Tesis sobre el tema "Oscillateur puissance"

Ce travail porte sur l'étude d'un oscillateur de puissance contrôlé en tension en ondes millimétriques. L'objectif de la thèse est de concevoir cet oscillateur pour la bande de fréquence utilisée dans les standards IEEE 802.15.3c, IEEE 802.11ad et ECMA TC48, à savoir 56GHz-65GHz. Le principe de l'oscillateur de puissance est développé autour d'un amplificateur de puissance rebouclé pour engendrer un système oscillant. L'amplificateur de puissance développé est un amplicateur à deux étages. Celui de puissance est de classe E et le driver est de classe F. La boucle de retour est basée sur un vecteur-modulateur. Les circuits ont été fabriqués en technologie CMOS 65nm de STMicroelectronics
This PhD thesis deals with a Power Voltage Controlled Oscillator (VCO) in millimeter waves. The aim is to design this Power VCO in the frequency band used in the standards IEEE 802.15.3c, IEEE 802.11ad and ECMA TC48, meaning from 56GHz to 65GHz. The principle of this oscillator is developed around a power amplifier in a loop, generating an oscillating system. The power amplifier is developed in a two-stage topology. The power stage is composed with a 60GHz class E cascoded amplifier and the driver stage is composed of a 60GHz class F amplifier. The feedback of the loop is based on a vector-modulator. The circuits have been realised in 65nm CMOS technology from STMicroelectronics

Dans l’ère des systèmes de communication multi-standards, le besoin des circuits en radio fréquence (RF) flexibles et reconfigurables pousse l´industrie et le monde académique vers la recherche d´architectures alternatives d’émetteurs et de récepteurs RF. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux émetteurs RF flexibles. Nous présentons une architecture basée sur l’utilisation d’un oscillateur de puissance composé d´un amplificateur de puissance dans une boucle de rétroaction positive. Pour des raisons de compatibilité avec des circuit numériques et dans le but de minimiser les coûts de fabrication, nous avons choisi la technologie CMOS. Ce choix génère des difficultés de conception des circuits en RF à cause des faibles tensions de claquage. Cette contrainte de conception a motivé le choix de la classe EF2 pour l’amplificateur de puissance afin de réduire le stress en tension sur les transistors. Nous présentons la conception de cet amplificateur de puissance de classe EF2, ainsi que la conception de l’oscillateur de puissance. Nous validons cette architecture avec une implémentation en technologie CMOS 0.13um de STMicroelectronics. Nous démontrons le bon comportement par une campagne de mesures des circuits fabriqués. Ce circuit répond aux contraintes de flexibilité de modulation et de puissance de sortie. Il peut donc être utilisé pour différents standards de communications. Les limitations inhérentes de cette architecture sont discutées et une modélisation mathématique est présentée
This work presents the study, design and measurement of RF circuits aiming communication applications. The need for flexible and reconfigurable RF hardware leads to the need of alternative transmitter architectures. In the center of this innovative architecture, there is thepower oscillator. This circuit is composed of a power amplifier in a positive feedback loop soit oscillates. As the circuit under study is mainly composed of a power amplifier, a study on power amplifier is mandatory. Modern CMOS technologies impose difficulties in the efficient RF generation due to low breakdown voltages. In order to reduce the voltage stress on the transistors, wave form-engineering techniques are used leading to the use of class EF2. Thedesign and measurement of a class EF2 power amplifier and power oscillator are shown. Thecircuits were implemented in standard STMicroelectronics 0.13um CMOS. Correct behaviorfor the circuits was obtained in measurement, leading to a first implementation of class EF2 inRF frequencies. From a system perspective, the proposed architecture is shown to be flexible and able to generate different modulations without change in the hardware. Reconfigurability is shown not only in modulation but also in output power level. The limitations of this architecture are discussed and some mathematical modeling is presented

La conception et la réalisation d'un dispositif oscillateur additionneur de puissance, dit "combineur" constituent l'objet de cette thèse. Le système utilise des transistors à effets de champ (TEC) et des résonateurs diélectriques tubulaires (RDT). Une caractérisation expérimentale des TEC et des RDT a permis de modéliser ce type de circuit, introduisant en particulier une représentation équivalente simple. La réalisation d'un combineur à 3 transistors a montré que ce nouveau type de circuit est compétitif vis à vis des combineurs existants.

