Soutenance mémoire
Du fait du développement des services de communication, désirant toujours davantage de débit, et aux progrès réalisés dans les transmissions par fibre optique, les télécommunications optiques constituent encore aujourd’hui un domaine scientifique, technique et économique important.
La fibre optique offre en théorie des bandes passantes de plusieurs centaines de gigahertz. Néanmoins, la quantité d’information transmise est limitée en partie par la technique de modulation. Pour des débits supérieurs à 10 Gbps, les émetteurs commerciaux utilisent aujourd’hui la modulation externe. Cette technique, moins sensible à la dispersion chromatique et offrant une plus grande pureté spectrale, est réalisée à partir d’une source laser continue et d’un modulateur optique et de son circuit de commande. C’est ce circuit qui est le cadre de notre travail d’étude.
Les transmissions numériques à très haut débit par fibre optique
Les transmissions par fibre optique
Historique
L’apparition des premiers systèmes de transmission optiques est l’aboutissement de nombreuses années de recherche de base pour obtenir, d’une part, des fibres présentant une atténuation compatible avec les exigences d’un réseau de télécommunications, d’autre part, des composants et dispositifs suffisamment fiables et performants. Les premières années de l’optique sont marquées par des évolutions importantes. Tout d’abord le passage de la fibre multimodale, utilisée dans les premières expérimentations, à la fibre monomodale, qui pose des problèmes plus difficiles, en matière de connectique. La fibre multimodale garde néanmoins toute sa pertinence dans les applications autres que le transport. Ensuite le passage de la fenêtre des 800 nm à celle des 1300 nm, puis des 1550 nm, présentant l’atténuation minimale, qui est la norme aujourd’hui en matière de réseaux de transport.
La notion de réseau de transport faisant exclusivement appel à la fibre optique apparaît au début des années 1990. Les progrès techniques rapides permettent d’envisager des systèmes optiques qui surpassent nettement en capacité, comme en qualité de transmission, le support concurrent que demeure la radio. Un élément déterminant dans la promotion de l’optique a, en effet, été aussi l’introduction de la norme Sonet (Synchronous Optical NETtworks) qui donnera naissance, en dehors des Etats-Unis, à la hiérarchie numérique synchrone ou SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Cette nouvelle organisation de l’information, qui se substitue à la norme PDH, utilisant comme débit de base 155 Mbps, offre des possibilités tout à fait nouvelles en termes de surveillance des différents éléments de réseau et de contrôle de qualité ; elle est certes compatible avec tout support de transmission, mais a été historiquement développée, comme l’indique son nom, pour l’optique.
On pouvait penser que ce réseau, qui offrait des capacités jamais atteintes auparavant, était appelé à demeurer inchangé. Mais l’apparition de l’amplification optique et du multiplexage en longueur d’onde, avec corrélativement la possibilité de multiplier par des facteurs considérables la capacité potentielle d’une fibre, a conduit à de profondes transformations des techniques de transmission et de l’architecture du réseau, et nous faire entrer dans une phase d’évolution qui se poursuit aujourd’hui.
Evolution des services
L’introduction de réseau permettant de transporter aussi bien la voix, les données et que n’importe quoi, tout en offrant les services associés comme l’ISDN (pour Integrated Services Digital Network), suivi par l’ADSL (pour Asymmetrical Digital Subscriber Line qui est une variante de la famille de techniques xDSL, qui permettent de disposer de débits de plusieurs Mbps sur la paire filaire) où l’on reçoit beaucoup plus d’informations qu’on ne peut en envoyer, idéal pour consommer de l’Internet à la maison, a permis d’augmenter les vitesses de transmission. Aujourd’hui la vitesse est de 8 Mbps. L’introduction possible de la fibre chez l’abonné (Fiber To The Home) [3] permettrait l’accroissement de cette vitesse. En 2030, il est attendu que la vitesse de transmission soit plusieurs centaines de fois supérieures qu’aujourd’hui ( source Optoelectronic Industry and Technology Development Association).
