Soutenance mémoire
Le 4 octobre 2005, l’Académie royale des sciences de Suède attribuait le Prix Nobel de physique à Roy J. Glauber, pour sa contribution à la théorie quantique de la cohérence optique, et conjointement à John L. Hall et à Theodor W. Hänsch pour leurs travaux sur la technique du peigne de fréquence optique. Or depuis 1967, la seconde est définie comme la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133. La comparaison directe des fréquences optiques à cet étalon pose alors d’importants problèmes, la première chaîne de fréquence reliant un laser HeNe visible à un oscillateur klystron Cs nécessita ainsi pas moins de huit étages de conversion de fréquence. Grâce à la génération de peigne optique basée sur le blocage en phase des modes d’un laser [1], il est devenu beaucoup plus simple de mesurer une fréquence optique. On dispose en effet, à partir d’un seul laser, d’un ensemble de fréquences optiques formant une règle graduée dont la longueur peut atteindre plusieurs THz, et la graduation une centaine de MHz. La mesure entre deux graduations peut alors se faire de manière électrique par détection du battement entre la fréquence à mesurer et la graduation la plus proche.
L’une des propriétés des peignes optiques est donc de garantir un intervalle égal entre chaque mode et par conséquent une distance fixe entre deux modes optiques pouvant être éloignés de plusieurs THz. Par conséquent, un peigne optique peut aussi servir de référence pour des signaux millimétriques. Cette rigidité d’intervalle entre deux fréquences optiques éloignées traduit en fait une corrélation très importante entre les bruits de fréquences des deux modes considérés. En transmettant le bruit de deux modes éloignés à deux lasers indépendants, on parviendrait à synchroniser le bruit de ses deux lasers, dont les battements généreraient alors une onde électrique continue, extrêmement stable, avec une fréquence pouvant dépasser le THz.
Système de communication sans fil large bande et radio-sur-fibre
La multiplication des téléphones cellulaires, des ordinateurs portables « WIFI » ainsi que des systèmes automobiles de positionnement (GPS) témoigne du développement à très grande échelle des communications sans fil. Le développement des formats multimédia de haute définition entraîne ainsi une demande accrue en bande passante, en efficacité spectrale (Bit/s/Hz) et en possibilité de multiplexage, dans le but d’accroître les capacités de transmission des systèmes. La translation des porteuses vers des fréquences plus élevées permet de répondre à la demande en bande passante, cependant elle est aussi synonyme de hausse des coûts technologiques, amplifiée par la réduction de la couverture et donc la nécessité de multiplier le nombre de stations de base.
Systèmes de communication sans fil large bande
Face à cette demande accrue en mobilité et en débit, de nouveaux systèmes de télécommunications sont actuellement en train de voir le jour. Ainsi le système M.B.S. (Mobile Broadband System, Système mobile large bande) est prévu pour étendre aux utilisateurs mobiles les fonctionnalités du réseau fixe B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network, Réseau numérique de services intégrés large bande). Le cahier des charges du MBS fixe un débit de 155 MBit/s sur des porteuses comprises entre 62 et 66 GHz donnant des diamètres de cellules de la centaine de mètres (figure 1.1). Le MBS a fait l’objet d’une première étude sur quatre années (1992-1996) dans le cadre du projet R.A.C.E. 2067 [2] (Research and development in Advanced Communication technologie for Europe, Recherche et developpement en technologie de communications avancée pour l’Europe). Les études sur le MBS se sont poursuivies dans le cadre des projets A.C.T.S. (Advanced Communications Technologies and Services,Services et technologies de communications avancés) :
– AC204 SAMBA (System for Advanced Mobile Broadband Applications, Système pour applications mobiles large-bande avancées) avec démonstration à 40 GHz et 34 MBit/s
– AC006 MEDIAN [3] (Wireless Broadband Customer Premises Network/Local Area Network for Professional and Residential Multimedia Applications, Réseau sans fil large bande local intrabâtiment pour applications multimédia professionnelles et résidentielles), concernant un réseau local basé sur une modulation multi-porteuse adaptatrice dans la bande 60 GHz avec un débit de 155 MBit/s et une compatibilité de connexion avec les systèmes de téléphonie mobile de troisième génération utilisant l’ATM (Asynchronous Transfer Mode Mode de transfert asynchrone)
– AC348 ACCORD [4] qui a pour objectif d’assurer la compatibilité des systèmes satellitaires, intrabâtiments et pico-cellulaires haut et bas débit pour l’implémentation global du MBS .
