Circuits intégrés photoniques sur InP pour la génération de signaux hyperfréquences

• Main Author: Kervella, Gaël
• Other Authors: Rennes 1
• Language: fr
• Published: 2016
• Subjects: Photonique; Hyperfréquence; Circuits intégrés photoniques; Micro-Ondes; Ondes millimétriques; Télécommunication millimétriques; InP; Photonics; Monolithic Microwave Integrated Circuit; Millimeter waves
• Online Access: http://www.theses.fr/2016REN1S008/document

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'optique micro-onde. Nous avons mis en oeuvre différentes solutions opto-électroniques dans le but de réaliser un synthétiseur hyperfréquence monolithiquement intégré, faiblement bruité et largement accordable jusqu'au domaine millimétrique. Le synthétiseur est basé sur l'intégration sur InP de deux lasers DFB, d'un coupleur optique et d'une photodiode rapide. En outre, un modulateur électro-optique est également implémenté sur la puce afin de transmettre un signal de données sur la porteuse générée. Les performances obtenues en terme de gamme d'accord et de transmission de données sans fil se sont révélées conformes aux objectifs. Ainsi, une gamme d'accord de 0 à 110 GHz et un débit de transmission de donnée sans fil à courte distance de 1 Gbit/s ont pu être démontrés, établissant notre système à l'état de l'art mondial pour ce type de composant totalement intégré. Les performances en terme de bruit de phase se sont en revanche révélées décevantes. Pour remédier à ce problème nuisant à la montée en débit supérieurs, nous avons investigué deux solutions de stabilisation de la fréquence porteuse. La première, basée sur un asservissement électronique (OPLL) de la puce, s'est pour le moment révélé infructueuse, mais a permis d'étudier plus avant les problématiques qui lui sont liées. La seconde solution, basée sur un système inédit de rétroinjection optique mutuelle et une stabilisation sur un oscillateur électronique externe a quant à elle répondu à nos souhaits. En effet, la stabilisation de la fréquence porteuse par cette technique a permis de démontré des largeurs de raies inférieure à 30 Hz et un bruit de phase réduit à -90 dBc/Hz à 10 kHz d'une porteuse accordée à 90 GHz. A la suite de ces travaux sur une première génération de composants, une deuxième génération a été développée afin d'améliorer les performances intrinsèques de la puce en remédiant aux limitations observées jusqu'alors. Ainsi, une nouvelle configuration de cavité a été conçue intégrant notamment des lasers plus longs ainsi que des miroirs haute réflectivité. Par ailleurs, une optimisation de la structure de la photodiode a été réalisée afin d'améliorer encore sa bande passante. Une telle source permet d’envisager la génération et la modulation de signaux microonde faible bruit de phase et largement accordables sur des composants monolithiquement intégrés répondant aux exigences de compacité, de reproductibilité et de performances haut débit requises par les industries des télécommunications, de la défense ou encore du domaine spatial. === This thesis deals with the microwave photonics context. We have implemented various opto- electronic solutions in order to realize a monolithically integrated microwave synthesizer which has a low noise and a wide tunability until millimeter-wave frequencies. The synthesizer is based on the integration of two InP DFB lasers, an optical coupler and a fast photodiode. In addition, an electro-optic modulator is also implemented on the chip in order to transmit data on the generated carrier. The performances obtained in terms of tunability and wireless data transmission proved consistent with the objectives. Thus, a tuning range of 0-110 GHz and a short distance wireless data transmission rate of 1 Gbit /s have been demonstrated, establishing our system to the state of the art for this type of fully integrated component. Phase noise and linewidth performances have however been disappointing. To solve this problem affecting the data rate we have investigated two ways of stabilizing the carrier frequency. The first, based on an electronic feedback loop (OPLL) has yet proved unsuccessful but allowed us to further explore the related issues. However, the second solution, based on a new system of optical cross injection and stabilization to an external electronic oscillator has filled our wishes. Indeed, the stabilization of the carrier frequency by this technique has demonstrated linewidth less than 30 Hz and a reduced phase noise to -90 dBc / Hz at 10 kHz for a given carrier at 90 GHz. Next to the first generation components, a second generation was developed to improve the intrinsic performances of the chip by remedying the limitations previously observed. Thus, a new cavity configuration was designed including longer lasers and high reflectivity integrated mirrors made by materials deep etching. Moreover, optimization of the photodiode structure was carried out to further improve the bandwidth. Such a source allows to consider the generation and modulation of low phase noise and widely tunable microwave signals on monolithically integrated components matching the compactness, reproducibility and high speed performances required by the telecom, defense and space industries.