La photonique du silicium a connu un développent massif pendant les dix derniers années. Presque toutes les briques technologiques de base ont été réalisées et ont démontrées des performances remarquables. Cependant, le manque d'une source laser intégrée en silicium a conduit les chercheurs à développer de composants basés sur l'intégration entre le silicium et les matériaux III-V.Dans cette thèse je décris la conception, la fabrication et la caractérisation des lasers hybrides III-V sur silicium basés sur cette intégration. Je propose un coupleur adiabatique qui permet de transférer intégralement le mode optique du guide silicium au guide III-V. Le guide actif III-V au centre du composant fourni le gain optique et les coupleurs, des deux cotés, assurent le transfert de la lumière dans les guides silicium.Les lasers mono longueur d'onde sont des éléments fondamentaux des communications optiques. Je décris les différentes solutions permettant d'obtenir un laser mono-longueur d'onde hybride III-V sur silicium. Des lasers mono longueur d'onde ont été fabriqués et caractérisés. Ils démontrent un seuil de 21 mA, une puissance de sortie qui dépasse 10 mW et une accordabilité de 45 nm. Ces composants représentent la première démonstration d'un laser accordable hybride III-V sur silicium.

Ces dernières années, la photonique sur silicium est apparue comme une solution prometteuse pour la fabrication en grande série d'émetteurs-récepteurs optiques répondant aux besoins des centres de données en termes d'augmentation du débit et de coûts réduits. Plusieurs plateformes de photonique sur silicium ont été démontrées en utilisant la technologie Si standard. Bien que ces plateformes diffèrent à bien des égards, elles manquent toutes d'une source de lumière intégrée monolithiquement. Pour résoudre ce problème, l'approche la plus couramment proposée consiste à coller un empilement InP sur une plaque SOI afin de fabriquer un laser hybride III-V/Si. Cependant, aucune des démonstrations n'a été réalisée avec un empilement d’interconnexions métalliques BEOL (Back-End Of Line) standard, empêchant ainsi une intégration électronique-photonique appropriée. Pour résoudre le problème topographique posé par cet ajout de couches, un nouveau schéma d'intégration, appelé intégration Back-Side, a été développé et est présenté dans ce document.Tout d'abord, le contexte de cette étude, un état de l’art ainsi que la présentation du Back-Side est abordé. La nouveauté apportée par cette intégration, à savoir le collage du III-V sur la face arrière du SOI après la structuration de celui-ci, y est alors détaillé.Le bon fonctionnement d’un élément essentiel à la puce photonique, le réseau de couplage, est ensuite abordé à travers des simulations, sa fabrication et des caractérisations optiques. Nous avons prouvé que, sous certaines conditions, ce dispositif possède les mêmes performances mesurées en Back-Side qu’en Front-Side.Le principe de fonctionnement d’une cavité oscillante puis les différents modules composants le laser hybride sont détaillés. Le laser étudié est une cavité hybride DBR (Distributed Bragg Reflector) III-V/Si. Afin d'augmenter le confinement du mode dans le MQWs (Multi Quantum Wells) et donc d'assurer un gain optique élevé, le mode optique est progressivement transféré entre le guide III-V et le guide silicium du laser hybride par des épanouisseurs adiabatiques, structurés dans le SOI de part et d’autre de la zone de gain, pour être enfin réfléchi par les miroirs DBR dans le silicium.Enfin, son processus de fabrication est explicité avant que ses caractérisations opto-électroniques ne soient finalement présentées. Les lasers à pompage électrique ont été testés dans des conditions de courant continu et la lumière générée a été collectée à travers un réseau de couplage par une fibre optique externe multimode. Les pertes de couplage ont été mesurées supérieures à 10 dB. La puissance de sortie est de 1,15 mW à un courant d'injection de 200 mA. Le seuil laser est de 45 mA, ce qui correspond à une densité de courant de 1,5 kA / cm2 et la résistance série des contacts laser est d'environ 9 