were reported to demonstrate and quantify the Pockels effect. But, the semiconductor nature of silicon tremendously complicate the analysis of the Pockels effect, which existence was questioned in strained silicon and source of controversy. Indeed, free carriers in silicon waveguides and at the interfaces induce a strong modulation signal, thereby screening Pockels effect. To stem the influence of free carriers, the work done in the thesis consisted in studying high frequency-based modulation signal (> 5 GHz). Various microwave studies were then performed in strained silicon photonic structures and will be presented in the following thesis manuscript. First studies were achieved on a SOI platform and the obtained experimental results demonstrated the presence of a weak high-frequency electro-optic modulation signal which intensity clearly depends on the silicon cristallographic direction and the level of stress applied to silicon. Based on a theoretical model describing the second-order nonlinear electric susceptibility χ(²), a multiphysic model has been developed and successfully described both experimental results and the spatial distribution of χ(²) within strained silicon waveguides. These studies also showed that the weak intensity of the applied electric fields, due to the free carriers distribution, are responsible for the weak measured Pockels-based modulation efficiencies. A second study has then been carried out on a modified SOI platform allowing the design of more efficient electric circuits inducing stronger electric fields. An improvement by a factor of 20 was observed on the obtained experimental results compared to the previous ones. Moreover, the multiphysic model could again describe those results, proving its reliability. As outlooks, electro-optic eye diagram of complex electric signals could be obtained at the condition of stronger stress applied to silicon waveguides. Furthermore, the model describing the second-order nonlinear susceptibility χ(²) can also be exploited to depict the second harmonic generation in strained silicon waveguides, which existence is still not clear for the moment.

La photonique silicium connait un essor très important, porté notamment par la réalisation de câbles optiques actifs permettant de transférer optiquement des données à haut débit dans des environnements de type “High performance computing” ou “data center”. L'intégration de cette source laser est un enjeu très important pour la photonique silicium. Actuellement, ces sources sont obtenues avec des semi-conducteurs de type III-V sur substrats GaAs ou InP. Leur intégration dans une filière silicium est délicate et surtout ne permet pas de tirer pleinement parti de l'environnement de fabrication CMOS de la microélectronique.L'intégration d'une source optique monolithique représente donc un enjeu considérable. Les éléments de la colonne IV (Si, Ge) sont des semi-conducteurs à bande interdite indirecte, avec une faible efficacité de recombinaison radiative, et ne sont donc pas a priori de bons candidats. Un changement de paradigme est cependant en cours avec la récente démonstration qu'il était possible de manipuler la structure de bande des semi-conducteurs à base de germanium pour les rendre à bande interdite directe, i.e. les transformer en émetteurs efficaces. Cette ingénierie peut être réalisée soit en utilisant des tenseurs externes comme le nitrure de silicium soit en réalisant des alliages avec de l'étain (GeSn), ou en combinant les deux. Cette thèse porte donc sur l'étude de ces semi-conducteurs à bande interdite directe, avec pour objectif de faire la démonstration d'un laser avec ce nouveau type de matériaux. / Silicon photonics is experiencing a very important development. The laser source integration is a very important issue in silicon photonics. Currently, these sources are obtained with type III-V semiconductors on GaAs or InP substrates. Their integration in a silicon industry is delicate and above all does not allow to take full advantage of a CMOS environment.The integration of a monolithically optical source represents an important challenge. The elements of column IV (Si, Ge) are indirect bandgap semiconductors, with low radiative recombination efficiency, and therefore are not good candidates. However, a paradigm shift is underway with the recent demonstration that it was possible to manipulate the band structure of germanium-based semiconductors to direct bandgap, i.e. transform them into efficient transmitters. This engineering can be achieved either by using external tensors such as silicon nitride or by making alloys with tin (GeSn), or by combining both. This thesis deals with the study of these direct bandgap semiconductors. The goal will be to demonstrate a laser with this new type of materials.

