Systeme de reception dans une transmission optique a tres haut debit

Pour des transmissions numériques sur fibre optique de très haut débit, le système ETDM (Electronic Time Division Multiplexing) est très utilisé. Nous allons présenter la chaîne de transmission de ce système, plus particulièrement le récepteur. Dans cette partie, nous présenterons les fonctions essentielles telles que la photodétection, la récupération d’horloge et la régénération des données. Plusieurs approches des circuits pour réaliser ces fonctions sont présentées. Le but de ce chapitre est de comprendre l’importance et les relations entre chaque élément du récepteur. Par la suite, nous pourrons étudier l’intégrabilité de ces circuits et fixer quelques critères pour les futures réalisations.

Système de transmission sur fibre optique

Pour répondre à la forte demande d’augmentation en débit de données dans les transmissions numériques, la recherche dans le domaine des transmissions sur fibre optique ne cesse de croître. Actuellement, les systèmes ETDM (Electrical Time Division Multiplexing) sont très répandus, et on cherche à augmenter la capacité de transmission par canal optique.

Il s’agit d’utiliser un multiplexage temporel des données qui sont disponibles au niveau d’affluents à débit inférieur à celui de la transmission. Ce système permet une transmission efficace des données à moindre coût. Il est combiné généralement avec la technologie WDM (Wavelength Division Multiplexing) qui permet atteindre des débits de transmission de l’ordre de plusieurs Tbit/s [Fuk_02] [Miy_99] [Ots_97].

A noter que les protocoles de transmission sont soumis à des standards internationaux tels que :

➤ SDH (Synchronous Digital Hierarchy), définie par ITU (International Telecommunication Union). Par exemple le système STM-256 correspond à un débit de données de 40 Gbit/s.
➤ SONET (Synchronous Optical Network), qui est une norme américaine. Le système OC768 correspond à la norme STM-256 précédente.

Le système de transmission se divise en trois parties : émission, transmission et réception.

Emission et transmission

Elle est composée d’un multiplexeur (MUX), d’un circuit d’amplification (appelé «driver »), d’un modulateur et d’une diode laser. Les signaux de données sont combinés dans le multiplexeur, avec un débit de données quatre fois supérieur en sortie. A partir de ce signal, le driver fournit un signal électrique qui sert à moduler la lumière dans le modulateur optique. Celle-ci provient d’une source laser à une longueur d’onde bien définie. Le signal modulé est ensuite envoyé sur la fibre optique sur une longue distance. A cause des pertes durant le trajet, il est généralement nécessaire d’insérer un amplificateur optique afin d’augmenter l’amplitude du signal dans la bande passante considérée. La technique habituelle consiste à utiliser un amplificateur de type EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier), qui réalise l’amplification pour la longueur d’onde λ = 1,55 µm.

Réception

La lumière modulée contenant l’information à 40 Gbit/s est reçue dans un récepteur. Le signal optique est converti en un signal électrique par un photodétecteur. Celui-ci est associé en général à une fonction de pré-amplification, afin d’amplifier le signal tout en minimisant le bruit. Ensuite, se trouve un post-amplificateur qui possède un système de contrôle de gain automatique (AGC) afin de garder l’amplitude du signal de sortie constante. Une fois amplifiée, une partie du signal électrique est directement envoyée vers le circuit de décision, alors que l’autre est utilisée pour le circuit de récupération d’horloge. Celui-ci génère un signal d’horloge pour les circuits numériques du récepteur, tels que le circuit de décision et le démultiplexeur (DMUX) en passant par un diviseur de fréquence. Le rôle de démultiplexeur est de séparer le signal des données récupérées pour reconstituer les canaux de départ à débit plus faible. Ceci permet de simplifier les circuits électroniques du traitement de signal, qui sont limités en fréquence.

En résumé, les capacités en débit d’une liaison optique sont en grande partie limitées par les circuits électroniques à l’émission comme à la réception. En effet, le canal fibre optique, qui possède une bande passante très élevée, au delà de 1 THz, et de faibles pertes (pour des transmissions aux longueurs d’onde autour de 1,3 et 1,55 µm), est capable de transmettre des débits de données beaucoup plus élevés que les circuits électroniques. Par conséquent, il y a actuellement une recherche intense pour développer des circuits toujours plus rapides ainsi que des architectures nouvelles pour alléger les exigences en rapidité de ces circuits [Kri_03] [Lac_02] [Yon_00] [Kim_99].

Le cadre de notre étude est limité à la chaîne de réception. Nous allons décrire brièvement les éléments importants dans un récepteur pour un débit ³ 40 Gbit/s. Cette étude nous permettra de mieux comprendre les relations entre chaque fonction du circuit, ce qui nous permettre de préciser l’objectif de ce travail.