Ω. La tension de seuil est de 1,45 V. Les spectres lasers reflètent un fonctionnement mono-fréquence, pour différents courants d'injection, avec une longueur d'onde centrale correspondant à la longueur d’onde de Bragg des miroirs. Un SMSR (Side Mode Suppression Ratio) de plus de 35 dB a été mesuré, ce qui prouve la bonne pureté spectrale de ce laser. Un décalage de la longueur d'onde de 4 nm a été observé en injectant un courant de 20 mA dans des chaufferettes métalliques au-dessus des DBRs.L'intégration monolithique d'un laser DBR hybride en face arrière d'une plaque SOI, entièrement compatible CMOS, a été démontrée pour la première fois, la mise en place d'interconnexions électriques compatibles CMOS et de sources optiques sur une même puce a pu être réalisée. Ce dispositif ouvre la voie à un émetteur-récepteur optique entièrement intégré sur une plateforme Si. / Recently, Silicon Photonics has emerged as a solution for the mass manufacturing of optical transceivers addressing datacenter’s needs in terms of increasing data-rate and reduced cost. Several Silicon-Photonics platforms have been demonstrated using standard Si technology. While these platforms differ in many regards, they all lack a solution for a monolithically integrated light source. To solve this problem, the most commonly proposed approach consists in bonding an InP-stack onto a Si-wafer in order to fabricate a Hybrid III-V/Si laser. However, none of those demonstrations have been made with a standard CMOS-BEOL, preventing a proper electronic-photonic integration. To solve the topographical problem induced by the additional layers, a new integration scheme, called Back-Side, has been developed and is presented in this document.First, the context of this study, a state of the art as well as the presentation of the Back-Side is discussed. The innovation brought by this integration, namely the bonding of the III-V on the back side of the SOI after the structuring of the latter, is then detailed.The correct behavior of a key element to the photonic chip, the grating coupler, is then treated through simulations, fabrication and optical characterizations. We have proved that, under specific conditions, this device has the same measured performances in Back-Side and in Front-Side.The principle of an optical oscillator and then the various modules composing the hybrid laser are then detailed. The implemented laser is based on a hybrid DBR (Distributed Bragg Reflector) III-V/Si cavity. In order to increase the mode confinement in the MQWS (Multi Quantum Wells) and hence ensure a high optical gain, the optical mode is gradually transferred between the III-V waveguide and the silicon waveguide of the hybrid laser by adiabatic tapers, patterned on both sides of the gain zone, to finally be reflected by the mirrors DBR in the silicon.Finally, its manufacturing process is explained before its opto-electronic characterizations are presented. The electrically pumped lasers have been tested under continuous-wave current conditions and the generated light has been collected through the grating coupler to a multi-mode fiber. The fiber coupling losses has been measured to be higher than 10 dB. The output power is up to 1.15 mW at an injection current of 200 mA. The lasing threshold is 45 mA which corresponds to a current density of 1.5 kA/cm2 and the series resistance of the laser contacts is approximately 9 . The threshold voltage is 1.45 V.The laser spectra reflect its single-wavelength laser operation, for different injection currents, with a central wavelength corresponding to the Bragg wavelength of the mirrors. A Side Mode Suppression Ratio (SMSR) of more than 35 dB has been measured. A 4 nm wavelength shift has been observed when injecting 20 mA into both metallic heaters above DBRs.The monolithic integration of a fully CMOS compatible hybrid DBR laser on the backside of a SOI wafer being demonstrated for the first time, implementing CMOS compatible electric interconnects and optical sources on a same chip has could be achieved. This device opens the route to a fully integrated optical transceiver on a Si platform.

