Lasers III-V sur Si pour Lidar FMCW à 1550 nm

III-V on Si Lasers for FMCW Lidar at 1550 nm

• Auteur / Autrice : Josserand Gaudy
• Direction : Jean-Emmanuel Broquin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Optique et Radiofréquences
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : COMPOSANTS CMOS AVANCES SILICIUM ET SOI
• Jury : Président / Présidente : Elise Ghibaudo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Emmanuel Broquin, Laurent Vivien, François Royer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Vivien, François Royer

Mots clés

Mots clés libres

Hybride

Laser

Lidar

Iii-v

Fmcw

Résumé

Au cours des deux dernières décennies, la photonique sur silicium a connu un développement notable notamment dans son utilisation pour les télécommunications dans les centres de données. Dans ce contexte fertile, la communauté scientifique a cherché d’autres fonctions qu’on peut classer en trois grandes familles : l’analyse bio-physicochimique (détection de gaz, de molécules en solution…), le traitement de données (circuits de traitement de données, optique quantique intégrée …), ou encore l’imagerie 3D et la vélocimétrie. Des usages variés dans les secteurs scientifiques, industriels ou commerciaux ont été imaginés. En particulier, la fonctionnalité d’imagerie a connu un regain d’intérêt particulier avec l’ambition affichée par l’industrie automobile d’autonomiser progressivement le pilotage des véhicules. Dans le bassin grenoblois, à STMicroelectronics et au CEA-Leti, des technologies photoniques sur silicium ont été développées depuis les années 2000 en particulier pour les télécommunications. Depuis 2018-2019, un accent particulier a été mis à ST Microelectronics sur la diversification de la recherche et des développements consacrés à la photonique sur silicium. Cette étude s’inscrit dans cet effort de recherche. Elle s’appuie sur le savoir-faire développé notamment au cours de précédentes thèses menées au CEA-Leti et à ST et sur l’expérience de l’IMEP-LAHC dans les lasers et lidar Doppler anémométrique. La problématique de cette étude explore la capacité des technologies de la photonique sur silicium pour imager en trois dimensions et à vitesse réelle des scènes dans un contexte allant de l’objet connecté à l’automobile augmentée. Plus spécifiquement, nous nous intéresserons à la réalisation de lasers hybrides en matériau III-V directement collé sur le silicium. L’objectif de cette étude est donc de concevoir, fabriquer et tester un laser en matériau III-V sur silicium adapté à un usage d’imagerie 3D. La première partie, à la lumière d’un contexte historique et technique et d’un état de l’art établit un cahier des charges pour un tel laser. La deuxième partie justifie les éléments de conception des lasers. La troisième partie détaille le processus de fabrication des prototypes pour cette preuve de concept. La quatrième et dernière partie présente les caractérisations des lasers fabriqués, en termes de puissance, de spectre, et de modulation FMCW. Les lasers fabriqués égalent l’état de l’art pour ce qui est de la puissance et des caractéristiques spectrales pour ce type de technologie. Cette étude démontre la faisabilité d’une modulation FMCW des lasers fabriqués, adaptée au contexte des lidars pour l’imagerie. Nous espérons que ce travail présente objectivement les capacités des technologies III-V sur silicium pour la fabrication de lidars pour l’imagerie et ouvre les perspectives d’intégration d’une source laser modulée en FMCW dans des systèmes Lidar-On-Chip en espace libre.

Over the last two decades, silicon photonics reached sensible achievements specially in the field of telecommunications for datacenters. In this ferment, new uses arose that can be categorized in 3 large families: bio physicochemical analysis (gas or particles sensing...), data management (optical integrated circuits, integrated quantum optics ), or 3D imaging and speed sensing. Various applications in the scientific, industrial or commercial fields developed. More precisely, 3D imaging drew the scientific community’s attention due to the automotive industry publicized goal to progressively achieve autonomous driving. Since the 2000’s, ST Microelectronics and CEA-Leti developed silicon photonics technologies with a special attention for telecommunications. In 2018-2019, ST Microelectronics diversified silicon photonics research and development. This work is part of this research effort and it is built over the experience of previous PhDs at CEA-Leti, ST Microelectronics and IMEP LAHC. This work studies silicon photonics technology abilities to capture in 3D and in real time scenes in contexts ranging from connected devices to autonomous vehicles. The focus will be more thoroughly put on the achievement of hybrid lasers made out of III-V alloys directly bonded on silicon. Thus, the aim of this work is to design, build and test a III-V on silicon laser suited for 3D imagery. In the first part, specifications for such a laser are established at the light of the historical and technical context and of the state of the art. In the second part, elements of the lasers’ design are explained. The third part displays the process of fabrication of the prototypes for this proof of concept. The fourth and last part shows characterizations of the lasers in terms of power, spectrum and FMCW. The lasers built during this work exhibit state of the art power and spectral characteristics for this type of device. This study establishes the capability of the built lasers to be driven for FMCW adapted to a context of lidar imaging. We hope this work fairly presents the abilities of III-V on silicon technologies for the fabrication of imaging lidars and opens perspectives to the embedding of a FMCW laser in Lidar-On-Chip system for free-space measurements.