Photodétecteurs

Les photodétecteurs jouent un rôle important dans une détection optique. Ils doivent être sensibles à la longueur d’onde utilisée et présenter une bande passante assez élevée par rapport au débit de données. La condition nécessaire pour qu’il y ait absorption à la longueur d’onde de 1,55 µm est que la couche d’absorption du photodétecteur doit avoir une largeur de la bande interdite inférieure à 0,8 eV. Une des caractéristiques importantes d’un photodétecteur est la sensibilité (S), exprimée en A/W [Agr_97] [Mes_95] [Sim_90].

Photodiodes UTC

Depuis quelques années, le laboratoire NTT a développé une nouvelle structure de photodiode qui améliore les caractéristiques de vitesse et de tenue en puissance [Ish_97]. Cette structure, appelée UTC (Uni-Travelling Carrier), est basée sur le principe de séparation de la zone d’absorption de la zone de charge d’espace (Fig. 1.5). Ainsi, parmi les porteurs photogénérés dans la couche d’absorption, seuls les électrons diffusent et sont entraînés dans la zone de charge d’espace, alors que les trous, charges majoritaires, générés en zone de type p n’interviennent pas dans le temps de transit de la structure. De plus, grâce à la mobilité élevée et la vitesse très élevée des électrons dans le collecteur, le phénomène de saturation, lié à l’effet de charge d’espace à forte injection, se produit à une densité de courant de saturation plus élevée. Par conséquent, la photodiode UTC offre de meilleures performances en rapidité et en tenue en puissance que la photodiode PIN classique.

Ces avantages permettent d’envisager l’utilisation de ce type de photodiode dans une détection directe de la lumière sans besoin d’un amplificateur du signal électrique [Mat_00]. Cela permet d’éliminer les circuits pré et post-amplificateur qui sont plus difficiles à obtenir notamment lorsque la fréquence devient très élevée (> 40 GHz). De plus, la bande passante de la photodiode UTC peut atteindre une valeur très élevée, supérieure à 300 GHz [Ito_00]). Cependant, un compromis existe entre la sensibilité et la bande passante de la photodiode UTC. Afin d’augmenter la sensibilité tout en conservant la rapidité, une solution consiste à envoyer la lumière incidente avec une puissance optique élevée sur le dispositif. Un amplificateur optique de type EDFA est donc généralement utilisé à cet effet, comme nous pouvons le constater dans la plupart des applications UTC [Yon_00] [Mur_01] [Miy_98].

Remarquons qu’il existe également d’autres structures UTC à différents éclairages [Ohn_00] [Mur_98] [Fuk_99] [Ach_04]. Toutefois, nous allons étudier la structure à éclairage vertical (par le haut) permettant une intégration avec les transistors bipolaires à hétérojonction .

Phototransistors bipolaires (PTH)

Ce dispositif possède à la fois la fonction de photodétection et celle d’amplification, qui sont intégrées de façon monolithique (Fig. 1.6a) [Cam_82]. Deux modes opératoires peuvent toutefois être mis en évidence : mode diode (pour la photodétection) et mode transistor (pour l’amplification). Le premier est obtenu en court-circuitant la base et l’émetteur, alors que le second est polarisé comme un transistor avec une polarisation collecteur-émetteur en direct et un courant de polarisation est injecté dans la base.

La différence de gain entre les deux modes détermine le gain optique du phototransistor (Fig. 1.6b). La fréquence de coupure optique Fc (équivalente à la fréquence de coupure Ft du transistor) est déterminée par l’extrapolation des deux modes. Les phototransistors offrent ainsi un courant électrique de sortie élevé avec une sensibilité amplifiée par l’effet de transistor [Kam_01]. L’avantage du phototransistor est lié, d’une part à la possibilité d’intégration, et d’autre part, à la fonction du mélangeur opto-électrique [Mul_02] [Bet_99]. Cela explique ses principales applications dans des réseaux radio sur fibre [Mul_03] [Gon_00].

Circuit de décision

Le rôle du circuit de décision est la régénération des données émises. Ce circuit est basé sur des bascules maître-esclave de type D-Flip-Flop (MS-DFF), utilisant, en bipolaire, la logique E²CL ou ECL (Emitter-Coupled Logic) [Kas_03]. Ces bascules sont des fonctions de base pour des applications numériques dans la synchronisation ou le retard des données par rapport au signal d’horloge, ou encore dans la remise en forme du signal. Leur tâche est de comparer le signal de données à un certain seuil d’amplitude, puis de « décider » le niveau correspondant du signal (« bit 1 » ou «bit 0 »), et ceci à chaque front d’horloge. Ainsi, le signal d’entrée de la bascule, qui est en réalité le signal de sortie après la détection par le photodétecteur, doit avoir une amplitude assez élevée pour la fonction de «décision ». De plus, la plupart des circuits de décision comportent un étage d’amplification à l’entrée afin d’augmenter la sensibilité du récepteur et un étage de sortie pour amplifier le signal traité (Fig. 1.7) [Ish_02] [Kas_02] .

