Electronique Systèmes de Communication et Microsystèmes

ESYCOM (EA 2552) – O. Picon
EPM (Equipe Photonique et Microondes) – C. Algani
C. Rumelhard, A.L. Billabert, J.L. Polleux, C. Florea
L’ESYCOM (Electronique, Systèmes de Communications et Microsystèmes), EA multi
établissements de 33 enseignants-chercheurs, est composé de 4 équipes pluridisciplinaires :
Radiocommunications Numériques, Microsystèmes Mems, Electromagnétisme Applications et
Mesures et Photonique et microondes.
Les thématiques et projets de recherche de l’EPM se regroupent autour de deux axes
principaux, présentant des interactions entre eux, du fait de leur complémentarité, mais
également avec les autres équipes d’ESYCOM. L’intérêt est de proposer de nouvelles structures
de composants photoniques et microondes en vue de leur intégration dans un circuit réalisant
une fonction et dans un système plus complexe pour des applications de liaisons à très haut
débit comportant une partie optique.
1er axe : Composants photoniques pour communications haut débit
Il se concentre essentiellement sur l’aspect modélisation et simulations numériques pour
comprendre les phénomènes physiques de composants photoniques utilisés comme capteurs
dans les systèmes, en vue de l’optimisation de leurs performances. L’étude porte sur les
composants de photodétection bas-coût sur Si et sur l’amélioration de leurs performances par
l’introduction de technologies MEMS. Une étude approfondie par simulation physique des
performances éventuelles de phototransistors SiGe pour les applications de photodétection
ultra-rapide, initiée dès 2001, a abouti aux premiers prototypes de phototransistor réalisés au
monde (Atmel-Université de Ulm). Leur caractérisation a montré des performances à l’état de
l’art mondial en 2003 : responsivité de 1.5 A/W (λ=940nm), fTopt de 7 GHz et ft et fmax >
20 GHz. Depuis, l’étude détaillée des mécanismes rapides et lents présents au sein du
composant a démontré que fTopt peut atteindre 30GHz (contrôle de l'éclairement et λopt).
L'utilisation de cavités résonantes (structure multicouches air/semiconducteur de type guide
RIB sur Si) a montré leur intérêt potentiel fort par l'amélioration des performances, obtenue en
simulation, des composants photoniques étudiés au sein de notre équipe :
- les photodétecteurs et phototransistors peuvent ainsi atteindre une absorption optique
proche de 100%
- Un déphaseur optique accordable, sur une plage de 160°, à base de deux cavités
couplées à réseaux de Bragg, commandé à l’aide d’une structure MEMS.
La caractérisation de tels composants est effectuée sur un banc sous pointes, développé au
sein de l’équipe, et qui utilise la génération d’un signal microondes par le battement de 2
diodes laser jusqu’à des fréquences de 20 GHz (extensible aux fréquences millimétriques).
2ème axe : Circuits, systèmes et liaisons optiques et microondes pour le très haut débit
Il se concentre plus particulièrement sur l’aspect système, avec la conception de circuits optomicroondes et la modélisation électrique de liaisons optiques à très haut débit. Différents
circuits, pouvant être intégrés dans de tels systèmes, ont été conçus, réalisés en technologie
PH25-UMS, et testés sous pointes : un mélangeur, fonctionnant en bande Ka (réjection de fRF
basse et fOL) ; un amplificateur distribué (gain contrôlé en tension); un générateur de signaux
impulsionnels monocycles ULB [3.1-10.6 GHz] (impulsions brèves de 300ps), et un filtre de
signaux ULB.
Un second aspect exploite des notions nouvelles dans le domaine des liaisons radio-sur-fibre. Il
s’agit de modéliser l’ensemble des éléments de la liaison de façon à rendre compte du transfert
du signal microonde sur la porteuse optique. L’association des deux domaines de fréquence
nécessite une nouvelle terminologie et de nouvelles définitions : le gain et le facteur de bruit
optique-microonde ont été proposées pour la première fois. Ces modélisations électriques nonlinéaires de composants photoniques et microondes sont à la base des simulations de liaison
optique sur des logiciels classiques de simulations électriques.
Les deux axes comportent des réalisations à technologies multiples afin d’envisager leurs
utilisations pour des applications variées allant de la RF au domaine millimétrique. Une
orientation vers l’étude de composants, circuits et liaisons photoniques et microondes vers les
fréquences millimétriques va être amorcée concernant l’Architecture d’un récepteur de signaux
Ultra Large Bande aux fréquences millimétriques. Il s’agit d’étendre la propagation de signaux
ULB (3.2-10.6GHz) aux bandes libres au-delà de 60GHz, et de concevoir les briques circuits
d’un récepteur intégré associant l’antenne.
