Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Noise Analysis of Trans-impedance Amplifier (TIA) in Variety Op Amp for use in Visible Light Communication (VLC) System

VLC is a complex system with lots of challenges in its implementation. One of its problems is noise that originated from internal and external sources (sunlight, artificial light, etc). Internal noise is originated from active components of analog front-end (AFE) circuit, which will be discussed in this paper, especially on the trans-impedance amplifier (TIA) domain. The noise characteristics of AFE circuit in VLC system has been analyzed using the variety of available commercial Op Amp and different types of the photodiode (Si, Si-PIN, Si APD). The approach of this research is based on analytical calculus and simulation using MATLAB®. The results of this research show that the main factor that affecting the noise is en, the feedback resistor (Rf), and junction capacitor in the photodiode (Cj). Besides that, the design concept of multi channel TIA (8 channel) using IC Op Amp, with consideration of pin number of each Op Amp, supply needs, the initial value of Rf, converter to 8-DIP and feedback capacitor (Cf) channel, also discussed in this paper

On-Chip Integrated Functional Near Infra-Red Spectroscopy (fNIRS) Photoreceiver for Portable Brain Imaging

RÉSUMÉ L'imagerie cérébrale fonctionnelle utilisant la Spectroscopie Fonctionnelle Proche-Infrarouge (SFPI) propose un outil portatif et non invasif de surveillance de l'oxygénation du sang. SFPI est une technique de haute résolution temporelle non invasive, sûr, peu intrusive en temps réel et pour l'imagerie cérébrale à long terme. Il permet de détecter des signaux hémodynamiques à la fois rapides et neuronaux ou lents. Outre les avantages importants des systèmes SFPI, ils souffrent encore de quelques inconvénients, notamment d’une faible résolution spatiale, d’un bruit de niveau modérément élevé et d’une grande sensibilité au mouvement. Afin de surmonter les limites des systèmes actuellement disponibles de SFPI non-portables, dans cette thèse, nous en avons introduit une nouvelle de faible puissance, miniaturisée sur une puce photodétecteur frontal destinée à des systèmes de SFPI portables. Elle contient du silicium photodiode à avalanche (SiAPD), un amplificateur de transimpédance (TIA), et « Quench-Reset », circuits mis en oeuvre en utilisant les technologies CMOS standards pour fonctionner dans les deux modes : linéaire et Geiger. Ainsi, elle peut être appliquée pour les deux fNIRS : en onde continue (CW- SFPI) et pour des applications de comptage de photon unique. Plusieurs SiAPDs ont été mises en oeuvre dans de nouvelles structures et formes (rectangulaires, octogonales, double APDs, imbriquées, netted, quadratiques et hexadecagonal) en utilisant différentes techniques de prévention de la dégradation de bord prématurée. Les principales caractéristiques des SiAPDs sont validées et l'impact de chaque paramètre ainsi que les simulateurs de l'appareil (TCAD, COMSOL, etc) ont été étudiés sur la base de la simulation et de mesure des résultats. Proposées SiAPDs techniques d'exposition avec un gain de grande avalanche, tension faible ventilation et une grande efficacité de détection des photons dans plus de faibles taux de comptage sombres. Trois nouveaux produits à haut gain, bande passante (GBW) et à faible bruit TIA sont introduits basés sur le concept de gain