Conception et test de composants/circuits photoniques intégrés hybrides InP/Si pour applications LIDAR

par Martin Peyrou

Projet de thèse en Optique et radiofrequences

Sous la direction de Yannis Le Guennec.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Grenoble Images Parole Signal Automatique (laboratoire) et de Communication and Information in Compex Systems (CICS) (equipe de recherche) depuis le 04-11-2019 .


  • Résumé

    La thèse consistera à révéler les potentialités de la technologie photonique sur Si pour les applications LIDAR FMCW. Un premier axe consistera à déterminer l'architecture système du LIDAR FMCW, d'isoler les spécifications critiques des composants impactant les métriques de performance « système » et à analyser théoriquement l'impact de ces spécifications sur ces métriques (portée, résolution spatiale, résolution en vitesse...). Il est attendu de pouvoir relier les performances systèmes avec les caractéristiques en puissance d'émission, bande passante, bruit d'intensité, bruit de phase de la source optique, bande passante et bruit du récepteur. Cette approche théorique sera menée de front avec des premières caractérisations de composants existant chez SCINTIL Photonics, de manière à considérer des gammes de spécifications des composants qui soient réalistes pour l'étude système. Pour mener à bien ces premières caractérisations, le doctorant devra se familiariser avec les mesures du comportement dynamique des sources et récepteurs optiques ainsi qu'avec la caractérisation en bruit des sources et récepteurs optiques. De l'étude « système » émaneront les spécifications pour la modulation FMCW utilisée ainsi que des objectifs de spécifications pour orienter la conception des composants / circuits photoniques sur Si. L'étude de la conception des composants / circuits photoniques sur Si optimisés pour les applications LIDAR conduira à investiguer, en particulier, sur les sources laser à faible bruit d'intensité (< -150 dB/Hz) et à faible bruit de phase (<100 kHz). Ces études pourraient prendre en compte, par exemple, la conception de nouveaux dispositifs InP sur Si présentant des facteurs de qualité des cavités importants, ou des boucles de contre réaction. Les solutions devront être compatibles avec la modulation de fréquence des lasers. Il s'agira aussi, pour le doctorant, de mettre en œuvre le circuit récepteur à partir de composants disponibles à SCINTIL (mixer et photo-détecteur). Une fois l'étape de fabrication des composants photoniques sur Si réalisée, la caractérisation des composants sera menée. Elle permettra, en outre, de vérifier la pertinence des choix de conception des composants. Les caractérisations expérimentales permettront aussi d'alimenter le modèle système afin d'évaluer les performances attendues pour le démonstrateur final. Le test du démonstrateur LIDAR FMCW à base de composants photonique sur Si sera alors réalisé et les résultats confrontés aux performances prédites par le modèle système.

  • Titre traduit

    Design and testing of hybrid InP/Si photonic integrated components/circuits for LIDAR applications


  • Résumé

    The thesis will consist in revealing the potentialities of silicon photonic technology for FMCW LIDAR applications. A first step will consist in determining the system architecture of the FMCW LIDAR, isolating the specifications of the components impacting the "system" metrics performance and theoretically analyzing the impact of these specifications on these metrics (range, spatial resolution, speed resolution...). It is expected to be able to link the system performances with characteristics in transmission power, bandwidth, intensity noise, phase noise of the optical source, bandwidth and receiver noise. This theoretical approach will be conducted in conjunction with characterizations of existing components at SCINTIL Photonics, in order to consider component specifications that are realistic for the system study. To carry out these initial characterizations, the PhD student will need to become familiar with measurements of the dynamic behaviour of optical sources and receivers as well as with the noise characterization of optical sources and receivers. From the "system" study will emerge the specifications for the FMCW modulation used as well as the specification objectives to guide the design of photonic components/circuits on Si. The study of the design of photonic components/circuits on Si optimized for LIDAR applications will lead to the investigation, in particular, of laser sources with low intensity noise (< -150 dB/Hz) and low phase noise (<100 kHz). These studies could take into account, for example, the design of new InP on Si devices with important cavity quality factors, or negative feedback loops. The solutions must be compatible with the frequency modulation of lasers. The PhD student will also implement the receiver circuit from components available at SCINTIL (mixer and photodetector). Once the manufacturing step of the photonic components on Si has been completed, the characterization of the components will be carried out. In particular, it will make it possible to check the relevance of the design choices of the components. The experimental characterizations will also refine the system model in order to evaluate the expected performance of the final demonstrator. The test of the FMCW LIDAR demonstrator based on photonic components on Si will then be carried out and the results will be compared to the performances predicted by the system model.