La spectroscopie dans le moyen-infrarouge est une méthode universelle pour identifier les substances chimiques et biologiques, car la plupart des molécules ont leurs résonances de vibration et de rotation dans cette plage de longueurs d'onde. Les systèmes moyen infrarouge disponibles dans le commerce reposent sur des équipements volumineux et coûteux, tandis que de nombreux efforts sont maintenant consacrés à la réduction de leur taille et leur intégration sur circuits intégrés. L’utilisation de la technologie silicium pour la réalisation de circuits photoniques dans le moyen-infrarouge présente de nombreux avantages: fabrication fiable, à grand volume, et réalisation de circuits photoniques à hautes performances, compacts, légers et à faible consommation énergétique. Ces avantages sont particulièrement intéressant pour les systèmes de détection spectroscopique moyen infrarouge, qui besoin d'être portable et à faible coût. Parmi les différents matériaux disponibles en photonique silicium, les alliages silicium-germanium (SiGe) à forte concentration en Ge sont particulièrement intéressants en raison de la grande fenêtre de transparence du Ge, pouvant atteindre 15 µm. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier une nouvelle plate-forme SiGe à forte concentration en Ge, pour la démonstration de circuits photoniques moyen infra rouge. Cette nouvelle plate-forme devrait bénéficier d'une large gamme de transparence en longueurs d'onde de transparence et de la possibilité d’ajuster les propriétés des guides optiques (indice effectif, dispersion,…). Au cours de cette thèse, différentes plates-formes basées sur différents profils graduels du guide d’onde ont été étudiées. Tout d'abord, il a été démontré qu’il était possible d’obtenir des guides présentant de faibles pertes optiques inférieures à 3 dB/cm dans une large plage de longueurs d'onde, de 5,5 à 8,5 µm. Une preuve de concept de détection de molécules, basée sur l'absorption de la partie évanescent du mode optique a ensuite été démontrée. Ensuite, les composants formant les briques de base classiques de la photonique intégrée ont été étudiés. Les premières cavités intégrées ont été réalisées à 8 µm. Deux configurations ont été étudiées : des cavité Fabry-Perot utilisant des miroirs de Bragg intégrés dans les guides d’onde et des résonateurs en anneau. Un spectromètre à transformée de Fourier fonctionnant sur une large bande spectrale, et pour les deux polarisations de la lumière a également été démontré. Tous ces résultats reposent sur la conception des matériaux et des composants, la fabrication en salle blanche et la caractérisation expérimentale. Ce travail a été effectué dans le cadre du projet européen INsPIRE en collaboration avec le Pr. Giovanni Isella de Politecnico Di Milano. / Mid-infrared (mid-IR) spectroscopy is a nearly universal way to identify chemical and biological substances, as most of the molecules have their vibrational and rotational resonances in the mid-IR wavelength range. Commercially available mid-IR systems are based on bulky and expensive equipment, while lots of efforts are now devoted to the reduction of their size down to chip-scale dimensions. The use of silicon photonics for the demonstration of mid-IR photonic circuits will benefit from reliable and high-volume fabrication to offer high performance, low cost, compact, lightweight and power consumption photonic circuits, which is particularly interesting for mid-IR spectroscopic sensing systems that need to be portable and low cost. Among the different materials available in silicon photonics, Germanium (Ge) and Silicon-Germanium (SiGe) alloys with a high Ge concentration are particularly interesting because of the wide transparency window of Ge up to 15 µm. In this context, the objective of this thesis is to investigate a new Ge-rich graded SiGe platform for mid-IR photonic circuits. Such new plateform was expected to benefit from a wide transparency wavelength range and a high versatility in terms of optical engineering (effective index, dispersion, …). During this thesis, different waveguides platforms based on different graded profiles have been investigated. First it has been shown that waveguides with low optical losses of less than 3 dB/cm can be obtained in a wide wavelength range, from 5.5 to 8.5 µm. A proof of concept of sensing based on the absorption of the evanescent component of the optical mode has then been demonstrated. Finally, elementary building blocs have been investigated. The first Bragg mirror-based Fabry Perot cavities and racetrack resonators have been demonstrated around 8 µm wavelength. A broadband dual-polarization MIR integrated spatial heterodyne Fourier-Transform spectrometer has also been obtained. All these results rely on material and device design, clean-room fabrication and experimental characterization. This work was done in the Framework of EU project INsPIRE in collaboration with Pr. Giovanni Isella from Politecnico Di Milano.

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.

