Echantillonneur opto-electronique femto seconde

As the world becomes more and more connected, the need for higher data throughput becomes increasingly urgent. This implied more creativity from circuit designers to come up with higher bandwidth circuits and faster pace clocks to drive them.However, the traditional microelectronics clock circuits fail short to fulfill the ever-increasing need for higher sampling frequencies because of their inherent noise. The latter renders the sampled data altogether unusable and therefore hinders the efforts towards higher streams of data.Integrated photonics, the optics alternative to microelectronics, may bring an end to this problem. Indeed, when it comes to pulsed lasers, a not that new technology, the optical pulses clocking features a very low noise compared to its microelectronics counterpart, i.e a jitter that is five folds lower than the best literature microelectronics clock.The main idea of this thesis is to design a sampling circuit that uses the laser pulses as a clock, but samples an electronic signal. This circuit design is mainly based on the use of a Germanium photoconductor, i.e, a Germanium resistor that changes its resistance according to the value of the optical signal it receives. This photoconductor plays then the role of a clocked switch and connects the RF input signal to the hold capacitor. When the switch receives a pulse of light, its resistance drops and the signal can be copied to the capacitor, and once the pulse of light is over, the Germanium photoconductor recovers its first resistance value and the input signal node is disconnected from the capacitor that holds the sampled signal.The aim of this thesis is to study the feasibility of such a design and whether or not it allows taking advantage of the very low jitter value of the laser. Within the thesis, we tried to implement the up said design and stumbled upon many challenges. First, the values of the off switch resistance were not high enough to disconnect the hold capacitor from the input node due to the low resistivity of the used Germanium (residual doping). The Germanium implies also that the switching from one resistance value to another is not instantaneous but rather as long as the photo-generated carriers exist, which lasts for at least a nanosecond. We resolved these problems using three methods: a novel geometry of Germanium photoconductors that allows for high Roff/Ron ratios (patented geometry), a counter-doping to increase the resistivity of the material and finally, a re-sampling circuit driven by a photonic clock based on the laser pulses. We also explored the possibility of making very steep-edged clocks with customizable pulse lengths based on the laser pulses.Dans un monde de plus en plus connecté, il devient indispensable de trouver des moyens d’augmenter le débit d’informations qu’il est possible de véhiculer et de traiter. Ce besoin impose aux ingénieurs des contraintes plus serrées en termes de bande passante et de fréquence d’horloge des circuits qu’ils conçoivent.Or, les circuits d’horloge en microélectroniques sont limités par leur performance en termes de stabilité de la période d’horloge, i.e., en termes de « gigue d’horloge » ; cette limitation provient du bruit inhérent au circuit des horloges et rend donc le signal échantillonné inexploitable.Un moyen de se libérer de cette contrainte pourrait être de passer par la photonique intégrée. En effet, les horloges optiques, i.e les lasers pulsés, présentent des performances très intéressantes en termes de stabilité ou de gigue en comparaison avec les horloges en microélectroniques: les gigues des horloges optiques sont cinq fois plus faibles que la plus faible gigue d’horloge électronique citée dans la littérature.L’idée principale de cette thèse est de concevoir un circuit d’échantillonnage qui utilise les pulses du laser comme horloge et qui échantillonne un signal électronique. La brique de base du circuit en question est un photoconducteur en Germanium : une résistance en Germanium dont la résistivité varie selon la puissance du signal optique qu’elle reçoit du laser pulsé. Le photoconducteur dans ce cas précis jour le rôle d’un interrupteur piloté par le laser, et connecte l’entrée RF à la capacité d’échantillonnage. Quand l’interrupteur reçoit un pulse de lumière sa résistance chute et le signal RF peut être copié vers la capacité. Dès que le pulse de lumière s’arrête, le photoconducteur en Germanium retrouve sa résistance initiale et déconnecte ainsi l’entrée RF de la capacité qui contient le signal échantillonné.Cette thèse se propose d’étudier la faisabilité d’un tel circuit et la possibilité d’exploiter la performance des lasers en termes de stabilité de l’horloge dans l’échantillonnage d’un signal électrique.Dans le cadre de la thèse, nous avons essayé d’implémenter le circuit de base présenté auparavant et avons rencontré plusieurs défis. D’abord, les valeurs des résistances Off du photoconducteur n’étaient pas assez élevées pour permettre de déconnecter entièrement le signal RF de la capacité d’échantillonnage. Cela est dû à la présence d’un dopage résiduel lié au procédé de fabrication des photoconducteurs. L’utilisation du Germanium implique également que le passage de l’état On à l’état Off du photoconducteur n’est pas instantané, mais est fonction de la durée de vie des porteurs de charge créés suite à l’exposition aux pulses de lumière (de l’ordre de la nanoseconde).Nous avons contourné ces problèmes en utilisant trois méthodes : une nouvelle géométrie des photoconducteurs en Germanium qui permet de maximiser le rapport Roff/Ron (géométrie brevetée), un contre-dopage pour augmenter la résistivité du matériau et finalement un circuit électronique qui permet de re-échantillonner le signal en utilisant une horloge photonique basée sur les pulses du laser. Nous avons également exploré la possibilité de concevoir des horloges photoniques qui présentent une très faible valeur de gigue et dont la longueur du pulse peut être modifiée de manière indépendante de la longueur du pulse laser utilisé pour les générer