MEMS-based planar optical switching solutions with integrated silicon nitride photonics for telecommunication applications

Résumé

La consommation d'énergie élevée et les procédures d'assemblage longues et complexes ont augmenté les coûts de production liés aux systèmes optiques utilisés dans les centres de données du monde entier. De tels systèmes reposent également sur une conversion optiqueélectrique- optique (OEO) pour commuter le signal optique dans le(s) canal(s) de télécommunication. La technologie de microfabrication peut faire des systèmes optiques complexes qui ne nécessitent pas de conversion OEO énergivore une réalité à faible coût. Dans le passé, des systèmes microélectromécaniques (MEMS) ont été intégrés à des composants photoniques en silicium (Si) pour des solutions de commutation optique de faible puissance. Une telle intégration offre une flexibilité limitée dans le contrôle des composants optiques à base de Si et de la couche MEMS mobile à base de Si, car les deux utilisent souvent la même couche de dispositif en Si dans une tranche de silicium sur isolant (SOI) classique. L'intégration de MEMS basés sur SOI avec des composants photoniques en nitrure de silicium (SiN) permet un contrôle indépendant des conceptions de composants optiques et de MEMS. Une perte de diffusion plus faible due à la rugosité des parois latérales, une moindre sensibilité aux variations de largeur et une large plage de longueurs d'onde de fonctionnement font du SiN une alternative prometteuse au Si. Les solutions de commutation optique actuelles avec SiN reposent sur le réglage thermique de composants optiques tels que l'interféromètre Mach- Zehnder (MZI) et les résonateurs à micro-anneaux. Ce type de commutation optique consomme beaucoup d’énergie et fonctionne à haute température. De plus, la plage de longueurs d'onde de fonctionnement est limitée par la conception du filtre optique. Dans cette thèse, nous proposons un projet de doctorat sur la conception, l'optimisation et l'intégration d'actionneurs MEMS basés sur SOI avec photonique SiN pour la commutation optique avec une large plage de longueurs d'onde de fonctionnement. La plate-forme développée au cours de ce projet intègre des actionneurs MEMS avec des guides d'ondes à canal SiN pour mettre en oeuvre des commutateurs optiques 1 x 3 et 1 x 5 avec une perte de transmission optique minimale, une faible consommation d'énergie et une large plage de longueurs d'onde opérationnelles. Minimiser la perte optique dans un commutateur optique SiN basé sur MEMS nécessite une gestion des contraintes résiduelles et une ingénierie de conception précise. Le processus de fabrication commercial multi-utilisateurs PiezoMUMPs a été utilisé pour valider les conceptions MEMS avant l'intégration avec les guides d'ondes SiN. Divers aspects conduisant à une perte optique dans un commutateur optique SiN intégré MEMS ont été étudiés pour améliorer les performances. Le commutateur optique 1 x 5 réalisé a une plage de longueurs d'onde de fonctionnement de 1540 nm à 1625 nm avec une perte d'insertion moyenne minimale de 2,2 dB et une perte d'insertion moyenne maximale de 7,5 dB. Le commutateur optique 1 x 5 fonctionne à ≤ 90 V avec le mécanisme de réduction des pertes optiques fonctionnant à 120 V.

Date	11 juin 2024
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Frédéric Nabki (Directeur(-trice)) & Michaël Ménard (Codirecteur(-trice))