Etude et réalisation de liens optiques hétérogènes à base de semiconducteurs III-V reportés du Silicium

Fabien Mandorlo

Description

Sous la direction de Pierre Viktorovitch
Thèse soutenue le 27 novembre 2009: Ecole centrale de Lyon
Afin de poursuivre la croissance imposée par la loi de Moore, les circuits numériques deviennent de plus en plus parallèles, avec un nombre important d’unités de calcul distinctes. L’utilisation de l’optique peut s’avérer intéressante pour leur assurer une bande passante élevée. Au contraire, les liens traditionnels (électriques) commencent à montrer leurs limites en terme de consommation par unité d’information échangée. Dans un tel contexte, il est alors nécessaire de développer des interconnexions optiques dont les procédés de fabrication restent compatibles avec le standard CMOS. Si le transport de la lumière est aisé à obtenir au voisinage de 1.55 μm avec le couple Silicium/Silice, l’obtention de sources LASER est nettement plus difficile puisque le silicium (gap indirect) ne permet pas de réaliser le gain optique requis. Une solution consiste alors à reporter par collage moléculaire des vignettes de composés à base de semi-conducteurs III-V.Dans cette thèse, nous nous intéresserons uniquement à une source bien particulière, basée sur les modes de galerie (WGM) dans les résonateurs à symétrie circulaire, de quelques micromètres de rayon. Nous verrons comment tirer profit des éléments a priori perturbateurs que sont les contacts électriques (absorbants) de sorte à diminuer le seuil LASER. La mise en place d’un modèle semianalytique permet d’obtenir un dimensionnement ultra-rapide de la source monolithique obtenue, en optimisant la géométrie et la position des électrodes de contact. La collection de la lumière dans un guide par couplage évanescent donne lieu à de complexes interactions. Là encore, une modélisation à partir de la théorie des modes couplés a permis d’en comprendre les rouages, et d’en tirer profit. Le guide lui-même peut alors servir à favoriser une seule et unique longueur d’onde d’émission. Avec des éléments actifs situés à proximité de ces guides, on peut même obtenir une source ultra-compacte et modulable dont on contrôle la longueur d’onde d’émission par un élément extérieur au LASER. La dernière partie de cette thèse fournit des résultats expérimentaux, obtenus avec une chaine pilote sur des wafers 200 mm (CEA LETI) en se limitant à des procédés CMOS. On démontre donc la faisabilité des sources proposées dans les chapitres précédents ainsi que la possibilité de les intégrer un lien optique complet (source, routage et détection).
-Laser
-Microdisque
-Modes de galerie
-Méthode perturbative
-Photonique
-Silicium
-Cmos
-Lien optique
-Absorption
-Couplage
-Interconnexions
To follow the evolution imposed by Moore’s law, digital circuits are becoming more and more parallelized with a large number of independent computational units. Optics may be used to provide them the necessary very high bandwidth, as traditional electrical links begin to suffer from their high consumption per transferred bit. In such cases, developing CMOS compatible optical interconnects can be necessary. If light transport around wavelength 1.55 μm is quite easily obtained thanks to the Silicon/Silica couple, obtaining laser sources is much more difficult because silicon (indirect gap) can not be used to provide optical gain. An alternate solution consists in using molecular bonding of III-V semiconductor based dies onto silicon wafers. In this thesis, we only focus on a very specific source based on Whispering Galery Modes (WGM) inresonators with circular symmetry, with a few micrometers radius. We will see how to take advantage of perturbative elements such as the electrical contacts (necessary absorbing) to decrease the lasing threshold. The use of a semi analytical model provides ultra fast design of these monolithic source, optimizing the the geometry and position of the contacting electrodes. Light collection in an optical waveguide by evanescent coupling to the source leads to complexinteractions. Modelling them from Coupled Mode Theory demonstrates how it works, and how to take advantage of them to control the lasing wavelength. The optical waveguide itself can then be used to promote a single wavelength emission. Laying out active elements around the collecting waveguide, one can get modulated and ultra-compact sources for wavelength tuning or mode hoping applications, with an external active control. The last part of this thesis provides experimental results obtained with a 200 mm pilot line at CEALETI, using CMOS compatible processes. Feasibility of the sources suggested in the previous chapters is demonstrated with their integration in a complete optical link (source, routing and detection).
Source: http://www.theses.fr/2009ECDL0025/document

