Search

Optical telecommunications currently cover a significant part in the digital data exchanges. The increasing rate of the exchanged data is pushing to the continuous improvement of involved technologies. Silicon photonics is a part of this development and aims to closely co-integrate optical and electronic components, using optoelectronics components as interfaces. This thesis is part of this theme and more particularly in the context of the characterization PIC25G technology developed by STMicroelectronics. It aims to bring optical connections directly to the servers of internet data centers in order to increase the overall data exchange performances.Like all technologies, it is necessary to perform a continuous monitoring of its performances through electrical and, here, optical characterization. But it is also important to be able to assess as accurately as possible the lifetime of these components under nominal conditions. A reliability study of silicon photonics components was therefore essential for STMicroelectronics. However, very few studies have been done on this topic. The objective of this thesis is to present the study of the reliability of the optoelectronic components used in telecommunications applications.This manuscript is organized into three main parts. The first will present in detail the context of this study, its challenges, and the objectives we set. A second part will be dedicated to the installation of an optoelectronic characterization bench and its validation, then will present the first tests performed on packaged components. The third chapter will present the different characterizations performed on photodetectors of PIC25G technology, we will show how the degradation of the performances observed during stress tests can be explained by a physical model that we will detail and validate. Finally, the perspectives opened by this work will be addressed in the more general context of the reliability of optoelectronic devices and integrated photonics., Les télécommunications par voie optique recouvrent de nos jours une part majoritaire dans l’échange des données numériques. L’augmentation des débits et des volumes de données échangées poussent à l’amélioration constantes des technologies qui les sous-tendent. La photonique sur silicium s’inscrit dans ce développement et vise à co-intégrer aux plus près les composants optiques et les composants électroniques en utilisant comme interface les composants optoélectroniques. Cette thèse s’inscrit dans cette thématique et plus particulièrement dans le cadre de la caractérisation de la technologie PIC25G développée par STMicroelectronics. Cette dernière a pour objectif de pouvoir amener les connexions optiques directement sur les serveurs des centres de données internet, pour ainsi augmenter les performances globales de l’échange des données.Comme toutes technologies, il est nécessaire de mener un suivi continu de ses performances par de la caractérisation électrique et, ici, optique. Mais il est aussi crucial de pouvoir évaluer le plus précisément possible la durée de fonctionnement de ces composants dans des conditions nominales. Une étude de fiabilité des composants de la photonique sur silicium était donc indispensable pour STMicroelectronics. Cependant, très peu d’études ont été menées sur ce sujet. L’objectif de cette étude est de présenter l’étude de la fiabilité des composants optoélectroniques visant les applications de télécommunication.Ce manuscrit est organisé en trois parties principales. La première d’entre elles présentera de façon détaillée le contexte de cette étude, ses enjeux ainsi que les objectifs que nous nous fixons. Une deuxième partie sera consacrée à la mise en place d’un banc de caractérisation optoélectronique, à sa validation, puis présentera les premiers tests réalisés sur des composants mis en boitier. Le troisième chapitre regroupera quant à lui les différentes caractérisations effectuées sur des photodétecteurs de la technologie PIC25G, nous y montrerons comment les dégradations de performance observées lors de tests de stress réalisés peuvent être expliquées par un modèle physique que nous détaillerons et validerons. Finalement, les perspectives ouvertes par ces travaux seront abordées non seulement par rapport à la problématique de STMicroelectronics mais aussi dans le cadre plus général de la fiabilité des dispositifs optoélectroniques et photoniques intégrés.

