The design and analysis of a novel optical-to-microwave transducer based upon direct optical control of microwave gallium arsenide (GaAs) field-effect transistor (FET) switches is the subject of this thesis. The switch is activated by illuminating the gate depletion region of the FET device with laser light having a photon energy and wavelength appropriate to the generation of free carriers (electron-hole pairs) within GaAs. The effects of light on the DC and microwave properties of the GaAs FET are explored and analyzed to permit the characterization of the switching performance and transient response of a reflective microwave switch. The switch is novel in that it utilizes direct optical control, whereby the optically controlled GaAs FET is directly in the path of the microwave signal and therefore relies on optically-induced variations in the microwave characteristics of the switch. This contrasts with previous forms of optically controlled switches which rely on indirect methods with the optical stimulus inducing variations in the DC characteristics of the GaAs FET, such that there is no direct interaction between the optically illuminated GaAs FET and the microwave signal. Measured and simulated results relating to the switching performance and transient response of the direct optically controlled microwave switch have been obtained and published as a result of this work. For the first time, good agreement is achieved between the measured and simulated results for the rise and fall times associated with the transient response of the gate photovoltaic effect in optically controlled GaAs FET switches. This confirms that the GaAs FET, when used as an optically controlled microwave switch, has a transient response of the order of several micro-seconds. An enhanced model of the GaAs FET switch has been developed, which represents a more versatile approach and leads to improved accuracy in predicting switching performance. This approach has been shown to be valid for both optical and electrical control of the GaAs FET. This approach can be used to model GaAs FET switches in discrete or packaged forms and predicts accurately the occurrence of resonances which may degrade the switch performance in both switching states. A novel method for tuning these resonances out of the switch operating band has been developed and published. This allows the switch to be configured to operate over the frequency range 1 to 20 GRz. The agreement between the models and measured data has been shown to hold for two very different GaAs FET structures. The results of the direct optically controlled microwave GaAs FET switch have been used as the basis for the design of a novel direct optically controlled microwave phase shifter circuit; Measured and simulated results are in good agreement and verify that the performance of the optically controlled phase shifter is comparable with previously published results for electrically controlled versions of the phase shifter. The 10 GRz phase shifter was optically controlled over a 1 GRz frequency range and exhibited a mid-band insertion loss of 0.15 dB. The outcome of the work provides the basis for directly controlling the phase of a microwave signal using the output of an optical sensor, with the GaAs FET acting as an optical-to-microwave transducer through a monolithic interface.

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'un projet commun soutenu par la DGA (procédure RAPID), le projet Récepteur Optique Hyperfréquences LArge Bande ou ROHYLAB, dont VectraWave fait parti. Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine de la radio-sur-fibre en particulier au niveau de la réception. Nous nous inscrivons dans le contexte des photorécepteurs faible bruit, le but étant d'optimiser l'interface optique-électrique de ceux-ci tout en garantissant une grande dynamique. Après avoir présenté les avantages de la radio-sur-fibre à savoir : hauts débits, robustesse et encombrements, nous présentons les photorécepteurs et les différents paramètres qui les caractérisent. Cette étape nous permet de les comparer entre eux en les regroupant en fonction des techniques de conception utilisées dans la littérature. Cette étape nous permet d'identifier la technique de conception à utiliser. Nous choisissons de concevoir photorécepteur bande étroite dont on viendra élargir la bande. Nous définissons ensuite les paramètres nécessaires à la comparaison des technologies entre elles afin de justifier le choix de la technologie de transistor à utiliser. Nous étudions le photorécepteur en tant que système afin de mettre en évidence l'importance des paramètres présentés précédemment sur les performances de celui-ci. De cette analyse nous proposons une méthode de conception bande étroite liant l'ensemble des grandeurs. Nous montrons aussi comment estimer les performances limites en fonction de la technologie utilisée pour la photodiode et celle de l'amplificateur. Aussi nous montrons l'expression de cercles à densité équivalente de courant de bruit constants et de cercles à transimpédance constants. A partir de la modélisation théorique du photorécepteur et l'expression théorique des grandeurs caractéristiques, nous proposons la mise en œuvre et l'utilisation des outils présentés au chapitre précédent avec un logiciel de conception assisté par ordinateur. Nous montrons la modélisation de composants opto-microondes dans un environnement de simulation électrique. A l'aide de ces outils nous concevons trois photorécepteurs faible bruit et à grande dynamique dans la bande 2,9 GHz - 3,4 GHz. Les objectifs fixés sont : 300 de transimpédance, 5 pA/pHz. Ces circuits ont été simulés sous l'environnement électrique ADS mais aussi sous l'environnement électromagnétique MOMEMTUM. Les trois circuits présentent des performances records en bruit à de 3 GHz vis à vis de l'état de l'art. La réalisation du deuxième circuit conçu permet la caractérisation des photorécepteurs dans la bande 2,9 GHz - 3,4 GHz. Nous validons ainsi la démarche et proposons