Sujets

• Photonique
• Silicium
• Complementary metal oxide semi-conductor
• Couplage

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 60
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 41 Mo

Extrait

N o d’ordre 2009-25

THESE

pour obtenir le grade de

Docteur de l’Ecole Centrale de Lyon

présentée et soutenue publiquement le 27 Novembre 2009

par

Fabien MANDORLO Ingénieur ECL

Année 2009

Etude et réalisation de liens optiques hétérogènes à base de semiconducteurs III-V reportés sur Silicium

Composition du jury Directeur de thèse : VIKTOROVITCH, Pierre Directeur de Recherche CNRS Rapporteurs : VIVIEN, Laurent Chargé de Recherche CNRS (HDR) PARRIAUX, Olivier Professeur Examinateurs : FEDELI, Jean-Marc Ingénieur CEA ROJO ROMEO, Pedro Maître de Conférences PAVESI, Lorenzo Professeur

Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL) - CNRS UMR 5270

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Personnes habilitées à diriger des recherches à l’Ecole Centrale de Lyon

Nom-PrénomCorps/grade (àdéfaut La d b é o p r a a r t t o e ir m e entECL) Etablissement AURIOL Philippe Professeur AMPERE ECL BAILLY Christophe Professeur LMFA ECL BENAYOUN Stéphane Professeur LTDS ECL BEROUAL Abderrahmane Professeur AMPERE ECL BERTOGLIO Jean-Pierre Directeur de recherche LMFA CNRS/ECL BLANC-BENON Philippe Directeur de recherche LMFA CNRS/ECL BOGEY Christophe Chargé de recherche LMFA CNRS/ECL BURET François Maître de conférences AMPERE ECL CALLARD Anne-Ségolène Maître de conférences INL ECL CAMBON Claude Directeur de recherche LMFA CNRS/ECL CAMBOU Bernard Professeur LTDS ECL CARRIERE Philippe Chargé de recherche LMFA CNRS/ECL CHAMPOUSSIN J-Claude Professeur émérite LMFA ECL CHEN Liming Professeur LIRIS ECL CLOAREC Jean-Pierre Maître de conférences INL ECL COMTE-BELLOT genevièvre Professeur émérite LMFA ECL COQUILLET Bernard Maître de conférences LTDS ECL DANESCU Alexandre Maître de conférences LTDS ECL DAVID Bertrand Professeur ICTT ECL FERRAND Pascal Directeur de recherche LMFA CNRS/ECL FOUVRY Siegfrid Chargé de recherche LTDS CNRS/ECL GAFFIOT Frédéric Professeur INL ECL GAGNAIRE Alain Maître de conférences INL ECL GALLAND Marie-Annick Maître de conférences LMFA ECL GARRIGUES Michel Directeur de recherche INL CNRS/ECL GENDRY Michel Directeur de recherche INL CNRS/ECL GEORGES Jean-Marie Professeur émérite LTDS ECL GODEFERD Fabien Chargé de recherche LMFA CNRS/ECL GRENET Geneviève Directeur de recherche INL CNRS/ECL GUERRET Chrystelle Chargé de recherche LTDS CNRS/ECL Suite sur la page suivante