Electronique Systèmes de Communication
et Microsystèmes
« ELECTRONIQUE, SYSTEMES DE COMMUNICATION
ET MICROSYSTEMES » : ESYCOM / EA 2552
Laboratoire multi établissements : UMLV, CNAM, ESIEE
GIS « MICRO ET NANO TECHNOLOGIES »
CNRS, CNAM, CCIP-ESIEE, UMLV, Polytechnicum MLV
Equipe Photonique et Microondes – Paris, France
1
Electronique Systèmes de Communication
et Microsystèmes
4 équipes : 4 grandes thématiques
ELECTRONIQUE SYSTÈMES DE
COMMUNICATION ET
MICROSYSTÈMES
Capteurs Mems
MEMS : prospec. pétrolière
Résonateurs SI : senseurs
inertiels vibrants
Interface numérique pour
Capteurs résonnants
Récupération d’énergie
Procédés DRIE pour SiP
Composants MEMS optiques
Switchs optiques
Modélisation capteurs à
Multipuits quantiques
Systèmes, CI Basse conso.
Architecture E/R
Récepteurs multistandards
Architectures type EER
PLL numériques
Prédistorsion numérique
Filtrage BAW
UWB
RFID
Tenue puissance MEMS
MEMS à émission électrons
Micro tubes à vide
PLL numérique
GIS MICRO ET
NANOTECHNOLOGIES
Liaisons optiques
/micro ondes
Modélisation composants
Simulation de liaison
Récepteur intégré 60 GHz
Phototransistor SiGe
Filtres accordables
Module insertion/suppression
Optique quantique
Microcavités résonn. Si
Déphaseurs microphotoniques Si accordables
Conception circuits MMIC et
OMMIC
Equipe Photonique et Microondes – Paris, France
Antennes et
Propagation
Antennes millimétriques
Antennes à diversité
Antennes intégrées
Reconfigurables
Packaging de MEMS RF
Réseaux réflecteurs
Chambres réverbérantes
Modélisation des milieux de
propagation urbain et indoor
2
Electronique Systèmes de Communication
et Microsystèmes
Moyens Esycom
•
Salle Blanche de 300 m2 spécialisée en MEMS Silicium
•
•
•
•
•
•
•
Plate-formes de caractérisation
Banc de caractérisation hyperfréquences Agilent 40GHz
Caractérisation électrique BF
Bancs de caractérisation optique-microondes
Caractérisation mécanique de MEMS
Chambre anéchoïde
Chambre réverbérante
•
•
•
Plateformes de conception – modélisation
Conception de circuits intégrés ASIC, SoC,
Simulation électrique, électromagnétique, optique : Cadence, ADS, HFSS, CST, ANSOFT
Designer, Comsis
Multi-physique, procédés technologiques, MEMS : Coventoreware, ANSYS, FemLab,
SILVACO, Advance-MS
•
•
•
•
Plate-formes de prototypage
FPGA Xilinx, Altera, Actel
DSP Texas-Instruments, Analog-Device
Equipe Photonique et Microondes – Paris, France
3
Equipe Photonique et Microondes
Electronique Systèmes de Communication
et Microsystèmes
Répartition des thématiques et projets de recherche : 2 axes principaux
•
Axe 1 : Composants photoniques pour communications haut débit
– HPT SiGe
– µcavités résonnantes, déphaseurs microphotoniques
– Optique quantique et luminescense
•
Axe 2 : Circuits, systèmes et liaisons optiques et microondes pour le très haut débit
– Circuits MMIC, OMMIC
– Simulations systèmes à liaisons optiques microondes
– Modélisation de composants photoniques et microondes
– Récepteur intégré millimétrique
– Extension optique pour liaisons ULB
Equipe Photonique et Microondes – Paris, France
4
Equipe Photonique et Microondes
Electronique Systèmes de Communication
et Microsystèmes
•
Enseignants-chercheurs
–
–
–
–
–
C. Algani
A.L. Billabert
C. Florea
J.L. Polleux
C. Rumelhard
