Coherent terahertz photonics

We present a review of recent developments in THz coherent systems based on photonic local oscillators. We show that such techniques can enable the creation of highly coherent, thus highly sensitive, systems for frequencies ranging from 100 GHz to 5 THz, within an energy efficient integrated platform. We suggest that such systems could enable the THz spectrum to realize its full applications potential. To demonstrate how photonics-enabled THz systems can be realized, we review the performance of key components, show recent demonstrations of integrated platforms, and give examples of applications

High power uni-traveling-carrier photodidodes for analog photonic links and optical summation of RFsignals

Ce travail porte sur la conception et la réalisation de photodiodes UTC en GaInAs/InP pour la détection de fortes puissances optiques jusqu'à 20 GHz. La solution choisie est une photodiode à éclairage par la face arrière compatible avec un report flip-chip sur des lignes hyperfréquences. La première partie de cette étude consacrée à l'optimisation simultanée de la bande passante et de la responsivité a mis en avant l'importance de la conception de l'absorbant et du collecteur. En particulier, l'introduction d'un champ électrique statique dans l'absorbant grâce à un graduel de dopage est essentielle pour atteindre simultanément une responsivité élevée (0,8 A/W à l,55 µm) et une large bande passante = 20 GHz sous fort photocourant). Dans un second temps, l'analyse des mécanismes de saturation a permis de dégager les principaux axes d'optimisation sous forte puissance: la réduction de la dépolarisation de la jonction, l'atténuation des effets de charge d'espace et l'amélioration de la dissipation thermique. Ainsi, une nouvelle structure de collecteur à dopage non uniforme est proposée. Elle permet de repousser les limites de saturation de la photodiode et permet d'atteindre des courants = 100 mA à 20 GHz, au meilleur niveau de l'état de l'art. Enfin, une étude théorique et expérimentale de la linéarité des photodiodes UTC de puissance est présentée. Les photodiodes développées montrent une excellente linéarité atteignant des points d'interception d'ordre 3 (IP3) de 35 dBm à 20 GHz faisant de ces composants de très bons candidats pour les liaisons optiques/hyperfréquences à large dynamique.This work focuses on the design and fabrication of GaInAs/InP Uni-Traveling-Carrier (UTC) Photodiodes (PDs) for high optical power detection up to 20 GHz. The selected solution consists of a back-side ilIuminated PD compatible with flip-chip mounting on microwave transmission lines. The first section of this study is dedicated to the optimisation of both bandwidth and responsivity, simultaneously. It demonstrates how important the design of absorption and collection layers is. ln particular, the introduction of a static electric field in the absorption layer, owing to a graduaI doping, is essential to achieve, simultaneously, a high responsivity (0.8 A/W at 1.55 µm) and a large bandwidth (= 20 GHz under high photocurrent). Secondly, the saturation mechanisms in a UTC structure are analysed. Reducing the junction bias variation, mitigating the space charge effects and enhancing the heat power dissipation are demonstrated to be the main axes for design optimization under high power. Therefore, a new design of a non-uniformly doped collector is proposed. It reduces saturation limitations and leads to state-of-the-art saturation current =100 mA at 20 GHz. FinaIly, a theoretical and experimental study of high power UTC-PDs linearity is presented. The developed PDs show a high linearity and achieve third order intercept points (IP3) op to 35 dBm at 20 GHz, which makes them good candidates for analog photonic links that need a high dynamic range

Photodiodes UTC de puissance pour les liaisons optiques/hyperfréquences et la sommation de signaux hyperfréquences par voie optique

Ce travail porte sur la conception et la réalisation de photodiodes UTC en GaInAs/InP pour la détection de fortes puissances optiques jusqu'à 20 GHz. La solution choisie est une photodiode à éclairage par la face arrière compatible avec un report flip-chip sur des lignes hyperfréquences. La première partie de cette étude consacrée à l'optimisation simultanée de la bande passante et de la responsivité a mis en avant l'importance de la conception de l'absorbant et du collecteur. En particulier, l'introduction d'un champ électrique statique dans l'absorbant grâce à un graduel de dopage est essentielle pour atteindre simultanément une responsivité élevée (0,8 A/W à l,55 m) et une large bande passante = 20 GHz sous fort photocourant). Dans un second temps, l'analyse des mécanismes de saturation a permis de dégager les principaux axes d'optimisation sous forte puissance: la réduction de la dépolarisation de la jonction, l'atténuation des effets de charge d'espace et l'amélioration de la dissipation thermique. Ainsi, une nouvelle structure de collecteur à dopage non uniforme est proposée. Elle permet de repousser les limites de saturation de la photodiode et permet d'atteindre des courants = 100 mA à 20 GHz, au meilleur niveau de l'état de l'art. Enfin, une étude théorique et expérimentale de la linéarité des photodiodes UTC de puissance est présentée. Les photodiodes développées montrent une excellente linéarité atteignant des points d'interception d'ordre 3 (IP3) de 35 dBm à 20 GHz faisant de ces composants de très bons candidats pour les liaisons optiques/hyperfréquences à large dynamique.This work focuses on the design and fabrication of GaInAs/InP Uni-Traveling-Carrier (UTC) Photodiodes (PDs) for high optical power detection up to 20 GHz. The selected solution consists of a back-side ilIuminated PD compatible with flip-chip mounting on microwave transmission lines. The first section of this study is dedicated to the optimisation of both bandwidth and responsivity, simultaneously. It demonstrates how important the design of absorption and collection layers is. ln particular, the introduction of a static electric field in the absorption layer, owing to a graduaI doping, is essential to achieve, simultaneously, a high responsivity (0.8 A/W at 1.55 m) and a large bandwidth (= 20 GHz under high photocurrent). Secondly, the saturation mechanisms in a UTC structure are analysed. Reducing the junction bias variation, mitigating the space charge effects and enhancing the heat power dissipation are demonstrated to be the main axes for design optimization under high power. Therefore, a new design of a non-uniformly doped collector is proposed. It reduces saturation limitations and leads to state-of-the-art saturation current =100 mA at 20 GHz. FinaIly, a theoretical and experimental study of high power UTC-PDs linearity is presented. The developed PDs show a high linearity and achieve third order intercept points (IP3) op to 35 dBm at 20 GHz, which makes them good candidates for analog photonic links that need a high dynamic range.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Développement de composants de puissance pour la réalisation de liaisons optiques hyperfréquences de grande dynamique

