Qualification de l’ASE pour les mesures de bruit dephase à 10KHz de la porteuse

Oscillateur opto-microonde (OOM)

C’est un système développé depuis 1995 par YAO et MALEKI basé sur une architecture proposée par MEYER et VOGES en 1963.
Cette technologie utilise une diode laser de type DFB (Distributed Feedback) Le signal délivré par la diode est injecté dans un modulateur d’intensité, dont la sortie est connectée à une fibre optique qui joue le rôle d’une ligne à retard. Le faisceau optique est ensuite détecté par un photodétecteur, filtré, puis amplifié. Ce système permet de générer des signaux stables électriques et optiques jusque dans le domaine millimétrique avec un bruit de phase inférieur à -140dBc à 10KHz de la porteuse.

LE VBO(VCSEL Based Oscillator)

Le VBO reprend dans l’ensemble la configuration de l’OOM. La source laser DFB étant remplacée par une diode laser de type VCSEL, émettant à 850nm, 1.3µm ou 1.55µm, modulée directement. Le signal émis traverse ensuite une ligne à retard constituée ici d’une boucle de fibre optique monomode. La puissance lumineuse est ensuite détectée par une photodiode qui va transposer le signal dans le domaine des microondes. Ce signal est ensuite filtré par un filtre passe bande à 2.493 GHz, puis amplifié à l’aide d’un amplificateur microonde.

Le VBO

Analyse fonctionnelle du VBO

La démarche adoptée ici est de caractériser autant que possible, chaque élément de l’oscillateur. Dans un premier temps, on présentera les éléments avec une approche théorique, puis technologique, ce qui nous permettra de situer le matériel dont nous disposons par rapport à l’existant. On pourra ainsi déterminer, suivant les performances obtenues, quels types d’améliorations apporter.
Le VBO étudié ici, repose sur le principe de la modulation directe de l’énergie électromagnétique issue de la source lumineuse, une diode laser à cavité verticale émettant dans le proche infrarouge (1.3 µm et 1.55µm). Ce rayonnement traverse une ligne à retard, ici un tronçon de fibre optique. Le signal lumineux est ensuite converti en signal électrique par le photo détecteur qui joue le rôle d’un détecteur d’enveloppe. Ce dernier produira un signal dans le domaine des hyperfréquences.
Une fois filtré à 2.49 GHz, fréquence centrale du filtre passe bande qui suit le photodétecteur, le signal sera amplifié et superposé au courant de polarisation continu du VCSEL par l’intermédiaire d’un té de polarisation.
Nous allons voir les caractéristiques des différents étages de l’oscillateur afin de mieux comprendre son fonctionnement. Nous nous attarderons en particulier sur la source lumineuse en caractérisant son comportement statique dans le chapitre suivant.

La source laser :LE VCSEL

L’introduction du VCSEL dans l’oscillateur constitue la principale innovation de ce type d’architecture. En conséquence après un bref rappel sur les lasers, nous allons détailler ici les principales caractéristiques de ce composant.
Le laser (Light Amplifier by Stimulated Emission ofRadiation) est une source de rayonnement mettant en œuvre dans un milieu matériel un phénomène d’amplification de lumière par émission stimulée.
Un laser est composé d’une cavité résonante dans laquelle la lumière peut effectuer des allers-retours. Cette cavité contient un milieu actif rendu amplificateur par une source d’énergie externe appelée dispositif de pompage. Le milieu actif devient amplificateur si l’on y réalise une inversion de population, condition nécessaire à la réalisation de l’émission stimulée.
Le laser émet alors une ou plusieurs ondes lumineuses appelées modes, sélectionnées par la longueur et la forme géométrique de la cavité. Cette sélection s’effectue à la fois sur la longueur d’onde (modes longitudinaux) et sur la forme d’onde (mode transverses).
Les lasers se composent de trois éléments de base :
– la cavité,
– le milieu actif,
– le dispositif d’injection ou de pompage.
Les lasers à semi-conducteurs ou diodes laser
L’effet laser semi-conducteur a été mis en évidence en 1962 par des équipes américaines. Sa mise en œuvre découle de l’observation d’amplification de lumière par émission stimulée dans des jonctions PN traversées par un fort courant. En insérant dans ce milieu une cavité optique Fabry-Pérot on a multiplié l’amplification de lumière créant ainsi le premier oscillateur laser à semi conducteurs.

Laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL)

La particularité des VCSELs est qu’ils émettent parla surface verticalement, c’està-dire perpendiculairement au plan des couches, contrairement aux diodes lasers à cavité Fabry-Pérot ou aux DFB dans lesquels la lumière se propage parallèlement au plan de jonction. La cavité optique est formée par deux miroirs parallèles au substrat.
Dans la conception des VCSELs, les miroirs de Braggou DBR (Distributed Bragg Reflectors) jouent un rôle crucial puisqu’ils ont deux fonctions : la première implique la circulation des électrons jusqu’à la zone active et la seconde réside dans la réflectivité afin que l’onde optique puisseosciller dans la cavité. A cause du faible volume de la zone active dans la cavité, la réflectivité des DBRs se doit d’être très élevée et dépasse généralement les 99%. Les DBRs sont pour cela formés d’alternance de couches dont l’indice de réfraction varie périodiquement, une couche de fort indice suivie d’une couche à faible indice. L’épaisseur de chaque couche correspond au quart de la longueur d’onde de fonctionnement. Selon les matériaux utilisés, le nombre de couches nécessaires variera.

Caractéristiques spectrales

Pour chaque cavité résonnante, seules les ondes retrouvant leur phase après un aller-retour sont susceptibles d’être amplifiées, elles constitueront les modes longitudinaux des cavités Fabry-Pérot et des VCSEL.Ces longueurs d’onde vont former un peigne. On nomme intervalle spectral libre ISL, l’intervalle entre deux modes successifs.
Au seuil laser, seuls les modes dans la bande de gain pourront osciller. On remarque dans le VCSEL que ∆λétant du même ordre que la largeur de la bande de gain, ce laser est monofréquence ou monomode longitudinal.

Le Filtrage

La réalisation de filtres dans le domaine des hyperfréquences diffère de celle aux basses fréquences par le fait que l’on utilise ici des éléments à paramètres distribués. On trouvera ainsi différentes technologies pour le filtrage, On peut citer :
– les filtres à lignes couplées
– les filtres à cavité
– les filtres à résonateur diélectrique
Le filtre utilisé ici est un filtre à cavité.
Une cavité électromagnétique est un volume vide ou rempli de diélectrique limité par des murs de type électrique (interface avec un conducteur pour une cavité métallique) ou de type magnétique (interface avec un diélectrique à haute permittivité pour un résonateur diélectrique. Elle réalise dans un espace où il y a propagation d’une onde guidée, des conditions de réflexion telles que l’excitation va se retrouver en phase avec elle même.
Dans une cavité il y a trois directions perpendiculaires entre elles propices à des réflexions. Il s’agira, question pratique, de prendre la plus grande et d’ajuster la dimension correspondante à un multiple de λ/4 pour qu’il y ait résonance.
Ces cavités propagent le mode TEM qui est le mode naturel des ondes en propagation libre. On utilise surtout la cavité λ/4 qui est réglable sur une grande plage de fréquences et moins sensible en température que la cavité λ/2.
Pour améliorer la bande passante du filtre tout enayant une coupure plus nette, on utilise plusieurs cavités séparées par des lignes λ/4. On ajoute deux transformateurs d’impédance pour adapter le système en entrée et en sortie. On pourra régler la fréquence à l’aide d’un piston mobile à l’intérieur de chaque cavité.

Ligne de retard

Les modes d’oscillation générés par le VBO sont fonction du retard total dans la boucle. Ce retard dépend essentiellement de La fibre optique. La ligne à retard fixe la fréquence d’oscillation par le passage par zéro de la phase de boucle.
La ligne à retard joue ici le rôle le résonateur. La pente de caractéristique phase fréquence est équivalente à un coefficient de qualité élevé.
Il est possible d’atteindre des retards très importants, d’une dizaine à plusieurs dizaines de microsecondes (quelques kilomètres de fibre).
On calcule le coefficient de qualité équivalent d’une telle ligne, en se basant sur la pente phase-fréquence. Les équations ci-dessous donnent cette pente en fonction du retard τpour une ligne à retard (hyperfréquence ou optique) et du coefficient de qualité en charge Q pour un résonateur.

La fibre optique

La fibre optique est un guide d’onde diélectrique circulaire constitué d’un cœur de silice dopée d’indice de réfraction n1 entouré d’une gaine de silice d’indice de réfraction n 2. La propagation du rayonnement lumineux se fait suivant des modes de propagation. Le guidage est assuré grâce à la différence d’indice de réfraction des matériaux composants le cœur et la gaine. Les rayons sont guidés par réflexion totale à l’interface cœur-gaine. Dans lesfibres à saut d’indice, l’indice du cœur est constant, tandis que dans les fibres à gradient d’indice, il varie.
Il existe plusieurs types de fibres. Les fibres multimodes ont des dimensions de cœur de l’ordre de 50 à 100 microns pour la fibre à gradient d’indice et 200 microns pour la fibre à saut d’indice. La gaine quand à elle mesurera de 125 à 400 microns suivants les cas.