La demande sans cesse croissante des besoins des télécommunications a mis en relief les limites intrinsèques de l’électronique. La photonique s’est révélée comme une solution appropriée à ses limitations. STMicroelectronics a développé une plateforme photonique sur silicium dénommée PIC25G permettant une transmission monocanale à 25 Gb/s. Cependant, l’augmentation du débit avec du multiplexage en longueur d’onde (WDM) se heurte à certaines contraintes. La solution suggérée repose sur une approche hybride intégrant la photonique sur silicium et sur verre par échange d’ions développée au laboratoire IMEP LaHC. La solution consiste en un interposeur verre sur lequel est assemblée une puce photonique sur silicium. Les études ont d’abord porté sur les composants de la puce silicium en particulier sur l’optimisation des coupleurs à réseau et les multiplexeurs à base d’interféromètres de Mach Zehnder cascadés. Ensuite, les composants passifs optiques et électriques de l’interposeur verre ont aussi été étudiés et réalisés. La faisabilité d’un couplage optique entre la puce silicium et l’interposeur a été démontrée. Enfin, les structures de tests nécessaires à la validation de la solution proposée ont été étudiées. Ces structures de tests ont permis de transmettre des signaux radiofréquences jusqu’à 40 GHz entre la puce silicium et l’interposeur verre. Une nouvelle approche de fabrication des guides d’onde optiques de l’interposeur a été suggérée et réalisée afin de répondre aux problèmes du procédé de fabrication. A terme, elle permettra d’avoir un module électro-optique pour des applications haut-débit. / The ever-increasing demand for telecommunications needs has highlighted the intrinsic limitations of electronics. Photonics has proven to be a suitable solution to its limitations. STMicroelectronics has developed a silicon photonic platform called PIC25G that allows single-channel transmission at 25 Gb/s. The data rate increase with wavelength division multiplexing (WDM) encounter some constraints. The proposed solution is based on a hybrid approach integrating silicon photonics and glass ions exchanged photonics developed at the IMEP-LaHC laboratory. The solution consists of a glass interposer on which a silicon photonics chip is assembled. First, the studies focused on the components of the silicon chip especially on the optimization of grating couplers and (de)-multiplexers based on cascaded Mach Zehnder interferometers. Then, the optical and electrical passive components of the glass interposer were studied and realized. The feasibility of an optical coupling between the silicon chip and the glass interposer has been demonstrated. Finally, the test structures needed to validate the proposed solution were studied. These test structures allowed to transmit radiofrequency signals up to 40 GHz between the silicon chip and the glass interposer. A new approach to realize the optical waveguides of the interposer has been suggested and carried out in order to address the fabrication issues. Ultimately, this approach will provide an electro-optical module for high-speed applications.

Depuis plusieurs années, le volume de données échangé à travers le monde augmente sans cesse. Pour gérer cette large quantité d’information, des débits élevés de transmission de données sur de longues distances sont essentiels. Puisque les interconnections à base de cuivre ne peuvent pas suivre cette tendance, des systèmes de transmission optique rapides sont requis dans les centre de données. Dans ce contexte, la photonique sur silicium est considérée comme une solution pour obtenir des circuits photoniques intégrés à un coût réduit. Bien que cette technologie ait connu une croissance significative au cours de la dernière décennie, les transmetteurs actuels à haut débit de transmission sont principalement basés sur des sources laser externes. Par conséquent, l’objectif de ce travail de thèse était de concevoir et produire un transmetteur à haut débit de transmission de données pour la photonique sur silicium, doté d’une source laser intégrée.Ce transmetteur se compose d’un modulateur silicium de type Mach-Zehnder, co-intégré sur la même plaque avec un laser hybride III-V sur silicium à réseaux de Bragg distribués, dont la longueur d’onde d’émission peut être contrôlée électriquement autour de 1.3μm. La conception des différents éléments constituant à la fois le laser (coupleurs adiabatique entre le III-V et le silicium, miroirs de Bragg) et le modulateur (jonctions p-n, électrodes à ondes progressives) est détaillée, de même que leur fabrication. Pendant la caractérisation des transmetteurs, des taux de transmission de données jusqu’à 25Gb/s, pour des distances allant jusqu’à 10km ont été démontrés avec succès, avec la possibilité de contrôler la longueur d’onde jusqu’à 8.5nm. Par ailleurs, afin d’améliorer l’intégration de la source laser avec le circuit photonique sur silicium, une solution basée sur le dépôt à basse température (en-dessous de 400°C) d’une couche de silicium amorphe pendant la fabrication est aussi évaluée. Des tests sur une cavité laser à contre-réaction distribuée ont montré des performances au niveau de l’état de l’art (avec des puissances de sortie supérieures à 30mW), prouvant ainsi la viabilité de cette approche. / For several years, the volume of digital data exchanged across the world has increased relentlessly. To manage this large amount of information, high data transmission rates over long distances are essential. Since copper-based interconnections cannot follow this tendency, high-speed optical transmission systems are required in the data centers. In this context, silicon photonics is seen as a way to obtain fully integrated photonic circuits at an expected low cost. While this technology has experienced significant growth in the last decade, the high-speed transmitters demonstrated up to now are mostly based on external laser sources. Thus, the aim of this PhD thesis was to design and produce a high-speed silicon photonic transmitter with an integrated laser source.This transmitter is composed of a high-speed silicon Mach-Zehnder, co-integrated on the same wafer with a hybrid III-V on silicon distributed Bragg reflector laser, which emission wavelength can be electrically tuned in the 1.3μm wavelength region. The design of the various elements constituting both the laser (III-V to silicon adiabatic couplers, Bragg reflectors) and the modulator (p-n junctions, travelling-wave electrodes) is thoroughly detailed, as well as their fabrication. During the characterization of the transmitters, high-speed data transmission rates up to 25Gb/s, for distances up to 10km are successfully demonstrated, with the possibility to tune the operating wavelength up to 8.5nm. Additionally, in order to further improve the integration of the laser source with the silicon photonic circuit, a solution based on the low-temperature (below 400°C) deposition of an amorphous silicon layer during the fabrication process is also evaluated. Tests on a distributed feed-back laser structure have shown performances at the state-of-the-art level (with output powers above 30mW), thus establishing the viability of this approach.

