Today’s microprocessors with millions of transistors perform high-complexitycomputing at multi-gigahertz clock frequencies. Clock generation and clockdistribution are crucial tasks which determine the overall performance of amicroprocessor. The ever-increasing power density and speed call for newmethodologies in clocking circuitry, as the conventional techniques exhibit manydrawbacks in the advanced VLSI chips. A significant percentage of the total dynamicpower consumption in a microprocessor is dissipated in the clock distributionnetwork. Also since the chip dimensions increase, clock jitter and skew managementbecome very challenging in the framework of conventional methodologies. In such asituation, new alternative techniques to overcome these limitations are demanded. The main focus in this thesis is on new circuit techniques, which treat thedrawbacks of the conventional clocking methodologies. The presented research in thisthesis can be divided into two main parts. In the first part, challenges in design ofclock generators have been investigated. Research on oscillators as central elements inclock generation is the starting point to enter into this part. A thorough analysis andmodeling of the injection-locking phenomenon for on-chip applications show greatpotential of this phenomenon in noise reduction and jitter suppression. In thepresented analysis, phase noise of an injection-locked oscillator has been formulated.The first part also includes a discussion on DLL-based clock generators. DLLs haverecently become popular in design of clock generators due to ensured stability,superior jitter performance, multiphase clock generation capability and simple designprocedure. In the presented discussion, an open-loop DLL structure has beenproposed to overcome the limitations introduced by DLL dithering around the averagelock point. Experimental results reveals that significant jitter reduction can beachieved by eliminating the DLL dithering. Furthermore, the proposed structuredissipates less power compared to the traditional DLL-based clock generators.Measurement results on two different clock generators implemented in 90-nm CMOSshow more than 10% power savings at frequencies up to 2.5 GHz. In the second part of this thesis, resonant clock distribution networks have beendiscussed as low-power alternatives for the conventional clocking schemes. In amicroprocessor, as clock frequency increases, clock power is going to be thedominant contributor to the total power dissipation. Since the power-hungry bufferstages are the main source of the clock power dissipation in the conventional clock distribution networks, it has been shown that the bufferless solution is the mosteffective resonant clocking method. Although resonant clock distribution shows greatpotential in significant clock power savings, several challenging issues have to besolved in order to make such a clocking strategy a sufficiently feasible alternative tothe power-hungry, but well-understood, conventional clocking schemes. In this part,some of these issues such as jitter characteristics and impact of tank quality factor onoverall performance have been discussed. In addition, the effectiveness of theinjection-locking phenomenon in jitter suppression has been utilized to solve the jitterpeaking problem. The presented discussion in this part is supported by experimentalresults on a test chip implemented in 130-nm CMOS at clock frequencies up to 1.8GHz. / Mikroprocessorer till dagens datorer innehåller hundratals miljoner transistorersom utför åtskilliga miljarder komplexa databeräkningar per sekund. I stort settalla operationer i dagens mikroprocessorer ordnas genom att synkronisera demmed en eller flera klocksignaler. Dessa signaler behöver ofta distribueras överhela chippet och driva alla synkroniseringskretsar