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Le thème Modélisation des Dispositif et de Systèmes est structuré en

4 axes de recherche complémentaires :

Axe 1 - Modélisation électromagnétique

Axe 2 - Théorie de lignes

Axe 3 - Théorie des signaux et des systèmes

Axe 4 - Interface optiques/micro-ondes

Axe 1 - Modélisation électromagnétique

contacts : Michel NEY, Sandrick LE MAGUER, François LE PENNEC, Gabrielle LANDRAC,

Contexte :

Cette activité s'inscrit principalement autour de l'élaboration et le développement de nouvelles procédures numériques pour aider à la conception de nouveaux dispositifs. Depuis quelques années, nous faisons faces à plusieurs tendances dans l'évolution des dispositifs en télécommunications

- La montée en fréquence due, d'une part, à la congestion du spectre micro-ondes et l'augmentation des débits d'information, d'autre part.

- L'augmentation de la compacité des systèmes.

Ces deux tendances agissent toutes dans le même sens: elles augmentent les interactions entre les éléments d'un dispositif ce qui nécessite une modélisation globale tenant compte des tous les phénomènes (rayonnement, couplage d'ordres supérieurs, "packaging"). Ceux-ci ne peuvent être inclus dans un modèle qu'en se basant sur les équations dynamiques des champs. Le LEST a concentré ses efforts de recherche dans ce domaine sur des méthodes numériques pour la résolution des équations de Maxwell qui soient complémentaires. En effet, il est bien établi dans la communauté des électromagnéticiens qu'aucune méthode universelle, efficace et donnant des résultats fiables, existe pour toute application. Sur cette constatation, le LEST a décidé d'axer ses recherches dans ce thème sur trois approches différentes mais complémentaires. Cette politique permet d'élargir sa compétence en modélisations sur une très large gamme d'applications qui s'étend sur tout le spectre des hyperfréquences (300 MHz-300 GHz) jusqu'aux fréquences optiques

Perspectives :

L'équipe a acquis une reconnaissance nationale et internationale dans certains domaines, notamment dans les innovations sur la TLM. De plus, l'acquisition de logiciels commerciaux les plus performants a permis au LEST de se donner un savoir-faire dans le domaine de la modélisation électromagnétique. Il connaît ainsi les limites des modèles ce qui lui permet d'affiner encore plus les approches développées par l'équipe. Les travaux théoriques sont toujours effectués avec en vue les applications et développements envisagés dans les autres thèmes du LEST.

Exemple d'interfaçage fil de thermocompression+trou métallisé utilisant la méthode des éléments finis de volume

Les perspectives pour l'équipe modélisation les objectifs sont de donner au LEST le support en termes de modélisation rigoureuse des dispositifs. Pour atteindre cet objectif, plusieurs actions sont envisagées dans le moyen terme:

Le développement de la TLM pour la modélisation globale des dispositifs:

- Maillage par blocs et/ou conforme
- Insertion d'éléments localisés ou distribués (linéaires ou non)
- Prise en compte des singularités (rubans conducteurs)
- Insertion d'éléments petits par rapport à la taille des cellules (fines couches diélectriques)
- Techniques de segmentation (diakoptique)
- Techniques de réduction de temps de calcul (parallélisation, méthodes de prédiction, SS-TLM)

Le développement de la BEM pour la modélisation globale des dispositifs:

- Domaines complets
- Insertion d'éléments localisés ou distribués (approche temporelle pour éléments non-linéaires)
- Structures de révolution hétérogène (fonctions de base plus précises)

Le développement de méthodes hybrides:

- GTD avec la TLM
- GTD avec les méthodes intégrales

Une fois ces objectifs atteints, le LEST sera doté d'une grande variété d'outils des plus fiables qui sont les supports nécessaires pour l'aide à la conception et l'optimisation de dispositifs. L'ultime objectif de l'équipe est la simulation de systèmes complets (co-simulation) dont chaque brique est simulée de la plus rigoureuse façon.

Axe 2 - Théorie des lignes

contacts : André PERENNEC, Pierre Marie MARTIN, Thierry LE GOUGUEC, J.F FAVENNEC

Contexte :

En parallèle avec l'analyse électromagnétique globale, de nombreux dispositifs actifs et passifs peuvent être conçu avec l'approche " circuit " tant que l'on est assuré que l'implantation physique du circuit correspondant assurera un fonctionnement en mode quasi TEM. C'est dans cette optique de complémentarité que nous avons développé depuis plusieurs années des logiciels spécifiques pour la conception de circuits actifs, puis passifs. L'intérêt évidemment est une complexité nettement plus réduite.