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Nom-PrénomCorps/grade (àdéfaut La d b é o p r a a r t t o e ir m e entECL) Etablissement GUIRALDENQ Pierre Professeur émérite DER STMS ECL HELLOUIN Yves Maître de conférences DER EEA ECL HENRY Daniel Directeur de recherche LMFA CNRS/ECL HERTZ Dominique PAST LTDS ECL HOLLINGER Guy Directeur de recherche INL CNRS/ECL ICHCHOU Mohamed Maître de conférences LTDS ECL JAFFREZIC-RENAULT Nicole Directeur de recherche AMPERE CNRS/ECL JEANDEL Denis Professeur LMFA ECL JEZEQUEL Louis Professeur LTDS ECL JOSEPH Jacques Professeur INL ECL JUVE Daniel Professeur LMFA ECL JUVE Denyse Ingénieur de recherche LTDS ECL KAPSA Philippe Directeur de recherche LTDS CNRS/ECL KRÄHENBÜHL Laurent Directeur de recherche AMPERE CNRS/ECL KRAWCZYK Stanislas Directeur de recherche INL CNRS/ECL LE BOT Alain Chargé de recherche LTDS CNRS/ECL LE HELLEY Michel Professeur DER EEA ECL LE RIBAULT Catherine Chargée de recherche LMFA CNRS/ECL LEBOEUF Francis Professeur LMFA ECL LOHEAC Jean-Pierre Maître de conférences ICJ ECL LOUBET Jean-Luc Directeur de recherche LTDS CNRS/ECL MAITRE Jean-François Professeur émérite ICJ ECL MARION Martine Professeur ICJ ECL MARTELET Claude Professeur AMPERE ECL MARTIN Jean-Michel Professeur LTDS ECL MARTIN Jean-René Professeur émérite INL ECL MATHIA Thomas Directeur de recherche LTDS CNRS/ECL MAZUYER Denis Professeur LTDS ECL MOUSSAOUI Mohand Professeur ICJ ECL MUSY François Maître de conférences ICJ ECL NICOLAS Alain Professeur AMPERE ECL NICOLAS Laurent Directeur de recherche AMPERE CNRS/ECL O’CONNOR Ian Maître de conférences INL ECL PERKINS Richard Professeur LMFA ECL PERRET-LIAUDET Joël Maître de conférences LTDS ECL PHANER-GOUTORBE Magali Professeur INL ECL ROBACH Yves Professeur INL ECL ROGER Michel Professeur LMFA ECL ROUY MIRONESCU Elisabeth Professeur ICJ ECL SALVIA Michelle Maître de conférences LTDS ECL SCOTT Julian Professeur LMFA ECL SEASSAL Christian Chargé de recherche INL CNRS/ECL SHAO Liang Chargé de recherche LMFA CNRS/ECL SIDOROFF François Professeur LTDS ECL SIMOENS Serge Chargé de recherche LMFA CNRS/ECL SIMONET Pascal Chargé de recherche AMPERE CNRS/ECL SINOU Jean-Jacques Maître de conférences LTDS ECL SOUTEYRAND Eliane Directeur de recherche INL CNRS/ECL STREMSDOERFER Guy Professeur LTDS ECL TARDY Jacques Directeur de recherche INL CNRS/ECL THOMAS Gérard Professeur AMPERE ECL THOUVEREZ Fabrice Professeur LTDS ECL TREBINJAC Isabelle Maître de conférences LMFA ECL TREHEUX Daniel Professeur LTDS ECL Suite sur la page suivante

Nom-Prénom

VANNES André-Bernard VIKTOROVITCH Pierre VINCENT Léo VOLLAIRE Christian ZINE Abdel-Malek

Corps/grade

Professeur émérite Directeur de recherche Professeur Maître de conférences Maître de conférences

(à

Laboratoire défaut département ECL) LTDS INL DER STMS AMPERE ICJ

Etablissement ECL CNRS/ECL ECL ECL ECL

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"Il faut comprendre comment fonctionnent les choses. Un troll doit être curieux de tout, même quand ça ne se mange pas."

