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JNOG04, 26 octobre 2004 1 MODÉLISATION MULTI-TECHNOLOGIQUE DE MODULES OPTOELECTRONIQUES VCSEL POUR COMMUNICATIONS COURTE DISTANCE ET HAUT DEBIT (dans le.

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1 JNOG04, 26 octobre MODÉLISATION MULTI-TECHNOLOGIQUE DE MODULES OPTOELECTRONIQUES VCSEL POUR COMMUNICATIONS COURTE DISTANCE ET HAUT DEBIT (dans le cadre du projet RMNT « SHAMAN ») Asghar Gholami, Zeno Toffano, Alain Destrez Service Radio, Supélec, Ecole Supérieure dElectricité, Campus de Gif- sur-Yvette Patricia Desgreys, Mohammed Karray Département Communications et Électronique École Nationale Supérieure des Télécommunications, Paris

2 JNOG04, 26 octobre Modules Optoélectroniques Gigabit Destinés à des applications haut débit (jusquà 10 Gb/s par voie) et courte distance (jusquà 300 m). Il sagit de liaisons sur nappe (12) de fibres optiques multimodes à gradient dindice, les sources sont des barrettes de VCSELs et les détecteurs des barrettes de photodiodes PIN. Ces modules à bas coût ne sont pas stabilisés en température et sont prévus pour fonctionner dans la gamme -40°C/+85°C. Ils sont destinés aux marchés des réseaux locaux, de lautomobile et de lavionique. Norme: 10GBASE-SR (850nm Serial LAN PHY) du standard 803.2ae Gigabit Ethernet Module optoélectronique D-Lightsys pour communication à haut débit courte distance

3 JNOG04, 26 octobre Projet SHAMAN (Réseau Micro Nano Technologies ) Partenaires du projet: Supélec, Gif Telecom Paris CNRS PHASE, Lab. Strasbourg Supaéro, Toulouse D-Lightsys, THALES, Orsay IPSIS, Cesson Rennes Mentor Graphics, France L'association au sein d'un même module optoélectronique, de composants optiques, électriques, thermiques et mécaniques, introduit de nouvelles contraintes dans la phase de conception et nécessite une approche différente en terme de modélisation. Composants Extraction de parameters Mesures Théorie Modèles physiques définitions utilisateurs Modélisations VHDL-AMS Méthodes mathématiques VHDL-AMS Coding Tests sur les composants Tests système Logiciels pour télécom Solveurs numériques Specifications Environnement Technologies Integration système

4 JNOG04, 26 octobre Objectifs de SHAMAN Identification des composants, des interactions et effets annexes à modéliser. Mesures et études physiques pour les composants complexes (VCSEL). Développement des modèles physiques des composants et validation au moyen du logiciel Comsis de IPSIS. Identification des interactions au sein du module complet. Création dune bibliothèque de modèles optoélectroniques VHDL-AMS. Assemblage des modèles VHDL-AMS pour la simulation du module complet. Premiers pas vers le prototypage virtuel de MOEMS.

5 JNOG04, 26 octobre Modèles pour les modules optoélectroniques Approche physique : élaboration de modèles prédictifs, basés sur la physique des composants et intégrant tous les paramètres internes des composants. VCSEL, Fibre optique multimode (MMF), Diode PIN, Circuits électriques. Approche système : élaboration de modèles descriptifs, définis par un jeu de paramètres standards. Validation des modèles par comparaison avec des mesures effectuées sur le démonstrateur. Etablissement pour chaque composant du niveau de modélisation en fonction du besoin. Mesures et études physiques préliminaires pour les composants complexes. Identification des interactions au sein du module complet

6 JNOG04, 26 octobre Modèle du VCSEL monomode Les modèles VCSEL sont basés sur les équations de continuité fonctions du nombre de photons et porteurs S et N. Les paramètres de ces équations sont des paramètres physiques internes en général non disponibles. Pour des simulations plus réalistes on les dérive par des paramètres système. Le modèle monomode est suffisant pour simuler la réponse statique et dynamique globale mais ne relate pas le profil dintensité réel. Ce modèle est maintenant implémenté dans la bibliothèque de composants du logiciel COMSIS Software de chez IPSIS. Courbe P(I) Courbe P(I) Réponse dynamique Réponse dynamique

