Etudes de la caractérisation et de la fiabilité d'opto-émetteurs-récepteurs basés sur VCSEL, fonctionnant à 25 Gb/s, pour les systèmes de surveillance de la santé en environnement aéronautique.

par Achille Mambuku

Projet de thèse en Electronique

Sous la direction de Yannick Deshayes et de Laurent Bechou.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système (laboratoire) et de Évaluation des Dispositifs Micro et Nano Assemblés (EDMINA) (equipe de recherche) depuis le 29-11-2018 .


  • Résumé

    1/ Contexte et motivation Cette étude de doctorat fera partie d'un projet européen ("RYTHMS") récemment financé par le programme CLEANSKY2-H2020 (2018-2021) en collaboration avec RADIALL, THALES ALENIA SPACE, AdvEOTec, ALYOTECH France et CMT +. L'objectif principal du projet RYTHMS est de développer des modules d'interconnexion optique multi-gigabits pour des environnements sévères à 25 Gb / s utilisant des technologies VCSEL et photodiodes fonctionnant à 850 nm pour les systèmes, le poste de pilotage et l'avionique de la prochaine génération, ainsi que pour les futurs déploiements dans le secteur spatial. D'une part, le projet consiste à définir, à industrialiser et à qualifier une technologie évoluée d'opto-émetteur-récepteur développée par la société RADIALL en tant que composant essentiel et précieux d'une importance cruciale pour les futures technologies des systèmes de surveillance de la santé et de l'utilisation (HUMS) et à en améliorer la mise à niveau. technologie au niveau de qualité compatible avec les environnements avioniques et spatiaux difficiles à venir, y compris la sélection de matériaux et de composants extrêmement durs. D'autre part, une méthodologie sera mise en œuvre pour industrialiser la configuration d'équipements d'infrastructure modulaire correspondante sur une plate-forme de banc d'essai dédiée, capable de caractériser et de qualifier un nouvel émetteur-récepteur opto-fibre actif à quatre canaux de 1 Gb / s jusqu'à 100 Gb / s capacités. Pour les applications aéronautiques, la surveillance de l'état structurel en service (SHM) est désormais considérée comme une technique essentielle pour évaluer les performances et l'intégrité des structures composites d'aéronefs pour la surveillance in situ en temps réel. Dans un tel contexte, la technologie d'opto-émetteur-récepteur devient un élément essentiel des besoins mis en avant dans les télécommunications aéronautiques, spatiales et terrestres. Le projet «RYTHMS» vise à apporter les avantages de l'optoélectronique aux communications de données aéronautiques et par satellite prenant en charge plusieurs réseaux de charge utile sur une couche physique plus légère et plus modulaire, améliorant ainsi les performances. En particulier, le développement d'un émetteur-récepteur multicanal à haut débit de données (canal de 25 Gb / sper) et du banc de test optique très dédié visant à qualifier et à établir le modèle de fiabilité probabiliste de tels produits et systèmes sera difficile et très novateur par rapport à l'état actuel de l'art. Par le biais d'un consortium complémentaire associant des partenaires industriels et des universitaires, ainsi que de vastes connaissances et de leur savoir-faire dans le domaine des dispositifs et des systèmes de télécommunication optiques de données à haut débit, une plateforme de test générique sera conçue et mise en œuvre pour des caractérisations électro-optiques et un programme optimisé de tests accélérés pour prédire la fiabilité des modules d'émetteur-récepteur optique. 2/ Portée de la proposition de thèse Le réseau de recherche Rhythms associera des tests industriels à la modélisation statistique et à l'analyse physique. Cette contribution conjointe des utilisateurs des constructeurs, des laboratoires d'essais, de l'avionique et de l'espace et de la recherche universitaire permettra de créer une véritable synergie, axée sur le développement d'une nouvelle méthodologie pour la validation des composants dans le secteur aérospatial. IMS Laboratory (Université de Bordeaux) apportera une valeur ajoutée d'un point de vue académique dédié à la mise en œuvre de caractérisations électro-optiques non destructives précises de pièces discrètes ainsi que des architectures finales de l'émetteur-récepteur opto-actif (en cours). et générations avancées). IMS est un centre de recherche