Mesures préliminaires

Un des objectifs de ce projet est d’évaluer les performances de la nouvelle génération de VCSEL dont nous disposons. Ceci passeentre autre par la mesure de bruit d’intensité relatif (RIN). Ce bruit s’avère être l’un des principaux facteurs contribuant au bruit de phase du VBO.
La mesure du RIN n’a pas, jusqu’à présent, fait l’objet d’une norme et il s’avère problématique de déterminer précisément les conditions expérimentales dans lesquelles les résultats antérieurs ont été obtenus.
Or, dans le cadre de ce type d’étude, où la mesure de phénomènes tels que le bruit constitue une part prépondérante du travail, il me paraît important de prêter une attention toute particulière aux méthodes mises en œuvre.
J’ai donc choisi de m’attarder sur le fonctionnement de l’Analyseur de Spectre Electrique, afin d’identifier les paramètres qui peuvent influer sur le résultat de la mesure. Je pourrai donc proposer une procédure de mesurage précise et documentée. Cette démarche s’inscrit dans le cadre de l’aspect traçabilité.

Mesures à l’analyseur de spectre électrique

Analyseur de spectre électrique

Il existe 2 sortes d’analyseurs de spectre électrique (ASE), L’ASE à balayage (swept-tuned) et l’ASE FFT( Fast FourierTransform). L’ASE FFT échantillonne le signal, en calcule la transformée de Fourier et l’affiche, c’est comme s’il entrait la totalité du spectre en utilisant des filtres en parallèle. Avec son système d’acquisition en temps réel l’ASE FFT est capable de visualiser des évènements transitoires. Il offre aussi des améliorations en termes de vitesse et peut mesurer la phase aussi bien que l’amplitude. Cet analyseur est utilisé pour les signaux basses fréquences.
Contrairement à l’ASE FFT, dans l’ASE à balayage, le spectre du signal d’entrée est déterminé dans le domaine fréquentiel.

Connaissances de base sur l’ASE à balayage

L’ASE à balayage est principalement composé : d’un atténuateur, d’un mélangeur, d’un amplificateur FI, d’un filtre FI, d’un détecteur, d’un filtre vidéo, d’un oscillateur local, d’un générateur de balayage et d’un écran d’affichage.
A l’entrée de l’ASE le signal traverse un atténuateur qui est utilisé pour régler le niveau de signal incident sur le premier mélangeur.Il permet d’éviter les effets de compression de gain et de distorsion. Il évite la saturation de l’étage d’entrée et prévient donc d’éventuels dommages. Le signal est ensuite mélangé au signal de l’oscillateur local. En raison de la non-linéarité du mélangeur on trouvera des fréquences en sortie qui n’étaient pas présentes enentrée, en particulier le signal différence f-f0 appelé fréquence intermédiaire (FI). Le signal estensuite filtré par le filtre FI afin d’isoler la fréquence intermédiaire. On a donc transposé le signal d’entrée de fréquence élevée dans le domaine des fréquences radio (quelques MHz). C’est leprincipe d’hétérodynage. L’enveloppe du signal est ensuite détectée, numérisée, puis filtrée par le filtre vidéo, filtre passe bas nommé ainsi pour son actionde lissage du signal à afficher.
Un composant clé d’un ASE est son Oscillateur de référence. L’oscillateur de référence à 10MHz, ici, est un OCXO (Oven ControledCrystal Oscillator) qui est un composant piézo-électrique contrôlé en température.
C’est lui qui génère le signal de référence qui sera ensuite distribué aux oscillateurs locaux par l’intermédiaire de boucles à verrouillage de phase. Dans Mesures préliminaires ces PLL, un générateur de balayage accorde l’oscillateur local pour le faire changer de fréquence en fonction d’une rampe de tension.
Les ASE modernes utilisent des écrans à cristaux liquides pour l’affichage. En conséquence, le niveau et la fréquence de résolution sont limités par le nombre de pixels.

Caractérisation statique de la diode laser

Caractéristique puissance/courant

On définit cette caractéristique du laser en donnant la puissance optique émise en fonction de l’intensité du courant traversant la diode. Ces mesures sont réalisées à l’aide d’un radiomètre ANRITSU ML9002A.

Courant de seuil et puissance optique

Les résultats expérimentaux donnent des valeurs de courant de seuil aux alentours de 2 ma en accord avec les données constructeur et une puissance optique maximale d’environ 1mW.
Le courant de seuil correspond au moment où l’émission stimulée devient prépondérante par rapport à l’émission spontanée. L’évolution de la puissance optique en fonction du courant de polarisation est donnée par la relation.

