L’AVIS DE SOUTENANCE De Maria ANAGNOSTI

Autorisé(e) à présenter ses travaux en vue de l’obtention du Doctorat de Télécom SudParis en :

Electronique et Télécommunications

« Etude d’un récepteur pré-amplifié de type PIC (Photonic Integrated Circuit) réalisé par intégration monolithique d’un amplificateur (SOA) optique à semi-conducteur et d’une photodiode (UTC) pour les liaisons courtes distances à 100 Gbit/s et au-delà »

Le 13 novembre 2015 – Amphi Grenat – 14h00

A Télécom ParisTech

Membres du jury :

Rapporteur – Hercules AVRAMOPOULOS – Professeur – Photonics Communication Research Laboratory – National Technical University of Athens – Grèce

Rapporteur – Jean-Pierre VILCOT – Directeur de recherche CNRS – DHS-OPTO – Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Examinateur – Philippe CHANCLOU – Ingénieur R&D – HDR – Orange Labs – France

Examinateur – Aziz BENLARBI-DELAÏ – Professeur – Université Paris 6 – France

Examinateur – Mohand ACHOUCHE – Docteur – Responsable industriel – Chef Dpt III-V Lab – Alcatel-Lucent Bell Labs – III-V Lab-France

Directeur/trice – Badr-Eddine BENKELFAT – Professeur – HDR – Télécom SudParis

Résumé :

Ce travail porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation d’une photodiode très haut débit (UTC PD) et son intégration avec un préamplificateur optique à semi-conducteur (SOA) pour les liaisons optiques à courte distance à 100 Gbit/s en bandes C et O. Il porte également sur la conception d’un duplexeur (Tx / Rx) avec liaison montante en bande C et liaison descendante en bande O. L’intégration monolithique d’un SOA avec une photodiode haut débit sans filtre optique entre les deux présente des avantages majeurs parmi lesquels: – Augmentation de la distance de transmission. – Augmentation du nombre d’utilisateurs connectés. – Diminution des coûts globaux de fabrication incluant l’assemblage. La première partie de cette étude porte sur l’optimisation SOA pour un fonctionnement à forte puissance (Psat). Un faible facteur de bruit (NF) et une faible dépendance à la polarisation (PDL) sont requis pour les récepteurs préamplifiés. De plus, un fonctionnement du et opérer en régime linéaire est nécessaire pour les schémas de modulation complexes. Le SOA actuel possède un gain de 18 dB avec un facteur de bruit de 8 dB, une faible PDL (<2 dB), et une bonne puissance de saturation en entrée (-8 dBm). Grâce à l’optimisation de la structure verticale du SOA et de son couplage avec la fibre les performances attendues sont améliores : Psat >-5 dBm, NF <8 dB, PDL et gain similaire. D'autre part, les interconnexions électriques de la photodiode ont été optimisées ce qui a permis de démontrer des photodiodes avec une bande passante supérieure à 100 GHz. Les photodiodes présentent un fort coefficient de réponse (R) (0,6 A/W à 1,3 μm et 0,55 A/W à 1,55 μm) et une faible PDL <1 dB. Un fort courant de saturation de 14 mA à 100 GHz a aussi été démonté. Enfin, la caractérisation des SOA-UTC réalisés a montré simultanément une très forte responsivité (95 A/W), une faible dépendance à la polarisation PDL (<2 dB), un faible NF (8 dB) et une large bande passante à 3 dB (> 95 GHz), qui placent nos composants au meilleur niveau de l’état de l’art avec un produit gain-bande record de 6,1 THz. Les Mesures numériques à 64 Gbit/s montrent que notre récepteur atteint une sensibilité de -17 dBm pour un taux d’erreur de 10-9, et la sensibilité attendue à 100 Gbit/s est
de -14 dBm.

Abstract :

This work focuses on the design, fabrication and measurements of a uni-travelling carrier high speed photodiode (UTC PD) and its integration with a semiconductor optical preamplifier (SOA) for short reach 100 Gbit/s optical links, in O- and C- bands. This work also focuses on the design of a duplexer (Tx/Rx) with downstream in O-band and upstream in C-band. The SOA monolithic integration with a high speed
PD without an optical filter in between yields major benefits among which: – Increase in the transmission distance. – Increase in the split ratio correlated to the number of connected users. – Decrease of the overall fabrication and assembling cost.
The first part of this work is dedicated to optimizing the SOA for high power operation (Psat). The low noise figure (NF), and polarization dependence loss (PDL) are critical parameters for a preamplified receiver. Also complex modulation formats require linear gain regime of the SOA. The current SOA presents 18 dB gain with NF (8 dB), low PDL (<2 dB), and good input power saturation (-8 dBm). Thanks to further optimization of the SOA vertical structure and coupling with the optical fiber, the expected SOA performance is higher Psat >-5 dBm, NF <8 dB, similar PDL and gain. Secondly, the electrical interconnects of the photodiode is optimized to increase the photodiodes’ bandwidth, which allows to demonstrate photodiode with >100 GHz bandwidth. The PD presents high responsivity (R) (0,6 A/W at 1,3 μm and 0.55 A/W at 1,55 μm) and low PDL <1 dB. Also the saturation photocurrent is high (14 mA at 100 GHz). Finally, the SOA-UTC demonstrates high resoponsivity (95 A/W), low PDL (<2 dB), low NF (8 dB) and a wide 3 dB bandwidth (>95 GHz), which yields a record gain-bandwidth product of 6.1 THz. Large signal measurements at 64 Gbit/s show that our receiver reaches a low sensitivity of -17 dBm for a bit error rate of 10-9, and is expected to reach -14 dBm at 100 Gbit/s.