Pour des applications médicales ou en histoire de l'art, un système compact de production de rayonnement X monochromatique à haut flux par effet Compton nécessite de disposer d’une source laser impulsionnelle de forte puissance moyenne avec des durées de quelques picosecondes. Pour atteindre un haut flux de rayonnement X, le laser devra être injecté dans une cavité Fabry-Perot de haute finesse afin d’atteindre les puissances laser moyennes requises. Par conséquent, le laser devra avoir une bonne qualité de mode et de faibles bruits. Afin d’atteindre ces objectifs, nous avons étudié la réalisation d’oscillateurs à blocage de modes passif délivrant des puissances moyennes de plus de 10 W avec des impulsions d’une durée entre 10 et 20 ps. Au cours de ce travail, deux oscillateurs de haute puissance moyenne ont été conçus et réalisés : l’un à pompage radial avec Nd:YAG comme milieu de gain et l’autre à pompage longitudinal avec comme milieu de gain Nd:YVO4. Le développement du second oscillateur a donné lieu à une étude expérimentale de la réduction de la durée des impulsions qui nous permet d’ajuster la durée entre 46 ps et 12 ps en régime de blocage de modes passif. Les résultats expérimentaux ont été expliqués à l’aide d’une simulation numérique et une solution analytique a été trouvée pour prédire la durée des impulsions. Enfin, une étude des caractéristiques des bruits de l’oscillateur Nd:YVO4 a été réalisée. Ces mesures ont permis de mettre en évidence qu’un oscillateur de forte puissance moyenne a les capacités pour être aussi peu bruyant que des oscillateurs de faible puissance et à faibles bruits. En résumé nous avons développé un oscillateur puissant (20W), à une longueur d’onde de 1064 nm, avec des durées d’impulsions courtes (15 ps), une bonne qualité de faisceau (M2<1,2) et de faibles bruits (gigue temporelle <1,2 ps RMS 100Hz-1MHz non asservi). Par conséquent, notre oscillateur puissant est un excellent candidat pour faire partie de la machine compacte de rayonnement X monochromatique et à haut flux
For medical or cultural heritage applications, a compact, monochromatic, Compton x-ray source system needs a powerful, few picosecond laser source. To obtain high-x-ray-flux, the laser should be coupled to a high-finesse Fabry-Perot cavity to reach the required laser power. Therefore, the laser should have a good beam quality and low noises. In order to reach theses requirements, we have studied passive mode-locking oscillators delivering more than 10 W average power and between 10 and 20 ps pulse duration.Two high-power oscillators have been designed and implemented: a side-pumped Nd:YAG and an end-pumped Nd:YVO4 oscillator. With the second oscillator, we have studied the experimental reduction of pulse duration. We obtained a decrease from 46 ps to 12 ps in the continuous-wave mode-locked regime. Those experimental results have been explained by a numerical simulation and furthermore, we have developed an analytical solution to predict the pulse duration of such oscillator. Finally, we studied the noise characteristics of the Nd:YVO4 oscillator. Our measurements have shown that a high-power oscillator might be as low-noise as other low-power, low-noise oscillators. In conclusion, we have developed a powerful (20W), 1064nm-wavelength, short-pulses (15ps), good-beam-quality (M2<1.2) and low-noise free-running oscillator (timing jitter <1.2 ps RMS 100Hz-1MHz). Therefore, our high-power oscillator is an excellent candidate to be part of a compact, high-flux, monochromatic x-ray source

Les travaux de thèse présentés se situent dans le contexte de la conception de circuits intégrés en technologie CMOS avancée pour des applications radiofréquence à très faible consommation de puissance. Les circuits sont conçus à travers deux concepts. Le premier est l'utilisation du coefficient d'inversion qui permet de normaliser le transistor en fonction de sa taille et de sa technologie, ceci permet une analyse rapide pour différentes performances visées ou différentes technologies. La deuxième approche est d'utiliser un facteur de mérite pour trouver la polarisation la plus adéquate d'un circuit en fonction de ses performances. Ces deux principes ont été utilisés pour définir des méthodes de conception efficaces pour deux blocs radiofréquence : l'amplificateur faible bruit et l'oscillateur
Thesis work are presented in the context of the integrated circuits design in advanced CMOS technology for ultra low power RF applications. The circuits are designed around two concepts. The first is the use of the inversion coefficient to normalize the transistor as a function of its size and its technology, this allows a quick analysis for different performances or different technologies. The second approach is to use a figure of merit to find the most appropriate polarization of a circuit based on its performance. These two principles were used to define effective design methods for two RF blocks: low noise amplifier and oscillator

Cette these traite de la conception d'un oscillateur travaillant a frequence elevee (1 a 10 ghz) et fait a partir de transistors a fort gain et de forte puissance (500 mw a 1 w) en ga as. Cet oscillateur est modulable en frequence, presente une bonne linearite tout en fournissant une puissance de sortie elevee. Elle montre aussi que la resistance au brouillage de l'oscillateur tout en respectant la linearite de la modulation de frequence. On presente deux exemples de realisation sur verre teflon et epoxy pour valider le modele

La portée des communications quantiques est limitée à quelques dizaines de km en raison de l’atténuation dans les fibres. Les répéteurs quantiques (relais quantiques synchronisés par des mémoires quantiques photoniques) furent introduits afin d’accroître ces distances. Or, pour le moment, les mémoires les plus performantes fonctionnent à des longueurs d’onde n’appartenant pas à la bande C télécom. Afin de profiter de ces mémoires, l’utilisation d’interfaces quantiques (milieu non linéaire quadratique) fut proposée comme alternative. En ajoutant ainsi par somme de fréquences un photon de pompe de longueur d’onde appropriée au photon télécom portant l’information, on transfère l’information à une longueur d’onde compatible avec les mémoires, et ceci sans dégradation de l’information portée initialement par le photon télécom. Notre but est ainsi de construire un oscillateur paramétrique optique continu simplement résonant (SRO) qui fournira un faisceau à 1648 nm qui sera sommé en fréquence aux photons télécom à 1536 nm pour transférer l’information vers un photon stockable dans une mémoire à base d’atomes alcalins. Pour transférer efficacement l’information, le SRO doit satisfaire quelques critères : une haute finesse spectrale (largeur de raie ~kHz), une forte puissance (~1W) et une longueur d’onde plus grande que celle du photon télécom à convertir. Pour ce faire, nous utilisons le faisceau non-résonant d’un SRO continu. Le premier travail réalisé dans cette thèse a été de faire la démonstration de la possibilité d’avoir un faisceau à la fois intense et pur spectralement en sortie d’un SRO continu. En réutilisant un SRO déjà développé durant nos travaux antérieurs, nous avons pu stabiliser au niveau du kHz la fréquence du faisceau non résonant à 947 nm (onde signal) de ce SRO, tout en émettant une puissance de plus d’un watt. Ensuite, nous avons conçu le SRO dont le faisceau non résonant à 1648 nm (onde complémentaire) a été stabilisé à court terme en-dessous du kHz avec une puissance de l’ordre du watt. Nous avons ensuite étudié la stabilité à long terme de la longueur d’onde du complémentaire à 1648 nm. Nous avons mesuré des dérives de fréquences de l’ordre de 10 MHz/mn. Ces dérives, venant essentiellement de la cavité de référence sur laquelle le SRO est asservi, peuvent être réduites en contrôlant activement la cavité d’une part, et en utilisant des techniques de stabilisation en fréquence robustes, d’autre part
Long distance quantum communications are limited to few tens of km due to the attenuation of light in telecom fibres. Quantum repeaters (quantum relays synchronized by photonic quantum memories) were introduced in order to increase distances. Or, currently, the most efficient memories do not operate at wavelengths in the telecom C band. In order to take advantage of these memories, the use of quantum interfaces (second order nonlinear medium) was proposed as an alternative. Thus, by adding by sum frequency generation a pump photon at an appropriate wavelength to the telecom photon carrying the information, one transfers the information to a wavelength compatible with these memories, and this with a preservation of the information initially carried by the telecom photon. Our aim is thus to build a continuous-wave singly resonant optical parametric oscillator (cw SRO) which will provide a wave at 1648 nm that will be frequency summed to telecom photons at 1536 nm to transfer the information to a photon storable into alkali atoms based memory. To efficiently transfer the information, the cw SRO has to fulfill some requirements: a high spectral purity (linewidth ~kHz), a high output power (~1 W) and a wavelength longer than that of the telecom photon to be converted. To this aim, we use the non-resonant wave of a cw SRO. The first work done during this thesis was to experimentally prove the possibility to have both high output power and high spectral purity from a cw SRO. By reusing a cw SRO already built during our previous works, we were able to stabilize at the kHz level the frequency of the non-resonant wave at 947 nm (signal wave) of this SRO, with an output power of more than one watt. Then, we built the cw SRO of which non-resonant wave at 1648 nm (idler wave) has been frequency stabilized below the kHz level along with an output power of the order of one watt. We next studied the long term stability of the idler wavelength at 1648 nm. We have measured frequency drifts of the order of 10 MHz/mn. These drifts originating mainly from the reference cavity to which the SRO is locked, can be reduced by, firstly, an active control of the cavity and by, secondly, the use of robust frequency stabilization techniques