Le développement permanent des applications informatiques telles que le stockage de masse, le calcul intensif et les communications large bande, encourage l’émergence de nouvelles technologies de communication. D’une part, les communications à travers des interconnexions métalliques approchent de leurs limites intrinsèques en termes d’énergie, surface et coût par bit. D’autre part, la photonique hybride conventionnelle, basée sur des assemblages 2D/3D de composants photoniques en technologies III-V, ne peut pas être complètement intégrée. Le développement de nouvelle architecture photonique sur silicium est une bonne alternative afin de proposer des systèmes intégrés de communication haut débit. La conception d’un modulateur électro-optique à très haut débit sur silicium fait l’objet de cette thèse. Dans un premier temps, un état de l’art des différents systèmes optiques est dressé, afin d’identifier les principaux verrous technologiques limitant leurs performances. Suite à l’analyse des différents types de modulateur optique implémentés sur silicium, une proposition d’architecture a été faite pour un modulateur Mach Zehnder 100 Gbits/s. Ce premier circuit a été développé avec la technologie PIC25G du fondeur STMicroelectronics. Le driver de ce modulateur a, quant à lui, été conçu avec la technologie 55 nm SiGe BiCMOS de ce même fondeur. Le démonstrateur proposé dans ces travaux offre un débit de 100 Gbits/s avec une modulation NRZ sur une unique voie optique. Pour cette configuration, ce prototype offre un débit binaire au-delà de l’état de l’art (pour une unique voie de transmission optique) avec une énergie par bit de 80 pJ/bit. / The sustained development of software applications including mass storage, intensive computing and broadband communication, motivates the emergence of novel communication technologies. On one hand, communications through metallic interconnections approach their inherent limitations in term of energy, area and cost per bit. On the other hand, conventional hybrid photonics, based on discrete 2D/3D photonic assemblies of III-V photonic devices, cannot be integrated. The rising silicon photonic technology, thanks to its high level of integration, overcomes the shortcomings of the two previous approaches and promises a low cost solution allowing close proximity integration of photonics with electronics.The design of a very high data rate electro-optic modulator on silicon is reported in this thesis manuscript. In a first section, the state of the art of optic systems is presented with a focus on the main technological challenges limiting performances. Then, a silicon based topology is introduced to achieve a 100 Gbs Mach Zehnder modulator. It was implemented with the STMicroelectronics PIC25G technology. The driver of this modulator was designed with the 55 nm SiGe BiCMOS technology of the same founder. The demonstrator introduced in this work offer a 100 Gbs data rate with an NRZ modulation on a single optical channel. For this configuration, this prototype provides a data rate beyond the state of the art (for a single optical transmission path) with an energy per bit of 80 pJ/bit.

