External modulators will become key components in fiberoptical communica- tion systems operating at 40Gbit/s andhigher bitrates. Semiconductor electro- absorption (EA)modulators are promising candidates because of their high-speed potential, and their process compatibility with thecorresponding semi- conductor laser light sources. Thetraveling-wave (TW) electrode concept for electro-opticmodulators has been used for a long time in order to resolvethe con°ict between high modulation depth and highmodulation bandwidth. Re- cently, it has been adopted for EAmodulators as well. This thesis presents the work carried out on design,fabrication and analysis of traveling-wave EA modulators(TWEAM) based on InP-InGaAsP. The lengths of TWEAM arecomparable to the lengths of their lumped counterparts. Theexperimental data of this work were analyzed in order show thatthe traveling- wave concept results in better performance evenfor short EA modulators. One key issue is the impedancematching. The low intrinsic characteristic modulator impedancehas to be matched with a corresponding load. In this case, theTW con figuration leads to a much higher bandwidth than for alumped EA modulator with the same length and the same connectedload. An InP process was developed allowing the fabrication ofTWEAM with integrated termination resistors. Experimentalmicrowave properties were ob- tained for different TWEAMgeometries. It is reported on long TWEAM that showstate-of-the-art bandwidth. A 450&#956m long TWEAM reached43GHz, and 67GHz (beyond characterization limit) were indicatedfor a 250&#956m device. The experimental results onmicrowave properties were compared to full-wave, and circuitmodel simulations. The analysis reveals an impedance bandwidthtrade- off for the cross sectional electrode configuration. Results of a new high-impedance design in form of asegmented TWEAM are presented. The devices were processedwithin the frame of this work and record bandwidth performanceis reported. At 50&#937­ impedance a bandwidth in the90GHz region was indicated.

<p>External modulators will become key components in fiberoptical communica- tion systems operating at 40Gbit/s andhigher bitrates. Semiconductor electro- absorption (EA)modulators are promising candidates because of their high-speed potential, and their process compatibility with thecorresponding semi- conductor laser light sources. Thetraveling-wave (TW) electrode concept for electro-opticmodulators has been used for a long time in order to resolvethe con°ict between high modulation depth and highmodulation bandwidth. Re- cently, it has been adopted for EAmodulators as well.</p><p>This thesis presents the work carried out on design,fabrication and analysis of traveling-wave EA modulators(TWEAM) based on InP-InGaAsP. The lengths of TWEAM arecomparable to the lengths of their lumped counterparts. Theexperimental data of this work were analyzed in order show thatthe traveling- wave concept results in better performance evenfor short EA modulators. One key issue is the impedancematching. The low intrinsic characteristic modulator impedancehas to be matched with a corresponding load. In this case, theTW con figuration leads to a much higher bandwidth than for alumped EA modulator with the same length and the same connectedload.</p><p>An InP process was developed allowing the fabrication ofTWEAM with integrated termination resistors. Experimentalmicrowave properties were ob- tained for different TWEAMgeometries. It is reported on long TWEAM that showstate-of-the-art bandwidth. A 450&#956m long TWEAM reached43GHz, and 67GHz (beyond characterization limit) were indicatedfor a 250&#956m device. The experimental results onmicrowave properties were compared to full-wave, and circuitmodel simulations. The analysis reveals an impedance bandwidthtrade- off for the cross sectional electrode configuration.</p><p>Results of a new high-impedance design in form of asegmented TWEAM are presented. The devices were processedwithin the frame of this work and record bandwidth performanceis reported. At 50&#937­ impedance a bandwidth in the90GHz region was indicated.</p>

Durant les 5 dernières décennies, les technologies CMOS se sont imposées comme méthode de fabrication principale pour les circuits semi-conducteurs intégrés avec notamment le transistor MOSFET. Néanmoins, la miniaturisation de ces transistors en technologie CMOS sur substrat massif atteint ses limites et a donc été arrêtée. Les filières FDSOI apparaissent comme une excellente alternative permettant une faible consommation et une excellente maîtrise des effets électrostatiques dans les transistors MOS, même pour les nœuds technologiques 14 et 28 nm. Cependant, la pente sous le seuil (60 mV/décade) du MOSFET ne peut pas être améliorée, ce qui limite la réduction de la tension d’alimentation. Cette restriction a motivé la recherche de composants innovants pouvant offrir des déclenchements abrupts tels que le Z2-FET (Zéro pente sous le seuil et Zéro ionisation par impact), Z2-FET DGP (avec double Ground Plane) et Z3-FET (Zéro grille avant). Grace à leurs caractéristiques intéressantes (déclenchement abrupte, faible courant de fuite, tension de déclenchement ajustable, rapport de courant ION/IOFF élevé), les dispositifs à modulation de bandes peuvent être utilisés dans différentes applications. Dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur la protection contre les décharges électrostatiques (ESD), la mémoire DRAM embarquée sans capacité de stockage, et les interrupteurs logiques. L’étude des mécanismes statique et transitoire ainsi que des performances de ces composants a été réalisée grâce à des simulations TCAD détaillées, validées systématiquement par des résultats expérimentaux. Un modèle de potentiel de surface pour les trois dispositifs est également fourni. / During the past 5 decades, Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology was the dominant fabrication method for semiconductor integrated circuits where Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) was and still is the central component. Nonetheless, the continued physical downscaling of these transistors in CMOS bulk technology is suffering limitations and has been stopped nowadays. Fully Depleted Silicon-On-Insulator (FDSOI) technology appears as an excellent alternative that offers low-power consumption and improved electrostatic control for MOS transistors even in very advanced nodes (14 nm and 28 nm). However, the 60 mV/decade subthreshold slope of MOSFET is still unbreakable which limits the supply voltage reduction. This motivated us to explore alternative devices with sharp-switching: Z2-FET (Zero subthreshold slope and Zero impact ionization), Z2-FET DGP (with Dual Ground Planes) and Z3-FET (Zero front-gate). Thanks to their attractive characteristics (sharp switch, low leakage current, adjustable triggering voltage and high current ratio ION/IOFF), band-modulation devices are envisioned for multiple applications. In this work, we focused on Electro-Static Discharge (ESD) protection, capacitor-less Dynamic Random Access Memory and fast logic switch. The DC and transient operation mechanisms as well as the device performance are investigated in details with TCAD simulations and validated with systematic experimental results. A compact model of surface potential distribution for all Z-FET family devices is also given.