Le bilame magnetostrictif est une structure elastique de base que l'on peut utiliser pour fabriquer des microactionneurs. Cette structure simple est constituee d'une membrane ou poutre en silicium recouverte d'une couche mince magnetostrictive. Nous etudions deux methodes permettant d'ameliorer ses performances. La premiere methode consiste a annuler la raideur magnetique du bilame en mettant a profit la possibilite de creer dans une couche a anisotropie uniaxiale une configuration d'aimantation instable en polarisant le materiau par un champ statique perpendiculaire a l'axe facile. Cette idee est etudiee et verifiee experimentalement dans les chapitre ii et iii. La deuxieme methode consiste a annuler la raideur elastique du systeme en utilisant le phenomene bien connu de flambement elastique des poutres. Nous developpons cette idee dans le chapitre iv. Dans le chapitre v nous menons a bien une etude analytique et experimentale du flambement elastique des poutres encastrees basee sur l'etude de trois dispositifs experimentaux.

Des puissances extraordinaires sont, de nos jours, extraites de systèmes à fibres dopées (» 10 kW de puissance continue et » 1 MW de puissance crête en régime d'impulsions). L'augmentation de la puissance dans les systèmes s'accompagne de l'apparition d'effets qui peuvent limiter leurs performances. Parmi ceux-ci citons, notamment, les effets non linéaires, thermiques, de dégradation des propriétés spatiales et spectrales de faisceau, . . . ). Au cours de cette thèse, nous avons développé et étudié des systèmes à fibre dopée Ytterbium délivrant de très fortes puissances en régime de fonctionnement continu et en régime d'impulsions. Pour ce faire, nous avons retenu une technologie à fibre double-gaine couplée à des techniques de pompage adaptées. La puissance s'élevant, nous avons été confrontés à l'apparition d'effets non linéaires. Une étude théorique de ces effets nous permet de proposer des méthodes originales pour s'en affranchir ou en augmenter le seuil. Nos expériences confrontées à notre étude théorique et, le cas échéant, à un modèle d'analyse numérique, nous permettent d'accroître la puissance obtenue. Un amplificateur optimisé pour l'amplification d'un signal à gain faible en régime continu est étudié. Les mêmes méthodes, en régime d'impulsions, permettent de préserver les propriétés spectrales d'une source laser très cohérente à très forte puissance crête. Dans ce régime, une technique de modelage de l'impulsion source est mise en oeuvre, en amplification à l'aide d'une structure à oscillateur amplifié, pour réduire l'impact sur les performances à très forte puissance des effets non linéaires. Celle-ci est étudée, pour l'extraction de très fortes énergies, de manière théorique et nos résultats de simulations confrontés à l'expérience. Avec les technologies utilisées nous proposons, enfin, une ouverture vers l'obtention de davantage de puissance.