•6 thèses soutenues (2003-2006)
•Compétences EPM :
Fonderies MMIC et MEMS (III-V et Si) :
UMS, OMMIC, Atmel, IAF, ESIEE, STMicroelectronics
• Collaborations académiques :
- LISIF (UPMC)
• Collaborations industrielles :
- Thales Airborn System
- LEST (Brest)
- IEF (UPS)
- IMEP (Grenoble)
- LAETITIA (CNAM)
- UMS
- Alcatel III-V Lab
- Atmel Gmbh
• Collaborations internationales :
- université de ULM
• Contrats et projets :
- réseau d’excellence européen NEFERTITI
- Institut polytechnique de Montréal
2001-2005
- RNRT BILBAO 2006-2008
- CNAM Innovation 2007-2007
- PPF Récepteur intégré millimétrique 20072008
- consortium AMIES 2007
- Université Politechnica
- Institut de Physique Atomique (Bucarest)
- Université de Craiova
- IAF Frieburg (Allemagne)
Equipe Photonique et Microondes – Paris, France
5
Axe 1 : Composants photoniques
Phototransistor SiGe microondes
Photodétection
20
Ib=60µA, Vce=1,5V
(50Ohms)
15
15
10
10
GOM ou rHPT (dB)
Electronique Systèmes de Communication
et Microsystèmes
20
10µm
Simulation, SiGe
@ 0.85 µm
5
5
0
Simulation physique et conception
Technologie Atmel
Mesures électriques IEF
Mesures optoélectroniques
1,5A/W, Ftopt = 7 GHz, Ft, fmax électrique : 20 GHz
-5
-5
-10
- 10
mesures, SiGe
@ 0.94 µm
-15
- 15
-20
- 20
10
8
0.1
9
10
1
10
10
10
Bancs de caractérisation
• de photodétecteur à 940 nm par battement de lasers
• large bande optique
Optimisation de la fréquence de coupure optique
• en longueur d’onde
• zone d’absorption privilégiée (Effet UTC Uni-Travelling Carrier)
Collaborations : Univ d’Ulm, Atmel Heilbronn, IEF
Equipe Photonique et Microondes – Paris, France
6
Axe 1 : Composants photoniques
Maximum d’absorption
pour chaque structure
(Réflecteur 2 à 13 lames)
Cavité résonante optique latérale
100
Si
90
80
Maximum d'absorption (%)
Si/air
• 100% d’absorption optique
70
60
50
40
30
20
Optimisation de l’absorption
10
0
0
5
10
15
20
25
30
Longueur du pavé (µm)
Déphaseur microphotonique Si accordable par MEMS :168° max
Cavités d’air
Onde
lumineuse
émise λ Miroir
1
-1
-3
-5
-7
-9
-11
-13
-15
-17
-19
-21
-23
-25
-27
-29
-31
-33
-35
1 546
Onde
lumineuse
transmise
Miroir
extrême
Miroir
Bragg
central
extrême
250
Transmittance-Phase (degrès)
Electronique Systèmes de Communication
et Microsystèmes
Technologie
ESIEE
dc av
dc av + 6nm
1 547
15 48
15 49
155 0
155 1
Longueur d'onde (nm )
1552
1553
155
200
150
Δψ = −168 °
100
50
0
dcav
dcav + 6nm
-50
-100
1546
1547
1548
1549
1550
1551
1552
1553
Longueur d'onde (nm)
Equipe Photonique et Microondes – Paris, France
155
Collaborations : IEF
7
Axe 2 : Circuits, Systèmes, Liaisons opto-microondes
Conception circuits MMIC : technologie PH25-UMS
Amplificateur distribué à
gain variable
dBm(Monocycle)
-40
200
0
-200
-90
-400
-140
400
-40
dBm(Filtered_Monocycle)
Filtre ULB [3.2-10.6GHz]
Monocycle, mV
400
Filtered_Monocycle, mV
Electronique Systèmes de Communication
et Microsystèmes
Mélangeur en bande Ka à réjection de RF basse et OL
200
0
-200
-400
-90
-140
2.6
Equipe Photonique et Microondes – Paris, France
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
time, nsec
0
5
10
15
freq, GHz
8
20
Axe 2 : Circuits, Systèmes, Liaisons opto-microondes
Electronique Systèmes de Communication
et Microsystèmes
Générateur de signaux ULB
...