7 JNOG04, 26 octobre Modèle multimode du VCSEL Pour les VCSELs plusieurs modes spatiaux coexistent en fonction des conditions dinjection Pour un VCSEL à confinement circulaire par oxyde la structure des modes transverses est celle des fibres optique LP lm. Dans le modèle VCSEL multimode nous avons adapté les équations de continuité en incluant les champs inhomogènes et la distribution spatiale des porteurs. Chaque mode k est représenté par le nombre de photons S k et par le profil dintensité k (r). Pour les M modes le modèle utilise 2M + 1 équations.

8 JNOG04, 26 octobre Modèle multimode VCSEL: comportement statique Distribution du champ proche en fonction du courant dinjection Distribution du champ proche en fonction du courant dinjection TOTAL LP21 LP01 LP11 La présence des modes transverses naffecte pas la linéarité de la caractéristique globale L(I) dun VCSEL, ce fait est confirmé par le modèle en sommant les puissances de chaque mode. Dans la majorité des cas, le profil du faisceau sera annulaire, profil intéressant pour le couplage avec une fibre optique multimode permettant daugmenter la bande passante de celle-ci. Puissance optique en fonction du courant pour les modes LP et total Puissance optique en fonction du courant pour les modes LP et total

9 JNOG04, 26 octobre Modèle multimode du VCSEL: comportement dynamique TOTAL LP01 LP11 LP21 La somme des réponses de chaque mode correspond avec une bonne approximation aux résultats obtenus pour le modèle monomode. La somme des réponses de chaque mode correspond avec une bonne approximation aux résultats obtenus pour le modèle monomode. La présence des modes transverses LP modifie la structure du RIN, principalement aux basses fréquences. La présence des modes transverses LP modifie la structure du RIN, principalement aux basses fréquences. Courant dinjection Courant dinjection Puissance optique Puissance optique total LP01 LP21 LP11 Bruit dintensité optique RIN (Relative Intensity Noise) des modes du VCSEL Réponse indicielle

10 JNOG04, 26 octobre Modèle thermique du VCSEL Nombre de porteurs N(T) par la variation de la tension de jonction V j (T) et le courant de seuil I th (T). Nombre de porteurs N(T) par la variation de la tension de jonction V j (T) et le courant de seuil I th (T). Gain différentiel G N (T) par les variations de la longueur donde (T) Gain différentiel G N (T) par les variations de la longueur donde (T) Simulation Mesures sur le module D-Lightsys

11 JNOG04, 26 octobre Circuit équivalent dinteraction thermique de la barrette de VCSEL Puissance optique et dissipée pour une barrette de 5 VCSEL Barrettes de VCSEL 850 nm, pour communication à courte distance. Barrettes de VCSEL 850 nm, pour communication à courte distance. Il existe une interaction thermique entre les VCSEL dune même barrette (changements de la puissance optique et de la longueur donde dus aux interactions thermiques). Il existe une interaction thermique entre les VCSEL dune même barrette (changements de la puissance optique et de la longueur donde dus aux interactions thermiques). Une modélisation thermique de toute la barrette est nécessaire Une modélisation thermique de toute la barrette est nécessaire Interactions thermiques dans la barrette de VCSEL

12 JNOG04, 26 octobre Modèle thermique global avec circuit Cth RwbRgt Id * Vds TcT PCB Ti Rreport Référence thermique Rgt Ts Prise en compte des technologies de report Réseau électrique équivalent à la thermique du driver avec Modèle thermique du transistor Schéma électrique thermique équivalent qui tient compte des technologies de report et dassemblage et de lenvironnement complet dun VCSEL. Schéma électrique thermique équivalent qui tient compte des technologies de report et dassemblage et de lenvironnement complet dun VCSEL. Modélisation thermique de la technologie « Flip-Chip ». Modélisation thermique de la technologie « Flip-Chip ». Modélisation thermique de la technologie « Wire-Bonding ». Modélisation thermique de la technologie « Wire-Bonding ». Modélisation thermique de la colle ou de la brasure. Modélisation thermique de la colle ou de la brasure.

