Systèmes de communication

Les méthodes de caractérisations pour les applications télécoms ayant été présen-tées dans la section précédente, nous présenterons maintenant les systèmes de com-munication réalisés, avec différents types de modulation (avec ou sans porteuse) is-sues d’émetteurs photoniques (photodiode UTC), électroniques (chaîne de multipli-cation de fréquences) ou mixtes. Nous verrons dans un premier temps la réalisation d’une communication directe, nécessitant de ce fait une puissance significative, puis des communications hétérodynes permettant d’assurer la faisabilité de la communica-tion même à faibles puissances.

Positionnement vis-à-vis de l’état de l’art des communications THz

Si nous repartons de l’état de l’art des communications THz dressé par G. Ducour-nau en 2015 [33] (cf. Fig. 6.21 à gauche) nous n’observons que peu de démonstrations 71

6.3. Détecteurs THz

expérimentales autour de 300 GHz, fréquence d’intérêt pour les télécommunications de par la relativement faible absorption de l’eau. Sur la figure de droite, nous relevons

SBD@40 Gbps Univ. Osaka (JP) MMIC@12.5 Gbps NTT (JP) HEMT@8.3 Gbps IES (FR) HEMT@1.5 Gbps (Heterodyne) IES (FR)

FIGURE6.21 – État de l’art des communications THz.

À gauche :état de l’art dressé issu de [33].

À droite :positionnement des performances obtenues avec des transistors.

les transmissions mono-canal, afin de ne comparer que ce qui est comparable en terme de débit. Le record en terme de débit est ainsi réalisé par T. Nagatsuma à l’Université d’Osaka [30] utilisant des diodes Schottky comme récepteurs, nous trouvons aussi une communication à base de circuits MMIC réalisée par NTT [34]. Afin de positionner les travaux présentés dans ce document, j’ai ajouté les communications réalisées à l’aide d’un simple transistor GaAs comme détecteur THz.

L’excellente sensibilité (kV/W) des diodes Schottky est le point clef des débits ob-tenus par T. Nagatsuma, mais ces composants présentent plusieurs limitations pour une intégration industrielle, principalement leur haute impédance de sortie qui limite leur intégration avec des circuits rapides et des fonctionnalités électroniques intégrées (MMIC) ; mais aussi leur possible dégradation sous "forte" puissance térahertz, limitant ainsi leur souplesse d’utilisation. Quant aux performances obtenues par des circuits MMIC, ils offrent une séduisante intégration avec nombre de fonctionnalités, mais les performances obtenues sont basées sur un circuit complexe plutôt qu’un détecteur unique. Dans ce contexte, les performances obtenues avec un simple transistor sont ainsi prometteuses, car malgré leur faible sensibilité (1 V/W sans antenne), ils offrent une réelle capacité d’intégration tant mécanique qu’électronique grâce à leur faible im-pédance de sortie accordable, et résistent aux fortes puissances térahertz [35].

Chapitre 6. Composants et systèmes THz

Communication directe

Tel que nous l’avons vu Fig. 6.13, une communication haut-débit avec les transis-tors n’est possible que pour des puissances incidentes suffisamment importantes. Dans le cadre d’un séjour à l’Université d’Osaka dans l’équipe de Tadao Nagatsuma, leader des communications THz, nous avons pu mettre en œuvre, avec L. Tohme, un système pour l’émission offrant une grande bande passante de modulation ainsi qu’une puis-sance atteignant quasiment 0,5 mW. De telles performances n’ont été possibles que par un système optoélectronique complexe présenté Fig. 6.22. La grande bande passante

Optical fiber 3-dB fiber coupler C-band laser C-band laser Photo-diode Optical filter Amplitude modulator 10-cm focal-length Teflon lenses for collimation & focusing

50 ^cm THz beam Pattern generator Optical amplifier Horn Integrated FET Spectrum

analyzer ^Electricalamplifier antenna V_g DC bias 28–40 GHz amplifier x3 x3 Freq. Triplers

FIGURE 6.22 – Banc expérimental pour la réalisation d’une communication directe.

de modulation est possible par une modulation optique à l’aide d’un modulateur de Mach-Zehnder fibré modulant un battement optique issu de deux lasers en bande C. Après amplification et filtrage, ce battement optique modulé est converti en signal hy-perfréquences autour de 33 GHz, grâce à une photo-diode rapide, ce signal passant ensuite dans une chaîne de multiplication de fréquence offrant une puissance de sor-tie importante sans avoir à être directement modulée (c’est l’entrée qui est modulée). Grâce à une telle puissance optique, un indéniable savoir faire de l’équipe Japonaise, et le détecteur intégré avec masse flottante présenté Fig. 6.18 et développé dans le cadre de la thèse de L. Tohme [32], nous avons pu réaliser une communication sans erreur sur une porteuse de 300 GHz jusqu’à 8,3 Gbps (R:8), ce qui reste à ma connais-sance un record pour l’utilisation d’un unique transistor comme récepteur THz pour 73

6.3. Détecteurs THz 0.2 0.25 0.3 0.35 0.45 0.5 10–12 10–10 10–8 10–6 10–4 Power, mW

Bit error rate

10.1 Gbps 9 Gbps 8.2 Gbps 6.1 Gbps 5.1 Gbps 1.6 Gbps 3.2 Gbps Error-free! 140 mV 500 ps

FIGURE 6.23 – Communication haut-débit avec un transistor à effet de champ commercial GaAs.