(Troll de Troy, Arleston & Mourier)

c  MC PRODUCTIONS / ARLESTON / MOURIER

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Remerciements

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Voici venu le temps de coucher les derniers mots pour clore cet épisode de ma vie. Voici aussi venu celui de tourner la page et de continuer à parcourir le chemin de la recherche. Cette fois, c’est avec un riche bagage que je prends ce nouveau départ. Par certains côtés, ce sera une continuité, dans cette quête de la compréhension du monde qui nous entoure. Par d’autres, de nouveaux horizons à découvrir, avec, désormais, une solide expérience transmise par ceux qui m’ont entouré. Ceux qui ont compté ont été si nombreux qu’il m’a été difficile d’écrire ces derniers mots sans oublier personne, ou certaines anecdotes que j’ai pu vivre à leurs côtés. Qu’ils ont pu avoir du mal à venir, ces derniers mots ! J’espère n’avoir oublié personne ! Alors, bien sûr, je commencerai par remercier Guy Hollinger, directeur du LEOM, puis de l’INL, pour m’avoir accueilli dans son laboratoire, dans une équipe dynamique. De même, cette thèse n’aurait pas pu voir le jour sans l’implication de Jean Marc Fedeli du CEA-LETI. Et puis, pour son sens critique particulièrement aigü, il y a aussi mon directeur de thèse, Pierre Viktorovitch, dit "Totor" pour les intimes. Encore que " τ tor " serait peut-être plus adapté, tant la durée de vie de ses remarques est grande ! Bien sûr, Pedro a joué un rôle essentiel dans ces travaux de thèses. Plus qu’un modèle, c’est un peu un "père scientifique", le premier exemple du chercheur accompli qui me vienne à l’esprit. Jamais à court d’idées, volontaire pour participer à différents projets, j’ai encore bien du mal à réaliser comment tu parviens à avoir autant d’activités de recherche et d’enseignement tout en n’omettant pas le côté culturel, entre lectures, photo, cinéphilie, voyages... Combien de fois j’ai pu apprécier de discuter de nos nouvelles idées, ton esprit toujours aussi prolifique et voir les solutions se dessiner en échangeant nos points de vues. J’espère vraiment que je me montrerai aussi inspiré que toi dans ma carrière de chercheur, avec un sens physique aussi bon. Ces discussions, souvent "de fin de journée", nous les avons aussi souvent partagées avec un autre acolyte, Xavier. Que j’ai pu m’amuser à lui poser des "questions débiles", qui finalement, je l’espère, ne l’ont pas été tant que ça ! Enfin, il y a aussi ses petites démonstrations "de la mort"... en deux lignes, deux équations, un petit Δ truc qu’on relie en deux secondes à Δ machin , et hop, le tour est joué, c’était tout simple. Ces quelques raisonnements, c’est un peu comme un retour en prépa... avec les mains, on sent les choses, reste à montrer simplement qu’on a raison, et à ce petit jeu, je reconnais que j’ai tendance à systématiquement repartir en me disant "mais c’est bien sûr !". Et puis, il y a aussi Régis, toujours discret, mais avec des idées intéressantes, le souci de l’exactitude. Le plus drôle, c’est que nous avons souvent pris des problèmes par des bouts différents, et ce sont nos longues discussions devant de nombreux gribouillis sur un tableau complètement recouvert de grigris qui ont fait converger nos analyses. Que c’est bon, ces moments de réflexion ! Bien sûr, il y a aussi Michel Garrigues, véritable Géo Trouvetou et Touchatou. C’est à chaque fois tellement instructif de converser avec toi ! Combien de futilités scientifiques au regard de l’électronique j’ai pu apprendre de ta part, et combien de fois la physique qui s’y cachait était inattendue ! Lorsqu’on est curieux, c’est vraiment un réel plaisir que d’apprendre sur tout et n’importe quoi, de la richesses de tes nombreuses expériences dans tous les domaines. Que dire aussi de l’équipe en place ? Plein de compliments, aussi bien pour les personnels scien- tifiques avec qui j’ai eu à résoudre et comprendre des phénomènes physiques, que pour l’équipe technique autour des activités de la salle blanche. Sans vous, Pierre et Radeck, il est certain que les résultats scientifiques seraient bien moindres. Vous êtes les garants de nos productions scientifiques, et ceux qu’on a tendance à oublier. Alors, cette fois, vous aurez une bonne place, car elle se justifie ! Grâce à vous, les moyens dont on dispose sont rapidement réparés en cas de panne, et vous êtes toujours à l’écoute de nos besoins de chercheur. Et puis, il y a aussi le soutien de Laurent pour les