med klockfrekvenser pååtskilliga miljarder svängningar per sekund. Detta utgör en stor utmaning förkretsdesigners på grund av att klocksignalerna behöver ha en extremt högtidsnoggranhet, vilket blir svårare och svårare att uppnå då chippen blir större.Idealt ska samma klocksignal nå alla synkroniseringskretsar exakt samtidigt föratt uppnå optimal prestanda, avvikelser ifrån denna ideala funktionalitet innebärlägre prestanda. Ytterliggare utmaningar inom klockning av digitala chip, är atten betydande andel av processorns totala effekt förbrukas i klockdistributionen.Därför krävs nya innovativa kretslösningar för att lösa problemen med bådeonoggrannheten och den växande effektförbrukningen i klockdistributionen. att lösa de problem som finns i dagens konventionella kretslösningar förklocksignaler på chip. I den första delen av denna avhandling presenterasforskningsresultat på oscillatorer vilka utgör mycket viktiga komponenter igeneringen av klocksignalerna på chippen. Teoretiska studier avfaslåsningsfenomen i integrerade klockoscillatorer har presenterats. Studiernahar visat att det finns stor potential för reducering av tidsonoggrannhet iklocksignalerna med hjälp av faslåsning till en annan signal. I avhandlingensförsta del presenteras även en diskussion om klockgeneratorer baserade påfördröjningslåsta element. Dessa fördröjningslåsta elementen, kända som DLLkretsar, har egenskapen att de kan fördröja en klocksignal med en bestämdfördröjning, vilket möjliggör skapandet av multipla klockfaser. En nykretsteknik har introducerats för klockgenerering av multipla klockfaser vilken reducerar effektförbrukningen och onoggranheten i DLL-baseradeklockgeneratorer. I denna teknik används en övervakningskrets vilken ser till attalla delar i klockgeneratorn utnyttjas effektivt och att oanvända kretsarinaktiveras. Baserat på experimentalla mätresultat från tillverkade testkretsar ikisel har en effektbesparing på mer än 10% uppvisats vid klockfrekvenser påupp till 2.5 GHz tillsammans med en betydande ökning av klocknoggranheten. I avhandlingens andra del diskuteras en klockdistributionsteknik som baseraspå resonans, vilken har visat sig vara ett lovande alternativ till konventionllabufferdrivna klockningstekniker när det gäller minskande effektförbrukning.Principen bakom tekniken är att återanvända den energi som utnyttjas till attladda upp klocklasten. Teoretiska resonemang har visat att storaenergibesparingar är möjliga, och praktiska mätningar på tillverkadeexperimentchip har visat att effektförbrukingen kan mer än halveras. Ettproblem med den föreslagna klockningstekniken är att data som används iberäkningarna kretsen direkt påverkar klocklasten, vilket även påverkarnoggranheten på klocksignalen. För att komma till rätta med detta problemetpresenteras en teknik, baserad på forskning inom ovan nämndafaslåsningsfenomen, som kan minska onoggrannheten på klocksignalen medöver 50%. Både effektbesparingen och förbättringen av tidsnoggranheten harverifierats med hjälp av mätningar på tillverkade chip vid frekvenser upp mot1.8 GHz.

Kvantové kaskádové laserové frekvenční hřebeny jsou slibnými kandidáty pro nové miniaturizované spektrometry bez pohyblivých částí. Mohou být generovány v samočinném režimu pomocí různých nelinearit vyvolaných asymetrickým ziskem a vlnovodovou disperzí. K simulaci samočinných hřebenů byl použit dostupný vysoce optimalizovaný nástroj založený na modelu postupné vlny. Dále byl rozšířen o funkci zamykání optickým vstřikováním, koherentní techniky ovládání frekvenčních hřebenů. Následné simulace potvrdily uzamčení pomocí vstřikovaného signálu. Bylo zjištěno, že disperze grupové rychlosti (GVD) má významný dopad na rozsah zamykání. GVD byla vypočtena pro typické zařízení a frekvenční hřeben byl uzamčen pomocí optického vstřikování v rozsahu ladění od -2 do 47 MHz.

