Circuits de photo-réception adaptés très faibles bruits et à grande dynamique

Integrated low noise opto-microwave photoreceiver circuit with high dynamic range

• Auteur / Autrice : Charles Edoua Kacou
• Direction : Martine Villegas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 08/04/2015
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes - Esycom
• Jury : Président / Présidente : Bernard Huyart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martine Villegas, Jean-Luc Polleux, Alain Le Borgne, Philippe Eudeline
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Pierre Vilcot, Olivier Llopis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optoélectronique

Photodiodes

Photorécepteurs (cellules)

Mots clés libres

Photorécepteur

Technologie intégrée

Opto-Microondes

Photoreceiver

Integrated

Opto microwave

Résumé

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un projet commun soutenu par la DGA (procédure RAPID), le projet Récepteur Optique Hyperfréquences LArge Bande ou ROHYLAB, dont VectraWave fait parti. Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine de la radio-sur-fibre en particulier au niveau de la réception. Nous nous inscrivons dans le contexte des photorécepteurs faible bruit, le but étant d'optimiser l'interface optique-électrique de ceux-ci tout en garantissant une grande dynamique. Après avoir présenté les avantages de la radio-sur-fibre à savoir : hauts débits, robustesse et encombrements, nous présentons les photorécepteurs et les différents paramètres qui les caractérisent. Cette étape nous permet de les comparer entre eux en les regroupant en fonction des techniques de conception utilisées dans la littérature. Cette étape nous permet d'identifier la technique de conception à utiliser. Nous choisissons de concevoir photorécepteur bande étroite dont on viendra élargir la bande. Nous définissons ensuite les paramètres nécessaires à la comparaison des technologies entre elles afin de justifier le choix de la technologie de transistor à utiliser. Nous étudions le photorécepteur en tant que système afin de mettre en évidence l'importance des paramètres présentés précédemment sur les performances de celui-ci. De cette analyse nous proposons une méthode de conception bande étroite liant l'ensemble des grandeurs. Nous montrons aussi comment estimer les performances limites en fonction de la technologie utilisée pour la photodiode et celle de l'amplificateur. Aussi nous montrons l'expression de cercles à densité équivalente de courant de bruit constants et de cercles à transimpédance constants. A partir de la modélisation théorique du photorécepteur et l'expression théorique des grandeurs caractéristiques, nous proposons la mise en œuvre et l'utilisation des outils présentés au chapitre précédent avec un logiciel de conception assisté par ordinateur. Nous montrons la modélisation de composants opto-microondes dans un environnement de simulation électrique. A l'aide de ces outils nous concevons trois photorécepteurs faible bruit et à grande dynamique dans la bande 2,9 GHz - 3,4 GHz. Les objectifs fixés sont : 300 de transimpédance, 5 pA/pHz. Ces circuits ont été simulés sous l'environnement électrique ADS mais aussi sous l'environnement électromagnétique MOMEMTUM. Les trois circuits présentent des performances records en bruit à de 3 GHz vis à vis de l'état de l'art. La réalisation du deuxième circuit conçu permet la caractérisation des photorécepteurs dans la bande 2,9 GHz - 3,4 GHz. Nous validons ainsi la démarche et proposons un circuit compétitif vis-à-vis de l'état de l'art. Dans une dernière section de cette thèse, nous illustrons le fait que cette méthode peut être exploitée sur d'autres technologies. Nous mettons en avant aussi le fait que l'on peut envisager la conception de photorécepteurs autour de 20 GHz. Nous envisageons aussi l'utilisation d'une inductance active pour réaliser des photorécepteurs accordables en fréquence pour des fréquences basses

This work is based on a common project support by the DGA, the project ROHYLAB for “wide band opto-microwave receiver” with Vectrawave . This work aim to optimized the optic-electric interface of a receiver in the radio-over-fiber field to design a low noise and high dynamic receiver. After an overview of radio-over-fiber's avantages such as: high data rates, security and security, we presented different photoreceiver and the figure of merit used to caracterized them. This step allow a comparison of the photoreceiver classified by the design topologies used in order to choose which design methodology we will used in this work. In an other hand, the same analysis is done for the transistor technologies. We presented a study of photoreceiver as a system in order to highlight the impact of main caracteritics on its performances. From this analysis allow to show a narrow band design method which link the caracteristics of the photodiode to the transistor's caracteristics. We also present some design tools such as circles of constant equivalent noise current density and circles of constant transimpedance. From the photoreceiver's theoritical model and the expressions of the main caracteristics, we implement the deisgn tools presented in ADS. In this section we also present the opto-microwave components models. Using this tools, we design three photoreceiver with low noise and high dynamics. This photoreceiver's aims to reach 300 Ohms of transimpedance and 5pA/Hz of noise. This circuits are implemented in ADS's eletrical fields and also in MOMENTUM's fields. All of this circuits appears as a competitive one in terms of noise at 3GHz .From the photoreceiver's design, we realized some cicuirts which permit photoreceiver's caracterization in 2.9 GHz - 3.4 GHz bandwidth. This measurements validate our approach and confirm a competitive circuit in term of noise compare to litterature. In a final sectin of this work, we illustrate an extension of this approach on other technologies. We also highlight a design of a photoreceiver at 20 GHz. In the end, we suggest the using of an active inductor to realize switchable frequency photoreceiver in low frequency