La photonique au silicium est une technologie émergente considérée comme l'une des solutions clés pour les interconnexions sur puce de génération future, offrant plusieurs avantages potentiels tels qu'une faible latence de transmission et une bande passante élevée. Cependant, elle reste confrontée à des défis en matière d'efficacité énergétique. Différentes topologies, layout et architectures offrent diverses options d'interconnexion. Ceci conduit à une grande variation des pertes optiques, qui est l'un des facteurs prédominants dans la consommation d'énergie. De plus, les composants photoniques au silicium sont très sensibles aux variations de température. Sous une activité de puces donnée, ceci conduit à une réduction de l’efficacité des lasers et à une dérive des longueurs d'onde des composants optiques, ce qui entraîne un «Bit Error Ratio (BER)» plus élevé et réduit par conséquent l'efficacité énergétique des interconnexions optiques. Dans cette thèse, nous travaillons sur des méthodologies de conception pour les interconnexions photoniques sur silicium économes-en-énergie et prenant en compte la topologie / le layout, la variation thermique et l'architecture. / Silicon photonics is an emerging technology considered as one of the key solutions for future generation on-chip interconnects, providing several prospective advantages such as low transmission latency and high bandwidth. However, it still encounters challenges in energy efficiency. Different topologies, physical layouts, and architectures provide various interconnect options for on-chip communication. This leads to a large variation in optical losses, which is one of the predominant factors in power consumption. In addition, silicon photonic devices are highly sensitive to temperature variation. Under a given chip activity, this leads to a lower laser efficiency and a drift of wavelengths of optical devices (on-chip lasers and microring resonators (MRs)), which in turn results in a higher Bit Error Ratio (BER) and consequently reduces the energy efficiency of optical interconnects. In this thesis, we work on design methodologies for energy-efficient silicon photonic interconnects on chip related to topology/layout, thermal variation, and architecture.

L’objectif de cette thèse est d'étudier les propriétés thermodynamiques et clarifier les toutes premières étapes de la croissance hétérogène de GaP sur Si (désaccord de maille de 0,3 %) pour les applications en photonique et dans le domaine de l’énergie. Tout d’abord, les énergies absolues de surfaces {001}, {136}, {114}, et d'interfaces abruptes et compensées de GaP/Si sont déterminées par des calculs de théorie fonctionnelle de la densité. L’étude des propriétés de mouillage de GaP/Si permet ensuite de démontrer que le mouillage total n’est jamais atteint dans ce système, quel que soit le potentiel chimique, et que cet effet est renforcé par la passivation de la surface du Si. Les calculs de variation d’énergie libre montrent l’importance des termes de surface et d'interface par rapport au terme d’énergie élastique dans la croissance 3D III-V/Si.Ces résultats sont généralisés à l’ensemble des systèmes III-V/Si. Un mécanisme pour la croissance III-V/Si est proposé pour clarifier les premières étapes de la croissance et expliquer la génération de défauts tels que les domaines d’antiphase, qui est reliée aux propriétés de mouillage partiel du système. Des études expérimentales ont été réalisées pour comprendre l'influence de la surface initiale du silicium lors de la reprise de croissance IIIV. Ensuite, une étude préliminaire de l'efficacité de marqueurs AlGaP sur l'annihilation des parois d’antiphase et une première caractérisation des leurs propriétés électriques sont présentées. Enfin, une ingénierie d’énergie de surface est utilisée pour la réalisation d’une surface de GaP texturée, intégrée sur silicium, pour des applications dans le domaine de l’énergie. / This thesis aims to investigate thermodynamic properties and epitaxial processes at the very early stages of GaP on Si heterogeneous growth for photonics and energy applications. The absolute {001}, {136}, {114} surfaces energies and abrupt and compensated interface energies of the GaP/Si material system are first determined by density functional theory (DFT) calculations. Furthermore, we studied the wetting properties of the GaP/Si through the surface and interface energies computed by DFT. We found that the partial wetting (observed experimentally) is always achieved whatever the chemical potential, and that it is even favoured by the silicon surface passivation. Through free energy change calculations, we have shown that the surface and interface energies play a crucial role in the III-V/Si 3D- growth while the impact of elastic energy contribution on surface island morphology is negligible. These conclusions are generalized to the various III-V/Si systems. A general III-V on Si growth mechanism is finally proposed to clarify the very early stages of growth and the defect generation (such as antiphase domains) that fundamentally originate from the partial wetting of III-V on Si. Experimental studies have been performed to understand the influence of the initial silicon surface on the III-V overgrowth. Furthermore, preliminary studies on AlGaP markers efficiency on antiphase domains annihilation and a first characterization of their electrical properties are also presented. Finally, surface energy engineering was used to demonstrate a textured GaP template monolithically grown on silicon that could be used for photoelectrochemical water splitting applications.

