Jury :

• Emmanuel DUBOIS, DR1, CNRS, Directeur de thèse
• Delphine MARRIS-MORINI, Professeur des Universités, Université Paris Saclay / C2N, Rapporteur
• Taha BENYATTOU, Directeur de Recherche, INSA Lyon / INL-CNRS, Rapporteur
• Jean-Emmanuel BROQUIN, Professeur des Universités, Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG), CoDirecteur de thèse
• Sylvie MENEZO, CEO, SCINTIL Photonics, Examinateur
• Moritz SEYFRIED, R&D Manager, ficonTEC, Examinateur
• Peter O’BRIEN, Head of Photonics Packaging – Adjunct Professor, Tyndall National Institute, Examinateur
• Cédric DURAND, Ingénieur, STMicroelectronics, Examinateur

Summary:

Le trafic de données interne aux datacenters a connu une croissance exponentielle ces dernières années avec une mise sous pression permanente de la capacité de stockage, du débit et du temps de latence. Une conséquence directe de cette course à la performance est l’amélioration inexorable des technologies d’interconnexion pour répondre à cette demande. Dans la recherche de communications à fibre optique à faible coût pour les datacenters, la photonique sur silicium, une technologie électro-optique dérivée des technologies CMOS standard, apparaît comme une solution prometteuse pour réduire la consommation d’énergie, améliorer les débits de données des liaisons optiques tout en restant économiquement rentable. Bien que les procédés technologiques associés aux plateformes CMOS puissent être judicieusement exploités pour l’intégration monolithique de fonctions optiques extrêmement denses et performantes, la photonique sur silicium présente néanmoins des contraintes de packaging supplémentaires liées à l’interfaçage avec les fibres optiques d’entrée/sortie. Ces contraintes d’assemblage entrainent un accroissement substantiel du coût des émetteurs-récepteurs optiques à base de puces photoniques silicium et compliquent la mise en œuvre de technologies telles que le multiplexage en longueur d’onde à bas coût (CWDM).

L’objectif premier de cette thèse est d’étudier et développer une version bas coût d’interposeur embarquant des fonctions électriques et optiques intégrés à un substrat de verre. L’ambition consiste à réaliser l’assemblage passif complet d’un émetteur-récepteur CWDM basé sur la technologie photonique sur silicium PIC25G de STMicroelectronics.
En premier lieu, ce travail propose la conception des principales fonctions élémentaires intégrée à l’interposeur, à savoir, des guides d’ondes monomodes, des structures de couplage vertical et des lignes de transmission hautes fréquences. Dans un second temps, un procédé de fabrication, principalement basé sur l’ablation laser femtoseconde, a été développé afin d’intégrer ces fonctions sur un substrat de verre sur lequel une puce PIC25G peut être interfacées. Enfin, la fonctionnalité de l’interposeur et de l’assemblage complet a été démontrée au travers d’un travail détaillé de caractérisations électriques, optiques et mixtes.

Nous avons fabriqué un interposeur intégrant des guides d’ondes multimodes avec des pertes de propagation <6 dB / cm à 1310 nm, des lignes de transmission coplanaires avec des pertes d’insertion de 3 dB / cm à 60 GHz, des miroirs de redirection du signal optique et l’ensemble du routage électrique et optique permettant de tester la détection et la modulation de la lumière par la puce PIC25G. Nous avons réalisé l’assemblage de la puce PIC25G sur l’interposeur en utilisant une technique classique de flip-chip et avons validé le couplage optique entre les guides d’ondes en polymère de l’interposeur et les guides d’ondes sur substrat silicium-sur-isolant (SOI) de la puce PIC25G grâce à la mesure du photo-courant d’une photodiode SiGe intégrée dans la puce photonique.

Abstract:

Data traffic inside data centers has grown exponentially in recent years, with a constant pressure storage capacity, data rate and latency. A direct consequence of this race for performance is the persistent improvement in interconnect technologies to meet this demand. In the search for higher data rate and lower cost optical fiber communications for data centers, silicon photonics, an electro-optical technology derived from standard CMOS technologies, appears as a promising solution to reduce power consumption and enhance data rates of optical links while remaining economically viable. Despite leveraging most of the developments around the CMOS platform, Silicon photonics presents additional packaging constraints related to the interfacing of input/output optical fiber. These packaging constraints induce a substantial increase of silicon photonics bases optical transceivers cost and complicates the implementation of technologies such as coarse wavelength division multiplexing (CWDM).

The purpose of this thesis is to study and develop a low-cost interposer made on a glass substrate implementing both electrical and optical functions with the ambition to perform a complete passive assembly of a CWDM transceiver based on STMicroelectronics PIC25G silicon photonic technology.
Firstly, this work proposes to design the interposer main components, namely, single mode waveguides, vertical coupling structures and high frequency transmission lines. Then, a fabrication process mainly relying on femtosecond laser ablation that allow to implement these components on a glass substrate as well as the assembly with an existing PIC25G chip is developed. Finally, the interposer and the complete assembly functions are demonstrated through detailed electrical, optical and hybrid characterizations.

We fabricated an interposer implementing multimode waveguides with propagation losses < 6dB/cm at 1310 nm, coplanar transmission lines with insertion losses of 3 dB/cm at 60 GHz, slanted TIR mirrors and all the electrical and optical routing allowing to test the detection and modulation of light by the PIC25G chip. We achieved the assembly of the PIC25G chip over the interposer using the conventional flip-chip technique and demonstrated an optical coupling between the polymer waveguide interposer and the silicon-on-insulator waveguide of the PIC25G chip through the measurement of the photo-current of an SiGe photodiode embedded in the silicon photonic chip.