The random fluctuations of signal phase of an oscillator limit the precision of time and frequency measurements. The noise and long-term stability of the system’s oscillator or clock is of major importance in applications such as optical and wireless communications, high-speed digital electronics, radar, and astronomy. The Optoelectronic Oscillator (OE Oscillator), a new class of time delay oscillator with promise as a low-phase noise source of microwave carriers, was introduced by Steve Yao and Lute Malek in 1996. The OE Oscillator combines into a closed loop an RF photonic link and an RF chain. The RF photonic link consists of a laser, electro-optic modulator, optical fibre delay line, and a photo-receiver that together provide an RF delay. An RF chain consists of one or more amplifiers and a RF resonator that together provide the sustaining amplification and the frequency selectivity necessary for single mode oscillation of the loop. The low loss of optical fibres enables the attainment of delays that correspond to optical fibre lengths of several kilometers. It is the long delay, unattainable in an all electronic implementations that is responsible for the superior phase noise performance of an OE Oscillator. In this thesis the fundamental principles of operation of an OE Oscillator are described and the principal sources of in-loop phase fluctuations that are responsible for phase-noise identified. This lays the ground for an exposition of the mechanism that describes the perturbation of a time delay oscillator by injection into the loop of a carrier that is detuned in frequency from the natural frequency of the oscillator. For sufficiently small detuning the oscillator can become phase locked to the injected carrier. The model presented in the thesis generalises the traditional Yao-Maleki and Leeson model to include all the important features that describe the injection locking dynamics of an OE Oscillator. In particular the common assumptions of single mode oscillation and weak injection are removed. This is important to correctly predict the effect of injection locking on the spurious peaks in the phase noise spectrum corresponding to the side-modes of a time delay oscillator. Simulation results are presented in order to validate the dynamics of the oscillator under injection and analytic results on the lock-in range and phase noise spectrum. A 10 GHz OE Oscillator with a single 5km delay line is used as an example in the simulation illustration.

Due to continued device dimensions scaling, CMOS transistors in the nanometer regime have resulted in major reliability and variability challenges. Reliability issues such as channel hot electron injection, gate dielectric breakdown, and negative bias temperature instability (NBTI) need to be accounted for in the design of robust RF circuits. In addition, process variations in the nanoscale CMOS transistors are another major concern in today‟s circuits design. An adaptive gate-source biasing scheme to improve the RF circuit reliability is presented in this work. The adaptive method automatically adjusts the gate-source voltage to compensate the reduction in drain current subjected to various device reliability mechanisms. A class-AB RF power amplifier shows that the use of a source resistance makes the power-added efficiency robust against threshold voltage and mobility variations, while the use of a source inductance is more reliable for the input third-order intercept point. A RF power amplifier with adaptive gate biasing is proposed to improve the circuit device reliability degradation and process variation. The performances of the power amplifier with adaptive gate biasing are compared with those of the power amplifier without adaptive gate biasing technique. The adaptive gate biasing makes the power amplifier more resilient to process variations as well as the device aging such as mobility and threshold voltage degradation. Injection locked voltage-controlled oscillators (VCOs) have been examined. The VCOs are implemented using TSMC 0.18 µm mixed-signal CMOS technology. The injection locked oscillators have improved phase noise performance than free running oscillators. iv A differential Clapp-VCO has been designed and fabricated for the evaluation of hot electron reliability. The differential Clapp-VCO is formed using cross-coupled nMOS transistors, on-chip transformers/inductors, and voltage-controlled capacitors. The experimental data demonstrate that the hot carrier damage increases the oscillation frequency and degrades the phase noise of Clapp-VCO. A p-channel transistor only VCO has been designed for low phase noise. The simulation results show that the phase noise degrades after NBTI stress at elevated temperature. This is due to increased interface states after NBTI stress. The process variability has also been evaluated.