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soucis informatiques : je le sais bien, tu n’as pas le temps de chômer avec l’administration de nos clusters de calculs. Sans eux, on ne pourrait pas éprouver nos idées, alors tu n’imagines pas à quel point tu es essentiel pour mettre au point nos composants "de demain" et laisser libre court à notre imagination. Et puis, en plus de l’équipe "composant" (Xavier, Pedro, Pierre, Ali...), de celle du "système" (Fabien "FMi", David, Ian...), il y a aussi les nombreuses personnes (parfois les mêmes d’ailleurs) qui enseignent à l’Ecole Centrale et qui m’ont donné les ficelles du métier. Parmi ces gens là, il y a surtout Fabien, David, Claude et Jean-Paul qui m’ont ouvert les yeux sur des détails pédagogiques. L’enseignement est aussi une activité à part entière, à mon sens une des plus nobles. Quel dommage que nos étudiants ne soient pas un peu plus curieux des choses ! Mais bon, ne nous plaignons pas, ils ont aussi d’autres qualités. J’espère simplement trouver le juste équilibre entre la recherche et l’enseignement. Viennent bien sûr les habitants du bâtiment F7 vivant à différentes altitudes. Certains dans les hautes sphères du quatrième étage, d’autres, plus près du sol, au rez de chaussée : les uns pour les soucis de caractérisation, d’autres pour fournir du matériau... J’aurais aussi voulu remercier ceux qui sont déjà repartis, thésards pour certains, ingénieurs de recherche pour d’autres. Parmi eux, il y aura bien sûr Romain pour son sérieux : je suis certain que tu aurais pu passer une thèse, que tu en avais toutes les qualités ! Il y a eu aussi Salim, parti pour Grenoble. Evidement, je ne pourrais omettre Lydie, devenue une amie après m’avoir supporté : la cohabitation n’a pas toujours été facile, mais j’en redemande ! J’ai beaucoup aimé travailler dans ce même bureau (désormais plus "maudit"), et j’ai tellement apprécié nos échanges. J’espère vraiment que nous aurons l’occasion de travailler ensemble, tout comme avec Pat. Ha là là, ce Patrick... trop gentil ! Mais lui aussi, c’est bien plus qu’un simple colocataire de bureau. J’ai aussi apprécié les membres du jury, pour la discussion que nous avons pu mener, mais aussi pour celles que j’ai pu avoir en d’autres circonstances, comme lors de conférences. En dehors du contexte du laboratoire, et de la vie scientifique, il me faut aussi mentionner ma famille, mon frère et sa copine, pour leur soutien, leur patience. Combien de fois je ne vous ai pas ménagés ? Combien de fois je vous ai fait passer au second plan alors même que vous répondiez toujours présents ! Plus fraîchement entrée dans ma vie, il y a aussi Marie Laure : alors même que je ne m’y attendais pas, j’ai croisé ton chemin. Nous n’en sommes qu’au balbutiement de notre relation, mais je la sens prometteuse. Enfin, de là haut, grand mère, j’espère que tu es fière de voir tes petits fils avancer dans leurs études, toi qui n’a pas pu en faire et que la vie n’a pas épargnée. Quand bien même j’aurais oublié quelqu’un, encore merci à tous ceux et celles avec qui j’ai échangé et partagé de bons moments pendant ces quatre années ! Si je suis docteur, c’est aussi grâce à vous tous !