Circuits intégrés photoniques sur InP pour la génération de signaux de puissance dans la gamme des ondes millimétriques

Photonic integrated circuits on InP for high power signals generation in the millimeter wave range

• Auteur / Autrice : Andrzej Jankowski
• Direction : Jean-François Roux, Frederic Van Dijk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Ronan Sauleau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillermo Carpintero del Barrio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Bondu, Jean-François Lampin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photodiodes

Optoélectronique

Photonique

Ondes millimétriques

Mots clés libres

Optoélectronique

Photodiode rapide

Génération d'ondes millimétriques

Circuit intégré photonique

Optoelectronics

Ultrafast Photodiode

Generation of mm waves

Integrated Photonic Circuit

Résumé

Les transmissions de signaux analogiques ou numériques à des longueurs d'ondes millimétriques jouent un rôle clé dans de nombreux domaines tels que les télécommunications, la spectroscopie ou les systèmes d'observation radar. La génération de signaux RF par voie optique permet de générer de tels signaux et ce dans une large gamme de fréquences. Dans cette thèse de doctorat, on utilise le battement hétérodyne de deux signaux optiques et une photodiode rapide utilisée comme photomélangeur. Nous nous sommes particulièrement intéressés à la possibilité de combiner plusieurs photodiodes en parallèle pour surmonter les limitations d'un seul composant et augmenter la puissance du signal millimétrique de sortie. Les photodiodes sont à transport unipolaire (Uni-Travelling-Carrier: UTC), elles sont intégrées dans un circuit à base d’InP comportant également des guides d'ondes optiques passifs, des coupleurs MMI et les circuits d’alimentation électrique et micro-ondes.Dans cette thèse de doctorat, deux approches pour la production de puissance de sortie élevée dans le domaine des ondes millimétriques sont étudiées. La première est basée sur la conception et la caractérisation d'une nouvelle génération de combineurs de puissance Wilkinson en technologie coplanaire avec 2 et 4 photodiodes UTC. Cette solution cible la gamme de fréquence autour de 70 GHz. La largeur de bande totale à laquelle le combineur de Wilkinson atteint des performances optimales est d'environ 6 GHz et 3 GHz pour les topologies à 2 voies et 4 voies, respectivement. La seconde approche est basée sur les structures de photodiodes UTC avec antenne intégrées. Les topologies d'antenne dipôle et d'antenne « noeud papillon » sont étudiées. Les structures à trois photodiodes et à antenne dipôle cible la gamme de fréquences de 90 GHz à 110 GHz, mais les résultats de simulation montrent que des bandes supplémentaires peuvent être atteintes jusqu'à 300 GHz. Quant à elles, les structures à antenne en « noeud papillon » montrent de plus grandes largeurs de bande utiles. Ainsi, la largeur de bande obtenue varie de 46 GHz, pour le circuit à trois photodiode, à 126 GHz dans le cas d'une structure à deux photodiodes. Tous les dispositifs ont été fabriqués en salle blanche sur substrat InP et ont été caractérisés expérimentalement.

The analog or digital signal transmissions at millimeter wave frequencies play a key role in many industrial and research areas such as telecommunication, spectroscopy and IT. They also find several applications in radar observation systems. The optical signal generation provides efficient solutions to generate high frequency signals in a wide range. In this PhD thesis the heterodyne beat of two optical signals with a fast photodiode used as a photomixer is employed. We have focused our work on the development of optoelectronic integrated circuits that combine several photodiodes in order to overcome the single device limitations and increase the generated output power. The photomixers consist in Uni-Travelling-Carrier photodiodes (UTC-PD) that are integrated in an InP-based circuit also including passive optical waveguides, MMI couplers, electrical power supply and microwave devices.In this PhD thesis two approaches for high output power generation in the mm-wave frequency domain are studied. The first approach is based on the design and characterization of a new generation of the 2-way and 4-way Wilkinson power combiners with UTC photodiodes with coplanar waveguide output. This solution target the frequency range at ca. 70 GHz. The total bandwidth at which the Wilkinson power combiner achieves optimal performance is ca. 6 GHz and 3 GHz for the 2-way and 4-way topology, respectively. The second approach is based on the antenna-integrated UTC photodiodes structures. The folded-dipole and bow-tie antenna topologies are studied, designed and fabricated. The 3x folded-dipole antenna-integrated UTC PD design target the frequency range from 90 GHz to 110 GHz, but based on the HFSS simulation results, additional bands can be found up to 300 GHz. More broadband design is obtained with the bow-tie antenna structures. Obtained bandwidth varies from 46 GHz for the 3x bow-tie antenna-integrated UTC PD design, reaching 126 GHz in the case of 2x bow-tie antenna-integrated UTC PD. All devices have been fabricated on the same InP substrate using cleanroom processes and have been experimentally characterized.