CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

16 février 2012
Génération de seconde harmonique dans le silicium : par la contrainte !
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Les technologies silicium pour l'électronique sont aujourd'hui matures et on ne peut que souhaiter étendre leur champ d'application à la photonique. Dans ce cadre, il est nécessaire de disposer de dispositifs de génération de seconde harmonique permettant notamment d'accroître la sélectivité des signaux. Cependant la susceptibilité du second ordre χ(2) est nulle dans un cristal à symétrie centrale comme le silicium, mais une collaboration de chercheurs de l'IRAMIS/LSI, des Universités de Modène, Trento, Brescia et Berkeley, a montré théoriquement et expérimentalement qu'en distordant la structure du cristal de silicium, il est possible d'obtenir des guides d'ondes permettant ce doublage de fréquence.

 

 

L'extension des technologies silicium pour la micro-électronique à la photonique est un domaine de recherche relativement récent [1-3]. Dans les systèmes photoniques, les électrons sont remplacés par des photons comme porteurs d'information dans les circuits. En régime linéaire, un circuit de silicium photonique peut efficacement orienter, moduler et détecter la lumière. Le doublage de fréquence résultant de processus non linéaires du second ordre, permet le travail à plusieurs longueurs d'onde, l'accroissement du stockage optique ou encore la réalisation d'amplificateurs sélectifs. En particulier, on recherche à rendre efficace des processus optiques non-linéaires du second ordre pour générer, convertir et moduler de façon ultrarapide la lumière à l'intérieur de réseaux de fils de silicium, nécessitant la conversion de longueur d'onde large bande à relativement faible puissances optique.

 
Génération de seconde harmonique dans le silicium : par la contrainte !

a) Supercellule de silicium utilisée pour la simulation numérique : les différentes couleurs correspondent au type de déformation : en orange les liaisons sont allongées (effet de tension), en jaune distance nominale et en rouge les distances sont raccourcies (effet de compression).
b) Variation de la longueur des liaisons Si-Si pour les différentes structures modélisées.
d) e) f) Résultats de la simulation pour la susceptibilité du second ordre χ(2) pour différentes valeurs de la contrainte.

Un cristal de silicium étant centro-symétrique, seules les non-linéarités du troisième ordre sont présentes. Ces non-linéarités ont toujours été exploitées, mais elles nécessitent de relativement fortes puissances optiques et leur efficacité est limitée par les mécanismes de pertes non-linéaires comme l'absorption à deux photons. Grâce à une collaboration entre des équipes du LSI, des universités de Modène, Trento, Brescia et Berkeley, nous venons de montrer [4], à la fois théoriquement et expérimentalement, que le silicium sous contrainte peut devenir un bon cristal non-linéaire du second ordre. Pour obtenir ce résultat, la structure cristalline d'un guide d'onde de silicium a été distordue. Si cette distorsion est faite de façon inhomogène, le cristal perd son caractère centro-symétrique, ce qui fait apparaître une non-linéarité du second ordre.

La réponse optique du silicium sous contrainte a été calculée ab initio [5], dans le formalisme de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps. Pour simuler l'effet d'une contrainte inhomogène, la symétrie du réseau massif est brisée en déplaçant les atomes de Si par rapport à leur position cristallographique, ce qui modifie (jusqu'à 5%) distances interatomiques et angles de liaison. La simulation est réalisée sur une super cellule de 16 atomes. La structure électronique du système dans son état fondamental est alors calculée par la théorie de la fonctionnelle de densité dans l'approximation de densité locale (code ABINIT). Le calcul de la susceptibilité du second ordre χ(2) est ensuite obtenue par un calcul spectroscopique dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendant du temps (TDDFT - code 2LIGHT) en prenant en compte une vingtaine d'états excités inoccupés. Ces simulations montrent que plus l'effet de distorsion est important, plus la susceptibilité du second ordre est forte. La situation optimale est obtenue pour une contrainte appliquée bi-axiale.

