Boucles à verrouillage de phase optique pour la génération de signaux hyperfréquences en bande 5G

Abstract

One of the key technological issues in the development of future wireless communications network like 5G is the settlement of the new frequencies higher than the classical sub-6 GHz bands, and called millimeter waves (above 30 GHz). Indeed, at these frequencies electronic sources are very expensive, have a high-power consumption and occupy a lot of space, which make them unsuitable for embedded and remote applications. As a replacement optical coherent technology is in first position due to its high compatibility with the already fibered network while requiring very few elements at remote sites, like antennas for instance. Furthermore, the maturity level reached by photonic integrated circuits is now at a decisive moment when they can be used massively within coherent transmission components. This being combined with a downscale of antenna size, due to lower wavelength in millimeter wave, allows new architectures to introduce beamforming and spatial division multiplexing to increase network fronthaul capacity. Among all optically assisted millimeter wave generation methods the one we deal with in this work is named optical phase lock loop, which compatibility with standardized photonic integrated circuits is also investigated. The working principle relies on an electronic feedback loop making optical phase variations of two independent lasers correlated, and their resulting beat note being then artificially coherent. Thus, the latter is very easy to use in order operate optically assisted frequency up- and down-conversion of a millimeter wave signal. This method benefits from strong assets like its high available optical power and its flexibility toward complex photonics architectures which makes it very suitable to supply photonic integrated circuits dedicated to signal processing, as beamforming networks for instance. In this work we developed an optical phase lock loop based on commercially available fibered components in order to demonstrate the viability of using semiconductor lasers for coherent applications. This loop has then been implemented in several transmission schemes in the K-band (20-30 GHz) for future 5G experiments, all within the blueSPACE European project. This has led us to investigate the effect of the loop phase noise on QAM modulation formats and OFDM method, both being standards for 5G and beyond. In parallel we designed an optical phase lock loop photonic integrated circuit, which fabrication has been subcontracted to a commercial indium phosphide foundry, in order to evaluate the maturity of the process towards high complexity devices.L’un des principaux verrous technologiques inhérents au développement des nouvelles technologies de communications sans-fil, comme la 5G, est la transition des fréquences radios classiques, inférieures à 6 GHz, vers le domaine des ondes millimétriques, au-delà de 30 GHz. En effet, les sources électroniques permettant de générer de telles ondes ne sont pas compatibles avec les applications visées, notamment le déploiement au sein d’unités déportées, car trop volumineuses, coûteuses et gourmandes en énergie. Pour les remplacer, les technologies optiques cohérentes font office de favorites car elles permettent de bénéficier des infrastructures déjà déployées en fibre optique tout en minimisant les éléments nécessaires au niveau des antennes. Par ailleurs, la maturité des circuits photoniques intégrés arrive à un point décisif aujourd’hui ce qui permet d’envisager leur usage massif dans les futurs dispositifs de transmissions cohérentes. L’association de ces technologies avec la réduction de la taille des antennes dans le domaine millimétrique débloque également l’accès à des solutions comme la formation de faisceaux et le multiplexage spatial, dont les utilisations dans ce contexte étaient jusqu’ici limitées. Parmi les techniques de génération d’ondes millimétriques par voie optique nous avons décidé d’étudier dans ces travaux la boucle à verrouillage de phase optique, ainsi que sa compatibilité avec les technologies de fonderies commerciales pour la réalisation de circuits intégrés. Le principe repose sur l’asservissement, à l’aide de correcteurs électroniques, des variations de phase de deux lasers dans le but de les rendre artificiellement cohérents. Le battement de ces deux lasers peut alors être facilement utilisé pour effectuer une montée en fréquence de la bande de base vers le domaine millimétrique. Les avantages de cette technique reposent sur une forte puissance optique disponible alliée à une grande flexibilité d’architecture, ce qui convient particulièrement bien à une utilisation au sein de circuits photoniques de traitement de plus en plus complexes. Dans ces travaux nous avons d’abord développé une boucle à base de composants télécoms fibrés commerciaux afin de montrer la viabilité de l’utilisation des lasers à semi-conducteurs au sein de ce genre de dispositif. Cette boucle a été ensuite implémentée dans diverses expériences de transmissions en bande K (20-30 GHz) au sein du démonstrateur du projet européen blueSPACE sur la 5G, ce qui nous a permis d’étudier la robustesse de la boucle en termes de bruit de phase relativement aux formats de modulations QAM et à la méthode OFDM, standards pour la future 5G. En parallèle nous avons conçu un circuit photonique de boucle à verrouillage de phase dont nous avons ensuite sous-traité la fabrication à une fonderie commerciale afin d’évaluer la maturité du procédé de fabrication pour la réalisation de ce genre de composant