La croissance de la bande passante va entraîner l’essor de nouveaux composants avec de nouvelles fonctions. Le développement de modules et de systèmes pour les télécommunications optiques est lié aux déploiements des services (particuliers, entreprises). Or l’évolution des services et des applications/technologies associées peut avoir un certain retard. La mise en place des services et des applications est en principe rapide mais l’augmentation des débits se fait plutôt sur le moyen terme. Quant à l’infrastructure, elle, se fait sur le très long terme et les services et les applications en dépendent à leur tour.
Synoptique classique d’une transmission par fibre optique
Généralement un système de transmission numérique à très haut débit par fibre optique consiste en un émetteur électrique-optique et un récepteur optique-électrique, avec entre la fibre optique (et si nécessaire des répéteurs). Selon la longueur totale du système de transmission, différents types peuvent être spécifiés.
Emission
Des trains de codes, qui sont le résultat de multiplexages préalables avec notamment des codes correcteur d’erreurs, sont multiplexés, puis transformés en information optique par modulation externe de la puissance lumineuse d’un laser qui émet en continu. Le circuit de commande du modulateur (ou driver) doit donc travailler directement au débit de la transmission. Cet ensemble, driver – modulateur, conditionne en grande partie la qualité de l’émission dans une telle transmission. C’est pour cette raison que les modules électrooptiques d’extrémité font l’objet d’une étude approfondie depuis une dizaine d’années car leurs performances sont pour beaucoup dans les potentialités des transmissions par fibre optique. Les circuits de commande sont, pour des codages de type NRZ ou RZ , des circuits très large bande et de moyenne puissance pour fournir la tension nécessaire à la commutation des modulateurs optiques .
Réception
A la réception, les contraintes électroniques sont assez différentes. Vu que le signal a été atténué et bruité lors de sa transmission par fibre optique, les performances en sensibilité et en bruit du module de réception sont donc déterminantes. La transformation optique – électrique est réalisée par une photodiode, dont le courant est transcrit en tension par un amplificateur transimpédance [8]. Les modules de photoréception sont donc faible bruit et très linéaires. A la fin de la chaîne de transmission, l’information est ensuite remise en forme, démultiplexée avec l’appui du récupérateur d’horloge et décodée.
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Table des matières
Introduction
I. Les transmissions numériques à très haut débit par fibre optique
I.1 Introduction
I.2 Les transmissions par fibre optique
I.2.1 Historique
I.2.2 Evolution des services
I.2.3 Synoptique classique d’une transmission par fibre optique
I.3 Les fibres optiques
I.3.1 Dispersion chromatique
I.3.2 Dispersion des modes de polarisation
I.3.3 Effets non-linéaires provoqués par l’effet Kerr
I.3.4 Différents types de fibre optique
I.4 Les systèmes de transmission par fibre optique
I.4.1 La hiérarchie numérique dans les réseaux optiques
I.4.2 Les techniques de multiplexage
I.4.3 Les codages numériques dans les transmissions par fibre optique
I.4.4 Les codes correcteurs d’erreurs
I.4.5 Qualification d’une transmission par fibre optique
I.5 Les modulateurs optiques externes : Caractéristiques et contraintes sur les circuits de commande de modulateurs optiques
I.5.1 La modulation directe
I.5.2 Les modulateurs optiques externes
I.5.3 Caractéristiques et contraintes sur les circuits de commande de modulateurs optiques
I.6 Conclusion
I.7 Bibliographie
