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This document focuses on the work carried out on the effect of radiation on optoelectronics over the past fifteen years at ONERA, in particular on photo-detectors. The purpose of these studies lies in the use of these components for space missions for which the environment is rich in energetic particles harmful to electronics. After a summary of the context and my research background, we discuss the effects of ionization and see that there are specific areas of application that may pose problems with respect to the qualification standards in force. We then present studies related to the effects of atomic displacements in monocrystalline semiconductors. We discuss specific research related to the assessment of average degradation in single detectors, statistical variations in imager arrays and the Random Telegraph Signal. The document ends with a review of the research themes in perspective.; Cette présentation d’habilitation à diriger les recherches se focalise sur les travaux menés sur l’effet des radiations sur l’optoélectronique depuis une quinzaine d’années à l’ONERA, et en particulier les photo-détecteurs. La finalité de ces études réside dans l’utilisation de ces composants pour des missions spatiales, pour lesquelles l’environnement est riche en particules énergétiques dommageables pour l’électronique. Après un résumé du contexte et de mon parcours de recherche, nous aborderons les effets d’ionisation et verrons qu’il apparait des domaines d’applications spécifiques qui peuvent poser des problèmes par rapport aux normes de qualification en vigueur. Nous présenterons ensuite des études liées aux effets des déplacements atomiques dans les monocristaux. Nous évoquerons des recherches spécifiques liées à l’évaluation d’une dégradation moyenne dans les mono-détecteurs, aux variations statistiques dans les matrices d’imageurs et au Random Telegraph Signal. La présentation se termine par une revue des thèmes de recherche en perspective.

This work deals with the design, realization and characterization of a spectrally-tunable VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) to be integrated in a portable SS-OCT microsystem (Swept-Source Optical Coherence Tomography) for early detection of skin diseases. Our approach for tunable source fabrication is based on of the use of an intracavity nematic liquid crystal layer (LC). This will lead to a better mechanical stability and a lower driving voltage than for the classical case of electrostatic MEMS integration at the surface of the half-VCSEL. It is however necessary to solve several technological issues to master the hybrid integration of CL microcells in a III-V-based photonic device and to combine LC molecules alignment with electrical injection in the device. To this end, an original method for collective fabrication of polymer-based microcells is developed, exploiting the advantages of a soft-nanoimprint equipment. This generic met! hod is validated by the fabrication of several optical tunable devices operating at 1.55μm (high-finesse optical filters, photodetector arrays and optically-pumped VCSELs) for telecom or miniaturized spectroscopy applications. A laser emission at room temperature in continuous regime is obtained for the first time with a tuning range of 23.5 nm for an applied voltage of 20V. A tunable electrically-pumped VCSEL operating at 850nm is also designed and fabricated. First results show a laser effect observed on the half-VCSEL part placed in an external cavity configuration. A spectral tunability of the electroluminescence peak of the complete device over 10nm is also obtained for 20V applied., Ces travaux de thèse portent sur la conception, la réalisation et la caractérisation de diodes VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) accordables spectralement et intégrables dans un système miniaturisé d’analyse SS-OCT (Tomographie par Cohérence Optique à balayage de source) pour la détection précoce des pathologies de la peau. L'approche originale que nous avons explorée pour réaliser la source VCSEL accordable à 850nm réside dans l'exploitation de cristaux liquides (CLs) nématiques intracavité. Ceci permet d’envisager une meilleure stabilité mécanique et une tension de commande plus faible que dans le cas de l’intégration d’un MEMS électrostatique en surface d’un demi VCSEL. Il est cependant nécessaire de lever plusieurs verrous technologiques pour pouvoir maitriser l’intégration hybride de microcellules à CL dans un composant photonique à base de semiconducteurs III-V. Il s'! agit en particulier de concilier l'alignement uniforme des molécules de CL avec l’optimisation de l'injection électrique dans le dispositif. Dans ce but, nous avons mis au point une méthode originale de fabrication collective de microcellules à CL à base de polymères, en exploitant notamment les avantages d'un équipement de nanoimpression douce. Cette méthode générique a ensuite été validée par la réalisation de plusieurs composants optiques accordables à 1.55µm (filtres optiques de haute finesse, matrices de photodétecteurs et VCSELs à pompage optique) pour des applications télécom ou de spectroscopie miniature. Une émission laser a ainsi été obtenue pour la première fois en continu à température ambiante avec une accordabilité de 23.5 nm pour une tension appliquée de 20V. Un VCSEL accordable fonctionnant à 850nm en pompage électrique a été également conçu et réalisé. Les premières caractérisations ont mis en évi! dence un effet laser sur la partie demi-VCSEL placée en confi! guration de cavité externe, ainsi qu’une accordabilité du pic d’électroluminescence du composant complet sur 10nm pour 20V appliqués.

Fast photodetectors are optoelectronic devices wich allow to generate and to detect electromagnetic waves at sub-THz and THz frequencies. This thesis presents the design, the fabrication and the characterization of fast photodetectors made using III-V semiconductors. The objective is to develop systems working at a wavelength of 1550nm, compatibleswith the telecommunication technologies. We will study in detail LT-GaAs photoconductors for sub-sampling, InAlAs/InGaAs-MSM photodetectors for sub-sampling and photomixing and InGaAs/InP UTC-photodiodes for photomixing.; Les photodétecteurs rapides sont des composants optoélectroniques qui permettent de générer et de détecter des ondes de fréquences sub-THz et THz. Cette thèse présente la conception, la fabrication et la caractérisation de photodétecteurs rapides à semiconducteurs III-V. L’objectif est de proposer des systèmes fonctionnant à la longueur d’onde de 1550 nm, et donc compatibles avec les technologies des télécommunications. Nous étudions en détail des photoconducteurs en AsGa-BT pour le sous-échantillonnage, des photodétecteurs de type MSM-InAlAs/InGaAs pour le sous-échantillonnage et le photomélange et des photodiodes UTC en InGaAs/InP pour le photomélange.

