An 850 nm SiGe/Si HPT with a 4.12 GHz maximum optical transition frequency and 0.805A/W responsivity

A 10 × 10 μm2 SiGe heterojunction bipolar photo-transistor (HPT) is fabricated using a commercial technological process of 80 GHz SiGe bipolar transistors (HBT). Its technology and structure are first briefly described. Its optimal opto-microwave dynamic performance is then analyzed versus voltage biasing conditions for opto-microwave continuous wave measurements. The optimal biasing points are then chosen in order to maximize the optical transition frequency (fTopt) and the opto-microwave responsivity of the HPT. An opto-microwave scanning near-field optical microscopy (OM-SNOM) is performed using these optimum bias conditions to localize the region of the SiGe HPT with highest frequency response. The OM-SNOM results are key to extract the optical coupling of the probe to the HPT (of 32.3%) and thus the absolute responsivity of the HPT. The effect of the substrate is also observed as it limits the extraction of the intrinsic HPT performance. A maximum optical transition frequency of 4.12 GHz and an absolute low frequency opto-microwave responsivity of 0.805A/W are extracted at 850 nm

InP/InGaAs heterojunction bipolar phototransistor study for ultra low noise photo-injected oscillators : Optical Distribution of Sensible Signals in an Active Antenna and opto-RF Integration

La réduction du poids des antennes des radars est une problématique industrielle majeure. Les technologies actuelles sont performantes, optimisées mais lourdes et encombrantes. L'optoélectronique a ouvert de nouvelles pistes de développement à travers l'utilisation de fibre optique pour transmettre les signaux. L'objectif de cette thèse est de mettre au point un composant plus léger, à performance équivalente à la solution actuelle à base de PLL, et compatible à l'utilisation et à la production industrielle, pour la régénération compacte d'oscillateurs déportés optiquement à ultra faible bruit de phase. Il a été démontré que le remplacement du circuit PLL par un oscillateur injecté permettait de diviser par 3 le nombre des composants en conservant des performances équivalentes et en diminuant les consommations électriques.Le travail présenté permet d'avancer davantage dans cette recherche d'optimisation, en étudiant la possibilité de remplacer le circuit PLL par un oscillateur à injection optique directe, permettant de diviser par six le nombre de composants. Il est proposé dans un premier temps la réalisation d'un oscillateur à 10MHz à injection optique indirecte dont les performances sont à l'état de l'art avec Lϕ(1Hz)=-100dBc/Hz et Lϕ(1kHz)=-160dBc/Hz en exploitant un OCXO à 10MHz comme oscillateur de référence.Le composant principal de l'oscillateur injecté directe étant un phototransistor InP/InGaAs, une étude comparative de 47 structures de phototransistors a été menée afin de déterminer la structure la plus performante. Une analyse détaillée a été mené grâce à des techniques de caractérisations originales pour améliorer la compréhension des mécanismes physiques du phototransistor, notamment la compréhension des trajets suivis par les photoporteurs. Un modèle comportemental original a également été développé pour le phototransistor afin de prendre en compte les paramètres systèmes nécessaires à la réalisation d'un oscillateur à injection optique.L'oscillateur à injection optique directe ainsi réalisé, équipé de cette nouvelle structure de phototransistor, a été comparé à l'état de l'art de l'injection optique indirecte. De plus, grâce au modèle comportemental développé, des perspectives permettant l'amélioration des performances des oscillateurs à injection optique directe sont énoncéesRadar antenna weight reduction is a major industrial issue. Now-a-days RF technologies are efficient and optimized but heavy and space-consuming. OptoMicrowave technology with optical fiber link can address these issues. The main target of this PhD is to design a lighter component, with equivalent capabilities as current PLL solution and fully compatible with industrial usage and production, for compact regeneration of optically transmitted ultra-stable oscillator. It was shown that the PLL (Phase Locked Loop) replacement by an indirect optically injected oscillator (IOILO) can divide by up to 3 the components number with equal performances and less electrical consumption.This PhD shows new improvement by using a DOILO (Direct Optically Injected Oscillator) instead of the PLL, allowing a 6x division of component number. It shows also the realization of a 10MHz IOILO with state of the arts performance: Lϕ(1Hz)=-100dBc/Hz et Lϕ(1kHz)=-160dBc/Hz using a 10MHz OCXO as master oscillator.The main component of the DOILO is an InP/InGaAs heterojunction bipolar phototransistor (HPT). A comparative study over 47 HPT design variations has been done in order to select the best compromise. An in-depth comprehension of the physics of phototransistors has then been deduced through original characterization techniques. A special focus has been put on the understanding of photogenerated carrier's path. A new HPT behavioural model has also been developed to help designers in building DOILO.The 10MHz realized DOILO with the new selected HPT device has been compared to the 10MHz state-of-the-arts realized IOILO. Thanks to the newly developed HPT behavioural model, guidelines are given to improve DOILO performance

