4.2 – Avantages apportés par cette solution et comparaison avec les sources de bruit

Suite à l’étude de Ho-Jin Song et al. [I-Song1], nous avons pu constater que l’utilisation d’un EDFA couplé à une photodiode rapide était viable pour créer une source de bruit haute fréquence.

Il s’agit d’utiliser le bruit blanc optique venant de l’émission spontanée présente dans l’EDFA et dont le signal est amplifié optiquement (bruit ASE : amplified spontaneous emission). Ce bruit est démodulé par la photodiode afin de générer un bruit électrique haute- fréquence. Le niveau de puissance de celui-ci, ainsi que sa forme spectrale, dépendent de ceux du bruit optique. L’avantage d’utiliser un EDFA est sa possibilité de générer un bruit optique très large bande, autour de 3 à 5 THz (30 à 45 nm en longueur d’onde) [I-Song2]. Couplé à une photodiode à haute fréquence de coupure, cela permet d’avoir un signal électrique équivalent haute-fréquence.

Cette source de bruit photonique permet d’avoir une grande contrôlabilité du niveau de puissance généré, de la bande de fréquence visée et de la forme spectrale de ce bruit avec une forte précision. Comme il a été démontré par Ho-Ji Song et al., la puissance de bruit est

déterminée par la sensibilité de la photodiode et le niveau de bruit optique (la notion de sensibilité sera détaillée en section II.3) [I-Song1]. Le niveau de bruit optique de l’EDFA est égal au niveau de bruit ASE, qui est proportionnel au gain de l’amplificateur.

La densité de puissance de bruit obtenue en sortie de cette source photonique présentée varie entre -140 et -135 dBm/Hz à l’état chaud et de -145 dBm/Hz à l’état froid de 295 à 355 GHz. Ceci donne un ENR de 5 à 10 dB environ sur toute la bande, ce qui est un peu faible par rapport aux spécifications. L’état froid mesuré ici n’est pas à -174 dBm/Hz, alors que la photodiode n’est pas soumise à un éclairement optique ni à une polarisation DC. Cela est dû à l’utilisation d’un amplificateur en sortie du photodétecteur, rehaussant le niveau de bruit à l’état chaud et froid de la source photonique, afin d’amener suffisamment de puissance en entrée de l’analyseur de spectre électrique, utilisé ici comme mesureur de puissance de bruit.

L’avantage d’une source de bruit état-solide est sa compacité, sa précision, son utilisation simple dans un banc de test car pouvant être facilement couplée à un guide d’onde ou coaxial.

Les deux principaux avantages d’une source de bruit photonique sont d’une part sa large bande de fréquences et d’autre part la grande contrôlabilité de sa puissance de bruit, à l’aide des conditions de mesure. En effet, la polarisation DC de la photodiode permet un contrôle de sa sensibilité, donc du taux de démodulation de l’optique vers la RF, et le contrôle de l’amplification du signal optique permet une grande liberté sur le niveau de puissance de bruit optique généré. D’autre part, la photodiode demande des conditions de polarisation DC bien moins élevées qu’une diode à avalanche, réduisant ainsi fortement la consommation.

Il est à noter que le choix de la technologie photonique utilisée pendant cette thèse s’est porté sur le Silicium-Germanium (SiGe). Il existe de grandes différences entre les photodiodes III-V (type AsGa, InGaAs, etc.) et celles en Germanium, qui sont résumées dans le tableau I.4.1. Si les photodiodes III-V ont l’avantage d’avoir de hautes fréquences de coupure (supérieures à 300 GHz), elles ont le principal inconvénient de ne pas être facilement intégrables sur silicium, en engendrant un fort coût de fabrication. Les photodiodes SiGe, au contraire, ont une fréquence de coupure plus faible mais sont compatibles avec la technologie silicium, permettant ainsi la possibilité d’être co-intégrées avec les transistors MOS ou bipolaires.

Photodiodes Germanium Photodiodes III-V

Avantages

Compatible avec la technologie Silicium : faible

coût de fabrication et d’assemblage Haute efficacité d’électroluminescence

Faible coût d’intégration en comparaison des

technologies III-V Fréquence de coupure très haute

Transparent aux longueurs d’ondes millimétriques (1300 – 1550 nm)

Processus de fabrication mature pour les dispositifs optiques

Inconvénients

Bande interdite indirecte : perte d’efficacité sur

l’émission de lumière Coût de fabrication et d’assemblage élevé

Différence de 4% des réseaux cristallins Complexité de l’assemblage avec une technologie

Silicium

Risque d’introduire des contaminants dans les dispositifs CMOS Si

Tableau I.4.1 – Tableau récapitulatif des avantages et inconvénients de la technologie SiGe et de la technologie III-V dans un contexte photonique

Le principal avantage de la photodiode SiGe qui nous a intéressés est sa compatibilité avec la technologie silicium par une intégration monolithique. En effet, l’utilisation en tant que source de bruit, et plus particulièrement dans le projet de banc de test in situ, demande une intégration de cette photodiode en adéquation avec la technologie du dispositif sous test. De plus, la technologie photonique tout nouvellement développée par STMicroelectronics, comprenant notamment les photodiodes rapides en Germanium-sur-Silicium, constitue une opportunité pour ces travaux.

Afin de mieux positionner les objectifs de la thèse dans l’état de l’art des sources de bruit, la figure I.4.3 représente les différentes sources de bruit existantes de nos jours.

Figure I.4.3 – Représentation des ENR des différentes Sources de bruit état-solides et photonique, et position de l’objectif de la thèse dans l’état de l’art

Parmi les sources état-solide existantes, celles de Microwave Semiconductor Corporation (MSC) présentent un fort ENR, pour des applications plus basses fréquences (< 35.3 GHz) [I- MSC]. Les principales sources état-solide utilisées jusque 170 GHz proposées par différentes sociétés (Ducommun Technologies [I-DT], Farran Technologies [I-FT], ELVA-1 [I-ELVA], etc.) ont une gamme réduite d’ENR entre 12 et 15 dB. La seule publication de source de bruit photonique haute fréquence vient du laboratoire NTT [I-Song1] et propose une source de bruit dans la bande 295-355 GHz possédant un ENR entre 8 et 10 dB.

L’objectif de cette thèse est de proposer une solution alternative aux sources de bruit état- solide et dont le potentiel peut aller au-delà de 170 GHz. Cette source photonique devra présenter un ENR compris entre 9 et 20 dB, afin de répondre aux spécifications décrites au paragraphe précédent.