reconnu comme l'un des principaux leaders européens en matière d'enquêtes de fiabilité pour les dispositifs au silicium, les dispositifs III-V et les circuits intégrés ciblant diverses applications électroniques et photoniques. Depuis plus de trente ans, IMS a engagé un travail approfondi axé sur de nouvelles approches pour la construction et l'évaluation de la fiabilité des composants électroniques. L'objectif principal est de dériver des indicateurs de défaillance "précoces" et, à l'avenir, d'obtenir des résultats en "simulation" de fiabilité. Bien entendu, le cœur de ce travail reste expérimental, mais les simulations physiques ou fonctionnelles deviennent des étapes de plus en plus essentielles. Ainsi, la modélisation de la fiabilité est désormais reconnue comme un outil pertinent pour la prédiction «fiable» de la distribution des durées de vie. Les travaux de thèse porteront principalement sur la caractérisation et la fiabilité des VCSEL au niveau du dispositif, ainsi que sur les effets des lois de défaillance intrinsèques extraites au niveau du système (liaison optique 4x25 Gb / s) dans des conditions de fonctionnement, en abordant les objectifs suivants: * Grâce à un ensemble de caractérisations électro-optiques, développement de la modélisation compacte des VCSEL utilisés afin d'utiliser des circuits implicites, construits à partir de données de mesure électriques. Ces caractérisations seront effectuées pour extraire les paramètres pertinents au niveau de la puce ainsi que du package. Ces dernières seront ensuite surveillées lors des tests de fiabilité (gérés par AdvEOTec). Des configurations dédiées déjà mises en œuvre chez IMS Lab seront utilisées et des solutions innovantes spécifiquement développées. * En collaboration avec THALES, RADIALL et XLIM (Univ. Limoges), à travers un logiciel commercial dédié, des simulations système seront effectuées pour analyser l'impact des composants défaillants sur les performances globales de la liaison optique en tenant compte des exigences du réseau et de la mise en œuvre des lois de dégradation expérimentale. Ce logiciel offre une vision globale de l'ensemble du système mais avec une description allant jusqu'au niveau de l'appareil, permettant de modifier les paramètres au niveau du système ou au niveau physique. La bibliothèque est volumineuse et il est possible de développer des modèles personnalisés (entrées fournies par les caractérisations électro-optiques) ou d'intégrer des données mesurées provenant des fabricants pour décrire la réponse du périphérique. La mise en œuvre innovante de lois de dégradation liées aux paramètres les plus pertinents (intrinsèques ou extrinsèques) des sources laser à base de VCSEL, ainsi que les modifications des conditions de fonctionnement (température en particulier) seront d'un grand intérêt pour valider les performances et la fiabilité du nouveau émetteur-récepteur opto-fibre actif à quatre canaux pour gérer et transmettre une capacité de signal de 100 Gb / s (4x25 Gb / s) capable de prendre en charge des environnements difficiles. Ces lois de dégradation résulteront de la surveillance de paramètres dédiés lors des tests de fiabilité effectués par AdvEOTec et / ou IMS Lab. Les prévisions de facteurs d'accélération (en fonction des conditions de test) et les calculs statistiques permettront d'extrapoler ces lois de dégradation dans le temps en conditions de fonctionnement afin de les introduire dans nos modèles simulés. (ex. seuil de courant, longueur d'onde centrale, rendement optique ...) même en considérant des dérives expérimentales très faibles (quelques%). D'une manière générale, avec une telle approche, on peut envisager la dégradation d'un dispositif atypique présentant une dégradation importante en fonction du temps. Il sera pertinent d'envisager une représentativité statistique en appliquant la méthodologie à un lot de dispositifs montrant un ensemble de cinétiques mélangeant différents paramètres de dégradation. Un retour attendu sur les plans de test de fiabilité sera donné dans le but d'optimiser des conditions spécifiques et d'aider à déterminer les meilleurs paramètres surveillés. Ces résultats seront d'un grand intérêt pour la validation de l'analyse de conception tenant compte des générations d'opto-émetteur-récepteur actuelles et avancées développées par RADIALL.