 
Génération de seconde harmonique dans le silicium : par la contrainte !

Dispositif expérimental de génération de seconde harmonique (SHG) : le faisceau pompe a une longueur d'onde comprise ente 2100 et 2300 nm et on détecte la signal à la longueur d'onde moitié en sortie du guide d'onde.

En liaison étroite avec ces résultats théoriques, des guides d'onde à base de silicium sous contrainte ont été élaborés. Le guide d'onde de silicium est réalisé par dépôt et une contrainte est induite par la déposition d'une surcouche de Si3N4 ou de SiNx. La distribution bidimensionnelle de la déformation résultante est mise en évidence par des mesures  de rétrodiffusion micro-Raman,

Des mesures de transmission optique non-linéaire montrent clairement la génération d'un signal de seconde harmonique, en accord qualitatif avec les simulations numériques. Les susceptibilités obtenues sont comparables à celles des meilleurs cristaux non-linéaires, couramment utilisés, comme LiNbO3. Ces valeurs sont suffisamment grandes pour envisager le développement  de circuits intégrés basés sur les non-linéarités au second ordre du silicium contraint.

 
Génération de seconde harmonique dans le silicium : par la contrainte !

Signal de seconde harmonique (SHG) en sortie de guide d'onde pour différentes longueur d'onde du faisceau primaire incident.

Ainsi l'application d'une contrainte, permet d'obtenir un effet de génération de seconde harmonique très efficace dans les guides d'onde de silicium. Cette méthode ouvre de nouvelles potentialités pour la création de dispositifs photoniques de silicium.


Références :

[1] Pavesi, L. and Lockwood, D. Silicon Photonics I in Topics in Applied Physics (Vol. 94, Springer Verlag 2004). Pavesi, L. and Lockwood, D. Silicon Photonics II in Topics in Applied Physics (Vol.119, Springer Verlag 2011).

[2]  Silicon Photonics
B. Jalali and S. Fathpour, Silicon Photonics, IEEE J. Lightwave Tech. 24, 4600 (2006).

[3]  CMOS Photonics for high-speed interconnects,
C. Gunn, IEEE Micro 26, 58 (2006).

[4] Second-harmonic generation in silicon waveguides strained by silicon nitride
M. Cazzanelli, F. Bianco, E. Borga, G. Pucker, M. Ghulinyan, E. Degoli, E. Luppi, V. Véniard, S. Ossicini, D. Modotto, S. Wabnitz, R. Pierobon & L. Pavesi
Nature Materials, 11 (2012) 148.

[5] Ab initio second-order nonlinear optics in solids
,Luppi E., Hübener H. and Véniard  V. ,  J. Chem. Phys. 132, 241104 (2010).


Contact CEA: Valérie Véniard.

Collaboration :

1Nanoscience Laboratory, Department of Physics, University of Trento, via Sommarive 14, 38123 Povo, Trento, Italy,

2Advanced Photonics & Photovoltaics Unit, Bruno Kessler Foundation, via Sommarive 18, 38123 Povo, Trento, Italy,

3Instituto di Nanoscienze-CNR-S3 and Dipartimento di Scienze e Metodi dell’Ingegneria, Università di Modena e Reggio Emilia, via Amendola 2 Pad. Morselli, I-42122 Reggio Emilia, Italy,

4Department of Chemistry, University of California Berkeley, California 94720, USA,

5Laboratoire des Solides Irradiés, Ecole Polytechnique, Route de Saclay, F-91128 Palaiseau and European Theoretical Spectroscopy Facility (ETSF), France,

6Department of Information Engineering, University of Brescia, via Branze 38, 25123 Brescia, Italy,

7CIVEN (Coordinamento Interuniversitario Veneto per le Nanotecnologie), via delle Industrie 5, I-30175, Venezia Marghera, Italy.

 

Maj : 06/03/2012 (1909)

 

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