Conception and realization of multiple Terahertz transmitters via the association of multicore fibers and photodiode arrays : application to high data rate telecommunications
Conception et mise en œuvre d'émetteurs Terahertz multiples via l'association de fibre multi-cœurs et de réseaux de photodiodes : application aux télécommunications à très haut débit
Résumé
CISCO forecasts indicate that the demand for transmission capacity is more and more growing. In addition to current applications, there is the emergence of new applications such as augmented reality, holograms, vehicle-to-vehicle communications which require capacities in the order of a hundred of Gbit/s and more. In the field of radiocommunications, different approaches are being considered to meet these needs. The first consists of MIMO systems where the aggregation of several channels allows to reach higher data rates than the state of the art. The second is the investigation of new frequency bands including the THz region (100 GHz-10 THz). In this respect, the 250-320 GHz band, which was standardised (IEEE.802.15.3d) in 2017, seems particularly promising as it offers a good compromise between bandwidth and technological performances. Various demonstrations of links in this band have been made using optoelectronic transmitters and receivers. However, it is clear that the link budgets are mostly degraded not only because of atmospheric attenuation and high free space path losses at these frequencies (10 dB/m at 300 GHz) but also because of the relatively low power of THz transmitters, especially when they are based on photo-mixing (typically less than 0 dBm). This hinders the realization of long distance transmissions based on this technology.Aiming at enabling very high data rate communications with better link budgets, this thesis brings together two different technological blocks. On the one hand, we develop an array of THz transmitters consisting of photodiodes which, thanks to the principle of power combination well known in radio frequency, allows the system to generate more THz power than some conventional single transmitters. On the other hand, in order to excite the photodiodes array, we take advantage of a new generation of optical fibres, the multi-core fibres, which are also of interest for spatial multiplexing in future optical networks. By assembling these two technological bricks, we demonstrate, for the first time, to the best of our knowledge, the excitation of a 4 photodiode array by a 4-core fibre. The interest of this work is that it demonstrates the possibility of developing links around 300 GHz at rates up to 100 Gbit/s, with better link budgets than those based on single photodiode. Alternatively, it would be possible to perform spatial data multiplexing on 4 different THz carriers in order to achieve data rates of several hundred Gbit/s. Last but not least, we investigate new frequency bands for THz communications through the characterization of a single photodiode at 800 GHz for data rates up to 10 Gbit/s.
Les prévisions de CISCO indiquent que la demande en capacité de transmission ne cesse de croître au fil des années. En plus des utilisations actuelles, on assiste à l'émergence de nouvelles applications telles que la réalité augmentée, les hologrammes, ou encore les communications entre véhicules qui exigent des capacités de l'ordre de la centaine de Gbit/s et plus. Dans le domaine des radiocommunications, différentes approches sont envisagées en vue de répondre à ces besoins. La première consiste en des systèmes MIMO où l'agrégation de plusieurs canaux permet d'atteindre des débits plus élevés que l'état de l'art. La seconde est l'investigation de nouvelles bandes de fréquences dont la gamme THz (100 GHz-10 THz). Dans ce sens, la bande 250-320 GHz, qui a fait l'objet d'une standardisation (IEEE.802.15.3d) en 2017, apparait particulièrement prometteuse car elle présente un bon compromis entre bande passante et performances technologiques. Différentes démonstrations de liaisons ont été faites dans cette bande à l'aide d'émetteurs et de récepteurs optoélectroniques. Cependant, force est de constater que les bilans de liaison sont pour la plupart dégradés non seulement à cause de l'atténuation atmosphérique et des pertes en espace libre élevées à ces fréquences (10 dB/m à 300 GHz) mais aussi en raison des relatives faibles puissances des émetteurs THz, surtout lorsqu'ils sont basés sur le photo-mélange (typiquement moins de 0 dBm). Ceci constitue un frein au développement de transmissions sur de longues distances basées sur cette technologie.Dans le but de permettre des communications à très haut débit avec de meilleurs bilans de liaison, cette thèse réunit deux briques technologiques différentes. D'une part, nous développons un réseau d'émetteurs THz constitué de photodiodes qui, grâce au principe de la combinaison de puissance bien connu en radiofréquence, permet au système de générer plus de puissance THz que des émetteurs unitaires classiques. D'autre part, pour exciter le réseau de photodiodes, nous tirons parti d'une nouvelle génération de fibres optiques, les fibres multi-cœurs, qui trouve également un intérêt pour la réalisation du multiplexage spatial dans les futurs réseaux optiques. En assemblant ces deux briques technologiques, nous démontrons, pour la première fois à notre connaissance, l'excitation d'un réseau de 4 photodiodes par une fibre à 4 cœurs. L'intérêt de ce travail est qu'il démontre la possibilité de réaliser des liaisons autour de 300 GHz à des débits allant jusqu'à 100 Gbit/s, avec de meilleures bilans de liaison que ceux des liaisons basées sur une photodiode unitaire. Alternativement, il serait possible de réaliser le multiplexage spatial de données sur 4 porteuses THz différentes dans le but d'atteindre des débits de plusieurs centaines de Gbit/s. Du reste, nous investiguons, dans ce travail, de nouvelles bandes pour les communications THz à travers la caractérisation d'une photodiode unitaire à 800 GHz pour des débits allant à 10 Gbit/s.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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