Récemment, la convergence des techniques radio à 60 GHz sur fibre optique (radio over fiber - RoF) et des réseaux d’accès optiques passifs à multiplexage en longueurs d’ondes (wavelength division multiplexing-WDM) a suscité un très grand intérêt dans la communauté scientifique. L’objectif de cette thèse est d’étudier les solutions pour faire converger les systèmes RoF à 60 GHZ et les réseaux passifs optiques (passive optical network – PON) utilisant le WDM, appelés dans la suite PON-WDM. Les résultats principaux de cette thèse axée sur la technologie des systèmes RoF et l’intégration des systèmes RoF avec les réseaux d’accès PON-WDM sont les suivants : Un système RoF utilisant un démultiplexeur WDM, compatible avec les réseaux d’accès PON-WDM, est proposé dans cette thèse. Nous avons mené une étude théorique complète du bruit de phase. Elle inclut la contribution des bruits de phase des générateurs de signaux électriques et celle de la conversion de bruit de phase optique en bruit d’intensité. Cette dernière conversion est due à la détection de deux signaux cohérents, retardés l’un par rapport à l’autre si les longueurs optiques entre les deux canaux optiques se recombinant sont différentes. La densité spectrale de puissance du signal millimétrique généré optiquement est analysée théoriquement et démontrée expérimentalement. Son étude donne une méthode pour compenser un éventuel délai optique │τd│. L’amplitude du vecteur d’erreur (error vector magnitude –EVM) est théoriquement calculée et expérimentalement démontrée, en fonction du rapport │τd│/τcOP où τcOP est la durée de cohérence de la source optique utilisée. Cela donne une règle de conception pour insérer le démultiplexeur optique dans le système d’hétérodynage optique.  Nous avons validé expérimentalement la technique d’hétérodynage optique qui utilise un démultiplexeur pour générer un signal millimétrique respectant le standard ECMA 387. Nous avons proposé un système combinant une partie RoF et un réseau PON-WDM, permettant la génération simultanée d’un signal millimétrique respectant le standard ECMA 387 et la transmission d’un signal en bande de base à plusieurs gigabits par seconde. Nous avons réalisé expérimentalement avec succès la transmission simultanée d’un signal à 60 GHZ, modulé avec une modulation BPSK par un signal à 1588 Mbit/s et celle d’un signal en bande de base à 10 Gbit/s.  Nous avons proposé une nouvelle technique de modulation multi-bandes : la modulation de phase parallèle utilisant un unique modulateur de Mach-Zehnder. Cette technique présente des avantages significatifs comparée à n’importe quelle autre technique de modulation multi-bandes. Il n’y a aucun impact de la modulation en bande de base sur la génération millimétrique. L’impact de la modulation RF sur la transmission en bande de base (impact dû à la non-linéarité de la modulation de phase) est limité. Le taux d’erreurs binaires du signal en bande de base intégrant l’effet du signal RF a été théoriquement calculé et expérimentalement validé. Cela donne des règles de conception pour la technique de modulation de phase parallèle avec un unique modulateur de Mach-Zehnder. Nous avons proposé une architecture et réalisé un démonstrateur d’un système bas-coût bidirectionnel pour la transmission RoF. Ce système utilise le mélange optoélectronique et la technique d’hétérodynage optique. Nous avons prouvé que :  Des signaux à 60 GHz modulés à 397 Mbit/s et 794 Mbit/s avec une modulation BPSK sont convertis vers la bande basse de fréquence en utilisant la technique de mélange optoélectronique : les contraintes du standard ECMA 387 sont respectées.  Pour la liaison descendante utilisant la technique d’hétérodynage optique, aucune pénalité sur l’EVM n’est causée par le choix du régime non linéaire de la photodiode. / Recently, convergence of 60 GHz radio over fiber (RoF) technique with wavelength division multiplexing (WDM) passive optical networks (PON) has raised great interests because it provides the possibility for simultaneous broadband 60 GHz signal generation and multi-gigabit per second wireline transmission. The objective of the thesis is to study the solutions for converged 60 GHz RoF and WDM-PON technique. In this thesis, we have made the following achievements for RoF technology and the integration of RoF technology with WDM-PON access networks: A RoF system using WDM DEMUX which is supposed to be compliant with WDM-PON access networks is proposed in this thesis. Phase noise including optical phase to intensity noise conversion contribution due to the delayed coherent detection induced by the different optical lengths between the two optical channels and the phase noise contribution due to the electrical generators has been theoretically studied. PSD of the optical mmW is theoretically analyzed and experimentally demonstrated, which gives a solution to compensate different optical delay │τd│ EVM as function of │τd│/τcOP is theoretically derived and