Les liaisons optiques hyperfréquences présentent aujourd'hui des intérêts pour les oscillateurs opto-électroniques, la radio sur fibre ou le déport à la réception de signaux analogiques. Dans les radars par exemple, le déploiement de liaisons optiques analogiques en lieu et place de câbles coaxiaux est déjà une réalité [1]. Les principaux avantages des liaisons optiques sont la réduction de taille et de masse, les faibles pertes de propagation ou l'immunité électromagnétique et sont dus à l'utilisation de la fibre optique. Depuis une vingtaine d'année, plusieurs types de liaisons optiques hyperfréquences ont été rapportés : modulation directe ou externe, détection directe ou différentielle, avec réduction du bruit [2]. Par rapport aux liaisons à modulation directe, les liaisons à modulation externe permettent généralement de meilleures performances en termes de bande passante, de gain ou de dynamique. Cependant malgré de moins bonnes performances, la compacité et le faible coût des liaisons à modulation directe en font un candidat potentiellement très attractif jusqu'à 6 GHz, en remplacement des câbles coaxiaux. Dans cet article, nous présentons le développement d'une source laser DFB de puissance et d'une photodiode UTC ayant des performances spécifiques pour la transmission de signaux analogiques. Grâce à ces deux composants, nous avons démontré des performances de liaisons optiques en bande L et S à l'état de l'art, alliant fort gain, point de compression élevé et large dynamique (SFDR)

Impact of physical parameters of laser model electrical circuit on gain and IP1dB

International audienceThis paper presents the electrical model of the electro-optic transducer, a DFB laser, taken into account the non linearity and noise, developed on the commercial electrical software Advanced Design System (ADS). Owing to this accurate model, the impact of the relaxation oscillation frequency is presented on the system non linearity characteristic as for example the input 1dB compression point. The comparison of simulated results to measured one confirms the accuracy of this mode

Impact of physical parameters of laser model electrical circuit on gain and IP1dB

International audienceThis paper presents the electrical model of the electro-optic transducer, a DFB laser, taken into account the non linearity and noise, developed on the commercial electrical software Advanced Design System (ADS). Owing to this accurate model, the impact of the relaxation oscillation frequency is presented on the system non linearity characteristic as for example the input 1dB compression point. The comparison of simulated results to measured one confirms the accuracy of this mode

Tunable Optoelectronic Oscillator based on an integrated heterodyne source

International audienceWe demonstrate an optoelectronic oscillator (OEO) tunable from 15 to 20 GHz in which the optically carried microwave signal is generated by two distributed feedback (DFB) lasers on the same InP chip. Tunability is obtained by adjusting, thanks to the two bias currents, the optical frequency separation between the DFB laser tones. Phase noise reduction is obtained by combining optical self-injection locking inside the chip and a fiber delay-line coupled to a modulation section integrated on the chip

Comparison of theoretical and measured P1dB of a photonic microwave link : influence of some physical parameters of the DFB laser.

International audienceThis paper studies a microwave photonic link built as an IM/DD or intensity modulation-direct detection semiconductor laser system. The radiofrequency gain and 1 dB compression point of the link are both simulated with a modelling approach and compared to measurements. The electrical model of the electro-optic transducer, a distributed feedback laser, is first presented. Taking into account the nonlinearities and noise sources, it is developed on the commercial electrical software Advanced Design System. Owing to this accurate model, the impact of the relaxation oscillation frequency is presented on the system nonlinearity characteristic as for example the input 1 dB compression point. The comparison of simulated results to measured ones confirms the accuracy of this model

Optoelectronic cross-injection locking of a dual-wavelength photonic integrated circuit for low-phase-noise millimeter-wave generation

International audienceWe report on the stabilization of a 90-GHz millimeter-wave signal generated from a fully integrated photonic circuit. The chip consists of two DFB single-mode lasers whose optical signals are combined on a fast photodiode to generate a largely tunable heterodyne beat note. We generate an optical comb from each laser with a microwave synthesizer, and by self-injecting the resulting signal, we mutually correlate the phase noise of each DFB and stabilize the beatnote on a multiple of the frequency delivered by the synthesizer. The performances achieved beat note linewidth below 30 Hz

Modèles optimisés en gain, bruit et non linéarité d'une liaison opto-microonde

National audienc