Evaluation de la fiabilité de composants optoélectroniques pour des applications spatiales : apport des caractérisations et des modélisations électro-optiques

par Guillaume Pedroza

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Yves Ousten et de Laurent Bechou.

Le président du jury était Pascal Fouillat.

Le jury était composé de Thierry Nuns, Olivier Gilard, Lip Sun How, Juan Jimenez.

Les rapporteurs étaient Jean-Pierre Landesman, Bernard Orsal.


  • Résumé

    Ce mémoire présente les résultats de travaux portant sur l’analyse de la fiabilité de diodes laser de pompe émettant à 980 nm et de photodiodes InGaAs pour des applications spatiales. La sévérité de l’environnement spatial (vide, radiations, contraintes thermomécaniques) impose d’évaluer la robustesse de ces deux technologies qui ont été spécialement conçues pour des applications de télécommunications sous-marines. L’objectif de ce mémoire est donc de proposer une méthodologie d’évaluation de la fiabilité en s’appuyant la caractérisation électro-optique, l’analyse physico-chimique et la modélisation. Les diodes laser ont été vieillies sous ultravide (pression de 10-7 mbar) pendant 5000h sous 800 mA et 60°C. Certains composants, dont l’herméticité du boîtier a été volontairement rompue, ont présenté des défaillances de type COD (Catastrophic Optical Damage). Les caractéristiques des composants, dont le boîtier est resté hermétique, n’ont cependant pas dérivé. Après avoir modélisé les caractéristiques électriques du composant, mené des analyses physiques (AFM, MEB, MET, cathodoluminescence et ToF-SIMS) et calculé la variation de la pression à l’intérieur du boîtier, nous avons estimé la durée de vie du composant fonctionnant sous ultravide à 26 ans.Les photodiodes ont été irradiées par des protons d’énergie comprise entre 30 et 190 MeV sous une fluence comprise entre 5.1010 et 1012 p/cm², entrainant une augmentation du courant d’obscurité de trois décades. La modélisation du courant d’obscurité a permis d’estimer la durée de vie du composant en environnement spatial à 15 ans.Ces travaux ont également contribué à mettre en évidence des mécanismes de dégradation peu documentés (COD sous vide, difficulté d’ajustement avec le NIEL, dégradation du réseau de Bragg exposé aux rayonnements ionisants), ce qui permet de mieux appréhender le comportement des diodes laser et des photodiodes exposées à l’environnement spatial.


  • Résumé

    In this work, the reliability of 980 nm pump laser diode and InGaAs photodiode modules has been estimated for space applications. The space environment is particularly harsh (vacuum, radiation, thermal and mechanical stresses) for these electro-optical devices, which were designed for long-haul submerged telecommunication applications. The main objective of this thesis is to provide a guideline for the space evaluation of optoelectronic devices, using characterization, physical analysis and modeling.Eight laser diodes were aged in vacuum (10-7 mbar) during 5000h, at 60°C and 800 mA bias current. The hermeticity of four of them was voluntarily broken to simulate a long term vacuum exposition. Three of four non-hermetic devices failed during the ageing, because of COD (Catastrophic Optical Damage) whereas the electro-optical characteristics of hermetic devices remained unchanged. The MTBF of laser diodes operating in vacuum was estimated to 26 years, by means of modeling (electro-optics and pressure) and physical analyses (AFM, SEM, TEM, cathodoluminescence, ToF-SIMS).InGaAs photodiodes were irradiated by protons, with energies ranging from 30 to 190 MeV and fluences ranging from 5.1010 to 1012 p/cm². The dark current increased by three decades after irradiation. The photodiode MTBF was then estimating to 15 years using dark current modeling.This study also permitted to show up almost new failure mechanisms (COD under vacuum, NIEL scaling errors in InGaAs, Bragg grating degradation under ionizing radiation and its effects on laser diode stabilization), which could contribute to the space evaluation of laser diodes and photodiodes for future missions.


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