SiGe/Si Microwave Photonic devices and Interconnects towards Silicon-based full Optical Links

SiGe / Si micro-ondes photoniques Phototransistors et interconnexions vers Silicon-base tous les liens optiques Avec la croissance forte de ces dernières années des objets connectés les technologies de communication optique et radio voient davantage d’opportunités de s’associer et se combiner dans des technologies bas-couts Photoniques-Microondes (MWP). Les réseaux domestiques en sont un exemple. La bande millimétrique notamment, de 57GHz à 67GHz, est utilisé pour contenir les exigences des communications sans fils très haut-débit, néanmoins, la couverture de ces systèmes wireless est limitée en intérieur (indoor) essentiellement à une seule pièce, à la fois du fait de l’atténuation forte de l’atmosphère dans cette bande de fréquence, mais aussi de fait de l’absorption et de la réflexion des murs. Ainsi il nécessaire de déployer une infrastructure pour diffuser l’information au travers d’un système d’antennes distribuées. Les technologiques optiques et photoniques-microondes sont une des solutions envisagées. Les technologies MWP se sont également étendues et couvrent une gamme très large d’applications incluant les communications mobiles 5G, les analyses biomédicales, les communications courtes-distances (datacom), le traitement de signal par voie optique et les interconnexions dans les véhicules et aéronefs. Beaucoup de ces applications requièrent de la rapidité, de la bande-passante et une grande dynamique à la fois, en même temps de demander des dispositifs compacts, légers et à faible consommation. Le cout d’implémentation est de plus un critère essentiel à leur déploiement, en particulier dans l’environnement domestique ainsi que dans d’autres applications variées des technologies MWP.Ce travail de thèse vise ainsi le développement de composants photonique-microondes (MPW) intégrés en technologie BiCMOS ou Bipolaire SiGe/Si, à très bas coût, incluant les phototransistors bipolaires à hétérojonctions (HPT) SiGe/Si, les Diodes Electro-Luminescentes (LED) Si et SiGe, ainsi que l’intégration combinées des composants optoélectroniques et microondes, pour l’ensemble des applications impliquant des courtes longueurs d’ondes (de 750nm à 950nm typiquement).Ces travaux se concentrent ainsi sur les points suivants :La meilleure compréhension de phototransistors SiGe/Si latéraux et verticaux conçus dans une technologie HBT SiGe 80GHz de Telefunken GmbH. Nous traçons des conclusions sur les performances optimales du phototransistor. Les effets de photodétection du substrat et de la dispersion spatiale des flux de porteurs sont analysés expérimentalement. Cette étude aide à développer des règles de dessin pour améliorer les performances fréquentielles du phototransistor HPT pour les applications visées.Dans l’objectif de développer de futures interconnexions intra- et inter- puces, nous concevons des lignes de transmissions faibles-pertes et des guides d’ondes optiques polymères sur Silicium faible résistivité. Il s’agit d’une étape afin d’envisager des plateformes Silicium dans lesquelles les HPT SiGe pourront potentiellement être intégrés de manière performante à très bas coût avec d’autres structures telles que des lasers à émission par la surface (VCSEL), afin de construire un transpondeur optique complet sur une interface Silicium. Le polymère est utilisé comme une interface diélectrique entre les lignes de transmission et le substrat, pour les interconnexions électriques, et pour définir le gain du guide d’onde optique dans les interconnexions optiques.La conception, la fabrication et la caractérisation du premier lien photonique-microonde sur puce Silicium sont menées en se basant sur la même technologie HBT SiGe 80GHz de Telefunken dans la gamme de longueur d’onde 0,65µm-0,85µm. Ce lien optique complétement intégré combine des LEDS Silicium en régime d’avalanche (Si Av LED), des guides d’ondes optiques Nitrure et Silice ainsi qu’un phototransistor SiGe. Un tel dispositif pourrait permettre d’accueillir à l’avenir des communications sur-puce, de systèmes micro-fluidiques et des applications d’analyse biochimiques