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 SYSTEME DE RECEPTION DANS UNE TRANSMISSION OPTIQUE A TRES HAUT DEBIT
1.1 SYSTEME DE TRANSMISSION SUR FIBRE OPTIQUE
1.1.1 Emission et transmission
1.1.2 Réception
1.2 PHOTODETECTEURS
1.2.1 Photodiodes PIN
1.2.1.1 Photodiodes à éclairage vertical
1.2.1.2 Photodiodes à éclairage latéral
1.2.1.3 Pré-amplificateur
1.2.2 Photodiodes UTC
1.2.3 Phototransistors bipolaires (PTH)
1.3 CIRCUIT DE DECISION
1.4 CIRCUIT DE RECUPERATION D’HORLOGE
1.4.1 Approche électrique : Boucle à verrouillage de phase (Phase-Locked Loop ou PLL)
1.4.2 Approche optoélectrique : Verrouillage par injection optique directe d’un photooscillateur (Direct Optical Injection Locking ou D-OILO)
1.5 INTEGRATION MONOLITHIQUE DU RECEPTEUR (OEIC)
1.6 CONCLUSIONS DU CHAPITRE
REFERENCES
CHAPITRE 2 PHOTODETECTEUR UTC_TBDH
2.1 TRANSISTOR BIPOLAIRE A DOUBLE HETEROJONCTION (TBDH)
2.1.1 Principe de base – Diagramme de bande
2.1.1.1 Principe de base d’un transistor bipolaire à simple hétérojonction (TBsH)
2.1.1.2 Principe de base d’un transistor bipolaire à double hétérojonction (TBdH)
2.1.2 Structure épitaxiale
2.1.2.1 Technique d’épitaxie par jets chimiques ou Chemical Beam Epitaxy (CBE)
2.1.2.2 Structure des couches
2.1.3 Caractéristiques et performances
2.1.3.1 Caractéristiques statiques : Ic(Vce)@Ib
2.1.3.2 Caractéristiques dynamiques
2.2 PRINCIPE DE LA PHOTODIODE UTC
2.2.1 Structure UTC de base
2.2.1.1 Principe – Avantages
2.2.1.2 Diagramme de bandes et structures des couches
2.2.2 Comparaison avec la photodiode PIN
2.2.2.1 Temps de transit, bande passante et sensibilité
2.2.2.2 Transport non stationnaire et vitesse de dérive
2.2.2.3 Effet de charges d’espace et courant de saturation
2.3 COMPATIBILITE DE LA STRUCTURE UTC AVEC LE TBDH
2.3.1 Comparaison de la structure des couches
2.3.2 Principaux compromis
2.3.2.1 Influence de la contrainte et du dopage de la base sur l’absorption et le temps de transit
2.3.2.2 Influence de l’espaceur sur les performances en fréquence
2.4 STRUCTURE EPITAXIALE DE UTC_TBDH ET SA REALISATION
2.4.1 Base : épaisseur et dopage
2.4.2 Barrière : choix du matériau
2.4.2.1 Sans barrière
2.4.2.2 Barrière en InGaAsP
2.4.2.3 Barrière en InGaAs
2.4.2.4 Barrière en InP
2.4.2.5 Avantages – Inconvénients
2.4.3 Bilan des plaques réalisées : caractéristiques des couches et performances
2.5 MESURES ET RESULTATS
2.5.1 Motifs des photodiodes
2.5.1.1 Motifs test
2.5.1.2 Motifs photodiode
2.5.2 Caractérisation électrique (sur le motif test)
2.5.3 Caractérisation opto-électrique – Mesures statiques
2.5.3.1 Banc de mesure de la sensibilité
2.5.3.2 Résultats de mesures
2.5.4 Caractérisation opto-électrique – Mesures dynamiques
2.5.4.1 Banc de mesure de la photoréponse et de la bande passante
2.5.4.2 Résultats de mesures
2.5.5 Synthèse des résultats
2.5.5.1 Bilan des performances
2.5.5.2 Comparaison avec la photodiode UTC_NTT
2.6 CONCLUSIONS DU CHAPITRE
REFERENCES
CHAPITRE 3 SYSTEME DE RECUPERATION D’HORLOGE ET DES DONNEES (CDR)
3.1 PRINCIPE DE LA RECUPERATION D’HORLOGE ET DES DONNEES
3.1.1 Codage numérique des données