La solution radio-sur-fibre
La technologie « Radio sur Fibre » tente de répondre à la problématique de coût des systèmes picocellulaires en déplaçant la complexité technologique présente dans chacune des stations fixes locales vers la seule station centrale. Le lien entre les stations de base locales et la station centrale s’effectue alors par fibre optique. La station centrale se charge d’alimenter optiquement les stations locales en porteuses très hautes fréquences, éliminant alors la présence d’oscillateurs et de modulateurs micro-ondes dans chacune des cellules (figure 1.2). Outre cette simplification technologique des stations de base, un grand nombre d’autres avantages est apporté par la technologie « Radio sur Fibre » parmi lesquels, tout d’abord, une très faible atténuation dans la fibre (0.2 dB/km à 1500 nm sur fibre silice, à comparer au 1500 dB/km du câble coaxial à 25 GHz), une bande passante théorique de plusieurs THz couplée à la possibilité de multiplexage en longueurs d’ondes [9] [10], une immunité aux interférences électromagnétiques, un faible poids (0.07 g/m à comparer au 50 g/m du câble coaxial) ainsi qu’une flexibilité d’évolution et d’allocation dynamique grâce à un contrôle centralisé. Les applications potentielles de la technologie « Radio sur Fibre » couvrent les réseaux de téléphonie mobile, les réseaux satellitaires, la distribution vidéo, la communication automobile ainsi que l’échange de données informatiques. Dans le domaine des composants, le projet OPTIMM (Systèmes opto-millimétriques pour le prolongement optique des raccordements hertziens large bande à 60 GHz) [11] initié par le RNRT (Réseau national de recherche en télécommunications) s’est particulièrement penché sur les composants d’interfaces au sein de quatre sous projets :
– Génération optique du 55 GHz : Technologie basée sur un laser bi-mode double polarisation utilisant comme matériau actif un assemblage de verre dopé Er,Yb et un cristal de LiTa03 [12].
– Récepteur à 60 GHz : Fabrication d’une photo-diode de sensibilité 0.5 A/W pouvant fournir jusqu’à -7 dBm à 60 GHz ainsi que d’un photo-oscillateur à 55 GHz à super réseau contraint.
– Antennes actives 60 GHz et communications avec les mobiles : Technologie associant MMIC (circuits intégrés monolithiques micro-ondes) et antennes à réseaux linéaires ou plans avec diagramme de rayonnement directif [13].
– Intégration système et pilotage : Transmission radio de débit moyen descendant jusqu’à 20 MBit/s.
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Table des matières
Introduction générale
1 Système Radio-sur-Fibre et génération d’ondes millimétriques par battement optique
1.1 Système de communication sans fil large bande et radio-sur-fibre
1.1.1 Introduction
1.1.2 Systèmes de communication sans fil large bande
1.1.3 La solution radio-sur-fibre
1.2 Transmission d’une porteuse micro-onde sur fibre optique par modulation de l’intensité optique
1.2.1 Introduction
1.2.2 Modulation directe du laser
1.2.3 Modulation externe de l’onde optique
1.2.4 Pénalité induite par la dispersion chromatique
1.3 Génération et transmission d’une porteuse micro-onde sur fibre optique par battement optique
1.3.1 Utilisation de deux lasers indépendants
1.3.2 Utilisation d’un seul laser
1.3.3 Utilisation de deux lasers corrélés
1.4 Transmission de données utilisant la radio-sur-fibre et la génération hétérodyne
1.4.1 Principe général de communications
1.4.2 Standards de format de modulation et tolérance au bruit de phase
1.4.3 Résultats expérimentaux de transmissions de données à l’aide d’un système opto/micro-ondes hétérodyne
1.5 Conclusion
2 Rappels théoriques et mesures expérimentales sur les lasers DFB
2.1 Introduction
2.2 Équations statiques du laser DFB
2.2.1 Introduction
2.2.2 Équation des modes couplés
2.2.3 Équation caractéristique du mode spectral
2.2.4 Expression du mode longitudinal
2.2.5 Caractéristique du mode longitudinal
2.3 DFB : Caractéristiques expérimentales
2.3.1 Introduction
2.3.2 Détail de la structure du laser
2.3.3 Caractéristiques statiques
2.3.4 Caractéristiques spectrales
2.3.5 Caractéristiques dynamiques
2.4 Conclusion
3 Rappels sur les propriétés statistiques du champ et du bruit de phase optique
3.1 Introduction
3.2 Propriétés statistiques de la phase d’un mode laser
3.2.1 Propriétés statistiques générales
3.2.2 Marche aléatoire, processus de Wiener-Levy et équation de Langevin
3.2.3 Moments du premier et du second ordre
3.2.4 Autres expressions
3.2.5 Densité spectrale de puissance de la phase
3.3 Propriétés statistiques du champ laser monomode
3.3.1 Moment du premier ordre
3.3.2 Moments du second ordre
3.3.3 Moment d’ordre 4
3.4 Propriétés statistiques du photocourant
3.4.1 Remarque préliminaire
3.4.2 Statistique du photo-courant
3.4.3 Courant moyen
3.4.4 Moment du second ordre
3.4.5 Conclusion
3.5 Conclusion
4 Injection optique dans un laser à cavité complexe
Conclusion générale
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