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

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Steady increases in the bandwidth requirements of access networks and local area networks have created a need for short-reach links supporting data rates of 10 Gb/s and larger. Server applications and data center applications too require such links. The primary challenge for these links lies in the reduction of the cost while retaining or improving the performance. Traditionally, multimode fiber (MMF) has satisfied these needs because of its low installation cost resulting from the alignment tolerance associated with the large core size. However, in view of the ever-increasing performance requirements, extraction of the best performance requires a holistic view of the channel that involves global optimization of transmitter, fiber, receiver performance and signaling strategies. The optimization results in a channel impairment mitigation technique that is a combination of optical, opto-electronic, and electronic methods. Both glass and plastic MMF links have been addressed in this work and many of the advances apply equally to both media. One example that applies strictly to glass MMF is the use of Raman amplification to not only combat attenuation but to reduce intersymbol interference (ISI). Raman amplification was demonstrated as an optical channel impairment mitigation technique enabling multi-km, multi-Gb/s transmission over glass-MMF. We demonstrated both numerically and experimentally that a power penalty reduction of 1.4 dBo can be achieved for 10 Gb/s transmission over 9 km of 62 micron glass MMF with a Raman pump power 250 mW. In recent years, plastic optical fiber (POF) has emerged as a potentially lower cost alternative to glass-MMF in enabling high performance links. The primary objective of this research is to explore the possibilities and develop low-cost, short-reach, high-data-rate POF-links. Using a comprehensive multimode fiber model, we showed that strong mode coupling, together with a reasonably accurate refractive index profile enables 40 Gb/s transmission over 200 m of graded-index POF. We experimentally demonstrated 40 Gb/s error-free transmission over 100 m of graded index perfluorinated POF (GI-PF-POF). We also demonstrated that even larger core (120 micron) GI-PF-POF can support >10 Gb/s over 100 m length. We numerically computed and experimentally measured the differential modal delay of GI-PF-POF to demonstrate that the available bandwidth is nearly independent of the launch conditions. Therefore, the alignment tolerance at the transmitter is increased resulting in a dramatically reduced packaging cost at the transmitter. However, the large-core POF increases the difficultly in capturing of the light efficiently onto a detector and results in optical power penalty and associated modal noise. To solve this, we have designed and developed a 10 Gb/s photoreceiver consisting of a large (100 micron diameter) GaAs PIN photodetector and a regulated cascade input based transimpedance amplifier (TIA) with low input impedance. Thus, a low-cost, alignment-tolerant, high-data-rate link is realized that uses a high-power, high-speed vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) transmitter, large-core, high-speed GI-PF-POF, and the developed receiver.

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Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre des télécommunications optiques à haut-débit sur courtes distances. L'ère numérique dans laquelle nous vivons pousse les architectures actuelles à évoluer aussi rapidement que le besoin en débit. Les réseaux d'accès et data-centers doivent d'ores et déjà évoluer, notamment au niveau des composants et sous-systèmes chargés de détecter les signaux optiques après leur transmission : les photorécepteurs. La montée en débit à 40 Gb/s et au-delà est limitée par l'architecture actuelle des photorécepteurs dont l'interfaçage entre ses deux fonctions primaires (photodétection[PD]/amplification[TIA]) limite la bande passante. Les solutions présentées, visant à limiter la parallélisation multi-longueurs d'onde des composants et ainsi les coût de déploiement, proposent d'augmenter la rapidité des modules photorécepteurs en optimisant leur architecture. Deux axes d'optimisation sont alors proposés au niveau du photorécepteur : Une approche co-packaging ayant pour objectif de considérer les deux fonctions clés du photorécepteur comme des boîtes noires auxquelles il convient d'ajouter un circuit externe permettant d'augmenter la bande passante, et une approche co-design visant à concevoir un nouveau circuit amplificateur transimpédance (TIA) intégrant directement une fonction de pré-égalisation adaptée à la photodiode permettant de repousser la fréquence de coupure du récepteur. / This thesis falls within the scope of high-speed short-reach optical communication where the growing need in data transfer forces the current architectures to evolve as quickly. Acces network and data-center components and subsystems must follow this growth, especially on the photoreceiver side. 40 Gb{s and beyond high-speed communications are limited by the current photoreceiver architecture, which, due to the integration of both of its main functions (photodetection[PD]/amplification[TIA]), limits the maximum achievable bandwitdh. In order to reduce the amount of components and price caused by multi-architectures, photoreceivers bandwidth must be increased. Two solutions are proposed so that the photoreceiver performances can be optimized : A co-packaging approach in which both main functions of the photoreceiver are considered as black boxes to which must be added an external circuit allowing to increase the bandwidth, and a co-design approach in which a new transimpedance amplifier (TIA) is designed, integrating a pre-equalizing function based on the photodiode characteristics, allowing an enhancement of the photoreceiver bandwitdh.