Étude et Modélisation de la Fiabilité des dispositifs avancés en photonique intégrés sur Silicium

Reliability study and modeling of advanced devices in integrated silicon photonic

• Auteur / Autrice : Fatoumata Sy
• Direction : Jean-Emmanuel Broquin, Quentin Rafhay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofrequences
• Date : Soutenance le 11/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Xavier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Signoret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francis Calmon, Marco Pala

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommunications optiques

Capteurs optiques

Silicium -- Substrats

Photonique

Mots clés libres

Fiabilité

Photomodulateur

Photodétecteur

Photonique sur silicium

Reliability

Photodetector

Photomodulator

Silicon photonic

Résumé

Les télécommunications par voie optique recouvrent de nos jours une part majoritaire dans l’échange des données numériques. L’augmentation des débits et des volumes de données échangées poussent à l’amélioration constantes des technologies qui les sous-tendent. La photonique sur silicium s’inscrit dans ce développement et vise à co-intégrer aux plus près les composants optiques et les composants électroniques en utilisant comme interface les composants optoélectroniques. Cette thèse s’inscrit dans cette thématique et plus particulièrement dans le cadre de la caractérisation de la technologie PIC25G développée par STMicroelectronics. Cette dernière a pour objectif de pouvoir amener les connexions optiques directement sur les serveurs des centres de données internet, pour ainsi augmenter les performances globales de l’échange des données.Comme toutes technologies, il est nécessaire de mener un suivi continu de ses performances par de la caractérisation électrique et, ici, optique. Mais il est aussi crucial de pouvoir évaluer le plus précisément possible la durée de fonctionnement de ces composants dans des conditions nominales. Une étude de fiabilité des composants de la photonique sur silicium était donc indispensable pour STMicroelectronics. Cependant, très peu d’études ont été menées sur ce sujet. L’objectif de cette étude est de présenter l’étude de la fiabilité des composants optoélectroniques visant les applications de télécommunication.Ce manuscrit est organisé en trois parties principales. La première d’entre elles présentera de façon détaillée le contexte de cette étude, ses enjeux ainsi que les objectifs que nous nous fixons. Une deuxième partie sera consacrée à la mise en place d’un banc de caractérisation optoélectronique, à sa validation, puis présentera les premiers tests réalisés sur des composants mis en boitier. Le troisième chapitre regroupera quant à lui les différentes caractérisations effectuées sur des photodétecteurs de la technologie PIC25G, nous y montrerons comment les dégradations de performance observées lors de tests de stress réalisés peuvent être expliquées par un modèle physique que nous détaillerons et validerons. Finalement, les perspectives ouvertes par ces travaux seront abordées non seulement par rapport à la problématique de STMicroelectronics mais aussi dans le cadre plus général de la fiabilité des dispositifs optoélectroniques et photoniques intégrés.

Optical telecommunications currently cover a significant part in the digital data exchanges. The increasing rate of the exchanged data is pushing to the continuous improvement of involved technologies. Silicon photonics is a part of this development and aims to closely co-integrate optical and electronic components, using optoelectronics components as interfaces. This thesis is part of this theme and more particularly in the context of the characterization PIC25G technology developed by STMicroelectronics. It aims to bring optical connections directly to the servers of internet data centers in order to increase the overall data exchange performances.Like all technologies, it is necessary to perform a continuous monitoring of its performances through electrical and, here, optical characterization. But it is also important to be able to assess as accurately as possible the lifetime of these components under nominal conditions. A reliability study of silicon photonics components was therefore essential for STMicroelectronics. However, very few studies have been done on this topic. The objective of this thesis is to present the study of the reliability of the optoelectronic components used in telecommunications applications.This manuscript is organized into three main parts. The first will present in detail the context of this study, its challenges, and the objectives we set. A second part will be dedicated to the installation of an optoelectronic characterization bench and its validation, then will present the first tests performed on packaged components. The third chapter will present the different characterizations performed on photodetectors of PIC25G technology, we will show how the degradation of the performances observed during stress tests can be explained by a physical model that we will detail and validate. Finally, the perspectives opened by this work will be addressed in the more general context of the reliability of optoelectronic devices and integrated photonics.