distribué, d’amplificateur logarithmique et sur le rejet automatique du bruit pour être appliqué en mode de fonctionnement linéaire. Le TIA proposé offre une faible consommation, un gain de haute transimpédance, une bande passante ajustable et un très faible bruit d'entrée et de sortie. Le nouveau circuit mixte trempe-reset (MQC) et un MQC contrôlable (CMQC) frontaux offrent une faible puissance, une haute vitesse de comptage de photons avec un commandable de temps de hold-off et temps de réinitialiser. La première intégration sur puce de SiAPDs avec TIA et Photon circuit de comptage a été démontrée et montre une amélioration de l'efficacité de la photodétection, spécialement en ce qui concerne la sensibilité, la consommation d'énergie et le rapport signal sur bruit.----------ABSTRACT Optical brain imaging using functional near infra-red spectroscopy (fNIRS) offers a direct and noninvasive tool for monitoring of blood oxygenation. fNIRS is a noninvasive, safe, minimally intrusive, and high temporal-resolution technique for real-time and long-term brain imaging. It allows detecting both fast-neuronal and slow-hemodynamic signals. Besides the significant advantages of fNIRS systems, they still suffer from few drawbacks including low spatial- resolution, moderately high-level noise and high-sensitivity to movement. In order to overcome the limitations of currently available non-portable fNIRS systems, we have introduced a new low-power, miniaturized on-chip photodetector front-end intended for portable fNIRS systems. It includes silicon avalanche photodiode (SiAPD), Transimpedance amplifier (TIA), and Quench- Reset circuitry implemented using standard CMOS technologies to operate in both linear and Geiger modes. So it can be applied for both continuous-wave fNIRS (CW-fNIRS) and also single-photon counting applications. Several SiAPDs have been implemented in novel structures and shapes (Rectangular, Octagonal, Dual, Nested, Netted, Quadratic and Hexadecagonal) using different premature edge breakdown prevention techniques. The main characteristics of the SiAPDs are validated and the impact of each parameter and the device simulators (TCAD, COMSOL, etc.) have been studied based on the simulation and measurement results. Proposed techniques exhibit SiAPDs with high avalanche-gain (up to 119), low breakdown-voltage (around 12V) and high photon-detection efficiency (up to 72% in NIR region) in additional to a low dark- count rate (down to 30Hz at 1V excess bias voltage). Three new high gain-bandwidth product (GBW) and low-noise TIAs are introduced and implemented based on distributed-gain concept, logarithmic-amplification and automatic noise-rejection and have been applied in linear-mode of operation. The implemented TIAs offer a power-consumption around 0.4 mW, transimpedance gain of 169 dBΩ, and input-output current/voltage noises in fA/pV range accompanied with ability to tune the gain, bandwidth and power-consumption in a wide range. The implemented mixed quench-reset circuit (MQC) and controllable MQC (CMQC) front-ends offer a quenchtime of 10ns, a maximum power-consumption of 0.4 mW, with a controllable hold-off and resettimes. The on-chip integration of SiAPDs with TIA and photon-counting circuitries has been demonstrated showing improvement of the photodetection-efficiency, specially regarding to the sensitivity, power-consumption and signal-to-noise ratio (SNR) characteristics