Les grands réseaux électriques sont utilisés de plus en plus près de leur limite de stabilité Ceci est dû aux contraintes économiques, politiques et écologiques obligent tes opérateurs1 à exploiter leurs réseaux à la limite de sécurité. Cependant faire fonctionner un réseau trop près de ses limites crée des oscillations de puissance entre les différentes centrales et parties des réseaux liées par des interconnexions assez faibles (en, terme de nombre de lignes d'interconnexion). Ces oscillations " inter-régions " se manifestent sur les arbres des machines concernées (oscillations électro-mécaniques) et affectent la stabilité du réseau. Un moyen efficace pour remédier à ce problème consiste en une utilisation d'un correcteur dit RFC (Remote Feedback Controller). Ce correcteur utilise comme signaux d'entrée des grandeurs provenant de machines distantes du point d'installation du correcteur Ces signaux sont synchronisés par des satellites GPS (Global Positioning System). Les outils d'analyse et de calcul comme l'optimisation convexe avec contraintes LMI (inégalités matricielles linéaires), peuvent permettre le réglage de ce correcteur. Dans te cadre de cette thèse, le travail réalisé traite du problème de la conception et de l'emplacement d'un correcteur RFC utilisant des signaux d'entrée locaux et lointains synchronisés. Par les satellites GPS. Les. Techniques de programmation convexe avec des contraintes LMÏ sont utilisées pour le réglage de ce correcteur pour l'amortissement des oscillations inter-régions dans lés réseaux électriques. Les correcteurs réalisés sont ensuite implantés dans deux réseaux tests à 4 à 29 machines. Grâce aux techniques LMI les correcteurs sont robustes dans une grande plage de points de fonctionnement des réseaux tests et sont plus performants que les correcteurs traditionnels. De plus, ces correcteurs ne sont pas perturbés par d'éventuels problèmes dus à l'éloignement des signaux, notamment par un retard du signal ou par sa perte éventuelle
At the present time, power Systems are being operated closer and closer to their stability limit. This. Condition is due to current économic, political and ecological constraints, under which power System operators are Iimited to serving the actual power demand by pushing the operating point closer to the generation and tie-line stability limits. However, due to the weakness of these tie-lines, oscillations are often, created between the different generating stations in the power system. These so called inter-area oscillations are visible on the rotors of the generators, as well as in the fie-line power, and may create severe stability problems To damp the inter-area oscillations and avoid the stability problems, a Remote Feedback Controller (RFC) is used. The RFC uses input signals from the generator where it Ls installed and alsoltom a remote generator. Thèse inpuî signais, both local and remote, are sytichronized via the Global Positioning System (GPS) satellites. The RFC is tuned via the use of residues, as well as recent convex programming techniques that include the application of linear matrix inequality (LMÏ) constraints. The work presented in this dissertation deals with the problem of damping the inter-area oscillations present in two test Systems (4- and 29-machines) via the optimal siting of a RFCs containing local and remote input signal synchronized by GPS satellites. The iRFCs are then tuned through the use of a method based on residues and LME constrained convex programming algorithm. These techniques yield RFCs that are robust for a wide range of operating conditions (up to the limit of the power System) and that have a higher degree of performance (damping) than typically installed controllers. Tbe RFCs are also capable of functioning when faced with the problems of input signal delay or input signal loss

Les orthosilicates d'yttrium et de lutétium dopés Yb3+, de formules respectives Y2SiO5:Yb et Lu2SiO5:Yb, possèdent des caractéristiques spectroscopiques favorables à un fonctionnement efficace en régime laser continu et femtoseconde de forte puissance. Leur première démonstration de fonctionnement en régime femtoseconde a fourni des performances exceptionnelles en terme d’efficacité et de puissance de sortie. Afin de réaliser des sources lasers solides compactes et efficaces à partir de ces matériaux, nous avons choisi de privilégier une approche incluant un milieu actif à géométrie de guide d'onde plan, réalisé par épitaxie en phase liquide, pompé par la face supérieure par une barrette de diodes laser. La croissance de couches de Y2SiO5:Yb fortement dopées, de compositions et d’épaisseurs variées a été démontrée. L’accroissement d’indice lié à la substitution des différents dopants est analysé. Les caractéristiques spectroscopiques des couches sont semblables à celles du matériau massif, avec une qualité cristalline sensiblement supérieure. L’évolution du temps de vie de l’ion Yb en fonction du dopage affiche notamment une croissance particulièrement douce, preuve d’une faible concentration en centres pièges extrinsèques. Les guides d’ondes YSO:24%Yb présentent des pertes en propagation inférieures à 0. 3dB/cm, et ont démontré une amplification de 2. 9dB/cm à 1082nm avec un faisceau de sortie monomode. La réalisation des premiers lasers guides d’onde monolithiques en YSO:Yb a aussi été démontrée. Ils ont fourni une puissance de sortie de 340mW à 1082nm, avec une efficacité de 14%, pour un coupleur de sortie de 4%
Yb-doped yttrium and lutetium orthosilicates, Y2SiO5:Yb and Lu2SiO5:Yb respectively, exhibit spectroscopic properties favorable to an efficient laser operation in both high power cw and femtosecond regime. Their first diode-pumped femtosecond operation demonstration lead to exceptional performances in terms of output power and efficiency. In order to realize compact and efficient solid-state laser devices using those materials, we chose a configuration with an Yb-doped medium planar waveguide geometry, grown by liquid phase epitaxy, face-pumped by a single laser diode bar. The growth of highly doped Y2SiO5:Yb layers, within a large range of compositions and thicknesses, was demonstrated. The refractive index increase due to the substitution of the various dopants is analyzed. The layers spectroscopic properties are similar to the bulk ones, with an noticeably higher crystalline quality. The Yb ion lifetime evolution with respect to its doping shows up a particularly low decrease, proof of a low concentration of extrinsic quenching centers. The covered YSO:24%Yb waveguides exhibit lower than 0. 3dB/cm propagation losses, and provided up to 2. 9dB/cm net amplification at 1082nm with a single mode output. The realization of the first diode-pumped monolithic cw waveguide lasers was also demonstrated. For a 4% output coupler, they provided up to 340mW at 1082nm with a 14% slope efficiency