Recently, Silicon Photonics has emerged as a solution for the mass manufacturing of optical transceivers addressing datacenter’s needs in terms of increasing data-rate and reduced cost. Several Silicon-Photonics platforms have been demonstrated using standard Si technology. While these platforms differ in many regards, they all lack a solution for a monolithically integrated light source. To solve this problem, the most commonly proposed approach consists in bonding an InP-stack onto a Si-wafer in order to fabricate a Hybrid III-V/Si laser. However, none of those demonstrations have been made with a standard CMOS-BEOL, preventing a proper electronic-photonic integration. To solve the topographical problem induced by the additional layers, a new integration scheme, called Back-Side, has been developed and is presented in this document.First, the context of this study, a state of the art as well as the presentation of the Back-Side is discussed. The innovation brought by this integration, namely the bonding of the III-V on the back side of the SOI after the structuring of the latter, is then detailed.The correct behavior of a key element to the photonic chip, the grating coupler, is then treated through simulations, fabrication and optical characterizations. We have proved that, under specific conditions, this device has the same measured performances in Back-Side and in Front-Side.The principle of an optical oscillator and then the various modules composing the hybrid laser are then detailed. The implemented laser is based on a hybrid DBR (Distributed Bragg Reflector) III-V/Si cavity. In order to increase the mode confinement in the MQWS (Multi Quantum Wells) and hence ensure a high optical gain, the optical mode is gradually transferred between the III-V waveguide and the silicon waveguide of the hybrid laser by adiabatic tapers, patterned on both sides of the gain zone, to finally be reflected by the mirrors DBR in the silicon.Finally, its manufacturing process is explained before its opto-electronic characterizations are presented. The electrically pumped lasers have been tested under continuous-wave current conditions and the generated light has been collected through the grating coupler to a multi-mode fiber. The fiber coupling losses has been measured to be higher than 10 dB. The output power is up to 1.15 mW at an injection current of 200 mA. The lasing threshold is 45 mA which corresponds to a current density of 1.5 kA/cm2 and the series resistance of the laser contacts is approximately 9 . The threshold voltage is 1.45 V.The laser spectra reflect its single-wavelength laser operation, for different injection currents, with a central wavelength corresponding to the Bragg wavelength of the mirrors. A Side Mode Suppression Ratio (SMSR) of more than 35 dB has been measured. A 4 nm wavelength shift has been observed when injecting 20 mA into both metallic heaters above DBRs.The monolithic integration of a fully CMOS compatible hybrid DBR laser on the backside of a SOI wafer being demonstrated for the first time, implementing CMOS compatible electric interconnects and optical sources on a same chip has could be achieved. This device opens the route to a fully integrated optical transceiver on a Si platform., Ces dernières années, la photonique sur silicium est apparue comme une solution prometteuse pour la fabrication en grande série d'émetteurs-récepteurs optiques répondant aux besoins des centres de données en termes d'augmentation du débit et de coûts réduits. Plusieurs plateformes de photonique sur silicium ont été démontrées en utilisant la technologie Si standard. Bien que ces plateformes diffèrent à bien des égards, elles manquent toutes d'une source de lumière intégrée monolithiquement. Pour résoudre ce problème, l'approche la plus couramment proposée consiste à coller un empilement InP sur une plaque SOI afin de fabriquer un laser hybride III-V/Si. Cependant, aucune des démonstrations n'a été réalisée avec un empilement d’interconnexions métalliques BEOL (Back-End Of Line) standard, empêchant ainsi une intégration électronique-photonique appropriée. Pour résoudre le problème topographique posé par cet ajout de couches, un nouveau schéma d'intégration, appelé intégration Back-Side, a été développé et est présenté dans ce document.Tout d'abord, le contexte de cette étude, un état de l’art ainsi que la présentation du Back-Side est abordé. La nouveauté apportée par cette intégration, à savoir le collage du III-V sur la face arrière du SOI après la structuration de celui-ci, y est alors détaillé.Le bon fonctionnement d’un élément essentiel à la puce photonique, le réseau de couplage, est ensuite abordé à travers des simulations, sa fabrication et des caractérisations optiques. Nous avons prouvé que, sous certaines conditions, ce dispositif possède les mêmes performances mesurées en Back-Side qu’en Front-Side.Le principe de fonctionnement d’une cavité oscillante puis les différents modules composants le laser hybride sont détaillés. Le laser étudié est une cavité hybride DBR (Distributed Bragg Reflector) III-V/Si. Afin d'augmenter le confinement du mode dans le MQWs (Multi Quantum Wells) et donc d'assurer un gain optique élevé, le mode optique est progressivement transféré entre le guide III-V et le guide silicium du laser hybride par des épanouisseurs adiabatiques, structurés dans le SOI de part et d’autre de la zone de gain, pour être enfin réfléchi par les miroirs DBR dans le silicium.Enfin, son processus de fabrication est explicité avant que ses caractérisations opto-électroniques ne soient finalement présentées. Les lasers à pompage électrique ont été testés dans des conditions de courant continu et la lumière générée a été collectée à travers un réseau de couplage par une fibre optique externe multimode. Les pertes de couplage ont été mesurées supérieures à 10 dB. La puissance de sortie est de 1,15 mW à un courant d'injection de 200 mA. Le seuil laser est de 45 mA, ce qui correspond à une densité de courant de 1,5 kA / cm2 et la résistance série des contacts laser est d'environ 9 Ω. La tension de seuil est de 1,45 V. Les spectres lasers reflètent un fonctionnement mono-fréquence, pour différents courants d'injection, avec une longueur d'onde centrale correspondant à la longueur d’onde de Bragg des miroirs. Un SMSR (Side Mode Suppression Ratio) de plus de 35 dB a été mesuré, ce qui prouve la bonne pureté spectrale de ce laser. Un décalage de la longueur d'onde de 4 nm a été observé en injectant un courant de 20 mA dans des chaufferettes métalliques au-dessus des DBRs.L'intégration monolithique d'un laser DBR hybride en face arrière d'une plaque SOI, entièrement compatible CMOS, a été démontrée pour la première fois, la mise en place d'interconnexions électriques compatibles CMOS et de sources optiques sur une même puce a pu être réalisée. Ce dispositif ouvre la voie à un émetteur-récepteur optique entièrement intégré sur une plateforme Si.