3.1.2 Génération de la fréquence d’horloge
3.1.2.1 Porte logique XOR (OU exclusif) combinée avec un module de retard
3.1.2.2 Différentiateur/Redresseur
3.1.3 Extraction de la fréquence d’horloge
3.1.3.1 Filtre passif à bande étroite
3.1.3.2 Boucle à verrouillage de phase ou Phase-Locked Loop (PLL)
3.2 FONCTIONNEMENT D’UNE PLL
3.2.1 Eléments de base
3.2.1.1 Comparateur de phase ou détecteur de phase
3.2.1.2 Filtre de boucle : Filtre passe bas
3.2.1.3 Oscillateur commandé en tension ou VCO
3.2.2 Fonction de transfert de la boucle
3.2.3 Tracking – Acquisition : Verrouillage – Déverrouillage
3.2.3.1 Tracking : Processus de verrouillage
3.2.3.2 Acquisition : Passage de l’état de déverrouillage à verrouillage
3.2.3.3 Paramètres clés
3.3 GIGUE TEMPORELLE ET BRUIT DE PHASE DANS UNE PLL
3.3.1 Gigue de transfert : bruit à l’entrée de la PLL
3.3.2 Gigue de génération : bruit du VCO
3.3.3 Gigue de tolérance
3.4 ARCHITECTURE D’UNE PLL
3.4.1 Détecteur de phase
3.4.1.1 Détecteur de phase linéaire de type « Hogge »
3.4.1.2 Détecteur de phase binaire de type « Alexander » ou « bang-bang »
3.4.1.3 Conclusions sur les détecteurs de phase de type « Hogge » et « Alexander »
3.4.2 Filtre de boucle
3.4.3 VCO
3.4.3.1 Oscillateurs LC
3.4.3.2 Multivibrateurs ou oscillateurs à relaxation
3.4.3.3 Oscillateurs en anneau
3.5 ETAT DE L’ART DE CIRCUITS DE RECUPERATION D’HORLOGE ET DES DONNEES
3.6 CONCLUSIONS DU CHAPITRE
REFERENCES
CHAPITRE 4 CONCEPTION D’UN OSCILLATEUR COMMANDE EN TENSION (VCO)
4.1 VCO POUR LA RECUPERATION D’HORLOGE
4.1.1 Caractéristiques exigées
4.1.2 Les paramètres clés du VCO
4.1.2.1 Fréquence d’oscillation (Fosc)
4.1.2.2 Plage d’accord et gain du VCO
4.1.2.3 Bruit de phase
4.1.2.4 Puissance de sortie
4.2 OSCILLATEUR DE TYPE COLPITTS
4.2.1 Approche amplificateur à rétroaction
4.2.2 Approche résistance négative
4.3 ARCHITECTURE DU VCO ETUDIE
4.3.1 Analyse du circuit
4.3.2 Méthodologie de conception
4.3.2.1 Variation de la capacité base-collecteur (Cbc)
4.3.2.2 Choix des transistors
4.3.2.3 Point de fonctionnement et polarisations
4.3.2.4 Choix des lignes coplanaires
4.4 REALISATION TECHNOLOGIQUE
4.4.1 Les étapes technologiques
4.4.1.1 Technologie d’auto-alignement
4.4.1.2 Fabrication d’un TBdH
4.4.1.3 Fabrication des éléments passifs
4.4.2 Les éléments de test
4.4.2.1 Les transistors unitaires TBdH
4.4.2.2 Les lignes coplanaires CPW
4.4.2.3 Les résistances et les motifs TLM
4.4.2.4 Les capacités MIM
4.4.2.5 Autres motifs : les croisements et les vias
4.5 MODELISATION DES ELEM ENTS DU CIRCUIT
4.5.1 Modèle Gummel-Poon
4.5.2 Modèle HBT
4.5.3 Modèle des lignes coplanaires
4.6 SIMULATIONS DU VCO
4.6.1 Simulations fréquentielles : ADS
4.6.1.1 Analyse petit signal
4.6.1.2 Analyse grand signal
4.6.2 Simulation temporelle : Cadence
4.6.3 Analyse des résultats de simulation
4.6.3.1 Performance en fréquence – Discussion sur Cbc et la plage d’accord
4.6.3.2 Comparaison des modèles Gummel-Poon et HBT
4.7 IMPLANTATION ET FABRICATION
4.8 CONCLUSIONS DU CHAPITRE
REFERENCES
CONCLUSION

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