Projet ANR-13-INFR-0011 – COM'TONIQ : COMmunications quasi-optiques ultra-haut débit à base de phoTONIQue
Programme : Infrastructures matérielles et logicielles pour la société numérique (INFRA)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Guillaume Ducournau (Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Université Lille 1)
Partenaires : Institut d'Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie; Institut de Physique de Rennes; Physique des Lasers, Atomes et Molécules; TEMATYS; THALES
Montant : 866356.0 euros
Durée : 42 mois
Résumé : Communications sans fils ultra rapidesLe projet COM'TONIQ vise à démontrer le premier système de transmission THz à base de photonique incluant un oscillateur photonique dédié.
Défis principauxLes point clés de COM'TONIQ sont: - d'arriver à produire un oscillateur photonique à base de lasers bi-fréquence état solide et lasers Brillouin très stables. - de fabriquer des photomélangeurs à base de photodiodes UTC puissantes. - d'arriver à faire fonctionner le lien de transmission dans un environnement extérieur.
Démarche mise en oeuvreLes lasers bi-fréquences sont d'abord testés en gamme micro-onde avant d'être testés en THz, les photodiodes UTC sont reportées sur des substrats afin d'améliorer la thermique des dispositifs.
Résumé de la soumission : Le but du projet COM’TONIQ est de réaliser un système de transmission sans fil, cohérent, dont la capacité serait au moins de 56 Gbps (2*28 Gbps), et ce à une fréquence porteuse de 280 GHz. La distance de transmission visée se situe dans la plage 100 m-1 km, en liaison de type point à point (P2P).L’architecture du système proposé dans COM’TONIQ utilisera l’association de l’état de l’art des lasers bi-fréquences (à l’état solide et lasers à fibre Brillouin) ainsi que des photo-mélangeurs THz à base de photo-diode à transport unipolaire (UTC-PD), et ce pour arriver à l’obtention des signaux porteurs très purs (?1 Hz) et de fréquence stable dans le temps. La maitrise de porteuses THz très stables permettra alors de réaliser les premières communications vectorielles au-delà de 200 GHz en utilisant les outils de la photonique. La fenêtre de transmission choisie permet quant à elle d’utiliser les zones où l’atmosphère reste relativement transparente sur les distances envisagées.COM’TONIQ propose la synergie entre la photonique, l’opto-électronique THz pour démontrer jusqu’à un niveau « système » un lien de transmission de données THz et cohérent, de débit ultime. Ainsi, les points clés de COM’TONIQ sont :- De réaliser la transmission en mode I/Q (vectorielle) en utilisant la génération de la porteuse avec des lasers ultra-stables,- D’aller jusqu’à la démonstration opérationnelle sur terrain (outdoor) du système envisagé, dépassant la démonstration « en laboratoire ».La raison d’être de COM’TONIQ est de montrer que les transmissions de données aux fréquences THz peuvent amener, si la détection est cohérente, à une sensibilité de récepteur très intéressante, permettant ainsi d’envisager plus sereinement le bilan total de la liaison pour indexer :- des transmissions sur des distances de l’ordre du km (point à point)- des transmissions de données en indoor quelques mètres à des très haut débits, de l’ordre des débits transportés dans les back-bone des réseaux (partie en fibre optique hors accès de type FTTH, fiber to the home).Enfin, les communications sans fils de façon plus générale arrivent à saturation au niveau des fréquences disponibles et de nouvelles fenêtres de transmissions doivent être trouvées.Le consortium de COM’TONIQ est constitué de 5 partenaires (IEMN, PhLAM, TRT, IPR et TEMATYS). COM’TONIQ rassemble les communautés des lasers, des composants opto-électroniques pour la génération THz, et des aspects systèmes et numériques pour la transmission. La cible de projet est applicative et de ce fait, les besoins des utilisateurs finaux, ainsi que les voies de développement/ transfert du système qui sera mis en place font partie intégrante du travail proposé :- COM’TONIQ propose de combiner les savoirs-faire des lasers à l’état-solide (TRT), lasers à fibre (PhLAM) et les moyens de les stabiliser (IPR) pour atteindre une source bi-fréquence de largeur de raie de 1 Hz et très stable (dérive long terme << 1 kHz). Cette source optique alimentera un photo-mélangeur (IEMN) à base de photodiode UTC (Uni Traveling Carrier) pour générer une porteuse ultra-stable. L’onde THz sera quant à elle modulée par les moyens de modulation à 1.55 µm déjà disponibles issus des réseaux de télécommunications à fibre.- COM’TONIQ développera un démonstrateur de transmission point à point pour des essais en environnement réel à l’extérieur, sur la base de l’expertise de l’IEMN en télécommunications.COM’TONIQ sera attentif aux utilisateurs finaux et à l’adéquation du système proposé par rapport  aux aspects technico-économiques et le gain apporté par rapport aux systèmes existants.Enfin, le projet est soutenu par un programme « Equipement d’Excellence » (EQUIPEX). Plus précisément, « l’élément 11 » de l’équipex « FLUX » est relatif à l’utilisation des ondes THz. Une lettre de soutien est disponible à la fin du projet.