Cette thèse de doctorat a été réalisée au sein du III-VLab, en partenariat avec l’Institut d’Electronique du Sud (IES). L’objectif de ce travail de thèse vise d’une part à l’optimisation des performances des diodes laser DFB émettant à 780 nm et le développement d’une source plus compacte (MOPA) à 780nm, intégrant de façon monolithique l’oscillateur maître (laser à rétro-action répartie ou DFB) et l’amplificateur de puissance, et d’autre part, à appréhender les phénomènes de bruit, permettant d’évaluer la qualité technologique des lasers. Les développements autour de la longueur d’onde 780 nm, se sont organisés en plusieurs thématiques : les lasers Fabry-Perot et DFB, les amplificateurs (SOA), les MOPA et l’étude du bruit des lasers. Nous avons étudié des structures de différentes épaisseurs de puits quantiques (160Å, 135 Å et 145 Å). La comparaison des performances globales des différentes structures de lasers larges, loin d’être évidente, nous a permis de choisir celle intégrant un puits quantique de 160 Å, pour la réalisation des lasers Fabry-Perot à ruban étroit (3µm à 4µm). Nous avons obtenu sur des lasers larges, de 3 mm de long, bruts de clivage, une puissance d’environ 5 watts par face pour un courant d’injection continu autour de 10 A. Les simulations et caractérisations électro-optiques menées sur des lasers ridge Fabry-Perot, ont servi à affiner le dessin des DFB à 780 nm, par rapport aux briques de base existantes du III-V Lab, et à proposer des structures à cavités optiques larges et super-large (LOC et SLOC) optimisées, en termes de puissance, qualités de faisceau et spectrale.Les mesures de bruits, appuyées d’un modèle de bruit électrique, ont permis d’extraire une valeur du paramètre de Hooge de 2,1.10^-3 pour les lasers ridge, en accord avec la littérature, et qui correspond à une bonne qualité de matériau et technologique des lasers. Différents types d’amplificateurs optiques évasés ont été dessinés, réalisés et caractérisés. Les caractérisations des diverses géométries de SOA, ont donné dans l’ensemble, des valeurs de gain comprises entre 19dB et 25dB. Nous avons obtenu respectivement pour les structures d’amplificateurs à guidages entièrement par l’indice (GI), entièrement par le gain (GG) et mixte (GM), des puissances de 500mW, 750mW et 1W. L’ensemble des résultats obtenus avec ces structures sont prometteurs pour l’intégration monolithique avec le DFB. En ce qui concerne le MOPA, trois approches ont été étudiées: MOPA droit, DFB et amplificateur tiltés de 7° (par rapport à la normale aux faces clivées), et la plus prometteuse mais plus complexe, intégrant le DFB droit et l’amplificateur tilté de 7°, avec une section courbe entre les deux. La prise en compte de l’ensemble des résultats lasers Fabry-Perot, DFB et des résultats d’amplificateurs, nous ont permis de proposer des dessins MOPA originaux. Le dessin du masque réalisé, intègre toutes ces configurations de MOPA, et en plus, des SOA et DFB, qui seront utilisés comme témoins de test lors des caractérisations
This thesis has been realized in III-VLab in collaboration with the South Electronic Institute in Montpellier. The aim of this work focuses in one hand, on the performance improvement of DFB's diode lasers emitting at 780 nm, and the advanced design of a compact semiconductor laser diode (Master Oscillator Power Amplifier), integrating monolithically the master oscillator (DFB for Distributed Feedback laser); in the other hand, using the noise phenomenon’s studies as a tool, for validating of our laser technologies. The Developments round the 780 nm wavelength, have been divided into different thematic: Fabry-Perot and DFB, Semiconductor Optical Amplifiers (SOA), MOPA, and the lasers noise’s study. We have studied structures with different quantum well thickness (160Å, 135 Å and 145 Å). The comparison of global performances of broad area lasers from these different structures, far to being obvious, allowed us to choose the one that integrates the 160-Å-thickness of quantum-well, for the realization of ridge Fabry-Perot lasers of 3 to 4-µm-of width. We obtained with broad area lasers, as cleaved, with 3-mm cavity lengths, an output power around 5 watts per facet, in continuous bias current around 10 AModellings and electro-optics characterizations performed on ridge Fabry-Perot lasers, allowed to refine DFB lasers at 780 nm, in comparison of the existing building blocks in the lab; we proposed new optimized structures with Large and Super Large Optical Cavities(LOC and SLOC), in terms of optical output power, beam and spectral qualities.The noise measurements with electrical noise modelling, allowed us to extract a value of Hooge’s parameter of 2,1.10^-3, quite in agreement with literature for such lasers, which corresponds to a good material quality and laser technology.Different types of flared SOA have been designed, realized and characterized. The characterizations of various SOA geometries, have given in general, values of gain between 19 dB to 25 dB. With SOAs of types: fully Index Guiding (IG), fully Gain Guiding (GG) and Mixed Guiding (MG), we have respectively obtained 500 mW, 750 mW and 1 W. All the results obtained with these structures are promising for monolithic integration with DFB. Regarding the MOPA, three approaches have been studied. The straight MOPA, the approach of SOA and DFB with 7° tilt(relative to the normal to cleaved facets), and the most complex, but promising approach, integrating the SOA with 7° tilt, and straight DFB, with a bend section between them. By taking into account all the results obtained on Fabry-Perot lasers, DFB, and SOA results, we were able to propose original MOPA designs. The layout drawing has been realized, all the MOPA configurations and additional, DFB and SOA devices, have been included on it. They will be used as test structures for characterizations

Le projet de thèse porte sur l'oscillateur harmonique; l'oscillateur dépend du signal de fréquence fondamentale à 25 GHz, qui est amplifié à l'aide d'un LNA et d'un amplificateur de puissance afin de générer un troisième signal harmonique à 75 GHz en sortie et de faire une contre-réaction du signal fondamental afin d'assurer la continuité de l'oscillation. Un diplexeur est utilisé pour séparer les deux fréquences à l’étage de sortie, en tenant compte de l’amélioration de la puissance de sortie, du bruit de phase et de l’efficacité de puissance ajoutée PAE à la fréquence candidate de l’application 5G. La technologie de transistor choisie est le FDSOI 28 nm de STMicroelectronics
The PhD project is about harmonic oscillator; the oscillator depends on the fundamental frequency signal at 25 GHz which is amplified using an LNA and power amplifier in order to generate third harmonic signal at 75 GHz at the output, and feedback the fundamental signal to ensure the continuity of the oscillation. A diplexer is used to separate between both frequencies at the output stage, taking in consideration the improvement of the output power, phase noise, and the power added efficiency PAE at the candidate frequency of 5G application. The transistor technology chosen is the 28nm FDSOI from the STMicroelectronics