En s’appuyant sur les procédés de fabrication matures et sur la production à grande échelle de l’industrie CMOS, la technologie photonique silicium est une solution potentielle pour le développement de liens optiques haut débit peu onéreux destinés aux centres de données. Un premier pas a été franchi il y a une dizaine d’année avec la réalisation, à l’échelle industrielle, de transmetteurs/récepteurs avec des débits jusqu’à 100Gb/s. Cependant, tout semble indiquer que des vitesses encore plus élevées, (200 voir 400Gb/s), seront bientôt nécessaires. Malheureusement, les limitations techniques de cette première génération de circuits photoniques suggèrent qu’il sera difficile de réaliser des multiplexeurs (MUX/DEMUX) performants. Ces composants sont à la base des solutions de multiplexage en longueur d’onde (WDM) envisagées pour répondre à cette nouvelle demande de bande passante. Par ailleurs, on assiste depuis quelques années à une diversification des applications de la photonique intégrée qu’il semble également difficile de satisfaire au vu des performances de la technologie actuelle. C’est dans ce contexte que s’inscrit le travail de thèse présenté dans ce manuscrit. La solution étudiée est basée sur l’intégration d’un second circuit optique dont les propriétés sont complémentaires de celles du circuit silicium formant ainsi une plateforme optique performante quelle que soit la fonction à réaliser. Un schéma d’intégration monolithique a été privilégié afin de limiter les couts de production et d’assemblage. Le matériau choisi pour la réalisation de ce second circuit optique est le nitrure de silicium (SiN). Il possède en effet des propriétés parfaitement complémentaires de celles du circuit silicium : contraste d’indice réduit, coefficient thermo optique faible et grande gamme de transparence. C’est également un matériau utilisé depuis de nombreuses années dans l’industrie CMOS. Le premier objectif de ce travail de thèse a donc consisté à développer le schéma d’intégration de ce second circuit optique au sein de la technologie photonique PIC50G de STMicroelectronics. Une fois les différentes étapes du flot de fabrication validées, le développement de composants a pu débuter. Tout d’abord les guides d’onde, proposant des pertes de propagation inférieures à 0,2dB/cm à 1300nm, mais également divers composants élémentaires : transitions entre les différentes géométries de guides, coupleur fibre/puce, terminaison de guide d’onde, filtre de signaux parasites et coupleurs/séparateurs de puissance. Une caractérisation statistique de la transition optique entre les circuits Si et SiN a révélé des pertes d’insertion inférieures à 0,3dB entre 1270nm et 1330nm, validant la stabilité de ce composant particulièrement critique. Une attention particulière a été portée à la gestion de la polarisation dans les guides d’onde via le développement de séparateurs et de rotateurs de polarisation dont les performances sont à l’état de l’art des composants silicium. Une étude complète sur les MUX/DEMUX en SiN a également été réalisée. Des réseaux de guides d’onde ont notamment montré de bonnes performances : dérive en température < 12pm/°C, faible sensibilité à la polarisation, pertes d’insertion <1dB, diaphonie < -30dB, fonctionnement jusqu’à 12 canaux, bande passante à -1dB >11nm. Pour terminer, un émetteur/récepteur WDM quatre canaux a été conçu pour démontrer l’intérêt de cette plateforme hybride Si/SiN, il est actuellement en attente de caractérisation. Enfin, une étude des propriétés optiques non linéaires du SiN a permis de démontrer la génération de troisième harmonique de l’UV jusqu’au visible ainsi que la génération d’un supercontinuum s’étendant de 425nm à 1660nm, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications. / Based on CMOS industry's mature manufacturing processes and large-scale production, silicon photonics technology is a potential solution for inexpensive high-speed optical links for data centers. About ten years ago, a first step was taken with the realization, at an industrial scale, of transmitters/receivers with data rates up to 100Gb/s. However, it seems that even higher speeds (typically 200 or 400Gb/s) will soon be needed. Unfortunately, the technical limitations of this first generation of photonic circuits suggest that it will be difficult to make efficient multiplexers (MUX / DEMUX), which form the basis of wavelength division multiplexing (WDM) solutions designed to meet this new bandwidth demand. Moreover, a diversification of the applications of integrated photonics is ongoing for a few years, which also seems difficult to satisfy given the performance of current technology. The thesis work presented in this manuscript yielded from this context. The studied solution is based on the integration of a second optical layer whose properties are complementary to those of the silicon circuit. This forms an integrated optical platform which can be efficient whatever the function to be performed. A monolithic integration scheme is chosen leveraging the low cost and manufacturing capability of CMOS industry. Silicon nitride (SiN), with a reduced index contrast and a low thermo-optical coefficient, is an interesting candidate for the realization