Contribution to the Study and Optimisation of Optoelectronics Components
Contribution à l'étude et à l'optimisation de composants optoélectroniques
Résumé
In this thesis, we present modelling tools and powerful optimisation methods and their application to the study of optoelectronics components. We have written a software based on Beam Propagation Method which is used for the study of light propagation and absorption, and an hydrodynamic model for the carriers behaviour. We present a bibliographical study on physical data for materials based on InP substrate. First, we study and optimise a waveguide InP/InGaAs Heterojunction PhotoTransistor for microwave and millimetre wave applications. We present its behaviour and we show its possibilities and limits. Its optical structure can be improved by adding a quaternary layer under collector. Double Heterojunction PhotoTransistors can be realised for power applications. Then we study high responsivity and large coupling tolerance waveguide PIN photodiodes. Several solutions are studied. We show the interest of lensed structures, made of numerous confinement layers of various optical indexes. We study their optical and electrical performances. For their optimisation, we have written a Monte Carlo software coupled to a 2D-BPM, which allows the testing of thousands of randomly chosen structures. Finally, we have written a Genetic Algorithm coupled to a 2D-BPM. We show its interest for the multiparameter and multiobjective optimisation of optoelectronics devices. This type of algorithm is based on Darwin's theory of evolution. We apply it to the optimisation of TIR optical switches and cascade switches.
Dans cette thèse, nous présentons des outils de modélisation destinés à l'étude des composants optoélectroniques et des méthodes d'optimisation permettant d'en tirer encore plus de profit. Afin de modéliser différents composants optoélectroniques sur InP, nous avons mis au point un logiciel fondé sur la méthode des faisceaux propagés (BPM) afin d'étudier la propagation et l'absorption de la lumière, et un modèle hydrodynamique afin de modéliser leur comportement électronique. Nous avons réalisé une recherche bibliographique pour regrouper les données matériaux nécessaires. Le premier composant que nous avons étudié et optimisé est un phototransistor à hétérojonction InP/InGaAs pour les applications hyperfréquences. Nous avons exposé son fonctionnement et montré ses possibilités et limites. Sa structure optique de type guide d'onde peut être améliorée par l'ajout d'une couche de quaternaire. On peut envisager la réalisation de phototransistors à double hétérojonction pour les applications de puissance. Nous avons ensuite étudié des photodiodes PIN-guide à très fort coefficient de couplage et grande tolérance d'alignement. Différentes solutions ont été envisagées. Nous avons montré l'intérêt des « structures lentillées », comportant plusieurs couches de confinement d'indices optiques progressifs, et étudié leurs performances optiques et électriques. Pour optimiser ces structures, nous avons mis au point un algorithme Monte Carlo couplé à une BPM-2D, qui permet de tester des milliers de structures aléatoires. Enfin, nous avons réalisé un Algorithme Génétique couplé à une BPM-2D et avons montré son intérêt pour l'optimisation de composants optoélectroniques avec de nombreux paramètres et des objectifs multiples. Ce type d'algorithme est fondé sur la théorie de l'évolution de Darwin. Nous l'avons appliqué à l'optimisation de commutateurs optique à réflexion interne totale et de commutateurs cascade.
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