... rtie_generateur , mV N.signal_entree , mV
Conception circuits MMIC : technologie PH25-UMS
200
100
0
- 100
- 200
5
0
-5
- 10
15.2
15.4
time,
15.6
usec
Mise en boîtier
Contrôle des impulsions par FPGA
Equipe Photonique et Microondes – Paris, France
9
Axe 2 : Circuits, Systèmes, Liaisons opto-microondes
Etude d’une liaison Ultra Large Bande avec un tunnel optique
Définitions de grandeurs
Opto-microondes
pour liaison opto microondes
(gain, facteur de bruit,…)
Module de réception ULB
[3,1 - 5,1 GHz]
Transpondeur
Fibre optique
Emetteur ULB OOK
[3,1 -5,1 GHz]
Etude de l’impact du tunnel
optique sur les performances
d’une transmission ULB
Résultats de simulation de la liaison
optique monomode : effets non-linéaires
40
Modélisation
non linéaire
grand signal
de la liaison optique
Fondamental
20
0
-2 0
zlaser0812
X20
IM3 bas
-4 0
-6 0
P3
P2
P1
Electronique Systèmes de Communication
et Microsystèmes
Emetteur ULB
IM3 haut
-8 0
fibre_opt
X18
longueur=long km
dispersion=17
PIN_thales
X19
-1 0 0
-1 2 0
-1 4 0
Fondamental = canal principal
-1 6 0
IM3 haut et bas = canaux adjacents
-1 8 0
-2 0 0
-2 0
-1 0
0
10
20
30
40
50
60
P in1
Collaborations : LISIF, IMEP, TAS, UMS, ITE-TCL, FT R&D, CEA Leti, IFOTEC,
Contrats RNRT ERABLE, BILBAO
Equipe Photonique et Microondes – Paris, France
10
Axe 2 : Circuits, Systèmes, Liaisons opto-microondes
Modélisation non linéaire d’un MEA
Développement d’un modèle
électrique non-linéaire
MEA
Lbond
50Ω
QE
Ligne d’accès
GCPW sur AlN
Lbond
Q
Zone
active
Q
QL
Ligne de
sortie du MEA
Ligne d’entrée
du MEA
30Ω
Ligne de charge
GCPW sur AlN
FNL
R
C
Simulation réponse électro-optique
Vc
Vc
Popt
Vopt
Estimation diagramme de l’oeil
A la sortie du MEA seul
A la sortie de l’embase MEA
Signal optique relatif
Signal optique relatif
Electronique Systèmes de Communication
et Microsystèmes
Simulations électromagnétiques 3D
t(ps)
t(ps)
Collaborations : Alcatel Thales III-V Lab, Lisif (UPMC)
Equipe Photonique et Microondes – Paris, France
11
Perspectives et évolutions
Electronique Systèmes de Communication
et Microsystèmes
•
Etude de composants, circuits et liaisons photoniques et microondes vers les
fréquences millimétriques :
–
–
–
–
HPT SiGe (Atmel Gmbh et STMicroelectronics)
Extension des bancs de caractérisation (Sesame 2007)
Projet Innovation 2007 retenu
PPF Architecture d’un récepteur de signaux ultra large bande aux fréquences millimétriques
retenu :
Î
Î
Î
Î
•
Conception des briques de base d’un récepteur intégré en millimétrique (60GHz, …)
Modélisation des liaisons optique-microondes
CNAM, UMLV et UPMC (Esycom, Laetitia et Lisif)
Industriels partenaires : UMS, Alcatel-Thales III-V Lab
Projet européen soumis (2007) sur l’aspect photonique quantique (consortium AMIES)
– Advanced Materials for Informatics and Electronics Systems
•
Projet européen en développement (Oct. 2007) sur l’aspect HPT SiGe millimétrique
– Aspect RoF
•
Réalisation et caractérisation de cavités résonnantes optiques sur Si :
– Projet transversal MNT
Equipe Photonique et Microondes – Paris, France
12
Equipe Photonique et Microondes – Paris, France
13
Electronique Systèmes de Communication
et Microsystèmes
Compétences Esycom
Electronique Systèmes de Communication
et Microsystèmes
•
•
•
•
•
•
Conception et Architectures de Systèmes
– Radiocommunications numériques
– Analogiques Numériques : ASIC, FPGA, DSP, SoC
– Traitement de signal
Conception de circuits
– Analogiques BF et RF basse consommation
– Micro-ondes, millimétriques et photoniques,…
Conception de composants MEMS
– Capteurs, MEMS RF et MEMS Photoniques
Modélisation
– Électromagnétique, Multi-physique (électro-thermo-mécanique, VHDL-AMS…)
– Liaisons optique / micro-ondes, Photo-transistors
– SystemC,
Microtechnologies
– Développement de procédés technologiques avancés
– Réalisation des MEMS en salle blanche
Caractérisation
– Electrique BF, RF, Electromagnétique & photonique
– Electromécanique
Equipe Photonique et Microondes – Paris, France
14