of this second photonic circuit. Indeed, those properties are perfectly complementary to the silicon ones, and particularly adapted to the realization of MUX/DEMUX. Moreover, SiN is a well-known material of CMOS electronics. The first objective of this thesis was to develop the integration scheme of the second optical circuit within ST Microelectronics PIC50G photonic technology. Once all the fabrication steps validated, the development of photonic devices could begin. It starts with several kinds of optical waveguides, among which rib-type demonstrated propagation losses below 0.2dB/cm at 1300nm, but also various elementary components: transitions between waveguides, fiber/chip coupler, waveguide termination, parasitic signals filters and power splitters/combiners. A statistic characterization of the optical transition between Si and SiN circuits reveal insertion losses below 0,3dB from 1270nm to 1330nm, confirming the stability of this critical device. Special attention was paid to the polarization management within the SiN circuit. Polarization splitters and rotators were developed showing comparable performances with Si devices state of the art. An exhaustive study about the realization of SiN MUX/DEMUX was also carried out. Arrayed waveguide gratings especially show good performances: thermal drift < 12pm/°C, low polarization sensitivity, insertion loss <1dB, crosstalk level < -30dB, up to twelve channels, -1dB bandwidth >11nm. To conclude this work, a four channel WDM transmitter/receiver was designed in order to demonstrate the interest of this hybrid Si/SiN platform, its currently waiting for characterization. Finally, a study of the nonlinear properties of SiN demonstrated the generation of a third harmonic optical signal from UV to visible and the generation of a supercontinuum spanning from 425nm to 1660nm, paving the way to new applications.

Avec l’explosion du trafic de données mobiles, des débits supérieurs au Gb/s deviennent nécessaires pour l’utilisateur. Ainsi, le réseau de communication est en cour d’amélioration afin de promouvoir le déploiement de la 5G, notamment grâce au développement et à l’installation de systèmes sans fil d’onde millimétrique (mmW) à 10 Gb/s. Néanmoins, pour délivrer de tels débits, les liens fronthaul/backhaul sans fil connectés au cœur de réseau devront supporter des flux de données supérieurs à 40 Gb/s. Cet enjeu suscite un intérêt croissant pour les fréquences sub-mmW et THz (0.1 THz – 1 THz) autour desquelles des bandes passantes (BPs) de 100 GHz sont accessibles. Il serait en effet possible d’atteindre un débit de 100 Gb/s, tout en utilisant des formats de modulation simples et ainsi réduire la consommation d’énergie du système. Visant le marché de masse des applications haut-débits, la technologie Photonique sur Silicium est particulièrement attractive pour générer des BPs naturellement larges et pour sa capacité à forts niveaux d’intégration et faible cout de fabrication. Dans cette thèse, une technologie Photonique sur Silicium industrielle a donc été évaluée durant le développement d’un émetteur intégré THz fonctionnant sur la base d’une photodiode et pouvant délivrer 100 Gb/s. Le développement d’une antenne THz faible cout et compacte est également un aspect majeur de cette thèse afin de permettre la transmission point-à-point du signal THz. En effet, une antenne intégrée sur substrat organique faible cout et à faibles pertes et une lentille fabriquée par impression 3D ont été développées afin d’évaluer ces technologies de prototypage industriel au-delà de 200 GHz. / With the booming of mobile data traffic, the need for higher data-rates is clearly felt. To cope with this strong demand and support the 5G roll-out, the capacity of the mobile communication network is being improved every day with many solutions, among which the development and installation of millimeterwave (mmW) wireless systems operating at up to 10 Gb/s. However, in order to deliver such high speeds to the user, the fronthaul/backhaul network sending data back to the core network would require above 40 Gb/s data-rate wireless links. This challenge generates a growing interest for sub-mmW and THz frequencies (0.1 THz – 1 THz) at which up-to 100 GHz bandwidth (BW) is accessible. In such BW, it would be possible to achieve up to 100 Gb/s data-rates while using simple modulation schemes to reduce the wireless system’s power consumption. Targeting mass-market high data-rates applications, Silicon Photonics technology seems very promising as it benefits from wide intrinsic BW and powerefficient components, as well as high integration levels and low manufacturing costs. In this context, a main aspect of this PhD project is the evaluation of an industrial Silicon Photonics technology for the development of a THz system-on-chip transmitter capable of reaching up to 100 Gb/s using a photodiode. Since THz antennas are also a hot topic for THz point-to-point transmission, a second aspect of this PhD study is the design of a low-cost and compact THz antenna-system. Hence, a planar antenna using low-loss organic packaging technology and a 3D-printed plastic lens were developed in order to assess those industrial prototyping techniques above 200 GHz.

