Contribution à l'étude et à la réalisation de systèmes de communication inter puces à très haut débit en gamme millimétrique

Contribution to the study and implementation of a high data rate inter chip communication system in millimeter wave frequency range

• Auteur / Autrice : Samuel Foulon
• Direction : Nathalie Haese-Rolland, Christophe Loyez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 24/05/2013
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors bipolaires à hétérojonctions

Radio -- Émetteurs-récepteurs

Oscillateurs à microondes

Mélangeurs hyperfréquences

Amplificateurs faible bruit

Dispositifs à ondes millimétriques

Modules multipuces (microélectronique)

Systèmes de communication à microondes

Mots clés libres

Données à très haut débit

Résumé

Les fréquences de fonctionnement des transistors des dernières technologies silicium supérieures à 200GHz favorisent les recherches de systèmes de communication travaillant à des fréquences de plus en plus élevées. Cette montée en fréquence permet le transfert de données multi-gigabits et la conception de systèmes compacts. Un système de communication puce à puce sans fil multi-gigabits à 140GHz a été conçu afin d’améliorer voire supplanter les interconnexions filaires inter-puces dont les débits de données sont limitées. Il peut également être utilisé pour améliorer la testabilité des puces sur wafer en rendant possible le test sans contact. Les architectures de communication à annulation de bruit de phase de type self-hétérodyne et self-homodyne, étudiées durant ces travaux de recherche, sont basées sur l’émission du signal porteur en plus du signal modulé, simplifiant ainsi la génération de fréquence des parties émettrice et réceptrice. En effet, en gamme de fréquences millimétriques, les topologies nécessitant un système de récupération de la fréquence porteuse ou de synchronisation de fréquence sont complexes et énergivores. Une modulation tout ou rien (OOK) a de ce fait été retenue pour la réalisation du démonstrateur. La chaîne d’émission/réception ainsi que les antennes a été implémenté en technologie BiCMOS SiGe:C 0.13µm. La surface totale du circuit avec les antennes est de 0.31mm². Un transfert de données jusqu’à 14Gbps a été réalisé à une distance de 0.6mm avec une efficacité énergétique de 5.7pJ/bit. A partir du circuit réalisé, une démonstration à 140GHz en modulation QPSK self-hétérodyne a également été effectuée. L’EVM est de 27% à 10Gbps.

The transistors operating frequencies are well above 200GHz in the last silicon technology nodes. These performances have encouraged the research of the communication systems operating at millimeter wave frequencies. Such performances allow higher and higher multi-gigabit data rate and also more compact communication systems with on Silicon integrated antennas.The objective of this research work was to design a multi-gigabit wireless chip to chip communication system at 140GHz. Such a short-range communication system could be designed to improve or replace the inter-chip interconnects where data rates are limited. Secondly this communication system could also be used to improve the testability of on wafer dies by performing contactless test. The communication system with phase noise cancelation topology specifically self-heterodyne and self-homodyne, studied during the research work, are based on the carrier signal emission in addition to the modulated signal simplifies the frequency synthesis of the emitter and receiver parts. Millimeter wave frequency communication systems are conventionally based on carrier frequency recovering system that is complex and consumes a lot of energy. An On-Off Keying (OOK) modulation has been selected and all the parts of the transceiver have been designed in 0.13μm SiGe:C BiCMOS technology. The silicon area of the circuit is 0.31mm² including the antennas. This transceiver achieves a data rate up to 14Gbps at a distance of 0.6mm with an energy efficiency of 5.7pJ/bit. Moreover a self-heterodyne QPSK demonstration at 140GHz was performed with an EVM of 27% to 10Gbps.