High Speed Integrated Circuits for High Speed Coherent Optical Communications

With the development of (sub) THz transistor technologies, high speed integrated circuits up to sub-THz frequencies are now feasible. These high speed and wide bandwidth ICs can improve the performance of optical components, coherent optical fiber communication, and imaging systems. In current optical systems, electrical ICs are used primarily as driving amplifiers for optical modulators, and in receiver chains including TIAs, AGCs, LPFs, ADCs and DSPs. However, there are numerous potential applications in optics using high speed ICs, and different approaches may be required for more efficient, compact and flexible optical systems.This dissertation will discuss three different approaches for optical components and communication systems using high speed ICs: a homodyne optical phase locked loop (OPLL), a heterodyne OPLL, and a new WDM receiver architecture.The homodyne OPLL receiver is designed for short-link optical communication systems using coherent modulation for high spectral efficiency. The phase-locked coherent receiver can recover the transmitted data without requiring complex back-end digital signal processing to recover the phase of the received optical carrier. The main components of the homodyne OPLL are a photonic IC (PIC), an electrical IC (EIC), and a loop filter. One major challenge in OPLL development is loop bandwidth; this must be of order 1 GHz in order for the loop to adequately track and suppress the phase fluctuations of the locked laser, yet a 1 GHz loop bandwidth demands small (&lt;100 ps) propagation delays if the loop is to be stable. Monolithic integration of the high-speed loop components into one electrical and one photonic IC decreases the total loop delay. We have designed and demonstrated an OPLL with a compact size of 10 × 10 mm2, stably operating with a loop bandwidth of 1.1 GHz, a loop delay of 120 ps, a pull-in time of 0.55 μs and lock time of &lt;10 ns. The coherent receiver can receive 40 Gb/s BPSK data with a bit error rate (BER) of &lt;10-7, and operates up to 35 Gb/s with BER 10-12.The thesis also describes heterodyne OPLLs. These can be used to synthesize optical wavelengths of a broad bandwidth (optical wavelength synthesis) with narrow linewidth and with fast frequency switching. There are many applications of such narrow linewidth optical signal sources, including low phase noise mm-wave and THz-signal sources, wavelength-division-multiplexed optical transmitters, and coherent imaging and sensor systems. The heterodyne OPLL also has the same stability issues (loop delay and sensitivity) as the homodyne OPLL. In the EIC, a single sideband mixer operating using digital design principles (DSSBM) enables precisely controlled sweeping of the frequency of the locked laser, with control of the sign of the frequency offset. The loop's phase and frequency difference detector (PFD) uses digital design techniques to make the OPLL loop parameters only weakly sensitive to optical signal levels or optical or electrical component gains. The heterodyne OPLL operates stably with a loop bandwidth of 550 MHz and loop delay of &lt;200 ps. An initial OPLL design exhibited optical frequency (wavelength) synthesis from -6 GHz to -2 GHz and from 2 GHz to 9 GHz. An improved OPLL reached frequency tuning up to 25 GHz. The homodyne OPLL exhibits -110 dBc/Hz phase noise at 10 MHz offset and -80 dBc/Hz at 5 kHz offset.Finally, the thesis describes a new WDM receiver architecture using broadband electrical ICs. In the proposed WDM receiver, a set of received signals at different optical wavelengths are mixed against a single optical local oscillator. This mixing converts the WDM channels to electrical signals in the receiver photocurrent, with each WDM signal being converted to an RF sub-carrier of different frequency. An electrical IC then separately converts each sub-carrier signal to baseband using single-sideband mixers and quadrature local oscillators. The proposed receiver needs less complex hardware than the arrays of wavelength-sensitive receivers now used for WDM, and can readily adjust to changes in the WDM channel frequencies. The proposed WDM receiver concept was demonstrated through several system experiments. Image rejection of greater than 25 dB, adjacent channel suppression of greater than 20 dB, operation with gridless channels, and six-channel data reception at a total 15 Gb/s (2.5 Gb/s BPSK × 6-channels) were demonstrated

Design of 10 Gb/s burst-mode receivers for high-split extended reach PONs

The continuous stream of new applications for the internet, increases the need for higher access speed in the currently deployed communication networks. Most networks in use today still consist of twisted copper wires, inherited from the telephone network. The disadvantages of reusing the existing telephone network are twofold. Firstly, the bandwidth of twisted copper wires is limited and secondly, a large number of switches and routers are needed throughout the network leading to an excessive power consumption. The hybrid fiber coax network that reuses the television distribution network is not free from these drawbacks. The bandwidth is also limited and power hungry amplifiers are needed to bridge the distance to and from the user. The future of broadband access lies in optical fiber networks. The optical fiber has a virtually unlimited bandwidth and the lower attenuation leads to less switches and amplifiers in the network, reducing the power consumption of the complete infrastructure. This dissertation describes the design of a 10 Gb/s burst-mode receiver for high-split extended reach passive optical networks (PONs). The designed receiver incorporates two very advanced features. Firstly, the burst-mode receiver locks its gain setting within 6 ns avoiding packet loss due to gain switching during data payload reception. Secondly, the burst-mode receiver detects both burst start and burst end, making it the first burst-mode receiver of its kind to operate without any time critical signal requirements from outside the burst-mode receiver. The presented work covers the chip-level architecture study and design of a 10 Gb/s burst-mode transimpedance amplifier and a 10 Gb/s post-amplifier, which are the two most critical components of a burst-mode receiver