This work focuses on the design, manufacturing and characterization of a coherent photoreceptor in PiC InP for 100-400 Gbit/s applications. The chosen solution is a preamplified coherent receiver with an SOA to improve the responsivity compared to a conventional coherent receiver. In addition, this receiver is made in buried technology to allow operation over a wider range of wavelengths. Finally, a coherent receiver without SOA is also produced to be able to evaluate its impact on the performances of our receiver. The first part of this study is devoted to reminders about very high speed optical transmissions, about state of the art on coherent receivers, about a presentation of the different photodetectors and a presentation of the 90° hybrid which is the core component in coherent receivers. Secondly, we present the various choices made for the design of our receiver. The study of two 90° hybrids simulated in ridge or in buried technology is detailed. We also comment the choices of photodiodes and SOA used for our component. The third chapter is devoted to the different technological steps used to build our preamplified receiver. We start with a description of the different epitaxial techniques used. Then, we present in detail the 22 technological steps required to realize our receiver. Finally, we group all the characterizations preformed on our coherent receiver. We characterize the unitary components of our receiver (hybrid 90°, UTC photodiodes and SOA). Finally we present the static and dynamic characteristics of our receiver and we compare its performances with the state of the art. This thesis demonstrates the feasibility of a preamplified receiver using a SOA in buried InP technology with a record of reponsivity of 5 A/W. This represents a gain of 12.5 dB compared to an ideal coherent receiver and a gain of 15,5 dB compared to the state of the art. In addition, the consumption generated by this integration remains very low (240 mW). Finally, we have demonstrated a 32 Gbauds demodulation with a Q factor of 14dB and the 40 GHz bandwidth of our photodiodes is compatible with 56 Gbauds applications. It can be improved for 100 Gbauds applications by reducing the size of our photodiodes. This thesis opens the way for a new preamplified coherent receiver for 400 Gbit/s applications, Ce travail porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation d’un photorécepteur cohérent en filière PIC InP pour les applications 100-400 Gbit/s. La solution retenue est un récepteur cohérent pré-amplifié par un SOA pour permettre d’améliorer la responsivité du récepteur par rapport à un récepteur cohérent classique. De plus, ce récepteur est réalisé en technologie enterrée pour permettre un fonctionnement sur une plus grande gamme de longueurs d’onde. Enfin, un récepteur cohérent non pré-amplifié est aussi réalisé pour pouvoir évaluer l’impact de l’intégration du SOA sur le fonctionnement de notre récepteur. La première partie de cette étude est consacrée à des rappels sur les transmissions optiques à très haut débit, à un état de l’art sur les récepteurs cohérents, à une présentation des différents photodétecteurs et à une présentation de l’hybrid 90° qui est le composant coeur des récepteurs cohérents. Dans un second temps, nous présentons les différents choix retenus pour la conception de notre récepteur. L’étude de deux hybrid 90° simulés en technologie ridge et en technologie enterrée est détaillée. Nous commentons également le choix des photodiodes ainsi que le choix du SOA utilisé pour notre composant. Le troisième chapitre est consacré aux différentes étapes technologiques permettant la fabrication de notre récepteur cohérent pré amplifié. Nous commençons par une description des différentes techniques d’épitaxie utilisées. Ensuite, nous présentons en détails les 22 étapes technologiques nécessaires pour réaliser notre récepteur. Enfin, nous regroupons l’ensemble des caractérisations réalisées sur notre récepteur cohérent. Après un rappel sur les différentes parties de celui-ci et de leurs performances clés, nous caractérisons les composants unitaires formant notre récepteur (mixeur cohérent, photodiodes UTC et SOA). Enfin nous présentons les caractéristiques statiques et dynamiques de notre récepteur et nous comparons ses performances avec celles de l’état de l’art. Ces travaux de thèse ont permis de démontrer la faisabilité d’un récepteur pré-amplifié utilisant un SOA intégré en technologie InP enterrée avec un record de responsivité de 5 A/W. Ceci représente un gain de 12,5 dB par rapport à un récepteur cohérent non amplifié idéal et un gain de 15,5 dB par rapport à l’état de l’art des récepteurs cohérents. De plus, la consommation engendrée par cette intégration reste très faible (240 mW). Enfin, nous avons démontré une démodulation à 32 Gbauds avec un facteur Q de 14 dB. La bande passante de 40 GHz de nos diodes est compatible avec des applications à 56 Gbauds et peut être améliorée pour des applications à 100 Gbauds en réduisant la taille des photodiodes. Ce travail de thèse ouvre donc le chemin pour de nouveaux récepteurs pré-amplifés par un SOA pour des applications à 400 Gbit/s

Une nouvelle structure de FET dans laquelle la grille est interrompue sur une certaine distance est décrite et son fonctionnement en tant que photo-détecteur est analysé. On montre comment les résistances d'accès sont modulées en obscurité par la tension grille en régime quasi continu. La réponse à un éclairement quasi stationnaire est étudiée : elle est maximale quand le canal est complètement pincé. La réponse à un éclairement impulsionnel picoseconde présente deux composantes : l'une, rapide, de photo-diode, l'autre, plus lente, de photo-résistance.

Nous décrivons une détection photoélectrique amovible qui prend la place du châssis porte-plaque d'un spectrographe. La résolution optimale est de 0,035 Å, la reproductibilité des mesures est de 0,01 Å.