un circuit compétitif vis-à-vis de l'état de l'art. Dans une dernière section de cette thèse, nous illustrons le fait que cette méthode peut être exploitée sur d'autres technologies. Nous mettons en avant aussi le fait que l'on peut envisager la conception de photorécepteurs autour de 20 GHz. Nous envisageons aussi l'utilisation d'une inductance active pour réaliser des photorécepteurs accordables en fréquence pour des fréquences basses / This work is based on a common project support by the DGA, the project ROHYLAB for “wide band opto-microwave receiver” with Vectrawave . This work aim to optimized the optic-electric interface of a receiver in the radio-over-fiber field to design a low noise and high dynamic receiver. After an overview of radio-over-fiber's avantages such as: high data rates, security and security, we presented different photoreceiver and the figure of merit used to caracterized them. This step allow a comparison of the photoreceiver classified by the design topologies used in order to choose which design methodology we will used in this work. In an other hand, the same analysis is done for the transistor technologies. We presented a study of photoreceiver as a system in order to highlight the impact of main caracteritics on its performances. From this analysis allow to show a narrow band design method which link the caracteristics of the photodiode to the transistor's caracteristics. We also present some design tools such as circles of constant equivalent noise current density and circles of constant transimpedance. From the photoreceiver's theoritical model and the expressions of the main caracteristics, we implement the deisgn tools presented in ADS. In this section we also present the opto-microwave components models. Using this tools, we design three photoreceiver with low noise and high dynamics. This photoreceiver's aims to reach 300 Ohms of transimpedance and 5pA/Hz of noise. This circuits are implemented in ADS's eletrical fields and also in MOMENTUM's fields. All of this circuits appears as a competitive one in terms of noise at 3GHz .From the photoreceiver's design, we realized some cicuirts which permit photoreceiver's caracterization in 2.9 GHz - 3.4 GHz bandwidth. This measurements validate our approach and confirm a competitive circuit in term of noise compare to litterature. In a final sectin of this work, we illustrate an extension of this approach on other technologies. We also highlight a design of a photoreceiver at 20 GHz. In the end, we suggest the using of an active inductor to realize switchable frequency photoreceiver in low frequency

Avec le développement de l’internet des objets et l’augmentation des applications sans fil, les antennes sont de plus en plus présentes au quotidien. Cependant, l’implantation de ces antennes est un challenge tant d’un point de vue technologique (intégration des antennes dans les dispositifs), que psychologique (acceptabilité des antennes par le grand public). Dans ce contexte, le développement d’antennes optiquement transparentes permet non seulement leur implantation sur de nouvelles surfaces (vitrages d’immeubles, écrans de smartphones ...), mais promeut aussi leur acceptabilité par le grand public grâce à leur faible impact visuel. Ce travail présente la conception, la fabrication et la caractérisation d’antennes actives optiquement transparentes. Le matériau transparent et conducteur utilisé est un maillage métallique à pas micrométrique développé spécifiquement, alliant conductivité électrique et transparence optique élevées. Dans ce cadre, un premier prototype d’antenne transparente et miniature en bande FM utilisant un transistor MESFET de dimensions sub-millimétriques a été réalisé. Des antennes agiles en fréquence en bande X (~10 GHz) couplées, soit à une diode varicap localisée (agilité ~10%), soit à un matériau ferroélectrique (agilité ~2%), ont été développées et étudiées. Une antenne passive transparente a été conçue en bande V (~60 GHz). Enfin, une transition optique (1540 nm) / hyperfréquence (1,4 GHz) a été réalisée et caractérisée, basée sur la transmission optique d’un faisceau laser au travers du matériau constitutif de l’antenne. Pour l’ensemble des prototypes réalisés, une transparence optique supérieure à 80% dans le domaine du visible associée à une résistance par carré inférieure à 0,1 ohm/sq ont été utilisées. / Within the development of the Internet of Things (IoT) and the increase of the wireless communications, antennas are even more present on everyday life. However, antenna implementation is a real challenge, from a technological point of view (antenna integration into the devices) and from a psychological point of view (acceptability by the general public). Within this framework, the development of optically transparent antennas on new surfaces (glass windows, smartphone screens . . . ) is of great interest to improve the network coverage and to assist the general public in acceptability thanks to the low visual impact of such printed antennas. The present work deals with the design, the fabrication and the characterization of optically transparent and active antennas. The transparent and conducting material used is a micrometric mesh metal film specifically developed, associating high electrical conductivity and high optical transparency. A first optically transparent and miniature FM antenna based on a MESFET transistor with micrometric size has been designed and fabricated. Frequency agile antennas operating in X-band (~10 GHz), based on a beam-lead varactor (agility ~10%) and on a ferroelectric material agility ~2%), have been developed and characterized. An optically transparent and passive antenna has been studied in V-band (~60 GHz). At last, optics (1540 nm) / microwave (1.4 GHz) transition has been performed based on the transmission of a laser beam through the transparent antenna. For all prototypes, an optical transparency level higher than 80% coupled with a sheet resistance value lower than 0.1 ohm/sq have been used.