Résultats : Les premières constellations QPSK en gamme THz (>300 GHz) ont été obtenues au sein du projet, jusque des débits au delà de 30 Gbit/s.
Perspectives : Réaliser l'intégration complète de l'oscillateur photonique et faire les tests à l'extérieur sur un environnement opérationnel. La démonstration d'un système de transmission en gamme THz utilisant des modulations vectorielles, dans un environnement extérieur d'un laboratoire sera considérée comme une réussite pour COM'TONIQ.
Publications et brevets : 1.	Cascaded Brillouin fibre lasers coupled to unitravelling carrier photodiodes for narrow linewidth terahertz generation DUCOURNAU G., BACQUET D., SZRIFTGISER P., PAVANELLO F., PEYTAVIT E., ZAKNOUNE M., BECK A., LAMPIN J.F. Electron. Lett., 50, 9 (2014), pp. 690-691.
2.	Multi-carrier transmission of vectorial modulation schemes using electronic transceivers at 588 GHz, G. Ducournau, P. Szriftgiser, D. Bacquet, M. Zaknoune, R. Kassi and J.-F. Lampin, Electron. Lett., 50, 23 (2014).
3.	THz Communications using Photonics and Electronic Devices: the Race to Data-Rate, Guillaume Ducournau, Pascal Szriftgiser, Fabio Pavanello, Emilien Peytavit, Mohammed Zaknoune, Denis Bacquet, Alexandre Beck, Tahsin Akalin, Jean-François Lampin, Jean-François Lampin, J. Infrared Milli Terahz Waves (2015) 36:198-220.
4.	32 Gbit/s QPSK transmission at 385 GHz using coherent fiber-optic technologies and THz double heterodyne detection Guillaume Ducournau, Klaus Engenhardt, Pascal Szriftgiser, Denis Bacquet, Mohammed Zaknoune, Rédha Kassi, Erwan Lecomte and Jean-François Lampin, Electron. Lett., 51, xx (2015), pp.xxx-xxx. To be published in May 2015.
5. M. Alouini, A. Rolland, L. Pouget, M. Brunel, M. Vallet, L. Frein, G. Loas, J.-F. Lampin, G. Ducournau, «Bridging the gap between THz and microwave photonics through optoelectronic generation of interleaved combs Invited paper,« Microwave Photonics (MWP) and the 2014 9th Asia-Pacific Microwave Photonics Conference (APMP), 2014i nternational Topical Meeting on , vol., no., pp.350,358, 20-23 Oct. 2014
6. Brillouin fiber laser for highly coherent THz wave generation: perspectives in free space ultra-high rate communications, G. Ducournau, P. Szriftgiser, A. Beck, D. Bacquet, F. Pavanello, E. Peytavit, M. Zaknoune, T. Akalin, and J-F Lampin, Workshop on TeraHertz, Lille University - Ghent University, Gand (Belgique) March 10 2015.