Étude et conception de circuits d'égalisation pour les télécommunications optiques au delà de 100 Gb/s

Study and design of analog equalizers for optical communications beyond 100 Gb/s

• Auteur / Autrice : Ronan Mettetal
• Direction : Achour Ouslimani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique et électronique - Cergy
• Date : Soutenance le 14/12/2016
• Etablissement(s) : Cergy-Pontoise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Quartz (Saint-Ouen, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Hung The Diep
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Achour Ouslimani, Jean Gaubert, Jean Yves Dupuy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Algani, Viktor Krozer

Mots clés

Mots clés libres

Égalisation

Conception de circuits

Communications optiques

Equalization

Microelectronic Design

Optical Communications

Résumé

Les systèmes de télécommunications optiques sont au coeur de la révolution Internet depuis son origine. Le transport optique est la technologie incontournable pour pouvoir véhiculer le trafic de données à l’échelle mondiale. Depuis quelques années, l’explosion de la quantité de données nécessite de disposer de systèmes pouvant fonctionner à des débits plus élevés. Par ailleurs, la bande passante de la fibre optique, longtemps considérée comme infinie, est désormais repoussée à ses limites. De plus, les composants électro-optiques aux différentes interfaces ne progressent plus à un rythme suffisant pour permettre d’augmenter significativement le débit binaire. La problématique de l’égalisation est un sujet bien connu dans le domaine des télécommunications optiques. Cependant, pour augmenter le débit des systèmes, vers 100 Gb/s et au-delà, des formats de modulation principalement multi-niveaux sont aujourd’hui nécessaires. Dans ce nouveau contexte, l’égalisation devient indispensable même si elle est plus complexe à mettre en oeuvre à ce niveau de rapidité. Ce travail de thèse s’intéresse à l’étude et à la réalisation des égaliseurs analogiques pour les formats de modulation multi-niveaux à des débits binaires de 100 Gb/s. Les différentes réalisations sont basées sur la technologie de transistor bipolaire à double hétérojonction (TBDH) en phosphure d’indium (InP), développée au sein du laboratoire III-V Lab et présentant un couple fT/fmax aux alentours de 400 GHz, avec une tension de claquage supérieure à 4V. Plusieurs égaliseurs analogiques ont été conçus et mesurés au cours de cette thèse. Des circuits d’égalisation comportant peu de transistors ont été développés, afin de démontrer des meilleures performances en terme de peaking fréquentiel comparées à l’état de l’art international. À partir de ces briques de base, nous avons conçu des égaliseur sanalogiques linéaires de type feed-forward, répondant parfaitement à la problématique d’égalisation des systèmes de télécommunications optiques actuels utilisant des formats de modulation multi-niveaux. Les mesures de ces égaliseurs analogiques réalisés ont démontré l’égalisation de signaux numériques sévèrement filtrés à un débit binaire de 100 Gb/s.

Optical communication systems are the core of the current Internet revolution. Indeed, optical network is the main technology in order to spread global IP traffic. The growing demand of data bandwidth all over the world are pushing optical communication systems beyond their limits. Thus it requires systems which are higher data rate compliant. Besides, the fiber optic has been historically considered as having an infinite bandwidth, but its physical limits are being gradually reached. Moreover, electro-optical components are no more keeping pace with the current increasing data rate.Equalization is a well-known subject in the optical communication field. In order to increase system data rates beyond 100 Gb/s, multilevel format modulation are required. In this context, equalization is still mandatory but more complex to implement.The goal of this thesis is to study and design analog equalizers for complex modulation format with a 100-Gb/s bit rate. All of these circuits are based on indium-phosphide (InP) double heterojunction bipolar transistor (DHBT) technology from III-V Lab. Its fT/fmax couple almost reaches 400 GHz, and the breakdown voltage is higher than4V. Many analog equalizers have been designed and measured over this thesis. First of all, equalization circuits with few transistors have been designed in order to demonstrate state-of-the-art analog equalizer performances, mainly regarding peaking frequency parameter. From these building blocks, feed-forward analog equalizers have been studied and designed, thus answering to the initial requirement of current optical communication systems using complex modulation format. Measurements demonstrated a remarkable equalization performance on strongly filtered 100-Gb/s digital signals.