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

par Zerihun Tegegne

Thèse de doctorat en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Élodie Richalot.

Soutenue le 11-05-2016

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes (laboratoire) et de Electronique- Systèmes de communication et Microsystèmes / ESYCOM (laboratoire) .

Le président du jury était Catherine Algani.

Le jury était composé de Élodie Richalot, Jean-Luc Polleux, Marjorie Grzeskowiak, Mehmet Kaynak, Pascal Chevalier.

Les rapporteurs étaient Laurent Vivien, Stavros Iezekiel.

  • Titre traduit

    SiGe / Si micro-ondes photoniques Phototransistors et interconnexions vers Silicon-base tous les liens optiques


  • Résumé

    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


  • Résumé

    With the recent explosive growth of connected objects, for example in Home Area Networks, the wireless and optical communication technologies see more opportunity to merge with low cost MicroWave Photonic (MWP) technologies. Millimeter frequency band from 57GHz to 67GHz is used to accommodate the very high speed wireless data communication requirements. However, the coverage distance of these wireless systems is limited to few meters (10m). The propagation is then limiting to a single room mostly, due to both the high propagation attenuation of signals in this frequency range and to the wall absorption and reflections. Therefore, an infrastructure is needed to lead the signal to the distributed antennas configuration through MWP technology. Moreover, MWP technology has recently extended to address a considerable number of novel applications including 5G mobile communication, biomedical analysis, Datacom, optical signal processing and for interconnection in vehicles and airplanes. Many of these application areas also demand high speed, bandwidth and dynamic range at the same time they require devices that are small, light and low power consuming. Furthermore, implementation cost is a key consideration for the deployment of such MWP systems in home environment and various integrated MWP application.This PhD deals with very cheap, Bipolar or BiCMOS integrated SiGe/Si MWP devices such as SiGe HPTs, Si LEDs and SiGe LEDs, and focused on the combined integration of mm wave and optoelectronic devices for various applications involving short wavelength links (750nm to 950nm).This research focused on the study of the following points:The better understanding of vertical and lateral illuminated SiGe phototransistors designed in a 80 GHz Telefunken GmbH SiGe HBT technology. We draw conclusions on the optimal performances of the phototransistor. The light sensitive Si substrate and two-dimensional carrier flow effects on SiGe phototransistor performance are investigated. This study helps to derive design rules to improve frequency behavior of the HPT for the targeted applications.For future intra /inter chip hybrid interconnections, we design polymer based low loss microwave transmission lines and optical waveguides on low resistive silicon substrate. It is a step to envisage further Silicon based platforms where SiGe HPT could be integrated at ultra-low cost and high performances with other structures such high-speed VCSEL to build up a complete optical transceiver on a Silicon optical interposer. The polymer is used as dielectric interface between the line and the substrate for electrical interconnections and to design the core and cladding of the optical waveguide.The design, fabrication and characterization of the first on-chip microwave photonic links at mid infrared wavelength (0.65-0.85μm) based on 80 GHz Telefunken GmbH SiGe HBT technological processes. The full optical link combines Silicon Avalanche based Light Emitting Devices (Si Av LEDs), silicon nitride based waveguides and SiGe HPT. Such device could permit hosting microfluidic systems, on chip data communication and bio-chemical analysis applications


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