II. Circuits et technologies pour les télécommunications optiques
II.1 Introduction
II.2 Principes généraux du HEMT GaAs
II.2.1 Les transistors micro-ondes à effet de champ
II.2.2 Présentation du HEMT GaAs et de son fonctionnement
II.2.3 Le PHEMT GaAs
II.2.4 Caractéristiques électriques
II.3 Les autres filières technologiques potentielles
II.3.1 Les transistors bipolaires à hétérojonctions sur silicium de germanium
II.3.2 Les transistors bipolaires et à effet de champ à hétérojonction sur phosphure d’indium (HBT et HEMT sur InP)
II.3.3 La filière GaAs métamorphique
II.4 La technologie PL15-10 LN de WIN Semiconductors
II.4.1 La technologie PHEMT de WIN Semiconductors
II.4.2 Caractéristiques typiques de la technologie PL15-10 LN
II.4.3 Procédé de la technologie PL15-10 LN
II.5 Architectures
II.5.1 Source commune (ou montage inverseur)
II.5.2 Amplificateur à contre-réaction
II.5.3 Amplificateur différentiel
II.5.4 Amplificateur distribué
II.6 Conclusion
II.7 Bibliographie
III. Les amplificateurs distribués
III.1 Introduction
III.2 Etude de l’amplificateur distribué à transistor à effet de champ
III.2.1 Principe de fonctionnement
III.2.2 Etude des lignes de grille et de drain
III.2.3 Etude du gain des amplificateurs distribués
III.2.4 Le facteur de bruit des amplificateurs distribués
III.2.5 Limites de l’étude analytique
III.3 Différentes configurations d’amplificateur distribué
III.3.1 Amplificateur distribué avec cellules amplificatrices en montage cascode
III.3.2 Amplificateur distribué avec capacité additionnelle
III.3.3 Différents types de sections de lignes d’entrée et de sortie, et de terminaisons des amplificateurs distribués
III.3.4 Compensation de pertes de la ligne de drain et risque d’instabilité
III.3.5 Problèmes de fiabilité dus à la terminaison de grille et à la capacité Cgs
III.4 Conception d’un amplificateur distribué
III.4.1 Choix de conception
III.4.2 Résultats expérimentaux
III.5 Circuit de commande de modulateurs optiques
III.5.1 Mise en boîtier
III.5.2 Résultats expérimentaux
III.6 Conclusion
III.7 Bibliographie
IV. Les charges actives pour amplificateurs distribués
IV.1 Introduction
IV.2 Polarisation des amplificateurs distribués par charges actives
IV.2.1 Charge active classique CA
IV.2.2 Inconvénients de la charge active CA
IV.2.3 Remplacement du court-circuit selfique des charges actives par une résistance
IV.2.4 Résultats expérimentaux
IV.3 Charge active CAG
IV.3.1 Principe
IV.3.2 Calcul de l’admittance de la charge active CAG
IV.3.3 Influence de la résistance RCAG
IV.3.4 Circuits de compensation
IV.3.5 Influences des non-linéarités de la charge active CAG
IV.3.6 Résultats expérimentaux
IV.4 Conclusion
IV.5 Bibliographie
V. Té de polarisation actif pour amplificateurs distribués
V.1 Introduction
V.2 Principe du té de polarisation actif
V.3 Etude de la ligne de drain d’un amplificateur distribué avec té de polarisation actif. Influences de la position des sources de courant du té de polarisation
V.3.1 Sources de courant au niveau des étages amplificateurs
V.3.2 Sources de courant intercalées entre les étages amplificateurs
V.3.3 Sources de courant entre les étages amplificateurs et la terminaison de la ligne de drain
V.4 Différents types de source de courant du té de polarisation actif
V.4.1 Transistor avec grille – source court-circuitées par une résistance
V.4.2 Cascade de transistors avec grille – source court-circuitées par une résistance
V.5 Conception d’un amplificateur distribué avec té de polarisation actif
V.5.1 Conception
V.5.2 Résultats expérimentaux d’un amplificateur distribué avec té de polarisation actif
V.6 Conception d’une ligne de polarisation active
V.6.1 Principe
V.6.2 Résultats expérimentaux
V.7 Conclusion
V.8 Bibliographie
Conclusion