Développement d'un modèle macroscopique destiné à l'étude des dispositifs à transfert électronique en gamme millimétrique et basé sur l'intégration de l'équation générale de transport de Boltzmann et sur l'approximation des temps de relaxation. Il prend en compte les phénomènes de dynamique électronique non stationnaire et les effets de charge d'espace. Performances de GaAs, InP et GaInAs aux hyperfréquences. Modes de fonctionnement des dispositifs à transfert électronique en gamme millimétrique. Optimisation de différentes structures. Réalisation de composants N(+)NN(+) très performants vers 94 Ghz en InP. Début d'étude de composants à injection contrôlée de structure planaire. Cette étude permettra la réalisation à moyen terme de dispositifs à transfert électronique intégrable.

L'objectif de ce travail a ete l'analyse, la conception, la realisation et le test d'oscillateurs et de combineurs de puissance pouvant fonctionner dans la bande millimetrique 90-100 ghz. L'absence d'analyseur de reseau dans cette bande de frequence, nous a tout d'abord conduit a la mise au point d'un banc de mesure manuel des caracteristiques des dispositifs millimetriques. Puis, les oscillateurs et les combineurs de puissance etant constitues par l'association d'un circuit actif et d'un circuit passif, nous nous sommes plus particulierement interesses a l'analyse de ces derniers. C'est ainsi qu'utilisant la methode numerique des elements finis, ont pu etre successivement definis les parametres electromagnetiques (frequence de resonance, repartition du champ) et electriques (schema equivalent) des circuits associant des lignes de transmission microstrip et des r. D. Excites sur leurs whispering gallery modes. Les modeles mis au point ont ensuite ete valides experimentalement a 100 ghz lors de la realisation et du test d'un oscillateur millimetrique a diode gunn delivrant 5 mw, et d'un combineur de puissance permettant d'additionner la puissance de sortie de trois sources independantes

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'optimisation de la structure et de la commande de systèmes d'émulation de puissance, appelés Charges Actives. Afin de présenter de très bonnes performances dynamiques ainsi qu'une très grande robustesse, ces Charges Actives utilisent des modulateurs et régulateurs de courant (MRC) et de tension (MRT). Ces procédés font partie de la classe des régulateurs auto-oscillants et sont donc par nature fortement non-linéaires. Aussi, pour que leur application à la Charge Active soit optimale, le premier point abordé dans ce mémoire traite de la modélisation de ces régulateurs et de l'identification des différents problèmes éventuels, inhérents à leurs non-linéarités. Il est alors apparu que des phénomènes de synchronisation et d'instabilité de la fréquence de commutation peuvent survenir si certaines conditions ne sont pas respectées. Le second point abordé est la généralisation de ces procédés de modulation à des systèmes quelconques, basée sur une méthode de synthèse en mode de glissement. De cette étude, une nouvelle structure de modulation et de régulation de tension est proposée, permettant de répondre plus efficacement aux problématiques posées par la Charge Active. Les résultats expérimentaux obtenus sur un prototype de Charge Active montrent les très grandes performances de ce nouveau procédé, contribuant ainsi à l'amélioration de la qualité et de la précision des anciennes et nouvelles générations de Charges Actives
The work presented in this thesis talk about the optimization of the structure and the control of power emulating systems, called Actives Loads. In order to display very good dynamic performances as well as a very great robustness, these Active Loads use a Resonant Current Controller (RCC) and a Resonant Voltage Controller (RVC). These processes are self-oscillating regulators and are thus by nature strongly non-linear. Also, for an optimal application of these proceses to the Active Loads, the first point presented in this thesis is the modelization of these regulators and the identification of the possible problems, due to their non-linearities. It is then appeared that synchronization phenomena and switching frequency instability can appear if some conditions are not well respected. The second point of this work is the generalization of these modulation processes to any systems, based on a sliding mode control. So, a new structure of Resonant Voltage Controller is proposed, more efficient for the Active Load applications. The experimental results obtained on an experimental prototype show the very great performances of this new process, thus contributing to the improvement of the quality and the precision of old and new generations of Active Loads

La montée en fréquence pose des problèmes pour la réalisation de sources de puissance. Proposition d'une solution pour la réalisation des oscillateurs diodes impatt ou diodes gunn, utilisant des modules préaccordées qui consistent à réaliser une structure radiale de diélectrique métallisé autour du composant actif. Cette structure joue le double rôle de boîtier d'encapsulation et de circuit d'adaptation. Oscillateurs commandes en tension et additionneurs de puissance

Ce travail présente une méthodologie de modélisation des transistors bipolaires de puissance dans les bandes L et S. Il a été effectué sur des transistors à structure interdigitée. Les phénomènes physiques liés au fonctionnement des transistors bipolaires silicium ont permis de développer un modèle paramétré en fonction du périmètre émetteur. Le nombre de paramètres du modèle est réduit de façon considérable par rapport au modèle de Gummel-Poon. La modélisation de l'effet Early a permis une bonne corrélation entre la mesure et la simulation en régime de fonctionnement statique. En régime dynamique petit signal le modèle développé est valide en comparant les paramètres [S] pris en plusieurs points de polarisation. En puissance, la caractéristique de la puissance de sortie en fonction de la puissance d'entrée a permis une validation du modèle en fonctionnement linéaire (classe A) et non linéaire (classes B et C). Les fonctions électroniques réalisées au cours de cette thèse sont basées sur le modèle développé. Pour chaque circuit sont présentées les étapes de la conception ainsi que la réalisation. Trois circuits ont été réalisés: un amplificateur classe A et un amplificateur classe B (1-1. 3 GHz) et enfin un oscillateur libre fonctionnant à la fréquence 4 GHz. Tous les circuits sont réalisés en technologie hybride.