Mesure de RIN haute fréquence

Le VCSEL est polarisé à l’aide d’un courant continu. Il émet une puissance lumineuse proportionnelle à ce courant selon les équations d’évolution du VCSEL.
Le VCSEL utilisé est un VCSEL fibré dit « pigtailisé ». Il comporte une longueur de fibre optique entre sa sortie et le connecteur de type FC/PC. Ce type de connecteur, du fait de sa géométrie, crée des réflexions parasites. Pour s’affranchir de ce phénomène, on utilise un isolateur optique ainsi qu’une connectique de type APC.
La puissance lumineuse reçue par le photodétecteur va être transformée en courant par la photodiode puis en tension via l’amplificateur tansimpédance. Le photodétecteur à une bande passante de l’ordre de la dizaine de Gigahertz, il jouera ici le rôle d’un détecteur d’enveloppe car la fréquence d’oscillation de l’onde issue du laser est d’environ 194 Térahertz. On dispose d’un signal continu bruité en sortie du photodétecteur. On va en éliminer la composante continue à l’aide d’un DC Block. Il ne restera plus que le bruit en entrée de l’ASE.

Protocole expérimental

On devra s’assurer, afin de garantir une bonne répétabilité des mesures, de respecter les recommandations suivantes :
– vérification des caractéristiques électriques desappareils (tension d’alimentation)
– autocalibrage des appareils, temps de préchauffage
– contrôle, vérification et nettoyage de la connectique RF
– couples de serrage de la connectique
– vérification et nettoyage des composants fibrés
– protection ESD (Electrical Static Discharge)
Nous sommes ici en train de mesurer un bruit, phénomène stochastique et de faible amplitude. Nous devrons donc optimiser l’utilisation des appareils de mesures afin d’obtenir les résultats les plus précis possible.

Exploitation des résultats

Les premiers résultats montrent des courbes d’allures suspectes. En effet, nous constatons de fortes variations périodiques d’amplitude et cela même en présence d’un isolateur optique. Après différentes manipulations, il est apparu que l’utilisation d’une connectique optique PC (Physical Connector) n’était pas adéquate. Nous avons par conséquent utilisé de la connectique APC (Angle Physical Connector). De plus, comme on peut le constater sur le tableau 2-V, des réglages non conformes de l’ASE ont invalidé la mesure. Nous pouvons voir à la figure 2-31 les résultats obtenus en utilisant les paramètres suivants sur l’ASE.

Mode opératoire

Principe de la mesure 

On mesurera, dans un premier temps, la puissance « Psetup » qui correspond au bruit généré par le montage. Puis on effectuera lesmesures pour les différents courants de polarisation de la diode laser. Le principe est de balayer le spectre pour chaque courant de polarisation. L’alimentationfaible bruit ILX ne possédant pas d’interface de communication, il est demandé à l’utilisateur, au moyen d’une boîte de dialogue, dans un premier temps de réaliser la mesure du bruit du montage. Après quoi, il lui est demandé de polariser le VCSEL, pour chaque courant de polarisation choisi.

Table des matières
1 Présentation du domaine d’étude
1.1 Généralités sur les oscillateurs
1.1.1 Définition
1.1.2 Domaines d’application
1.2 Les oscillateurs hyperfréquences
1.2.1 Pureté spectrale
1.2.2 Stabilité fréquentielle
1.2.3 Différentes architectures pour la génération optique de signaux hyperfréquences
1.2.4 Oscillateur opto-microonde (OOM)
1.2.5 LE VBO(VCSEL Based Oscillator)
2 Le VBO
2.1 Analyse fonctionnelle du VBO
2.1.1 La source laser :LE VCSEL
2.1.2 Le photodétecteur
2.1.3 Le Filtrage
2.1.4 L’amplificateur
2.1.5 ligne de retard
2.1.6 Bruit dans l’oscillateur
2.2 Mesures préliminaires
2.2.1 Mesures à l’analyseur de spectre électrique
2.2.2 Analyseur de spectre optique
2.2.3 Caractérisation statique de la diode laser
2.2.4 Mesure de RIN haute fréquence
2.2.5 Réalisation d’une interface de mesure de RIN HF
2.2.6 Mesure du RIN BF
2.3 Caractérisation dynamique des composants
2.3.1 Les paramètres de dispersion (paramètres S)
2.3.2 Mesures à l’analyseur de réseau
2.3.3 Mesures des paramètres S
3 Mesures Sur le VBO
3.1 Mesure du bruit de phase
3.1.1 Méthodes de mesure
3.1.2 Qualification de l’ASE pour les mesures de bruit dephase à 10KHz de la porteuse
3.1.3 Expression du bruit de phase du VBO
3.1.4 Mesure de bruit de phase sur le VBO
3.1.5 Mesure de la dérive du bruit de phase en fonction de la température du VCSEL
3.1.6 Relation entre RIN HF et bruit de phase
3.2 Influence de la température sur la fréquence d’oscillation
3.2.1 Dérive en fréquence due à la température du VCSEL
3.2.2 Dérive en fréquence due à la variation température de la fibre
3.3 Mesure de la dégradation du signal par l’étage RF
4 Résultats et discussion 
5 Conclusion
6 Annexes
7 Bibliographie

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