  • Titre traduit

    Characterization and reliability investigations of VCSEL-based opto-transceivers operating at 25Gb/s for health monitoring systems in aeronautic environment.


  • Résumé

    1/ Context and motivation This PhD study will take part of a European project (namely “RYTHMS”) recently funded bythe CLEANSKY2-H2020 program(2018-2021)in collaboration with RADIALL, THALES ALENIA SPACE, AdvEOTec, ALYOTECH France and CMT+. The main objective of RYTHMS project is to develop multi-gigabit optical interconnect modules for harsh environment at 25Gb/s using VCSEL and photodiodes technologies operating at 850nm for next generation aircraft systems, cockpit and avionics and prospective deployment in both space industry. On one hand, the project consists in defining, industrializing and qualifying an advanced opto-transceiver technology developed by RADIALL company as the key and invaluable core component of critical importance for the future Health and Usage Monitoring Systems (HUMS) technologies and up-grading its technology to the quality level compatible for future Avionics and harsh Space environment including selection of rad hard materials and components. On the other hand, amethodology will be implemented to industrialize the corresponding modular infrastructuretest equipment setup in a dedicated test bench platform able to characterize and qualify a new active four-channel opto-fiber-transceiver from 1Gb/s and up to 100Gb/s signal capabilities. For aeronautic applications, in-service Structural Health Monitoring (SHM) is a now established as a key technique to assess the performance and the integrity of composite aircraft structures for real-time in situ monitoring. In such acontext, opto-transceiver technology becomes a major building block regarding the highlighted aeronautic, space and ground telecommunication needs. The “RYTHMS”project aims to bring the benefits of optoelectronics to aircraft and satellite data communications supporting multiple payload networks over a lighter and a more modular physical layer, thereby improving performance. Especially, the development of a multi- channel high data rate transceiver (25Gb/sper channel) and the very dedicated optical test bench oriented to qualify and establish the probabilistic reliability model of such products and systems will be challenging and very innovative regarding the current state-of-the-art. Through a complementary consortium involving industrial partners and academics as well as a large knowledge and heritage from their expertise in high data rate optical datacom and telecommunication devices and systems, a generic test bench platform will be designed and implemented to carry out both an extensive set of electro-optical characterizations and an optimized program of accelerated tests to predict the reliability of the optical transceiver modules. 2/ Scope of the PhD proposalRYTHMS will mixindustrial testing with statistical modelling and physical analysis. This joint contribution of manufacturer, test lab, avionic and space end-userswith academic research will build up a real synergy, focused on the development of a new methodology for the component validation regarding the harsh aerospace sector. IMS Laboratory (University of Bordeaux)will bring an added-value from an academic point of view that will be dedicated to implementation of accurate non-destructive electro-optical characterizations of discrete parts as well as the final architectures of the opto-transceiver (current and advanced generations). IMS is a well-recognized research center as one of the main European leaders in reliability investigations for silicon, III-V-based devices and integrated circuits targeting various electronic and photonic applications. Since more than thirty years, IMS has engaged a thorough work focusing on new approaches for the construction and the assessment of electronic components reliability. The main objective is to derive "early" failure indicators and in the future, to obtain results in reliability “simulation”. Of course, the core of this work remains experimental, but physical or functional simulations become more and more essential steps. So,modelling of reliability is now recognized as a relevant tool for “reliable” predictions of lifetimes distribution. The PhD works will mainly focus on VCSELs characterization and reliability at the device level as well as effects of extracted intrinsic failure laws at the system level (4x25Gb/s optical link) in operating conditionsand addressing the following objectives: * Through a set of electro-optical characterizations, compact modelling development of the VCSELs used in order to uses implified circuits, built from electrical measurement data. Such characterizations will be performed to extract relevant parameters at the chip level as well as the package one. These last will be then monitored during reliability testing (managed by AdvEOTec). Dedicated setups already implemented at IMS Lab will be used and innovative ones will be specifically developed. * In collaboration with THALES, RADIALLand XLIM (Univ. Limoges), through a devoted commercial software,system simulations will be performed to analyze the impact of components malfunctioning on the overall performances of the optical link considering network requirements and implementation of experimental degradation laws. This software offers a global vision of the whole system but with a description going up to the device level, allowing to change parameters at the system or at the physical level. The library is sizeable and it is possible to develop custom models (inputs given from the electro-optical characterizations) or to integrate measured data from manufacturers to describe the device response. Innovative implementation of degradation laws related to the most relevant parameters (intrinsic or extrinsic) of the VCSEL-based Laser sources as well as changes in operating conditions (temperature in particular) will be of great interest to validate the performances and the reliability of the new active four-channels opto-fiber-transceiver to manage and transmit 100Gb/s( 4x25Gb/s) signal capability able to support harsh environments. These degradation laws will result from the monitoring of dedicated parameters during reliability testing carried out at AdvEOTec and/or IMS Lab. Acceleration factor predictions(depending on test conditions) and statistic computations will allow to extrapolate these degradation laws over the time in operating conditions in order to introduce them into our simulated models (ex. threshold current, central wavelength, optical efficiency...) even considering very low experimental drifts (few %). Generally, with such an approach, one can consider the degradation of an atypical device presenting a large degradation versus time. It will be relevant to consider a statistical representativeness by applying the methodology to a batch of devices showing a set of kinetics mixing different parameters degradation. An expected feedback on reliability test plans will be given aiming to optimize specific conditions and help in the determination of the best monitored parameters. These results will be of great interest in the validation of the design analysis considering the current and advanced opto-transceiver generations developed by RADIALL.