Développement d'antennes alimentées par voie optique pour des réseaux à formation de faisceaux en ondes RF et millimétriques : amélioration des voies d'intégration optoélectronique pour des fréquences et des compacités plus élevées

Development of optically fed RF & millimeter-wave beamforming antennas : improving routes for the optoelectronics integration for higher frequency and compacity

• Auteur / Autrice : Francesco Peressutti
• Direction : Jean-Marc Laheurte, Jean-Luc Polleux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes - ESYCOM - Electroniques, Systèmes de Communication et Microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Philippe Di Bin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Laheurte, Jean-Luc Polleux, Giovanni Tartarini, Laurent Vivien, Maria Santos Blanco, Anne-Laure Billabert, Holger Rücker
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giovanni Tartarini, Laurent Vivien

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors bipolaires à hétérojonctions

Antennes miniatures

Dispositifs optoélectroniques

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Antennes patch

Opto-Électronique

SiGe HPT

Interconnections

Patch antennas

Opto-Electronics

SiGe HPT

Interconnections

Résumé

Le développement de la technologie 5G et IoT posent des nouveaux défis concernant la communication entre station de base et utilisateurs, mais également de communication d'objet à objet comme les capteurs. Pour faire face à ces nouvelles contraintes le projet de thèse a comme objectif la mise en place d'un réseau d'antennes à balayage électronique millimétrique miniaturisé et contrôlé optiquement, tout en poussant la convergence entre le domaine électronique et photonique. Ce développement vise à résoudre les enjeux de la montée en fréquence et l'intégration poussée vers une antenne électronique sur puce. Les points techniques et scientifiques visés sont l'amélioration de la structure de réception optique via l'utilisation de phototransistors rapides SiGe, la minimisation des pertes de couplage entre fibre optique et capteur et une évolution majeure dans le degré d'intégration entre composants opto-électroniques et antennes. Celui-ci inclut une première étape, visant à l'intégration du transmetteur optique et de l'antenne par wire-bonding, et successivement par des interconnexions inter-puce sur interposer Silicium. Différentes topologies et process de fabrication de phototransistors bipolaires à hétérojonction ont été expérimenté pour l'étude des performances de ces composants., avec l'objectif d'optimiser leur responsitivité et leur comportement fréquentiel. Pour atteindre des niveaux supérieurs d'intégration, deux étapes successives ont eu lieu. La première visait à optimiser les interconnexions et l'adaptation d'impédance entre le Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) et l'antenne patch sur PCB, en visant une fréquence de travail de 5GHz. Dans l'étape suivante on a visé une plus haute fréquence (20GHz): des nouvelles techniques d'interconnection ont été expérimentées, en exploitant la flexibilité des polymères qu'on a utilisés dans le processus de fabrication

The development of 5G technology and IoT are posing new challenges concerning the communication between base station and users, as well as the communication between objects, such as sensors. In order to face these new constraints the PhD project targets the realization of a compact optically controlled mm-wave beamfocusing and beemsteering antenna network, with a focus on the electronic and photonic convergence .This development points at solving the challenges given by the operation frequency raise and the further integration levels towards an antenna on chip. The targeted scientific and technical points are the improvement of the optical receiver thanks to the use of fast SiGe phototransistors, the minimization of the coupling losses between optical fiber and photodetector, and the evolution towards a higher level of integration between optoelectronic components. The latter consisted in different steps involving the integration of the optical transmitter with the antenna element via wire-bonding technique, and the successive antennas via intra-chip interconnects on Silicon interposer. Different topologies and fabrication processes of SiGe heterojunction bipolar phototransistors have been experimented in order to study the performance of these components, with the aim of optimizing their responsivity and frequency behaviour.In order to attain higher levels of integration, two different steps have followed. A first integration step has consisted into optimizing the interconnects and impedance matching between a Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) and a patch antenna on PCB element targeting an operation frequency of 5GHz. In the following, a higher frequency (20GHz) has been targeted and new interconnects techniques have been experimented, taking advantage of the manufacturing flexibility of polymers