À gauche : Taux d’erreur binaire pour différentes puissances incidentes à diffé-rents débits. À droite : Diagramme de l’œil pour une communication sans erreur à 8,3 Gbps.

les communications, avec tous les avantages associés en terme de coût, de compacité et d’impédance. Afin de compenser la faible sensibilité du transistor, il est nécessaire de continuer les études du couplage d’antennes large-bande avec le transistor, ou de travailler sur un axe système comme nous allons le voir dans le cadre des communica-tions hétérodynes.

Communication hétérodyne

La communication directe présentée précédemment (R:8) a été possible grâce à un montage expérimental certes ingénieux, mais complexe et couteux, afin d’offrir suffi-samment de puissance au signal modulé pour démontrer une communication à haut-débit. Afin de contourner la problématique associée à la balance gain / bande passante, une alternative simple consiste à utiliser une source peu puissante mais rapide portant le signal à transmettre, ainsi qu’une source puissante et continue afin d’augmenter l’amplitude du signal détecté par hétérodynage, cela étant possible de par la réponse quadratique du transistor au signal THz incident.

Si nous considérons le transistor et la source continue comme un ensemble consti-tuant un récepteur hétérodyne, une problématique usuelle est la synchronisation des deux sources, qui requiert habituellement un système d’asservissement de la fréquence et de la phase de la source continue. Afin de contourner cette problématique technique, j’ai utilisé deux sources électroniques de même facteur de multiplication, injectées par un même synthétiseur dont le signal a été séparé en deux signaux grâce à un coupleur 74

Chapitre 6. Composants et systèmes THz FET 20-dB amplifiers V_g Bias x12 LO source Synthesizer SHM x24 Balun SDI HDMI HD

player _combiner^Beam

RF source HDMI SDI HD TV −50 −40 −30 −20 −10 0 Power spectrum (dBm) Frequency, GHz 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 400 mV 2 ns

FIGURE6.24 – Communication hétérodyne THz à 1,5 Gbps utilisant un tran-sistor comme détecteur.

À gauche :banc expérimental pour la réalisation d’une communication hétérodyne. Le signal transmis est une vidéo haute-définition (HD) dont le signal HDMI est adapté en signal série (SDI) avant de moduler directement le mixeur harmonique du second ordre (SHM) de la source hyperfréquences (RF). L’oscillateur local (LO) émet en continu.

À droite :spectre détecté avec son diagramme de l’œil associé.

3 dB (balun), tel que représenté sur la Fig. 6.24, assurant ainsi une même fréquence porteuse pour les deux sources. Les deux sources n’étant pas à la même distance du récepteur, le déphasage entre les deux sources peut être ajusté en déplaçant légère-ment une source (avec peu d’impact sur l’alignelégère-ment grâce aux cornets) ou en ajustant légèrement la fréquence du synthétiseur. Nous avons ainsi montré (R:2) qu’une com-munication à 1,5 Gbps autour de 300 GHz était possible avec une puissance source de seulement 10 µW dans une configuration hétérodyne avec un oscillateur local de puis-sance supérieur à 100 µW. Cette communication a été prouvée par la transmission d’un signal vidéo HD en temps réel et non compressé dont le spectre en sortie de récepteur est présenté Fig. 6.24. Cette communication a été possible avec le détecteur commercial GaAs dans son cornet sans masse flottante, mais aussi avec le nano-transistor InGaAs avec antenne slot-ring réalisé à l’IEMN.

Nous noterons enfin l’expérience menée par G. Ducournau à l’IEMN avec un ré-cepteur commercial hétérodyne à 600 GHz. L’hétérodynage assure ici aussi la faisabi-lité de la communication malgré la faible puissance incidente (10 nW à 600 GHz issus d’une photodiode UTC), avec cette fois la mise en œuvre d’une synchronisation indi-recte simple mais ingénieuse basée sur un désaccord spectral imposé autour de 10 GHz entre les deux sources, et un détecteur d’enveloppe autour de 10 GHz en sortie de ré-cepteur pour récupérer les données en bande de base (R:6).

6.3. Détecteurs THz

Ces démonstrations montrent que les communications térahertz peuvent être réa-lisées à très faibles puissances dans des configurations hétérodynes, ouvrant des pers-pectives concrètes en termes de réalité applicative, notamment pour la téléphonie mo-bile. En terme d’intégration de détecteur, ces résultats orientent aussi les recherches vers des détecteurs avec oscillateur local intégré.

Chapitre 7

Projet de recherche

Dans la continuité des travaux effectués jusqu’à présent, je vais ici présenter com-ment s’articule mon projet de recherche pour les prochaines années, avec deux axes forts, principalement autour des sources THz par photo-mélange et des détecteurs

THz pour les communications, ainsi que des projets plus exploratoires orientés vers

le THz pour l’agronomie.

7.1 Sources THz

En termes d’applications THz, le verrou majeur reste la disponibilité de sources flexibles, à la fois bas-coût, compactes, accordables, éventuellement cohérentes et sur-tout puissantes. Comme nous l’avons détaillé dans la synthèse des travaux effectués, nous avons démontrer des performances inégalées dans la réalisation d’un laser bi-fréquences pour l’émission THz (R:1), avec un accordabilité par saut de 50 à 700 GHz avec une même structure, et des puissances limitées par la saturation de la photodiode UTC. Puisqu’il existe des sources électroniques plus compactes et plus puissantes à basse fréquences, par exemple des diodes Gunn émettant plusieurs dizaines de mW disponibles à 100 GHz, nous allons explorer comment décaler la plage d’accordabilité à plus hautes fréquences, mais aussi comment augmenter considérablement la puis-sance de sortie, afin d’offrir in fine des sources plus puissantes et accordables dans la gamme d’intérêt, soit 300 GHz – quelques THz.