Etude de Phototransistors bipolaires à hétérojonction InP/InGaAs pour applications d’oscillateurs photo-injectés très faible bruit de phase : distribution optique de signaux sensibles dans une antenne active et intégration opto-RF

Radar antenna weight reduction is a major industrial issue. Now-a-days RF technologies are efficient and optimized but heavy and space-consuming. OptoMicrowave technology with optical fiber link can address these issues. The main target of this PhD is to design a lighter component, with equivalent capabilities as current PLL solution and fully compatible with industrial usage and production, for compact regeneration of optically transmitted ultra-stable oscillator. It was shown that the PLL (Phase Locked Loop) replacement by an indirect optically injected oscillator (IOILO) can divide by up to 3 the components number with equal performances and less electrical consumption.This PhD shows new improvement by using a DOILO (Direct Optically Injected Oscillator) instead of the PLL, allowing a 6x division of component number. It shows also the realization of a 10MHz IOILO with state of the arts performance: Lϕ(1Hz)=-100dBc/Hz et Lϕ(1kHz)=-160dBc/Hz using a 10MHz OCXO as master oscillator.The main component of the DOILO is an InP/InGaAs heterojunction bipolar phototransistor (HPT). A comparative study over 47 HPT design variations has been done in order to select the best compromise. An in-depth comprehension of the physics of phototransistors has then been deduced through original characterization techniques. A special focus has been put on the understanding of photogenerated carrier's path. A new HPT behavioural model has also been developed to help designers in building DOILO.The 10MHz realized DOILO with the new selected HPT device has been compared to the 10MHz state-of-the-arts realized IOILO. Thanks to the newly developed HPT behavioural model, guidelines are given to improve DOILO performancesLa réduction du poids des antennes des radars est une problématique industrielle majeure. Les technologies actuelles sont performantes, optimisées mais lourdes et encombrantes. L'optoélectronique a ouvert de nouvelles pistes de développement à travers l'utilisation de fibre optique pour transmettre les signaux. L'objectif de cette thèse est de mettre au point un composant plus léger, à performance équivalente à la solution actuelle à base de PLL, et compatible à l'utilisation et à la production industrielle, pour la régénération compacte d'oscillateurs déportés optiquement à ultra faible bruit de phase. Il a été démontré que le remplacement du circuit PLL par un oscillateur injecté permettait de diviser par 3 le nombre des composants en conservant des performances équivalentes et en diminuant les consommations électriques.Le travail présenté permet d'avancer davantage dans cette recherche d'optimisation, en étudiant la possibilité de remplacer le circuit PLL par un oscillateur à injection optique directe, permettant de diviser par six le nombre de composants. Il est proposé dans un premier temps la réalisation d'un oscillateur à 10MHz à injection optique indirecte dont les performances sont à l'état de l'art avec Lϕ(1Hz)=-100dBc/Hz et Lϕ(1kHz)=-160dBc/Hz en exploitant un OCXO à 10MHz comme oscillateur de référence.Le composant principal de l'oscillateur injecté directe étant un phototransistor InP/InGaAs, une étude comparative de 47 structures de phototransistors a été menée afin de déterminer la structure la plus performante. Une analyse détaillée a été mené grâce à des techniques de caractérisations originales pour améliorer la compréhension des mécanismes physiques du phototransistor, notamment la compréhension des trajets suivis par les photoporteurs. Un modèle comportemental original a également été développé pour le phototransistor afin de prendre en compte les paramètres systèmes nécessaires à la réalisation d'un oscillateur à injection optique.L'oscillateur à injection optique directe ainsi réalisé, équipé de cette nouvelle structure de phototransistor, a été comparé à l'état de l'art de l'injection optique indirecte. De plus, grâce au modèle comportemental développé, des perspectives permettant l'amélioration des performances des oscillateurs à injection optique directe sont énoncée

Full area emitter SiGe phototransistor for opto-microwave circuit applications

International audienc

Opto-microwave experimental mapping of SiGe/Si phototransistors at 850 nm

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Distribution optique de signaux sensibles dans une antenne active et intégration opto RF

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Mesures expérimentales des critères d'adaptation de HPT SiGe/Si et InGaAs/InP

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Avancées sur les phototransistors microondes :HPT SiGe/Si et HPT InGaAs/InP

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Experimental influence of the base load effect on SiGe/Si and InGaAs/InP HPTs

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