I - Conception de circuits actifs par la méthode des fréquences réelles

Concernant les dispositifs actifs, nous avons étendu et appliqué la méthode des fréquences réelles à la conception des amplificateurs micro-ondes très large bande, amplificateurs faible bruit et transimpédance, des filtres actifs et des circuits de commande laser petit et grand signaux en modulation directe.

II - Conception de circuits passifs utilisant des lignes non uniformes

Les besoins actuels et futurs étant surtout présents dans le domaine millimétrique, il nous a paru indispensable tenir compte dès le départ, des exigences liées à ce domaine de fréquences. En effet, les méthodes de synthèse aboutissant toujours à des éléments idéaux (localisés ou distribués), il faut ensuite tenir compte des différents éléments parasites liés à leur implantation (microruban et coplanaire principalement). Concernant les éléments distribués, un des problèmes est la modélisation des discontinuités entre les différentes largeurs de lignes, surtout en technologie coplanaire. De plus, pour des sauts d'impédance importants, indispensables pour obtenir de bonnes performances en filtrage par exemple, des pertes par rayonnement difficilement quantifiables sont à craindre, surtout en ondes millimétriques.

Une solution pour contourner ce type de problème est d'utiliser des lignes de transmission non uniformes (LTNU). Après plusieurs approches, nous avons mis au point une méthode originale d'analyse de LTNU de forme arbitraire. Basée sur l'utilisation des " cubiques splines " (interpolation cubique), elle permet leur analyse et optimisation globale en vue de réaliser une fonction particulière. Le filtrage a été la première application ; passe-bas, puis passe-bande.

Perspectives :

Le formalisme pour l'analyse des LTNU est simple et peu gourmand en temps de calcul. Ce type de structure se retrouve sous le vocable de BIP (Bande Interdite Photonique) dans la littérature et correspondant au cas à une dimension. A noter simplement que la périodicité peut être affectée au ruban chaud ou au plan de masse.

Les applications envisagées sont la compression d'impulsions associée à la compensation de dispersion. L'avantage du formalisme que nous avons développé est de pouvoir optimiser la forme du TPG (Temps de Propagation de Groupe) pour qu'elle suive un gabarit établi à partir de la connaissance de la loi de dispersion.

Par ailleurs, les lignes de transmission étant présents dans de nombreux dispositifs hyperfréquences et optroniques, les lignes non uniformes pourront être amenées à remplacer les lignes "classiques". Pour cela, nous entreprenons actuellement , à l'aide de logiciels d'analyse électromagnétique, de quantifier les pertes par rayonnement en fonction principalement de la forme des lignes et de la fréquence.

III - Dispositifs à semi-conducteurs

contact : R.A. PERICHON

L'activité de recherche a consisté à développer une application du brevet déposé en juin 1996 sur un amplificateur passe tout. Un diviseur deux voies en quadrature a été réalisé. Il utilise deux amplificateurs passe tout dont on a connecté les deux entrées. Le décalage des phases entre les deux voies permet d'obtenir la quadrature entre les deux signaux de sortie et la commande en tension continue du gain des deux voies permet de régler indépendamment l'amplitude des signaux de sortie. On obtient ainsi deux vecteurs en quadrature dont l'amplitude est variable.

La réalisation est faite à l'aide de la technologie MMIC ED07AH de Philips Microwave accessible par le canal de CMP Grenoble. Le dessin du masque du circuit MMIC est présenté ci dessous :

En sommant ces deux vecteurs, avec des poids en amplitude appropriés, on réalise un générateur d'amplitude constante dont la phase est continûment variable entre 0° et 90°. L'intérêt de ce circuit est qu'il est possible de conserver l'amplitude et la quadrature sur une très large bande de fréquence avec une excellente adaptation sur les trois portes d'accès. La bande de fréquence peut être largement supérieure à la décade. Une maquette en technologie hybride de ce générateur vectoriel 0° - 90°, ou encore déphaseur 0° - 90°, a été réalisée en associant le précédent circuit MMIC et un combineur deux voies de Wilkinson.

Axe 3 - Théorie des Signaux et des Systèmes

contacts : Léon Claude CALVEZ, Pierre VILBE, Pascal BREHONNET, Noël TANGUY

Contexte :

L'activité principale de l'équipe est dédiée à l'approximation des signaux, la modélisation, la simplification des fonctions de transfert et la réduction de complexité en vue notamment de faciliter les simulations et parfois les réalisations pratiques. Dans cette direction de recherche, nous avons acquis une expertise certaine en ce qui concerne la réduction de l'ordre des systèmes linéaires. Les techniques que nous avons mises au point conduisent à des modèles respectant les principales caractéristiques des systèmes étudiés.