Cette thèse porte sur l’analyse et la conception de générateurs de fréquence millimétrique à faible bruit de phase destinés à des applications de communication sans fil de très haut débit sur une technologie BiCMOS 0.25m. Spécifiquement, des applications backhauling sont visées sur le protocole de communication P2P (point-to-point), pour un système de radio hétérodyne (à faible fréquence intermédiaire) approprié pour les bandes entre 30–38GHz et de faible profondeur de modulation (2-3 bits /symbole). Une étude rigoureuse du comportement du bruit de phase en 1/f2 d’un oscillateur contrôlé en tension (du type paire différentielle croisée) en fonction de la fréquence d’oscillation est développée. Des facteurs essentiels pour la conception de ces oscillateurs tels que la plage de fréquence et la charge de la paire croisée sur le résonateur sont pris en compte dans l’analyse. L’étude révèle que lorsque la fréquence augmente, l’oscillateur passe à travers deux régimes d’opération différents, ici appelés région QL-limited et région QC- limited, qui résultent de la dépendance du facteur de qualité du résonateur à sa partie inductive (pour les basses fréquences d’oscillation) et sa partie capacitive (pour les hautes fréquences d’oscillation). De plus, l’impact de la plage de fréquence sur l’évolution du bruit de phase en 1/f2 a été considéré en utilisant un circuit classique à base d’un varactor et d’un condensateur du type MiM. Des équations simples et précises ont été calculées pour les paramètres du circuit afin d’obtenir une fréquence centrale souhaitée avec la variation de la capacité requise. Pour ce circuit, il a été démontré (et vérifié à travers des simulations du circuit) que le pire scénario du facteur de qualité peut être associé à la constante de temps d’un condensateur. Ce dernier a permis d’estimer aisément le facteur de qualité minimal de la partie capacitive du résonateur LC de l’oscillateur, pour une plage de fréquence donnée, en fonction de la fréquence d’oscillation. D’une manière similaire, et basée sur une analyse à petit signal, la constante de temps de la capacité de sortie de la paire croisé a été déterminée. Notamment cette constante de temps présente un comportement constant sur une large gamme de fréquences, ce qui permet d’évaluer facilement son facteur de qualité. Cette étude fournit les bases théoriques qui permettent l’évaluation du bruit de phase en 1/f2 d’une source de signal basée sur un oscillateur en mode fondamental, super-harmonique ou sous-harmonique. En effet, la supériorité des oscillateurs sous-harmoniques est démontrée et des équations simples sont proposées pour déterminer la performance maximale et les conditions dans lesquelles elles peuvent être atteintes. Enfin, un système de génération de signal est ainsi conçu et vérifié par des mesures sur un prototype. Le système est composé d’un VCO sous-harmonique suivi d’un tripleur de fréquence (ILFT) –verrouillé par injection. Le circuit est implémenté sur une technologie SiGe:C BiCMOS 0.25 m. Le tripleur implémente une configuration à émetteur commun, polarisé en courant, qui exploite la seconde harmonique du VCO afin d’améliorer l’efficacité de la génération du signal responsable de verrouiller le ILFT. A 30.8 GHz, le système atteint un bruit de phase de -112 dBc/Hz à 1MHz d’offset. La consommation totale de courant est de 38mA pour une tension d’alimentation de 2.5V. Un deuxième prototype a été réalisé pour un système de génération multibande, offrant ainsi trois sorties RF à 18 GHz, 34GHz et 68 GHz. Avec une plage de fréquence de 10% (mesurée par rapport à la fréquence centrale) pour chaque sortie RF. Le bruit de phase mesuré à 1MHz d’offset est respectivement de -113dBc/Hz, -107dBc/Hz et -100dBc/Hz.. / This thesis deals with the analysis and design of Low phase Noise Local-Oscillator(LO) sources suitable for backhauling applications on the frequencies 30-38GHz. The LO is intended to be used in a low-IF architecture for low order modulations (2-3 bits/symbol). This work was developed in collaboration with NXP Semiconductorsat CAEN, France, within the project RF2THz of the European program CATRENE.The original contributions in this work include a rigorous study of the 1/f2 phasenoise characteristics of the VCO (bipolar cross-coupled pair Voltage-Controlled-Oscillator) with the oscillating frequency. Key factors in the design of VCOs such as tuning range and the tank load given by the cross-coupled pair are considered in the analysis. The study reveals that as the frequency scales, the VCO passes through two different zones, named the