Ce travail est une contribution a l'etude du fonctionnement des oscillateurs a avalanche et temps de transit au silicium pour la generation de fortes puissances en regime periodique d'impulsions courtes a 94 ghz. Le premier chapitre decrit en detail l'ensemble des trois modeles electriques temporels utilises dans le cadre de ce travail. Les deux premiers modeles permettent des approches du fonctionnement de l'oscillateur respectivement en regime purement sinusoidal et en regime isotherme quelconque. Le troisieme est un modele electrothermique base sur une description consistante des effets electriques et thermiques instantanes dans le circuit qui permet l'approche la plus realiste du fonctionnement du circuit en regime d'impulsions le second chapitre est consacre a l'etude theorique du fonctionnement de l'oscillateur en regime impulsionnel utilisant des diodes a. T. T au silicium a double zone de transit a profil de dopage uniforme. Le comportement electrique et thermique intrinseque a 94 ghz de ces structures a ete etudie de facon exhaustive en fonction des parametres de fonctionnement a montre qu'une structure de diode donnee presentait une gamme de temperature de fonctionnement optimale. Ces resultats ont servi de base pour une premiere comparaison entre des mesures experimentales effectuees sur l'oscillateur utilise a thomson et des simulations menees a l'aide du modele electrothermique. Le troisieme chapitre porte sur l'etude du circuit passif de charge de l'oscillateur incluant la cavite en structure guide d'onde et les elements constituant le boitier de la diode. Celle-ci a necessite au prealable le choix d'un modele theorique a la fois efficace et realiste. Le modele physique electromagnetique numerique retenu a fait l'objet d'une validation menee dans le cadre d'une comparaison avec des resultats experimentaux obtenus avec la cellule utilisee en pratique a thomson.

Nous avons développé deux modèles complémentaires. Le premier permet de simuler le fonctionnement de structures semiconductrices à jonction PN ne faisant pas intervenir d'effet quantique. Dans le deuxième modèle, le composant semiconducteur est associé à son circuit de charge défini simplement sous forme d'éléments localisés. Grâce au premier type de modèle, nous étudions les diodes à avalanche et temps de transit a l'arséniure en bande Ku. Nous mettons en évidence le fonctionnement multifréquence, la collection prématurée des porteurs. Cette première étude montre que la structure à zone de dérive unique de type Read est particulièrement bien adaptée pour un fonctionnement en régime d'oscillations continues. Le deuxième type de modèle est utilisé pour l'analyse des différents régimes transitoires auxquels est soumis un limiteur passif à diode PIN au silicium pendant son fonctionnement complexe. Nous considérons en particulier l'influence de la phase à l'origine et de l'enveloppe du signal d'entrée appliqué.

Ce travail concerne les transistors bipolaires à hétérogène TBH SiGe. En particulier, l'auto-échauffement des transistors unitaires et le couplage thermique avec leurs plus proches voisins périphériques sont caractérisés et modélisés. La rétroaction électrothermique intra- et inter-transistor est largement étudiée. En outre, l’impact des effets thermiques sur la performance de deux circuits analogiques est évalué. L'effet d'autoéchauffement est évalué par des mesures à basse fréquence et des mesures impulsionnelles DC et AC. L'auto-échauffement est diminué de manière significative en utilisant des petites largeurs d'impulsion. Ainsi la dépendance fréquentielle de l’autoéchauffementa été étudiée en utilisant les paramètres H et Y. De nouvelles structures de test ont été fabriqués pour mesurer l'effet de couplage. Les facteurs de couplage thermique ont été extraits à partir de mesures ainsi que par simulations thermiques 3D. Les résultats montrent que le couplage des dispositifs intra est très prononcé. Un nouvel élément du modèle de résistance thermique récursive ainsi que le modèle de couplage thermique a été inclus dans un simulateur de circuit commercial. Une simulation transitoire entièrement couplée d'un oscillateur en anneau de 218 transistors a été effectuée. Ainsi, un retard de porte record de 1.65ps est démontré. À la connaissance des auteurs, c'est le résultat le plus rapide pour une technologie bipolaire. Le rendement thermique d'un amplificateur de puissance à 60GHz réalisé avec un réseau multi-transistor ou avec un transistor à plusieurs doigts est évalué. La performance électrique du transistor multidoigt est dégradée en raison de l'effet de couplage thermique important entre les doigts de l'émetteur. Un bon accord est constaté entre les mesures et les simulations des circuits en utilisant des modèles de transistors avec le réseau de couplage thermique. Enfin, les perspectives sur l'utilisation des résultats sont données
The power generate by modern silicon germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors (HBTs) can produce large thermal gradients across the silicon substrate. The device opering temperature modifies model parameters and can significantly affect circuit operation. This work characterizes and models self-heating and thermal coupling in SiGe HBTs. The self-heating effect is evaluated with low frequency and pulsed measurements. A novel pulse measurement system is presented that allows isothermal DC and RF measurements with 100ns pulses. Electrothermal intra- and inter-device feedback is extensively studied and the impact on the performance of two analog circuits is evaluated. Novel test structures are designed and fabricated to measure thermal coupling between single transistors (inter-device) as well as between the emitter stripes of a multi-finger transistor (intra-device). Thermal coupling factors are extracted from measurements and from 3D thermal simulations. Thermally coupled simulations of a ring oscillator (RO) with 218 transistors and of a 60GHz power amplifier (PA) are carried out. Current mode logic (CML) ROs are designed and measured. Layout optimizations lead to record gate delay of 1.65ps. The thermal performance of a 60GHz power amplifier is compared when realized with a multi-transistor array (MTA) and with a multi-finger trasistor (MFT). Finally, perspectives of this work within a CAD based circuit design environment are discussed

