Systèmes communicants haut-débit et bas coûts par guide d’ondes en plastique

Plastic waveguides for high speed communications

• Auteur / Autrice : Florian Voineau
• Direction : Eric Kerhervé, Anthony Ghiotto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 11/10/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Circuits et Systèmes Hyperfréquences (CSH)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Serge Verdeyme
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Kerhervé, Anthony Ghiotto, Serge Verdeyme, Sylvain Bourdel, Christian Person, Pierre Busson, Baudouin Martineau, Mathilde Sié, Aurélien Larie, Didier Belot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Bourdel, Christian Person

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modulation de phase en quadrature

Ondes millimétriques

Multiplexage

Guides d'ondes

Systèmes de télécommunications à large bande

Mots clés libres

Faibles coûts

Guides d’ondes

Guides d’ondes en plastique

Haut-Débit

Millimétrique

Plastique

QPSK

RF

Transitions

High data rate

Low-cost

Millimeter-wave

Plastic waveguides

QPSK

RF

Transitions

Waveguides

Résumé

L’évolution actuelle de la société vers un monde de plus en plus numérique et connecté nécessite des liens de communication à la fois haut-débit et bas coûts. A cette fin, les guides d’ondes en plastique proposés ces dernières années visant les bandes de fréquences millimétriques (mm) offrent un compromis performance / coût très attractif.Profitant ainsi de larges bande-passantes de l’ordre de plusieurs gigahertz (GHz), des performances des technologies CMOS avancées aux fréquences mm mais également de tolérances d’assemblage relâchées, des systèmes de communication avec de tels guides d’ondes en plastique pourraient offrir des débits de plusieurs gigabits par seconde (Gb/s) sur des distances de plusieurs mètres de manière abordable.Dans ce travail, la conception d’un guide d’ondes en plastique est tout d’abord présentée en se basant à la fois sur des résultats théoriques et de simulation électromagnétique. Bien que les promesses de faible atténuation aient effectivement été confirmées, certaines limitations du confinement et de la robustesse aux contacts extérieurs sont également apparues. L’ajout d’une mousse protectrice est brièvement investiguée, mais une géométrie innovante de guide présentant des caractéristiques améliorées est principalement détaillée.Des thématiques « systèmes » sont ensuite explorées afin de construire un système de communication utilisant ce nouveau canal de propagation. Une architecture combinant la modulation de phase en quadrature (QPSK) et le multiplexage en fréquence est ainsi introduite. L’interface entre le circuit et le guide d’ondes a par ailleurs été identifiée comme une limitation potentielle à la bande-passante globale du système. Par conséquent, une transition très large-bande a été conçue et testée pour lever ce verrou. De même, en raison des inconvénients des techniques usuelles de démodulation de signaux mm QPSK, une topologie originale utilisant les non-linéarités des oscillateurs à injection a été développée.Enfin, la conception d’un émetteur mm en technologie silicium avancée (CMOS 28 nmFD-SOI) est décrite. Les contributions majeures incluent l’introduction de coupleurs hybrides intégrés à haute-performance ainsi que la réalisation d’un circuit de synchronisation. Celui-ci présente une large plage de capture et permet un fonctionnement à faible bruit de phase lorsque le système est verrouillé sur la cinquième harmonique du signal de référence. Des mesures sur signaux modulés ont également permis de mettre en évidence la capacité de l’émetteur à transmettre des débits très élevés de plusieurs Gb/s.

In a world willfully transitioning to the Digital Age, the thirst for connectivity demands high-speed communication links at low cost. In this context, affordable plastic waveguides have been proposed as a disruptive propagation channel in the millimeter-wave (mmW) range. Benefiting from multi gigahertz (GHz) bandwidths and mmW capabilities of advanced CMOS technologies as well as relaxed assembly tolerances requirements, cost-effective communication systems based on plastic waveguides could offer multi gigabits per second (Gb/s) data rates over several meters distances.In this work, the design of plastic waveguide channels is first discussed using both a theoretical approach and Electromagnetic (EM) simulations. Although low attenuation promises have been confirmed, some limitations are also highlighted, especially as regards confinement ability and robustness to external contacts. Solutions involving foam coating are briefly investigated and an innovative plastic waveguide design demonstrating improved characteristics is introduced.System-level topics are then explored in order to build a communication system using the previously presented channel. A new architecture, which combines Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) and frequency multiplexing, is found to be much more suitable. The transition from the circuit to the plastic waveguide has also been identified as a potential bandwidth bottleneck. Consequently, a wideband microstrip to WR-12 transition has been designed. Another limitation concerning the demodulation of QPSK mmW signals is investigated and an original topology using the non-linearities of Injection Locked Oscillators (ILO) has been developed.Finally, the design of a mmW transmitter in an advanced silicon technology node (CMOS 28 nm FD-SOI) is described. Major contributions include the introduction of high-performance integrated hybrid couplers and the realization of a wide locking range synchronization circuit enabling low phase-noise operation when locked on the fifth harmonic of a reference signal. Measurements on modulated signals have validated the transmitter high data-rate capability of several Gb/s.