QL-limited and the QC-limited region, that results from the dependence of the resonator quality factor on its inductive part (for low oscillating frequencies) and its capacitive part (for high oscillating frequencies). Moreover, the impact of the tuning range on the 1/f2 phase noise evolution was captured by using a classical circuit based on an AC-coupled varactor and a MiM capacitor. Simple and accurate equations were derived for the circuit parameters in order to achieve a desired central frequency with the required capacitance variation. For this circuit, it is demonstrated (and verified through circuit simulations) that the lowest quality factor scenario can be associated to the time-constant of a lossy capacitor. The latter allows to estimate easily the minimum quality factor of the capacitive part of the VCO LC tank, for a given tuning range, as a function of the oscillating frequency. In a similar way, and based on a small signal analysis, the time-constant of the output capacitance of the bipolar cross-coupled pair was derived. Interesting, this time constant shows a constant behavior over a wide frequency range, thereby allowing to estimate easily its quality factor. This study set the bases for an analytical framework that enables the evaluation of the 1/f2 phase noise performances of local oscillator sources working either on fundamental,super-harmonic or sub-harmonic mode. The superiority in terms of 1/f2 phase noise of local oscillators based on sub-harmonic oscillators is thus demonstrated and simple equations are derived to determine the maximum performance and the conditions on which this can be achieved. Finally, a signal generation system intended for a low-IF point-to-point fixed radio system in the Ka-Band band is thus designed and verified through prototype measurements.The system is composed by a sub-harmonic VCO followed by an injectionlocked frequency tripler (ILFT) and it is designed in a 0.25m BiCMOS SiGe:C technology. The ILFT implements a cascode current-biased common emitter configuration that exploits the second harmonic of the VCO to enhance the efficiency in the generation of the injecting signal responsible for the ILFT locking. At 30.8GHz, the system achieves a phase noise of -112dBc/Hz at 1MHz offset. The total current consumption is 38mA for a supply voltage of 2.5V. A second prototype is designed for a multiband LO generation, providing thus three RF outputs at 18GHz, 34GHz and 68GHz. With a measured tuning range of 10% for each RF output, the measured phase noise at 1MHz is -113dBc/Hz, -107dBc/Hz and -100dBc/Hz respectively.

This thesis experimentally demonstrates four approaches of frequency control of magnetic auto-oscillations in spin Hall nano-oscillators (SHNOs). The frequency can be changed in the GHZ-range by external magnetic fields as shown in this work. This approach uses large electromagnets, which is inconvenient for future applications. The nonlinear coupling between oscillator power and frequency can be used to control the latter one by changing the applied direct current to the SHNO. The frequency can be controlled over a range of several 100 MHz as demonstrated in this thesis. The first part of the experimental chapter demonstrates the synchronization (injection-locking) between magnetic auto-oscillations and an external microwave excitation. The additionally applied microwave current generates a modulation of the effective magnetic field, which causes the interaction with the auto-oscillation. Both synchronize over a range of several 100 MHz. In this range, the auto-oscillation frequency can be controlled by the external stimulus. An increase of power and a decrease of line width is achieved in the synchronization range. This is explained by the increased coherence of the auto-oscillations. A second approach is the synchronization of auto-oscillations to an alternating magnetic field. This field is generated by a freestanding antenna, which is positioned above the SHNO. The second part of the experimental chapter introduces a bipolar concept of SHNOs and its experimental demonstration. In contrast to conventional SHNOs, bipolar SHNOs generate auto-oscillations for both direct current polarities and both directions of the external magnetic field. This is achieved by combining two ferromagnetic layers in an SHNO. The combination of two different ferromagnetic materials is used to switch between two frequency ranges in dependence of the direct current polarity since it defines the layer showing auto-oscillations. This approach can be used to change the frequency in the GHz-range