Enhanced PON Infrastructure Enabled by Silicon Photonics

Les systèmes de courte portée et de détection directe sont le dernier/premier kilomètre de la fourniture des services Internet d'aujourd'hui. Deux cas d'application sont abordés dans cette thèse, l'un concerne l'amélioration des performances des services Internet par la Fibre-To-TheHome ou les réseaux optiques passifs (PONs). L'autre est le radio access network (RAN) pour le fronthaul. Notre objectif pour RAN est de superposer les signaux 5G sur une infrastructure PON. Nous démontrons expérimentalement la génération d'un signal de répartition multiplexée de fréquences orthogonales (OFDM) à bande latérale unique en utilisant un modulateur IQ sur puce basé sur les photoniques au silicium à micro-anneau. Il s'agit d'une solution à coût bas permettant aux PONs d'augmenter les débits de données grâce à l'utilisation d'OFDM. Nous avons généré un signal OFDM à large bande avec un ratio de suppression de bande latérale de plus de 18 dB. Afin de confirmer la robustesse de la dispersion chromatique (CD), nous transmettons le signal généré OFDM SSB dans plus de 20 km de fibre de monomode standard. Aucun fading induit par la CD n'a été observé et le taux d'erreur sur les bits était bon. Nous proposons une solution de photoniques au silicium pour un réseau optique passif afin de mitiger l'interférence de battement signal-signal (SSBI) dans la transmission OFDM, et de récupérer une partie des porteuses de la liaison descendante pour une utilisation dans la liaison montante. Le sous-système recrée les interférences à une entrée du détecteur équilibré ; le signal de données corrompu par SSBI est à la deuxième entrée. L'annulation se produit via la soustraction dans la détection équilibrée. Comme notre solution de photoniques au silicium (SiP) ne peut pas filtrer les signaux idéalement, nous examinons un facteur d'échelle introduit dans la détection équilibrée qui peut balancer les effets de filtrage non idéaux. Nous montrons expérimentalement l'annulation de l'interférence donne de bonnes performances même avec une porteuse faible, soit pour un ratio porteuse/signal ultra bas de 0 dB. Bien que notre solution soit sensible aux effets de la température, notre démonstration expérimentale montre que le réglage de la fréquence résonante peut dériver jusqu'à 12 GHz de la valeur ciblée et présenter toujours de bonnes performances. Nous effectuons des simulations extensives du schéma d'annulation SSBI proposé, et suggérons une diverse conception polarisée pour le sous-système SiP. Nous examinons via la simulation la vulnérabilité à la variation de température et introduisons une nouvelle métrique de performance : Q-facteur minimum garanti. Nous nous servons de cette métrique pour évaluer la robustesse d'annulation SSBI contre la dérive de fréquence induite par les changements de température. Nous maximisons l'efficacité spectrale sous différentes conditions du système en balayant les paramètres de conception contrôlables. Finalement, les résultats de la simulation du système fournissent des indications sur la conception du résonateur micro-anneau, ainsi que sur le choix de la bande de garde et du format de modulation pour obtenir la plus grande efficacité spectrale. Finalement, nous nous concentrons sur la superposition des signaux 5G sur une infrastructure PON pour RAN. Nous expérimentalement validons un sous-système photonique au silicium conçu pour les réseaux optiques passifs avec réutilisation de porteuses et compatibilité radiosur-fibre (RoF) analogique 5G. Le sous-système permet la détection simultanée des signaux RoF et du signal PON transmis dans une seule tranche assignée de longueur d'onde. Tout en maintenant une qualité suffisante de détection des signaux RoF et PON, il n'y a que la puissance minimale de la porteuse qui est extraite pour chaque détection, ce qui conserve ainsi la puissance de la porteuse pour la modulation de liaison montante. Nous réalisons une suppression efficace du signal de liaison descendante en laissant une porteuse propre et forte pour la remodulation. Nous démontrons expérimentalement le signal RoF de liaison montante via un modulateur à micro-anneau. Nous avons