Dans le domaine de l'approximation des signaux sur une base de fonctions orthogonales, nous avons proposé une technique robuste et simple pour le choix du facteur d'échelle qui permet, en général, pour un coût donné, d'améliorer de manière très significative la qualité de l'approximation. Toujours au chapitre des signaux, nous avons donné une nouvelle interprétation de la technique POF (Pencil-of-Functions) d'identification, nouvelle interprétation qui justifie pleinement son application à des problèmes d'approximation et de réduction d'ordre. Quant à la modélisation du retard pur, une approximation remarquable d'ordre 200 a pu être obtenue grâce à une technique originale.

D'autres travaux de recherche portent sur l'étude des fonctions orthogonales et de leurs applications dans les domaines du traitement du signal. Plus particulièrement, nous nous intéressons aux fonctions de Laguerre et plus récemment à celles Kautz, appliquées à la modélisation de signaux et de systèmes complexes, au filtrage adaptatif pour l'identification de systèmes, l'égalisation et pour l'annulation d'écho des systèmes de télécommunication. Comme le montre la littérature scientifique, les applications possibles de ces outils sont diverses et variées, notamment dans le domaine des télécommunications.

Perspectives :

Modélisation des interconnections sur puces (projet inter-thème MDS/IMDH)

A l'horizon 2010, les technologies de fabrication des circuits intégrés permettront sans aucun doute de créer des systèmes complets intégrés sur une même puce (system on chip) d'une complexité de plusieurs centaines de millions de transistors. Si l'interconnexion de ces cellules élémentaires (IP Re-Use) pour réaliser des systèmes sur puce performants pose bien évidemment encore de nombreux problèmes technologiques, liés à la réduction spectaculaire des dimensions, il est cependant impératif de travailler sur de nouvelles méthodes de conception de ces circuits.

La complexité de ces connexions obligera les concepteurs à utiliser des modèles très sophistiqués. Ils devront par exemple tenir compte, dans la simulation et l'extraction des composants parasites, de la diversité des matériaux diélectriques utilisés dans l'assemblage du circuit. Dans ce contexte, il est impératif d'étudier la question de la distribution des courants par les lignes d'alimentation ainsi que par les lignes d'horloge. Il s'agit d'étudier les problèmes de génération de bruit par diaphonie, couplages avec le substrat, d'émission électromagnétique perturbatrice, de chutes de tension (longues lignes), de contrôle de tension de seuil, etc. La mauvaise simulation des interconnexions peut entraîner des problèmes de dysfonctionnements liés aux phénomènes cités précédemment, ou des problèmes de vitesse liés à la sous-estimation des charges capacitives des lignes.

Nous nous sommes fixés pour objectif de développer un outil d'aide à la représentation des lignes de transmission, décrites par des transformées de Laplace irrationnelles (donc d'ordre infini). Les méthodes performantes décrites précédemment seront mises en œuvre, mais nécessitent d'être adaptées aux signaux générés au sein de ces interconnexions afin d'optimiser leur simulation.

Les phases suivantes (non exhaustives) feront appels conjointement à des simulations électromagnétiques et aux modélisations/réduction d'ordre :

- calcul du couplage électrique et magnétique de plusieurs lignes fortement couplées

- prise en compte de l'interaction entre deux couches successives

- comparaison entre différents matériaux conducteurs et diélectriques

- obtention de la réponse d'une ligne dans l'environnement complet avec un générateur grand signal et une terminaison non linéaire

- modélisation de cette réponse avec un ordre minimal

Un des objectifs sera l'obtention de lois empiriques entre d'une part, la nature des matériaux et la géométrie relative des lignes dans un environnement 3D et d'autres parts, les réponses obtenues. Ceci devra permettre de définir des règles de conception destinées aux concepteurs de circuits intégrés numériques, afin de minimiser les effets parasites de nature diverse. L'intégrité des signaux transmis devra être alors assurée pour des vitesses d'horloge de plusieurs ordres de grandeur supérieures à celles actuelles.