by switching the direct current polarity. / Diese Arbeit demonstriert experimentell vier verschiedene Methoden der Frequenzkontrolle magnetischer Auto-Oszillationen in Spin Hall Nano-Oszillatoren (SHNOs). Durch externe magnetische Felder kann die Frequenz im GHz-Bereich geändert werden, wie es in dieser Arbeit gezeigt wird. Dies erfordert jedoch große Elektromagneten, deren Nutzung für zukünftige Anwendungen der SHNOs nicht geeignet sind. Aufgrund der nichtlinearen Kopplung zwischen Oszillatorleistung und Oszillatorfrequenz, lässt sich letztere durch den Versorgungsstrom beeinflussen. Dies ist typischerweise in einem Bereich von mehreren 100 MHz möglich, wie es an mehreren Stellen dieser Arbeit gezeigt wird. Im ersten Abschnitt des Ergebnisteils wird die Synchronisation der magnetischen Auto-Oszillationen zu einer externen Mikrowellenanregung demonstriert. Der zusätzlich eingespeiste Mikrowellenstrom erzeugt eine Modulation des effektiven Magnetfelds, was zur Wechselwirkung mit den Auto-Oszillationen führt. Diese synchronisieren über eine Frequenzdifferenz von mehreren 100 MHz. In diesem Bereich lässt sich die Frequenz der Auto-Oszillation mit der äußeren Frequenz steuern. Innerhalb des Synchronisationsbereichs wird außerdem eine Erhöhung der Leistung und eine Verringerung der Linienbreite der Auto-Oszillationen festgestellt. Dies wird mit einer Erhöhung der Kohärenz der Auto-Oszillationen erklärt. Neben der zusätzlichen Einspeisung eines Mikrowellenstroms können die Auto-Oszillationen auch zu einem magnetischen Wechselfeld synchronisieren, welches von einer frei beweglichen Antenne erzeugt wird, die über dem SHNO positioniert wird. Im zweiten Abschnitt des Ergebnisteils wird ein bipolares Konzept eines SHNO vorgestellt und seine Funktionsfähigkeit experimentell nachgewiesen. Im Vergleich zu konventionellen SHNOs erzeugen bipolare SHNOs Auto-Oszillationen für beide Polaritäten des elektrischen Versorgungsstroms und beide Richtungen des externen Magnetfelds. Dies wird durch die Kombination zweier ferromagnetischer Lagen in einem SHNO erreicht. Die Kombination unterschiedlicher ferromagnetischer Materialien kann genutzt werden, um die Mikrowellenfrequenz in Abhängigkeit der Stromrichtung zu ändern, da diese bestimmt in welcher Lage die Auto-Oszillationen erzeugt werden können. Durch eine geeignete Materialkombination kann die Frequenz im GHz-Bereich geändert werden, wenn die Strompolarität umgekehrt wird.

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L'objectif de cette thèse vise à l'étude d'un laser à cavité étendue et/ou filtre optique, dont le miroir externe est un réseau de Bragg à pas variable linéairement. En ce qui concerne le milieu à gain dans le résonateur, l’amplificateur optique à semiconducteur (SOA, Semiconductor Optical Amplifier) peut offrir toutes les caractéristiques et avantages classiques et typiques tels que large bande passante spectrale de 50 nm, faible consommation, haute rapidité de commutation électro-optique etc.... Par conséquent, ce type de laser et/ou filtre optique offre de nombreuses applications intéressantes dans le domaine des télécommunications optiques.Dans cette recherche, les premiers travaux sont la conception de la cavité continuum passive à l'aide d’un réseau de Bragg à pas variable. A l’intérieur de cette cavité continuum, formée entre un miroir et un réseau de Bragg chirpé, toutes les longueurs d'onde de Bragg oscillent simultanément ; la phase après un aller-retour de chaque longueur d'onde doit rester constante. La largeur de bande passante du spectre de transmission peut être ajustée dans la bande C (entre 1525 nm et 1565 nm) pour répondre aux besoins des systèmes de multiplexage en longueur d'onde (WDM, Wavelength-Division Multiplexing). On appliquera dans un premier temps ce concept de cavité continuum à la conception et la réalisation d’un filtre optique à bande passante variable. Puis dans un deuxième temps on rajoute un amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) dans cette cavité pour réaliser un laser dit continuum. On s’attend à une émission sur un large spectre défini par la bande de réflexion du réseau chirpé. Le contrôle et la compréhension des phénomènes liés à cette émission lumineuse feront l’objet de cette étude. La cavité laser dite continuum sera étudiée en régime d’injection optique. L’idée est d’utiliser cette source comme amplificateur résonant fonctionnant en régime d’injection locking. La contribution dans cette thèse couvre à la fois la modélisation numérique, et les manipulations expérimentales. La conception du filtre ainsi que des