Conception et test de composants/circuits photoniques intégrés hybrides InP/Si pour applications LIDAR

Design and testing of hybrid InP/Si photonic integrated components/circuits for LIDAR applications

• Auteur / Autrice : Martin Peyrou
• Direction : Yannis Le Guennec, Sylvie Ménézo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 23/03/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Florence Podevin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Grillot, Patrick Feneyrou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christelle Aupetit-Berthelemot, Christophe Peucheret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lidar

Modulation de fréquence

Amplificateurs optiques

Circuits intégrés photoniques

Mots clés libres

Lidar fmcw

III-V/Si

Photonique silicium

Largeur de raie

Récepteur cohérent

Balayage de faisceau

Fmcw lidar

III-V/Si

Silicon photonics

Linewidth

Coherent receiver

Beam-Scanning

Résumé

Le développement de systèmes intelligents pour les applications automobilesnécessite des capteurs de haute précision pour capter des environnements dynamiques.La course aux véhicules entièrement autonomes a déjà commencé, et la fusion dedonnées multicapteurs est considérée comme la solution ultime pour une perceptionperformante de l’environnement. Le LIDAR (Light Detection And Ranging) produit des nuages de points 3D à haute résolution qui complètent et surmontent leslimites auxquelles les caméras et les systèmes RADAR font face. Le LIDAR FMCWoffre plusieurs avantages par rapport aux autres architectures LIDAR, dont des informations sur la vitesse de l'objet, une plus grande sensibilité et une immunitéau bruit de fond grâce à une détection cohérente. Néanmoins, les LIDAR commerciaux actuels sont encombrants et sujets à des défaillances mécaniques,ce qui empêche leur déploiement massif dans les systèmes embarqués où un hautniveau de parallélisme est nécessaire. Par conséquent, l’intégration du LIDAR surune puce photonique pouvant être produite en masse est hautement souhaitable. Il est intéressant de noter que l’industrie des communications de données a poursuivi le même objectif au cours des dernières décennies. En tirant parti d’une industrie CMOS mature, les composants à fibres optiques ont été réduits en taille pour produire des circuits optiques intégrés en photonique sur silicium. Cependant, les architectures LIDAR et les circuits optiques nécessitent des sources laser et des amplificateurs, mais le silicium n’est pas un milieu à gain favorable. A l’inverse, les matériaux composés III-V sont connus pour produire des sources laser et des amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA) très efficaces. Les objectifs de cette thèse sont d'étudier les bénéfices et les défis liés à l’intégration d’un système LIDAR FMCW sur une puce III-V/Si.L'approche suivie est basée sur trois phases : la modélisation du système LIDAR FMCW, la conception de composants et circuits et la vérification des performances par la caractérisation.Tout d’abord, nous présentons une vue d’ensemble des architectures LIDAR,des mesures de performance et des méthodes de balayage avec une comparaisonentre le réseau optique à commande de phase (OPA) et le réseau à commutationsitué dans le plan focal (FPSA). L’intégration sur puce des systèmes LIDAR FMCW est ensuite présentée, dans le but d’améliorer leur encombrement et leur consommation énergétique. Cette partie souligne l’intérêt du LIDAR FMCW pour les applications LIDAR automobiles ainsi que le différentiateur clé de la plateforme d’intégration III-V/Si. Un ensemble de spécifications pour un LIDAR automobile est finalement présenté. Sur la base de ces considérations, un modèle numérique a été développé pour relier les performances du système LIDAR FMCW aux spécifications des composants photoniques en silicium. Nous montrons également par des simulations que l’algorithme d’estimation de distance et vitesse peut être modifié pour détecter des cibles au-delà de la longueur de cohérence avec une bonne précision. Ensuite, nous présentons la réalisation des composants et des circuits du LIDAR FMCW, comprenant le layout et la caractérisation. Nous avons réalisé une tuile LIDAR FMCW à émetteur/récepteur unique comprenant un récepteur cohérent et un SOA en III-V/Si fonctionnant entre 20-60 °C. Nous avons également étudié la source LIDAR FMCW en mesurant la largeur de raie etla linéarité du chirp. Une unité de balayage de faisceau FPSA a été réalisée pour évaluer les performances du commutateur. Enfin, nous partageons nos perspectives pour construire un démonstrateur LIDAR FMCW intégré pour des applicationsautomobiles.

The development of intelligent systems for automotive applications requires high precision sensors to capture dynamic environments. The race to fully autonomousvehicles has already started, and multi-sensor fusion is foreseen as the ultimate solution for high performance environment perception. Light Detection And Ranging(LIDAR) produces high-resolution 3D point clouds that complement and overcomethe limitations of cameras and RADAR systems. Frequency-Modulated ContinuousWave (FMCW) LIDAR offers several advantages over other LIDAR architectures,including velocity information of the object, higher sensitivity, and background immunitydue to coherent detection. Nevertheless, today’s commercial LIDAR are bulky and prone to mechanical failure, preventing their mass deployment inembedded systems where high level of parallelism is needed. Hence, the integrationof LIDAR on a low-cost and mass producible photonic chip is highly desirable. Interestingly, the data communication industry has pursued the same objective over thepast decades. By leveraging the mature CMOS industry, optical fibered componentshave been shrunk down to produce silicon photonics integrated transceivers. However, LIDAR and transceiver architectures require laser sources and amplifiers, butsilicon is not an efficient gain medium. On the contrary, III-V material is known forproducing very efficient laser sources and semiconductor optical amplifiers (SOA).Scintil Photonics integration platform has the key advantage of integrating III-V onsilicon. This PhD dissertation investigates the challenges related to integration anFMCW LIDAR system on III-V/Si chip.Our approach to answer this problem is based on three phases: FMCW LIDARsystem modelization, design/layout realization of circuits and components and performance verification through characterization.First, we present an overview of LIDAR architectures, performance metrics andscanning methods with a comparison between Optical Phased Array (OPA) andFocal Plane Switch Array (FPSA). We also describe the chip-scale integration ofFMCW LIDAR systems to improve the footprint, the weight, the cost, and thepower consumption. This part highlights the interest of FMCW LIDAR for low-cost automotive LIDAR applications and the key differentiator of the III-V/Si integration platform. A set of automotive LIDAR specifications is finally presented.Based on these considerations, we provide a numerical model to link the FMCWLIDAR system performances with the silicon photonic component specifications.We also show through simulations that the range and velocity estimation algorithmcan be modified to detects targets beyond the laser coherence length with a goodprecision. Then, we present the realization FMCW LIDAR components and circuitsincluding layout and characterizations. We realized a single transmitter/receiverFMCW LIDAR tile comprising a coherent receiver and a III-V/Si SOA operatingin a temperature range between 20-60 °C. We also investigated the FMCW LIDARsource with linewidth and chirp linearity measurements. A small-scale FPSA beamscanning unit was realized to assess the switch performances. Finally, the perspectives to build an integrated FMCW LIDAR demonstrator for automotiveapplications are shared.