Axe 4 - Interface Photonique/Micro-ondes

contacts :Denis LE BERRE, Didier HERVE, André PERENNEC

Contexte :

Les besoins en débits de plus en plus importants donnent un avantage indiscutable aux systèmes de transmission par fibres optiques compte tenu de leurs faibles pertes et leur très large bande passante. Leur capacité n'est pas encore exploitée au maximum malgré le développement des techniques de multiplexage en longueur d'onde (WDM : Wavelength Division Multiplexing) et l'augmentation des débits par porteuse. Les circuits d'émission et de réception optoélectroniques sont par conséquent des éléments clés pour les futurs systèmes 40 Gbit/s et au delà. C'est dans ce cadre que nous avons développé nos travaux sur la conception de circuits optoélectroniques et sur des dispositifs originaux associés au WDM. La voie des systèmes hybride fibre-radio (HFR) pour la boucle locale est également explorée et en particulier la génération de signaux à bande latérale unique (BLU) qui permet de lutter efficacement contre les effets de la dispersion chromatique de la fibre optique.

I - Filtres de Bragg dynamiques pour les systèmes utilisant le multiplexage dense en longueur d'onde et pour les dispositifs de photonique micro-onde

La faisabilité des filtres de Bragg dynamiques dans le phosphure d'indium dopé au fer (InP:Fe) a été démontré au laboratoire en 1994 à la longueur d'onde 1,55 µm. Dès lors, plusieurs études ont été menées afin de réaliser des dispositifs innovants dans le domaine des télécommunications par fibres optiques. Le premier est un analyseur de spectre optique compact à haute résolution sans mouvement mécanique qui a fait l'objet d'un brevet en 1995 et d'un contrat France Télécom R&D en 1996. Ses applications sont principalement la supervision des systèmes DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Parallèlement à ces études concernant des cristaux massifs, un filtre photoréfractif a été réalisé dans un guide d'onde InP:Fe/InGaAsP:Fe/InP:Fe. Plus récemment, un autre dispositif utilisant également un filtre photoréfractif a été étudié pour le contrôle des fréquences de modulation des systèmes mixtes fibre optique / radio. Ce domaine est particulièrement intéressant pour les opérateurs qui recherche une grande flexibilité dans le déploiement des réseaux résidentiels ou professionnels d'accès sans fil pour les services multimédia.

Principe du filtre à accès par fibres optiques

A- Analyseur de spectre pour systèmes DWDM

Ce dispositif associé à une diode laser accordable a permis de développer un analyseur de spectre opérant sans déplacement mécanique. La plupart des analyseurs de spectre commerciaux proposent des plages d'analyse très importantes, en général de 400 nm à 1800 nm. Or, dans le domaine du multiplexage en longueur d'onde pour les télécommunications, les besoins en analyse spectrale sont bien souvent limités à quelques dizaines de nanomètres autour de la longueur d'onde 1,55 µm.

Ce nouvel analyseur ne nécessite aucun déplacement mécanique, le balayage en longueur d'onde est assuré par le laser de commande dont les caractéristiques sont mémorisées par un micro-ordinateur. Lorsqu'un signal est détecté, la longueur d'onde du signal est immédiatement déduite d'après la relation de Bragg du filtre. La résolution de cet analyseur correspond à la bande passante du filtre soit 0,015 nm. Cette résolution est tout à fait comparable, voire meilleure, que celle de la plupart des appareils existants (généralement 0,1 à 0,05 nm).

B - Source optique modulée à bande latérale unique (BLU)

Les techniques hybrides fibre optique / radio (HFR) devraient permettre à terme de faire face aux différents problèmes, et notamment à l'augmentation des débits, rencontrés dans les réseaux d'accès radio, la téléphonie mobile et les communications indoor. En effet, en raison de leur grand nombre, il est important de simplifier au maximum les stations de base de ces différents réseaux. Les systèmes HFR retiennent l'attention car ils permettraient de centraliser la complexité des systèmes tout en autorisant une couverture très dense par un nombre important de cellules faibles coûts.

Un dispositif original de contrôle direct par voie optique du spectre radiofréquence devrait permettre de stabiliser l'oscillateur de référence du réseau d'accès. Les premières expérimentations par filtrage photoréfractif ont démontré la faisabilité d'un tel dispositif à la fréquence de modulation de 25 GHz ce qui a abouti à un dépôt de brevet international.