13 JNOG04, 26 octobre Effet du couplage des VCSEL aux fibres optiques multimodes sur la bande passante Conditions de couplage du VCSEL vers une fibre optique multimode à gradient dindice Conditions de couplage du VCSEL vers une fibre optique multimode à gradient dindice Injection dans la fibre optique par la méthode du lancer de rayons Injection dans la fibre optique par la méthode du lancer de rayons Un modèle spatio-temporel complet permet de calculer la bande passante résultante de la fibre optique sous différentes conditions dinjection. Un modèle spatio-temporel complet permet de calculer la bande passante résultante de la fibre optique sous différentes conditions dinjection. Le signal optique dynamique en sortie de la fibre a été reconstruit en utilisant la distribution spatiale de puissance et les vitesses moyennes des modes de propagation. Le signal optique dynamique en sortie de la fibre a été reconstruit en utilisant la distribution spatiale de puissance et les vitesses moyennes des modes de propagation. La bande passante est obtenue par FFT La bande passante est obtenue par FFT 0 m 45 m Influence du décalage latéral de la fibre optique sur la bande passante Influence du décalage latéral de la fibre optique sur la bande passante

14 JNOG04, 26 octobre Réponse indicielle en sortie de fibre optique Réponse indicielle en sortie de fibre optique Diagramme de lœil en sortie de fibre optique Diagramme de lœil en sortie de fibre optique. Réponse dynamique en sortie de fibre par injection VCSEL La fibre optique multimode introduit un délai supplémentaire qui dépend de la dispersion intermodale elle-même dépendante des conditions dinjection. La fibre optique multimode introduit un délai supplémentaire qui dépend de la dispersion intermodale elle-même dépendante des conditions dinjection. Le profil dindice de la fibre optique est critique pour les performances souhaitées (10 Gb/sec). Le profil dindice de la fibre optique est critique pour les performances souhaitées (10 Gb/sec). Sur le diagramme de lœil on observe aussi un effet de la fibre multimode sur la gigue de transmission surtout à haut débit. Sur le diagramme de lœil on observe aussi un effet de la fibre multimode sur la gigue de transmission surtout à haut débit.

15 JNOG04, 26 octobre Mesures avec DCA de la Plate-forme Optoélectronique Supélec Astre Sésame Mesures avec DCA de la Plate-forme Optoélectronique Supélec Astre Sésame Diagramme de loeil du module complet avec récepteur et sources de bruit 30 m de FO 250 m de FO 2.5 Gb/s Simulations à laide du modèle multimode avec inclusion des bruits RIN, quantique et thermique Simulations à laide du modèle multimode avec inclusion des bruits RIN, quantique et thermique Lentrée est constitué dun signal bruité spécifié par les normes. A la sortie on obtient le « diagramme de lœil » dimensionné suivant un gabarit standard. Lentrée est constitué dun signal bruité spécifié par les normes. A la sortie on obtient le « diagramme de lœil » dimensionné suivant un gabarit standard. Les paramètres, tel la température, le taux de modulation, la puissance, les contraintes mécaniques et géométriques seront utilisés comme des paramètres génériques. Les paramètres, tel la température, le taux de modulation, la puissance, les contraintes mécaniques et géométriques seront utilisés comme des paramètres génériques.