This thesis presents a novel method of modulating silicon photonic circuits using 3D printed microfluidic devices. The fluids that pass through the microfluidic device interact directly with the silicon waveguides. This method changes the refractive index of the waveguide cladding, thus changing the effective index of the system. Through using this technique we demonstrate the shift in resonant wavelength by a full free spectral range (FSR) by increasing the concentration of the salt water in the microfluidic device from 0% to 10%. On a 60 μm microring resonator, this equals a resonant wavelength shift of 1.514 nm when the index of the cladding changes by 0.017 refractive index units (RIU), or at a rate of 89.05 nm/RIU. These results are confirmed by simulations that use both analytical and numerical methods. This thesis also outlines the development of a process that uses two-photon absorption(TPA) in silicon to produce a photoelectrochemical (PEC) etching effect. TPA induces free carriers in silicon that then interact with the Hydroflouric Acid (HF) solution that the wafer is submerged in. This interaction removes silicon away from the wafer, which is the etching observed in our experiments. Non-line-of-sight PEC etching is demonstrated. The optical assemblies used in these experiments are presented, as are several of the results of the etching experiments.

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.

The scaling trend of microelectronics over the past 50 years, quantified by Moore’s Law, has faced insurmountable bottlenecks, necessitating the use of optical communication with its high bandwidth and energy efficiency to further improve computing performance. Silicon photonics, compatible with CMOS platform manufacturing, presents a promising means to achieve on-chip optical links, employing highly sensitive microring resonator devices that demand electronic feedback and control due to fabrication variations. Achieving the full potential of both technologies requires tight integration to realize the ultimate benefits of both realms of technology, leading to the convergence of microelectronics and photonics. A promising approach for achieving this convergence is the monolithic integration of electronics and photonics on CMOS platforms. A critical milestone was reached in 2015 with the demonstration of the first microprocessor featuring photonic I/O (Chen et al, Nature 2015), accomplished by integrating transistors and photonic devices on a single chip using a monolithic CMOS silicon-on-insulator (SOI) platform (GlobalFoundries 45RFSOI, 45 nm SOI process) without process modifications, thus known as the "zero-change" approach. This dissertation focuses on leveraging the fabrication capabilities of advanced monolithic electronic-photonic 45 nm CMOS platforms, specifically high-resolution lithography and small feature size doping implants, to realize photonic devices with subwavelength features that could potentially provide the next leap in integrated optical links performance, beyond microring resonator based links. Photonic crystal (PhC) nanobeam cavities can support high-quality resonance modes while confining light in a small volume, enhancing light-matter interactions and potentially enabling ultimate efficiencies in active devices such as modulators and photodetectors. However, PhC cavities have been overshadowed by microring resonators due to two challenges. First, their fabrication demands high lithography resolution, which excludes most standard SOI photonic platforms as viable options for creating these devices. Secondly, the standing-wave nature of PhC nanobeam cavities complicates their integration into wavelength-division multiplexing (WDM) optical links, causing unwanted reflections when coupled evanescently to a bus waveguide. In this work, we present PhC nanobeam cavities with the smallest footprint, largest intrinsic quality factor, and smallest mode volume to be demonstrated to date in a monolithic CMOS platform. The devices were fabricated in a 45 nm monolithic electronics–photonics CMOS platform optimized for silicon photonics, GlobalFoundries 45CLO, exhibiting a quality factor in excess of 100,000 the highest among fully cladded PhC nanobeam cavities in any SOI platform. Furthermore to eliminate reflections, we demonstrate an approach using pairs of PhC nanobeam cavities with opposite spatial mode symmetries to mimic traveling-wave-like ring behavior, enabling efficient and seamless WDM link integration. This concept was extended to realize a reflectionless microring resonator unit with two microrings operating as standing-wave cavities. Using this scheme with standing-wave microring resonators could lead to an optimum geometry for microring modulators with interdigitated p-n junctions in terms of modulation efficiency in a manner that allows for straightforward WDM cascading. This work also presents the first demonstration of resonant-structure-based modulators in the GlobalFoundries 45CLO platform. We report the first-ever demonstration of a PhC modulator in a CMOS platform, featuring a novel design with sub-wavelength contacts on one side allowing it to benefit from the "reflection-less"' architecture. Additionally, we also report the first demonstration of microring modulators. The most efficient devices exhibited electro-optical bandwidths up to 30 GHz, and 25 Gbps non-return-to-zero (NRZ) on-off-keyed (OOK) modulation with 1 dB insertion loss and 3.1 dB extinction ratio. Finally, as the complexity of silicon photonic systems-on-a-chip (SoC) increases to enable new applications such as low-energy data links, quantum optics, and neuromorphic computing, the need for in-situ characterization of individual components becomes increasingly important. By combining Near-field scanning optical microscopy (NSOM) with a flip-chip post-processing technique, this dissertation demonstrates a method to non-invasively perform NSOM scans of a photonic device within a large-scale CMOS-photonic circuit, without interfering with the performance and packaging of the photonics and electronics, making it a valuable tool for future development of high performance photonic circuits and systems.

