Thèse soutenue

Evaluation d’un interposer électro-optique sur substrat de verre pour interconnexions optiques 400 Gb/s à base de technologie photonique sur silicium

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Auteur / Autrice : Jean-Marc Boucaud
Direction : Emmanuel DuboisJean-Emmanuel Broquin
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
Date : Soutenance le 26/06/2020
Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
Jury : Président / Présidente : Taha Benyattou
Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Ménézo, Moritz Seyfried, Peter O'Brien, Cédric Durand, Davide Bucci
Rapporteur / Rapporteuse : Taha Benyattou, Delphine Marris-Morini

Résumé

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Le trafic de données interne aux datacenters a connu une croissance exponentielle ces dernières années avec une mise sous pression permanente de la capacité de stockage, du débit et du temps de latence. Une conséquence directe de cette course à la performance est l'amélioration inexorable des technologies d'interconnexion pour répondre à cette demande. Dans la recherche de communications à fibre optique à faible coût pour les datacenters, la photonique sur silicium, une technologie électro-optique dérivée des technologies CMOS standard, apparaît comme une solution prometteuse pour réduire la consommation d'énergie, améliorer les débits de données des liaisons optiques tout en restant économiquement rentable. Bien que les procédés technologiques associés aux plateformes CMOS puissent être judicieusement exploités pour l'intégration monolithique de fonctions optiques extrêmement denses et performantes, la photonique sur silicium présente néanmoins des contraintes de packaging supplémentaires liées à l'interfaçage avec les fibres optiques d'entrée/sortie. Ces contraintes d'assemblage entrainent un accroissement substantiel du coût des émetteurs-récepteurs optiques à base de puces photoniques silicium et compliquent la mise en œuvre de technologies telles que le multiplexage en longueur d'onde à bas coût (CWDM).L'objectif premier de cette thèse est d'étudier et développer une version bas coût d'interposeur embarquant des fonctions électriques et optiques intégrés à un substrat de verre. L'ambition consiste à réaliser l'assemblage passif complet d'un émetteur-récepteur CWDM basé sur la technologie photonique sur silicium PIC25G de STMicroelectronics.En premier lieu, ce travail propose la conception des principales fonctions élémentaires intégrée à l'interposeur, à savoir, des guides d'ondes monomodes, des structures de couplage vertical et des lignes de transmission hautes fréquences. Dans un second temps, un procédé de fabrication, principalement basé sur l'ablation laser femtoseconde, a été développé afin d'intégrer ces fonctions sur un substrat de verre sur lequel une puce PIC25G peut être interfacées. Enfin, la fonctionnalité de l'interposeur et de l'assemblage complet a été démontrée au travers d'un travail détaillé de caractérisations électriques, optiques et mixtes.Nous avons fabriqué un interposeur intégrant des guides d'ondes multimodes avec des pertes de propagation <6 dB / cm à 1310 nm, des lignes de transmission coplanaires avec des pertes d'insertion de 3 dB / cm à 60 GHz, des miroirs de redirection du signal optique et l'ensemble du routage électrique et optique permettant de tester la détection et la modulation de la lumière par la puce PIC25G. Nous avons réalisé l'assemblage de la puce PIC25G sur l'interposeur en utilisant une technique classique de flip-chip et avons validé le couplage optique entre les guides d'ondes en polymère de l'interposeur et les guides d'ondes sur substrat silicium-sur-isolant (SOI) de la puce PIC25G grâce à la mesure du photo-courant d'une photodiode SiGe intégrée dans la puce photonique.