Ce travail s’inscrit dans un projet consistant à développer un prototype de capteur RF autonome et intelligent permettant la réalisation d’un réseau de capteurs sans fil dans un environnement industriel. Cette thèse traite de l’étude, la conception et la réalisation de la partie radiofréquence de la chaîne d’émission sans fils du capteur RF dans la bande ISM 863-870 MHz en technologie CMOS AMS 0.35µm. Cette chaîne inclut toutes les fonctions depuis l’oscillateur local jusqu’à l’amplificateur de puissance. L’émetteur occupe une surface de 0.22mm² et consomme environ 27mA sous une tension d’alimentation de 3.3V. De nombreux principes innovants ont été mis en œuvre et validés. Tous ces principes peuvent être facilement transposés à d’autres standards de communication et dans d’autres bandes de fréquences. Les résultats de simulations du dessin des masques vérifient complètement les spécifications et confirment les simulations. Une caractérisation expérimentale partielle valide les nouvelles architectures proposées
This work joins in a project consisting in developing prototype of an autonomous and smart RF sensor allowing the realization of a wireless sensor network in an industrial environment. This thesis deals with the study, the design and the realization of the radio-frequency part of the transmitter using the 863-870 MHz ISM band and the CMOS AMS 0.35µm technology. This transmitter includes all the functions from the local oscillator to the power amplifier. The integrated circuit occupies a surface of 0.22mm² and consumes approximately 27mA under a supply voltage of 3.3V. Numerous innovative principles were implemented and validated. All these principles can be easily transposed into other standards of communication and in other frequency bands. The results of the post-layout simulation completely satisfy the specifications and confirm the simulations. Partial experimental characterization validates new architectures proposed

Les travaux décrits dans cette thèse permettent d’apporter une contribution à quelques dispositifs existants à base de matériaux semiconducteurs à large bande interdite. Le premier concerne les oscillateurs de puissance HF et le second les amplificateurs de puissance en hyperfréquence. Les composants retenus pour réaliser ces deux dispositifs sont les diodes à effets tunnel résonant et les transistors à haute mobilité électronique. Ce travail de thèse est donc scindé en deux parties distinctes : - Les diodes à effet tunnel résonant AlGaN/GaN: les outils de simulations rigoureux du transport électronique vertical dans les hétérostructures de nitrures n’existent pas ou ne sont pas accessibles en Europe. Ceci a nécessité la conception d’un nouvel outil de simulation pour analyser et optimiser les dispositifs et aider à la conception. Le modèle développé dans ce manuscrit de thèse est basée sur la résolution auto-cohérente des équations de Schrödinger-Poisson dans l’approche des fonctions de Green hors équilibre. Coté technologique, la stratégie employée pour obtenir un certain nombre d’hétérostructures libres de dislocations reposait sur la réalisation de nano-diodes en suivant les deux approches suivantes. La première dite « ascendante » met en œuvre la technique d’épitaxie sélective sur des ouvertures de masque diélectrique et sur des piliers GaN avec des diamètres compris entre 100 nm et 5 µm. La seconde approche dite « descendante » repose sur la réduction de taille des dispositifs et par voie de conséquence du nombre de dislocations présentes en leur sein. Les caractéristiques électriques de ces nano-diodes ont pu être mesurées sous micro-pointes au FIB, au nano-probe et analyseur de réseau. Le phénomène de NDR est étudié en fonction du sens de la polarisation, du traitement électrique, de la température et du taux d’aluminium dans les couches barrières AlGaN. - Les transistors à haute mobilité mobilité AlGaN/GaN: la première étape de cette seconde partie a consisté à réaliser une structure HEMT conventionnelle AlGaN/GaN à l’état de l’art. La seconde étape a porté sur l’amélioration de la résistivité de la couche buffer GaN soit en y incorporant de l’aluminium ou du bore. Plusieurs épaisseurs et positions de la couche BGaN dans la structure HEMT conventionnelle AlGaN/GaN ont été testées en vue de déterminer la structure optimale. Les études comparatives entre les structures HEMT AlGaN/GaN avec et sans couche BGaN, ont permis de montrer que l’utilisation de cette dernière comme couche contre-barrière permettait d’améliorer drastiquement le confinement des porteurs dans le canal 2DEG et de réduire nettement le dopage résiduel de la zone active
The work described in this thesis contributes to the improvement on some circuit based on wide band gap semiconductors. The first concerns the oscillators and the second RF amplifiers at microwave frequencies. Components selected to build these two devices are resonant tunneling diodes and high electron mobility transistors. This thesis is divided into two distinct parts:-The resonant tunneling diodes AlGaN/GaN: a software that provides a rigorous description of vertical transport in nitride heterostructures does not exist or are not available in Europe. In this thesis, we developed a model based on the self-consistent resolution of the Schrödinger and Poisson equation using the non-equilibrium Green functions. The strategy employed to obtain some heterostructures free from dislocations is based on the realization of nano-diodes in the following two approaches. The first approach "bottom-up" implements the technique of selective epitaxy on nano-patterned GaN template. The second approach called "top down" is based on the reduction of device size and consequently the number of dislocations. The electrical characteristics of these nano-diodes have been measured by FIB, Nanoprobe and vector network analyzer. The negative differential resistance is studied depending in both direction of bias, electrical treatment, temperature and aluminum incorporation in the AlGaN barriers layers.- The high electron mobility transistors AlGaN/GaN: the second part was aimed to perform a conventional AlGaN/GaN HEMT structure exhibiting in the state of the art performance. To do that, we focused on improving the resistivity of the GaN buffer layer by incorporating either of aluminum or boron. Several positions and thicknesses of BGaN layer in the conventional AlGaN /GaN HEMT structure were tested to determine the optimal structure. Comparative studies between AlGaN/GaN HEMT structures with and without BGaN layer have shown that the use of BGaN layer as a back-barrier drastically improves the carrier confinement in the 2DEG channel and significantly reduces the residual doping of the active area