In this thesis, group IV material oxides for silicon photonics applications were deposited using novel deposition techniques. Erbium and terbium doped silicon oxide thin films were deposited through a novel hybrid radio frequency (RF) magnetron sputtering source in an electron cyclotron resonance (ECR)-plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) reactor chamber. This approach contrasts with traditional doping methods which use metal-organic precursors to introduce rare-earth dopant species into the host matrix. The effects of sputtering power applied to the rare-earth target and system plasma pressure on the thin film properties were investigated. It was found that the sputtering power strongly influences the rare-earth incorporation, and a wide range of control over the doping level can be achieved. The effect of sputtering power on the refractive index, stoichiometry, and film density were also investigated. Doped thin films deposited with this technique showed low as-deposited hydrogen concentrations. In the case of terbium doped silicon oxide (SiOx), photoluminescence (PL) studies were conducted finding bright emission due to 5D4 → 7F5 transitions visible with the naked eye in films annealed above 1150 °C. Further investigation found that silicon nanostructures formed at the high annealing temperatures and were likely sensitizing the Tb3+ ions. These results demonstrate that hybrid sputtering in ECR-PECVD can be an effective tool for integrating optically active rare-earth dopants into silicon-based thin films. Using alternating current (AC) plasma assisted reactive magnetron sputtering (PARMS), low optical loss germanium oxide (GeO2) thin films were also produced. The films were fabricated at low temperature and high deposition rates of 6–38 nm/min on silicon and thermally oxidized silicon substrates. Prism coupling measurements demonstrated losses of 0.1 dB/cm at wavelengths ranging from 638 to 980 nm attributed to good uniformity and low surface roughness demonstrated through atomic force microscopy (AFM) measurements. The thin films materials developed here are highly promising for their applications in silicon photonics devices, including light sources and amplifiers. / Thesis / Candidate in Philosophy

Silicon (Si) and silicon nitride (Si3N4) have become the dominant photonic integrated circuit (PIC) material platforms, due to their low-cost, wafer-scale production of high-performance circuits. However, novel materials can offer additional functionalities that cannot be easily accessed in Si and Si3N4, such as light emission. Tellurium oxide (TeO2) is a novel material of interest because of its large linear and non-linear refractive indices, low material losses and large rare-earth dopant solubility, with applications including compact low-loss waveguides and on-chip light sources and amplifiers. This thesis investigates the post-processing integration of TeO2 devices onto standardized Si and Si3N4 chips to incorporate TeO2 material advantages into high-performance PICs. Chapter 1 introduces the state-of-the-art functionality for various integrated photonic materials as well as methods for integrating multiple materials onto single chips. Chapter 2 presents the development of a high-quality TeO2 thin film fabrication process by reactive RF sputtering, with material refractive indices of 2.07 and optical propagation losses of <0.1 dB/cm at 1550 nm. Chapter 3 investigates a conformally coated TeO2-Si3N4 waveguide platform capable of large TeO2 optical confinement and tight bending radii, characterizing fiber-chip edge couplers down to ~5 dB/facet, waveguide propagation losses of <0.5 dB/cm, directional couplers with 100% cross-over ratio, and microresonators with internal Q factors of 7.3 × 105. In Chapter 4 a spectroscopic study of TeO2:Er3+-coated Si3N4 waveguide amplifiers was undertaken, with internal net gains of up to 1.4 dB/cm in a 2.2-cm-long waveguide and 5 dB total in a 6.7-cm-long sample demonstrated, predicted to reach >10 dB could 150 mW of pump power be launched based on a developed rate-equation model. Chapter 5 demonstrates TeO2-coated microtrench resonators coupled to silicon waveguides, with internal Q factors of up to 2.1×105 and investigates environmental sensing metrics of devices. Chapter 6 summarizes the thesis and provides avenues for future work. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Aiming to reduce research and development times in the field of silicon photonics, this paper presents a method for automatized device testing. Focus lies on automatic optical coupling between the grating couplers on a chip and optical fibers and efficient switching between devices when performing laboratory tests on silicon photonic chips. A lab setup with high precision motorized stages has been built and an algorithm for finding the best optical coupling between fiber and chip, based on the light distribution properties of the fiber, has been implemented. The project results shows that, while these methods have the potential of considerable time savings, further testing is needed.