Par ailleurs, une nouvelle application très originale des filtres photoréfractifs a été récemment démontrée puisqu'une source à bande latérale unique (BLU) a été développée et testée dans une configuration système. Ce type de source permet de s'affranchir des effets de la dispersion qui engendre des évanouissements périodiques

Le filtre optique utilisé permet d'obtenir une source BLU par double diffraction de Bragg dans un cristal d'InP:Fe identique à celui utilisé précédemment dans l'analyseur de spectre. La principale originalité réside dans l'inscription simultanée de plusieurs réseaux de Bragg par le signal lui-même et les conditions de Bragg sont alors telles que seulement deux raies du spectre optiques sur les trois sont diffractées. Ainsi un signal à double bandes latérales (en sortie de tout modulateur externe classique) donne directement un signal BLU quelle que soit la longueur d'onde centrale dans toute la plage 1,55 µm. Cette propriété exceptionnelle nous permet de qualifier ce nouveau dispositif de filtre BLU auto-accordable en longueur d'onde (BLU-AALO).

Ainsi un signal numérique à 140 Mbit/s a été transmis via une liaison optique suivie d'un bond radio sur porteuse à 16 GHz avec une station de base se limitant à un photorécepteur et une antenne (diminution de la complexité de l'architecture).

Liaison fibre-radio à 140 Mbit/s sur porteuse à 16 GHz insensible à la dispersion chromatique grâce à une source BLU obtenu par filtrage auto-accordable.

Un nouvel axe de recherche concerne les techniques BLU large bande pour les systèmes numériques à 10 Gbit/s et 40 Gbit/s. Il s'agit d'étudier un filtre doublement accordable (fréquence centrale et bande passante).

II - Conception de dispositifs optoélectroniques

A - Circuits de commande LASER

Au niveau des circuits d'émission, on distingue deux techniques de modulation, celle directe du courant de la diode laser (modulation interne) et la modulation externe (modulateur de type Mach-Zehnder ou à électroabsorption : modulation externe).

Nous avons développé au LEST un premier logiciel pour la conception de circuits de commande LASER pour des des applications de déports d'antennes. Le type de modulation était interne en régime petit signal.

Dans un deuxième temps, un second logiciel a été développé pour concevoir des circuits de commande LASER en régime grand signal, permettant d'améliorer le rendement des circuits de commande laser pour les transmissions numériques à très haut débit en bande de base (codage NRZ). La méthode d'analyse a été développée dans le domaine temporel, compte tenu des caractéristiques fortement non linéaires de la diode laser en régime grand signal. L'originalité de la conception a été d'insérer un circuit d'adaptation (ou de prédistorsion) constitué de plusieurs lignes de transmission, entre le dernier transistor et la diode laser afin d'obtenir un diagramme de l'oeil le plus ouvert possible. Une augmentation significative du débit a été ainsi obtenue.

B - Modélisation d'une chaîne complète de transmission sur fibre optique

Pour la transmission d'informations à très haut débit sur de grandes distances, les débits sont actuellement de 10 Gbit/s au niveau industriel et de 40 Gbit/s dans les laboratoires. Le 80 Gbit/s puis le 160 Gbit/s sont envisagés pour les années à venir. A de tels débits apparaissent des problèmes d'interactions entre dispositifs associés et il est nécessaire de les prendre en compte dès la conception.

But de l'étude

Deux caractéristiques essentielles apparaissent : la complexité et la diversité des dispositifs constitutifs. Un des buts de la modélisation de ces systèmes sera d'évaluer de manière qualitative et quantitative, l'influence d'une caractéristique d'un élément de la chaîne sur les performances de l'ensemble. Par exemple, quelle dégradation sur le diagramme de l'œil est provoquée par le niveau d'ondulation du gain de l'étage d'amplification en réception. On pourra ainsi dégager des relations empiriques entre caractéristiques et performances.

Par ailleurs, ce sera une aide pour le choix des dispositifs à associer ; en effet il apparaît dans la littérature à l'heure actuelle que différentes topologies et technologies apparaissent équivalentes en terme de performances. Par contre et surtout dans un contexte industriel, le critère de coût sera essentiel.

Mise en œuvre
La modélisation globale en utilise les fonctionnalités du logiciel ADS (Advanced Design System). Elle doitêtre la plus conviviale possible et pour cela utiliser au maximum les notions de hiérarchie, modularité, couches successives et de boîtes noires. Une attention particulière est apportée au niveau de la première couche pour la saisie des modèles ou des mesures. Le " packaging " et tous les phénomènes parasites associés devront pouvoir être pris en compte.

Applications
- La première application est celle de la chaîne complète décrite ci-dessus. La transmission étant en bande de base, les circuits associés sont alors très large bande.

- Une deuxième application envisagée est celle d'une station de base dans le cadre d'une transmission optique-radio (boucle locale). Dans ce cas, les dispositifs analogiques sont relativement bande étroite et l'architecture peut être celle de la figure suivante :

Exemple d'architecture de station de base pour la boucle locale