International audience; A silicon integrated wideband common emitter amplifier driver unit in 55 nm SiGe BiCMOS technology designed for a 60 Gb/s silicon photonic segmented Mach-Zehnder Modulator (SE-MZM) is reported in this paper. It achieves a bandwidth of 42.2 GHz (0.3-42.5 GHz), allowing the transmission of an On-Off Keying (OOK) modulated optical signal on a single optical channel with a data rate of up to 60 Gb/s. For a power consumption of 125 mW, it provides a small signal gain of 18 dB and a single-ended peak-to-peak output voltage swing of up to 1.1 V on a 50 Ω output load. The die active area is as small as 204 x 137 µm2.

International audience; Most of the optical networks-on-chip (ONOCs) architectures proposed so far in the literature rely for their operation on wavelength division multiplexing (WDM). A limitation to the WDM approach for on-chip communications stems from the difficulty of integrating light sources on a silicon CMOS compatible platform. Therefore, to optimise the use of the available lasers, a further dimension inherent to optical communications can be leveraged to implement on-chip networking, namely the spatial (modal) one. In mode-division multiplexing (MDM) techniques, distinct communication channels are allocated, on the same common wavelength, to the various modes of a multi-mode waveguide. While for on-chip WDM networks the awareness on the requirements of functional building blocks is well established, for on-chip MDM systems, on the contrary, the design constraints at both device and system levels are still an open issue of investigation. The aim of this contribution is to explore, by means of analytical (scattering matrix formalism) and numerical (FDTD) tools, the design space of different MDM building blocks.

High quality factor and small modal volume microcavities allow, thanks to a strong light confinement, an enhancement of light matter interactions and the realization of low energy consumption devices for optical signal processing.In this work, we study the coherent excitation of nonlinear photonic crystal resonators, which is achieved by controlling the pulse time-Frequency relation, enabling nonlinear interaction enhancement.A modeling of the intra-Cavity nonlinear dynamics is conducted using the coupled mode theory, underlying the nonlinear refractive effects contribution in the intra-Cavity pulse energy reduction and distortion.We show that an appropriate pulse time-Frequency relation allow to compensate for the cavity resonance frequency shift, and to maintain the benefit of light localization during the entire excitation.The pulse shaper, made of a pulse-Stretcher combined with a spectral filter, has been specifically designed.Preliminary nonlinear characterizations of silicon nanowires enable to determine the shaped pulses parameters.A very first experimental coherent excitation of an optical resonator is reported, leading to a nonlinear interaction enhancement, and to the control of both the optical bandwidth and nonlinear dynamics of the cavity.; Les microcavités à grand facteur de qualité et faible volume modal permettent, grâce à un fort effet de confinement de la lumière, le renforcement des interactions lumière-Matière et la réalisation de futurs dispositifs pour le traitement optique de l’information à faible énergie de commande. Ce travail de thèse traite du fonctionnement de microcavités à cristal photonique en régime d’excitation cohérente, basé sur des impulsions dont la relation temps-Fréquence est contrôlée afin de renforcer les interactions non linéaires intracavité.La modélisation de la dynamique non linéaire de ces cavités à l'aide de la théorie des modes couplés, a permis de mettre en avant le rôle des non-Linéarités réfractives sur la réduction des effets de localisation au cours de l'excitation.Nous proposons alors de contrôler la dynamique du champ intracavité par un contrôle de la relation temps-Fréquence des impulsions.Cette excitation dite cohérente, repose sur la mise en œuvre d'un montage de mise en forme d'impulsions, constitué d'un étireur d'impulsions et d'un dispositif de filtrage spectral.La caractérisation non linéaire de nanoguides en silicium a permis, en complément du modèle, la détermination précise des paramètres des impulsions.Nous avons ensuite réalisé la toute première démonstration expérimentale de l'excitation cohérente de microcavités, menant à la fois à un renforcement des interactions non linéaires et une réduction des distorsions subies par les impulsions transmises par la cavité.