16 JNOG04, 26 octobre Estimation des performances en communication TEB du module A partir du diagramme de lœil on extrait le rapport signal sur bruit ou de manière équivalente le facteur Q et la gigue qui permettent de remonter au Taux dErreurs Binaires (TEB). A partir du diagramme de lœil on extrait le rapport signal sur bruit ou de manière équivalente le facteur Q et la gigue qui permettent de remonter au Taux dErreurs Binaires (TEB). Le TEB est présenté en fonction du taux dextinction, rapport entre les niveaux binaires 1 sur le niveau 0 et la température T. Le TEB est présenté en fonction du taux dextinction, rapport entre les niveaux binaires 1 sur le niveau 0 et la température T. Le TEB est fortement dépendant de la valeur du RIN. Le TEB est fortement dépendant de la valeur du RIN. La gigue regroupe plusieurs types de perturbations pouvant pénaliser une transmission, et ayant donc des conséquences sur le TEB final. La gigue regroupe plusieurs types de perturbations pouvant pénaliser une transmission, et ayant donc des conséquences sur le TEB final. Tempér. (°C) Taux dexcinction (dB) TEB 10^ - x

17 JNOG04, 26 octobre Intérêt du langage VHDL-AMS Objectifs du langage Objectifs du langage Modélisation de haut niveau Modélisation de haut niveau Temps discret et continu, équation différentielles ordinaires (EDO) Temps discret et continu, équation différentielles ordinaires (EDO) Compatible SPICE, modèles externes Compatible SPICE, modèles externes Multi domaine/abstraction Multi domaine/abstraction Langage commun à la communauté Langage commun à la communauté Intérêt opérationnel Intérêt opérationnel Norme IEEE en cours de diffusion industrielle Norme IEEE en cours de diffusion industrielle Développements indépendants de loutil, interfaçage naturel avec la CAO industrielle. Développements indépendants de loutil, interfaçage naturel avec la CAO industrielle. Modèle «utilisateurs» (anti SPICE/ELDO) Modèle «utilisateurs» (anti SPICE/ELDO) Support du travail en équipe Support du travail en équipe Prototypage Prototypage

18 JNOG04, 26 octobre Interface optoélectronique complète codé e VHDL-AMS dans « Simplorer » Interface optoélectronique complète codé e VHDL-AMS dans « Simplorer » Le modèle global peut être considéré comme un simple composant ayant ses propres entrées/sorties. Ceci permet de linsérer dans un montage plus complexe. Le modèle global peut être considéré comme un simple composant ayant ses propres entrées/sorties. Ceci permet de linsérer dans un montage plus complexe. L'utilisateur final n'a plus qu'à spécifier les paramètres correspondant aux données des constructeurs dans les champs. L'utilisateur final n'a plus qu'à spécifier les paramètres correspondant aux données des constructeurs dans les champs. Le fonctionnement du dispositif est testé par l'obtention d'un diagramme de l'œil. Le fonctionnement du dispositif est testé par l'obtention d'un diagramme de l'œil. Cet exemple illustre bien le niveau d'abstraction auquel on peut arriver. Cet exemple illustre bien le niveau d'abstraction auquel on peut arriver. Simulation globale VHDL-AMS du module SHAMAN

19 JNOG04, 26 octobre Conclusion et Remerciements Le projet RMNT « SHAMAN » a nécessité une synergie pluridisciplinaire entre les partenaires afin de développer une bibliothèque de modèles qui permettront de simuler des MOEMS en environnement multi-contraintes. Une partie du travail expérimental a été effectué à Supélec dans le cadre de la Plate-forme PRISME dOptics Valley avec le soutien des programmes ASTRE (Conseil Général de lEssonne) et SESAME (Région Ile de la France). Les auteurs remercient les autres partenaires du projet RMNT SHAMAN: IPSIS Cesson (Christine LeBrun et Morgane Marec) D- Lightsys Orsay (Mathias Pez), ENSAE Supaéro Toulouse (Angélique Rissons et Jean-Claude Mollier), PHASE CNRS Strasbourg (Yannick Hervé et Sébastien Snaidero), Mentor Graphics France (Jacques Oudinot) ainsi que M. Jean-Jacques Charlot de lENST.


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