experimentally proved, which gives a design rule for optical heterodyning using WDM DEMUX The optical heterodyning technique using WDM DEMUX for mmW generation respecting ECMA 387 standard is validated by the experiment. We proposed a simple combination of RoF with WDM-PON supporting mmW generation respecting ECMA 387 standard and multi-gigabit per second baseband transmission. Simultaneous transmission of 1588 Mbps BPSK 60 GHz signal and 10 Gbps baseband signal is experimentally proved. A novel WDM-RoF-PON access networks with multi-band modulation technique is proposed in order to lower the cost of infrastructure. We propose a novel parallel phase modulation technique with a single MZM. This technique can offer several significant advantages compared to any other multi-band modulation technique. No impact from baseband modulation to mmW generation. Limited impact from RF modulation to baseband transmission due to the non-linearity of the phase modulation. BER of baseband signal with RF impact is theoretically studied and experimentally demonstrated, which gives a design rule for parallel phase modulation technique with a single MZM A low-cost bidirectional RoF transmission using optoelectronic mixing and optical heterodyning technique is proposed and experimentally demonstrated. It has been proved that: 397 Mbps and 794 Mbps BPSK 60 GHz uplink signal is down-converted to IF band respecting the ECMA 387 standard by using the optoelectronic mixing technique. No EVM penalty is paid to the non-linearity biased PD for downlink transmission by optical heterodyning technique. 6 dB power penalty need to be paid for the non-linear biased PD, which can be compensated by using high gain LNA after the PD.

L’engouement actuel pour les applications de type réseaux de capteurs sans-fil ou internet des objets (IoT) relance la nécessité, alors initiée par les applications mobiles, de concevoir des émetteurs-récepteurs radio à basse consommation. Dans ce contexte, l’objet des travaux de thèse est de proposer des techniques de réduction de la consommation des récepteurs radio tout en minimisant l’impact sur leur architecture de manière à pouvoir adapter leur consommation aux besoins de performance.Pour ce faire, l’utilisation intermittente du convertisseur analogique numérique (ADC) a, dans un premier temps, été étudiée puis celle-ci a été généralisée à l’ensemble du récepteur. Pour chacune de ces approches, une modélisation de la dégradation des performances en termes de taux d’erreur (BER) a été confrontée à une estimation de la réduction de la consommation engendrée. Par ailleurs, l’impact de l’ajout de modules spécifiques aux techniques proposées est décrit à l’aide de résultats concernant leurs complexités et leurs consommations. L’ensemble de ces résultats s’inscrit pleinement dans le domaine de recherche des récepteurs adaptatifs pour lesquels les performances sont adaptées au canal de transmission en temps réel.Finalement, une technique de compensation digitale des défauts de quadrature a été proposée, rendant possible l’utilisation d’une PLL moins énergivore mais avec des performances dégradées. Cette technique utilise une recherche par dichotomie des poids de compensation des défauts de quadrature, lui permettant de converger suffisamment rapidement pour pouvoir réaliser la compensation sur une portion connue du message reçu et ainsi éviter une perte d’information. / The recent craze for the Wireless Sensor Networks (WSN) and the Internet of Things (IoT) applications boosts the necessity, previously introduced by the mobile applications, to design low power transceivers. In this context, the purpose of this thesis is to propose some techniques to reduce the power consumption of RF receivers while minimizing the impact on their architecture in order to be able to adapt their power consumption to the required performances.To do so, the study of the intermittent use of the analog-to-digital converter (ADC) is firstly proposed and then extended to the whole receiver. In each case, the degradation of the receiver performances in terms of bit error rate (BER) is compared to an estimate of the obtained decrease of the power consumption. Moreover, the complexity and the overhead power consumption of the modules involved in the processing of the proposed techniques are also estimated and discussed. All these results are part of the field of research called “adaptive receiver” that tries to adapt the receiver performances to its environment in real time.Finally, a digital compensation technique of the quadrature imbalances was proposed. It allows using a less energy-consuming PLL but with degraded quadrature performances and compensating the mismatches in the digital domain. This technique uses a dichotomic search of the compensation weights allowing a fast convergence in order for the compensation to be done during the reception of a known portion of the received message and therefore avoiding a loss of information.