Compact and low energy consumption integrated optical modulator is urgently required for encoding information into optical signals. To that respect, the use of plasmon modes to modulate light is of particular interest when compared to the numerous references describing silicon based optical modulators. Indeed, the high field confinement properties of those modes and the increased sensitivity to small refractive index changes of the dielectric close to the metal can help decrease the characteristic length scales of the devices, towards to that of microelectronics.This thesis investigates the realization of Si field-effect plasmonic modulator integrated with a silicon-on insulator waveguide (SOI-WG) using the standard CMOS technology. The material aspects and also the technological steps required in order to realize an integrated plasmonic modulator compatible with requirements of CMOS technology were investigated. First, we demonstrate a Metal-Nitride-Oxide-Semiconductor (MNOS) stack for applications in electro-optical plasmonic devices, so that a very low optical losses and reliable operation is achieved. This objective is met thanks to a careful choice of materials: (i) copper as a metal for supporting the plasmonic mode and (ii) stoechiometric silicon nitride as an ultrathin low optical loss diffusion barrier to the copper. Final electrical reliability is above 95% for a 3 nm thick Si3N4 layer, leakage current density below 10-8 A.cm-2 and optical losses as low as 0.4 dB.μm-1 for a 13 nm thick insulator barrier, in agreement with the losses of the fundamental plasmonic mode estimated by 3D FDTD calculations, using the optical constant of Cu measured from ellipsometry. After demonstrating the MNOS as an appropriate structure for electro-optical CMOS plasmonics, we fabricate a vertical Metal-Insulator-Si-Metal (MISM) waveguide integrated with an SOI-WG, where the back metal was fabricated by flipping and molecular bonding of the original SOI wafer on a Si carrier wafer. The active device area varies from 0.5 to 3 μm2, 0.5 μm width and length varying from 1 to 6 μm.An efficient and simple way to couple light from Si-WG to vertical MISM PWG was experimentally realized by inserting a Metal-Insulator-Si-Insulator (MISI) coupling section between the two waveguides. We demonstrate that such couplers operates at 1.55 μm with the highest efficiency geometry corresponds to a compact length of 0.5 μm with coupling loss of just 2.5 dB (50 %) per facets. This value is 3 times smaller compared to the case of direct coupling (without any MISI section). High-k dielectrics are demonstrated as promising solution to reduce both the MISM absorption loss and the operation voltage. Given that interest, we experimental demonstrate an electrical reliable high-k stack for future applications to the MOS plasmonic modulators.A few μm long plasmonic modulator is experimentally investigated. Devices show leakage current below 10 fA through the copper electrodes based MOS capacitance. The accumulation capacitance (few fF) was found to scale with the surface of the device, in consistent with the expected equivalent oxide thickness of the MOS stack of our modulator. A low electro-absorption (EA) modulation showing capacitive behaviour was experimentally demonstrated in agreement with simulations. Finally, low energy consumption devices 6 fJ per bit was demonstrated., Dans la réalisation de circuits intégrés hybrides électroniques - photoniques pour les réseaux télécom, les modulateurs intégrés plasmoniques pourront jouer un role essentiel de codage de l'information en signaux optiques. Cette thése montre la réalisation d'une approche modulateur plasmonique a effet de champ, intégrée en silicium en utilisant les technologies CMOS standards. Ce modulateur MOS plasmonique présente diverses propriétés intéressantes, a savoir un confinement optique fort, permettant une augmentation de l'interaction lumiére matiére. Ces modulateurs plasmoniques permettent aussi de réduire l'inadéquation entre la taille des dispositifs en photonique Si et celle de l' électronique, ce qui permet d'envisager une convergence de leur fabrication en technologie VLSI sur une meme puce. Le modulateur étudié dans ce mémoire repose sur l'accumulation de porteurs dans un condensateur MOS a grille cuivre integer dans un guide d'onde en silicium, nécessitant aux technologies front end et back end Cu d etre combinés de quelques nanométres l'une de l'autre. Nous présentons aussi de nouveaux designs pour injecter de la lumiére a partir de guide d'onde SOI dans un guide a nanostructure plasmonique et les mesures d'une modulation électro-optique dans les structures MOS plasmoniques