Depuis les années 2000, en raison d’une multitude de moyens de communication émergents, les besoins en termes d’échange de données n’ont cessé d’augmenter. Ces modifications ont conduit à l’initiation d’une transition depuis les technologies électroniques vers les technologies et interconnexions optiques. Entre autres, ces nouvelles technologies nécessitent l’utilisation de composants émetteurs et récepteurs de photons constitués de matériaux III-V. De façon à miniaturiser ces composants et à augmenter leurs performances tout en diminuant leur coût de fabrication, un modèle d’intégration innovant consiste à intégrer directement les sources III-V sur le circuit photonique silicium 200 mm. Afin d’optimiser les performances du laser III-V tout en respectant les contraintes liées à une salle blanche front-end / middle-end silicium, la réalisation d’une telle intégration nécessite notamment le développement de contacts innovants sur n-InP et p-InGaAs.Ces travaux de thèse sont ainsi centrés autour du développement d’une nouvelle architecture de contacts répondant aux exigences d’une salle blanche front-end / middle-end silicium 200 mm, tout en optimisant les performances du laser III-V. Un schéma d’intégration innovant des contacts est tout d’abord présenté dans sa globalité puis une optimisation des procédés d’intégration disponibles est proposée. Ceci permet de profiter de l’avantage économique que procure le fait d’utiliser l’expertise existante tout en préservant les surfaces III-V et en optimisant les performances d’émission du laser. Une attention particulière est portée sur le développement de la métallisation de contact, elle-même reposant sur la formation de composés intermétalliques à l’interface entre le métal déposé et le semi-conducteur. Une étude métallurgique approfondie est ainsi conduite sur les systèmes Ni/n-InP, Ni/p-InGaAs et Ti/n-InP dans le but d’identifier les séquences de phases ainsi que des mécanismes mis en jeu et enfin leur stabilité thermique. Finalement, l’ensemble de ces métallisations sont intégrées au sein de dispositifs dédiés au test électriques des contacts. Les résistivités spécifiques de contacts associées sont ainsi extraites. Grâce à l’ensemble de ces travaux, les métallisations et procédés permettant d’optimiser les performances électriques des contacts intégrés tout en garantissant leur stabilité sont finalement identifiés. Contact Ni/n-InP, Contact Ti/n-InP, Contact Ni/p-InGaAs, Photonique sur Silicium, Laser III-V, Intégration, Réaction à l’état solide, Caractérisation électrique, résistivité de contact. / Since the 2000s, the requirements in terms of data exchange never stopped rising owing to a multitude of emerging communication means. These extensive modifications lead the signal processing and electrical technologies to switch towards optical devices and interconnections. Among others, these new technologies require the use of III-V-based emitters and receptors. In order to miniaturize these devices, to optimize the performances and to minimize the fabrication cost of such a technology, an innovative manufacturing model consists in integrating directly the III-V laser source onto the 200 mm Si photonics circuit. To enable the development of contacts meeting the constraints of a front-end / middle-end Si-environment along with those of an operating laser, one of the keys lies in the development of contacts on n-InP and p-InGaAs which are necessary to electrically pump the III-V laser.This Ph.D thesis therefore deals with the development of an innovative contact architecture fulfilling the requirements of a front-end / middle-end Si-dedicated clean room environment while optimizing the performances of the III-V laser. An integration scheme is firstly presented in its wholeness before optimizing every available process that is required. This kind of development leverages the advantage of utilizing existing infrastructures and processes while preserving the III-V surfaces and optimizing the performances of the III-V laser. Special attention is devoted to the development of the contact metallization which relies on the formation of intermetallic compounds at the interface between the deposited metal and the semiconductor. Extensive studies are therefore conducted on the Ni/n-InP, Ni/p-InGaAs et Ti/n-InP systems in order to identify the phase sequences, the involved mechanism and finally the thermal stability of the various phases. Ultimately, these metallizations are integrated in structures dedicated to their electrical characterization. The corresponding specific contact resistivities are thus extracted. Thanks to these studies, the metallizations and processes allowing an optimization of the electrical performances of the integrated contacts while ensuring their stability are finally identified.