Design, characterization and integration of a laser scanning system on Silicon Photonics for LIDAR detection applications at 1.55μm
Conception, caractérisation et intégration d'un système de balayage laser en Photonique sur Silicium pour des applications de détection LIDAR à 1.55µm
Résumé
Silicon photonics appears as a potential solution for numerous optical sensor technologies. Initially developed for optical interconnections for data centers, it has relied on the mature manufacturing processes of the CMOS industry for large-scale production at low unit costs. However, the developed components could also be adapted to LiDAR technology, whose use in robotics, automotive, mobile telephony, and other varied disciplines is constantly growing. Faced with commercial and massive LiDARs whose assembly faces high and incompressible costs, silicon photonics has demonstrated the achievement of many miniaturized constituent blocks of a LiDAR since the 2010s. In particular, the optical illumination function of the LiDAR is of increasing interest because it allows replacing a component normally composed of mechanical parts with an optical component co-integrable with the other detection and laser source blocks. In particular, an alternative called "Optical Phased Array" (OPA) would make it possible to direct a directive optical beam towards different positions at very high speed to acquire a three-dimensional video return of its environment over ranges of several tens of meters. The working wavelength would be 1550 nm for its compatibility with silicon components, low atmospheric absorption, and increased eye exposure safety. The first objective of this thesis is to develop an OPA integration scheme on the STMicroelectronics PIC50G photonics platform. Industrial LiDAR specifications from various leading sectors such as autonomous cars or augmented reality on mobile devices were gathered and used to size an ideal OPA. The latter is composed of 1000 photonic antennas, phase-modulated by as many phase modulators, and separated by 1.5 μm to generate a laser beam with a 0.1° angular divergence, which can be repositioned in less than 1 μs for an average power consumption of less than 1W. The main subject of this thesis will then be to propose and optimize phase modulators while implementing OPA prototypes. We will then realize different OPA demonstrators from 16 to 256 antennas using three types of electro-opticalmodulators to compare. We will show in particular that the carrier depletion regime in p-n junctions makes it possible to realize ultra-low-power OPAs of 1 mW, but at the cost of significant optical losses of -17 dB. The roles of doping and heterogeneous integration processes to successively reduce losses to -3 dB and -0.5 dB will be explained and quantified via numerical simulation work and experimental measurements. The latter will allow validating a component very close to the targeted performance with a divergence of 0.16°x0.31°, losses lowered to -8 dB, and a consumption of 123 μW. Finally, to broaden the applications of optical illumination to the visible spectrum in particular, we will propose an architecture and a physical model of a phase modulator based on III-N superlattices exploiting the Kerr effect as a phase modulation phenomenon. We will realize a test vehicle integrated in a ring resonator geometry based on SiN guides and demonstrate a phase-shift efficiency factor 2 lower than industrial PIC50G p-n junctions while raising new axes of in-depth study in the properties of III-N for photonics.
La photonique sur silicium apparaît comme une solution potentielle à de nombreuses technologies de capteurs optiques. Initialement développée pour des interconnexions optiques destinées aux centres de données, elle s’est appuyée sur les procédés de fabrication matures de l’industrie CMOS pour une production à grande échelle et à faibles coûts unitaires. Les composants développés seraient pourtant adaptables à la technologie LiDAR dont l’utilisation dans la robotique, l’automobile, la téléphonie mobile et d’autres disciplines variées ne cesse de croître. Face aux LiDAR commerciaux et massifs dont l’assemblage se heurte à des coûts élevés et incompressibles, la photonique sur silicium a démontré la réalisation de nombreux blocs constitutifs miniaturisés d’un LiDAR depuis les années 2010. En particulier, la fonction d’illumination optique du LiDAR connaît un intérêt croissant car elle permet de remplacer un composant normalement composé de parties mécaniques par un composant optique co-intégrable avec les autres blocs de détection et de source laser. En particulier, une voie appelée "Optical Phased Array"(OPA) permettrait de diriger un faisceau optique directif vers différentes positions à très grande vitesse pour acquérir un retour vidéo tridimensionnel de son environnement sur des portées de plusieurs dizaines de mètres. La longueur d’onde de travail serait de 1550 nm pour sa compatibilité avec les composants silicium, une faible absorption atmosphérique et une sécurité à l’exposition oculaire accrue. Le premier objectif de cette thèse a alors consisté à développer un schéma d’intégration d’un OPA sur la plateforme photonique PIC50G de STMicroelectronics. Les spécifications industrielles de LiDARs issues de différents secteurs phares comme la voiture autonome ou la réalité augmentée sur mobile ont été rassemblées et utilisées pour dimensionner un OPA idéal. Ce dernier est composé de 1000 antennes photoniques, modulées en phase par autant de modulateurs de phase, et séparées de 1.5μm pour générer un faisceau laser de 0.1° de divergence angulaire, pouvant se repositionner en moins d’une μs pour une consommation électrique moyenne de moins de 1W. Le sujet majeur de cette thèse sera alors de proposer et d’optimiser des modulateurs de phase tout en implémentant des prototypes d’OPAs. Différentes versions de 16 à 256 antennes utilisant trois types de modulateurs électro-optiques seront réalisées et comparées. Nous montrerons en particulier que le régime de déplétion de porteurs dans des jonctions p-n permet de réaliser des OPAs à ultra-basse consommation énergétique de 1 mW mais au prix de pertes optiques significatives de -17 dB. Les rôles des dopages puis des procédés d’intégration hétérogène pour réduire successivement les pertes à - 3 dB puis à -0.5 dB seront explicités et quantifiés via des travaux de simulations numériques et des mesures expérimentales. Ces dernières permettront de valider un composant très proche des performances visées avec une divergence de 0.16°x0.31°, des pertes abaissées à -8 dB et une consommation de 123 μW. Enfin, pour élargir les applications de l’illumination optique au spectre visible notamment, nous proposerons une architecture et un modèle physique d’un modulateur de phase basé sur des super-réseaux III-Ns exploitant l’effet Kerr comme phénomène de modulation de phase. Nous réaliserons un véhicule de test intégré en géométrie de résonateur en anneau basé sur des guides SiN et démontrerons un déphasage d’une efficacité d’un facteur 2 inférieur aux jonctions p-n industrielles PIC50G tout en soulevant de nouveaux axes d’approfondissement dans les propriétés des III-Ns pour la photonique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)