détecté avec succès un signal à large bande de 8 GHz et cinq signaux RoF de 125 MHz simultanément. Et deux signaux RoF de 125 MHz sont remodulés sur la même porteuse. Le signal RoF de liaison montante généré est de 13 dB de plus que les signaux de liaison descendante, ce qui indique leur robustesse contre la diaphonie des signaux résiduels de la liaison descendante.Short reach, direct detection systems are the last/first mile of today's internet service provision. Two use cases are addressed in this thesis, one is for enhancing performance of Internet services on fiber-to-the-home or passive optical networks (PON). The other is radio access networks (RAN) for fronthaul. Our focus for RAN is to overlay 5G signals on a PON infrastructure. We experimentally demonstrate the generation of a single-sideband orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) signal using an on-chip silicon photonics microring-based IQ modulator. This is a low cost solution enabling PONs to increase data rates through the use of OFDM. We generated a wideband OFDM signal with over 18 dB sideband suppression ratio. To confirm chromatic dispersion (CD) robustness, we transmit the generated SSB OFDM signal over 20 km of standard single mode fiber. No CD-induced fading was observed and bit error rate was good. We propose a silicon photonics solution for a passive optical network to mitigate signal-signal beat interference (SSBI) in OFDM transmission, and to recuperate a part of the downlink carrier for use in the uplink. The subsystem recreates the interference at one balanced detector input; the data signal corrupted with SSBI is at the second input. Cancellation occurs via subtraction in the balanced detection. As our silicon photonics (SiP) solution cannot filter the signals ideally, we examine a scaling factor to be introduced to the balanced detection that can trade-off the non-ideal filtering effects. We show experimentally that the interference is cancelled, allowing good performance even with a weak carrier, that is, for ultra low carrier to signal ratio of 0 dB. Although our solution is sensitive to temperature effects, our experimental demonstration shows the tuning of the resonant frequency can drift by as much as 12 GHz from the targeted value and still provide good performance. We perform extensive simulations of the proposed SSBI cancellation scheme, and suggest a polarization diverse design for the SiP subsystem. We examine via simulation the vulnerability to temperature variation and introduce a new performance metric: minimum guaranteed Qfactor. We use this metric to evaluate the SSBI cancellation robustness against the frequency drift induced by temperature changes. We maximize the spectral efficiency under different system conditions by sweeping the controllable design parameters. Finally the system simulation results provide guidance on the microring resonator design, as well as choice of guard band and modulation format to achieve the highest spectral efficiency. Finally, we turn to focus on overlay 5G signals on a PON infrastructure for RAN. We experimentally validate a silicon photonic subsystem designed for passive optical networks with carrier reuse and 5G analog radio-over-fiber (RoF) compatibility. The subsystem enables the simultaneous detection of RoF signals and a PON signal transmitted in a single assigned wavelength slot. While maintaining sufficient quality of RoF and PON signal detection, only the minimum carrier power is leached off for each detection, thus conserving carrier power for uplink modulation. We realize effective downlink signal suppression to leave a clean and strong carrier for remodulation. We demonstrate experimentally the RoF uplink signal via a micro ring modulator. We successfully detected an 8 GHz broadband signal and five 125 MHz RoF signals simultaneously. And two 125 MHz radio over fiber signals are remodulated onto the same carrier. The generated uplink RoF signal is 13 dB over the downlink signals, indicating their robustness against the crosstalk from residual downlink signals

Adaptive modulation techniques for passive optical networks

Smart use of fiber networks to increase capacity to the hom