mesures expérimentales de validation ont été complètement réalisés sur une structure hybride constituée d’une cavité à fibre optique incluant les réseaux de Bragg. Un bon accord entre théorie et expérience a été obtenu. Par contre, les calculs ont montré qu’un filtre optique intégré sur semi-conducteur utilisant ce concept de cavité n’avait pas d’intérêt. Les propriétés spectrales du filtre réalisé montrent en effet qu’on ne pourra obtenir qu’un faible taux de réjection et une qualité médiocre de forme de filtre en version intégrée. La réalisation expérimentale d’une cavité laser continuum a pu être démontrée et les propriétés spectrales enregistrées. En particulier une émission laser avec une largeur de spectre de 10 nm a été observée. Même si il reste un grand travail de caractérisation et de modélisation pour comprendre totalement les mécanismes qui gouvernent le fonctionnement d’une telle structure, c’est un résultat totalement nouveau que l’on a obtenu ici. Cette structure a par ailleurs été testée en régime d’injection optique. Un fonctionnement d’injection locking est obtenu qui permet à cette structure de jouer le role d’amplificateur à faible bruit. / The aim of this thesis is focused on the study of an extended cavity laser or/and optical filter, whose external mirror is the linearly chirped Bragg grating. As for the gain medium in the resonant, SOA (Semiconductor Optical Amplifier) can act as optical gain device. It can offer all of the classic and typical characteristics and advantages like large spectral passband of 50 nm, low power consumption, high-speed electro-optical commutation and so on. Therefore, this type of laser or/and optical filter have many interesting applications in the field of optical telecommunications.In this research, the first works are the design of passive continuum resonant cavity using linearly chirped Bragg grating. Inside this so-called continuum cavity, formed between mirror and chirped grating, all of the Bragg wavelengths oscillate at the same time, so the round-trip phase of each oscillated wavelength should keep constant. Then there is a passband spectrum at the transmission side. The bandwidth of transmission could be varied in C band (from 1525 nm to 1565 nm) to satisfy the needs of wavelength-division multiplexing (WDM) systems. This project is separated by two cases, one is about the external cavity applying chirped fiber Bragg grating as an external mirror, and the other is about the integrated cavity on InP chip, where the Bragg grating is already lithographed. Anyway, the first works of the thesis consist of numerical modeling, computational simulations and experimental manipulations.During the second works, the first step we add SOA as gain medium between two chirped fiber Bragg gratings for the purpose of generating laser. There are reflectors and active part in the passive cavity, so there is lasing far and away. It emits the typical F-P multimode light at the intersection of SOA gain band and reflection band of chirped grating. Then the second step is that a seed laser, whose frequency is nearby one of the longitudinal modes, is injected into the cavity in order to lock this mode. So there is only one emitted laser mode because of injection locking. This lasing resonant cavity could also be formed between mirror and linearly chirped Bragg grating.

La photonique sur silicium constitue une plateforme idéale pour transmettre et distribuer des signaux optiques au sein d'une puce et sur de longues distances sans pertes excessives. L'intégration de semiconducteurs III-V sur des circuits photonique en silicium est un projet excitant mais ambitieux, que nous avons mené en combinant le meilleur de l'optoélectronique des semiconducteurs III-V et des technologies photonique en siliicium-sur-isolant (SOI en anglais). Afin de pouvoir remplacer les interconnexions metalliques existantes par des interconnexion optiques, nous nous sommes efforcés d'utiliser les objets ayant les dimensions les plus petites et consommant les plus petites énergies comme peuvent l'être les nanocavités en Cristaux Photoniques incorporant des matériaux actifs en III-V. Cette thèse visait à conceptualiser, fabriquer et étudier expérimentalement des structures hybrides III-V/circuit photonique SOI, où une couche de III-V, reportée par collage adhésif à quelques centaines de nm du silicium, est gravée en une cavité optique de type cristal photonique " nanobeam " et résonante autour de 1.5 μm. Les principaux résultats de ce travail sont les démonstration 1) d'une efficacité de couplage entre la cavité et le guide d'onde SOI facilement ajustable, pouvant excéder 90% lorsque les conditions d'accord de phase sont remplies, 2) de l'émission laser en régime continue avec des puits quantiques via la passivation des surfaces, et 3) d'une mémoire optique de durée supérieure à 2s avec des énergies de commutations ultrafaibles (~0.4 fJ). Nous présentons aussi un modèle pour fabriquer des cavités " nanobeam " de facteurs Q très élevés, encapsulées dans un matériau bas indice.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet Français « VéLo » qui est une collaboration entre l’industriel STMicroelectronics et plusieurs laboratoires dont les laboratoires IMS-bordeaux et LAAS. Le but du projet est de concevoir un prototype de radar anticollision millimétrique. Dans ce travail un synthétiseur de fréquence est implémenté. Ce dernier sera intégré dans la chaine de réception du démonstrateur. Une étude bibliographique des architectures classiques de système de radiocommunication a été réalisée. Des exemples d’architectures rencontrées dans le domaine millimétrique ont été étudiés.L’objet principal de cette thèse est l’étude des oscillateurs synchronisés par injection ILO. L’objectif est de réaliser un oscillateur verrouillé par injection qui sera piloté par un oscillateur de fréquence plus basse possédant des caractéristiques de stabilité et de bruit meilleures.Dans ce travail de thèse, le mécanisme de verrouillage des oscillateurs par injection a été décrit. Un modèle de synchronisation par injection série, basé sur la théorie de Huntoon Weiss et inspiré du travail de Badets réalisé sur les oscillateurs synchrones verrouillés par injection parallèle, est proposé. La théorie établie a permis d’exprimer la plage de synchronisation en fonction de la topologie utilisée et des composants de la structure. La validité de la théorie a été évaluée par la simulation de la structure. Les résultats présentés montrent une bonne concordance entre la simulation et la théorie et permettent de valider le principe de synchronisation par injection. La faisabilité de l’intégration d’un ILO millimétrique synchronisé par l’harmonique d’un signal de référence de fréquence plus basse a été démontrée expérimentalement. Le synthétiseur de fréquence est réalisé en technologie BiCMOS 130nm pour des applications millimétriques de STMicroelectronics. Ce dernier opère dans une plage de 2GHz autour de la fréquence 82,5GHz. Les performances en bruit du synthétiseur sont satisfaisantes. Le bruit de phase de l’ILO recopie celui du signal injecté. Les équipements de mesures utilisés, le bruit de phase de l’oscillateur atteint des valeurs inférieures à -110dBc/Hz à 1MHz de la porteuse. / This thesis is a part of a French project "VELO". The project is collaboration between STMicroelectronics and several laboratories including IMS-Bordeaux and LAAS laboratories. The aim of this project is to achieve a prototype of millimeter anti-collision radar. In this work a frequency synthesizer is implemented. This circuit will be incorporated in the reception chain of the demonstrator. A bibliographical study of classical architecture was completed. Examples of architectures encountered in the millimeter frequency range have been studied. The purpose of this thesis is to study the phenomena of synchronization in oscillators. The objective is to design an injection locked oscillator ILO driven by another oscillator, the second oscillator operates at lower frequency and offers better stability and noise characteristics.In this thesis, the injection locking mechanism of the oscillators has been described. A model of synchronization by series injection is proposed. The model is based on the theory of Huntoon and Weiss and inspired by Badets’ work performed on parallel injection. The theory expresses the synchronized frequency range depending on the used topology and the values of the components. The validity of the theory was evaluated by simulation. The results show good agreement between simulation and theory and validate the principle of synchronization by injection.The feasibility of a millimeter ILO synchronized by the harmonic of a reference signal operating at lower frequency has been demonstrated experimentally. The synthesizer was implemented in BiCMOS technology for 130nm applications millimeter of STMicroelectronics. The oscillator operates at 82.5 GHz and performs a frequency range of 2GHz. The noise performance of the synthesizer is satisfactory. The phase noise of the ILO depends on the reference phase noise, and reaches values of -110dBc/Hz at 1MHz from the carrier frequency.