Simulation d'un modulateur de polarisation

Simulation d’un modulateur de polarisation

Introduction générale

Le monde des télécommunications a connu d’importantes évolutions depuis la mise au point du télégraphe (sur câble électrique) en 1837 par Samuel Morse et l’invention du téléphone en 1875 par Alexander Graham Bell. En effet, grâce à la théorie électromagnétique de James Clerk Maxwell qui prédit l’existence des ondes radio en 1864, Heinrich Hertz a prouvé expérimentalement l’existence de ces ondes en 1887. Par la suite Olivier James a établi une communication sans fil sur une distance de 140 mètres en 1894 et Guglielmo Marconi a effectué la première transmission transatlantique en 1901. Un grand pas a été effectué durant les deux derniers siècles avec le développement des systèmes de transmission sur câbles et sur ondes hertziennes mais la qualité et le débit d’une transmission sont restés toujours d’une grande importance. L’idée de servir de la lumière dans les communications remonte aux feux de bois utilisés par les Grecs et les Perses ainsi qu’aux torches enflammées utilisées par les Romains.

En 1958 et avec l’invention du laser, l’idée d’utiliser l’optique surgit de nouveau. Le laser est un générateur de lumière cohérente, stable, et monochromatique, pouvait remplir dans le domaine lumineux le même rôle que l’oscillateur radioélectrique dans le cas des ondes hertziennes. Les premières expériences de transmission étaient dans l’atmosphère qui s’est révélé un milieu de transmission dispersif et absorbant. L’idée de guider la lumière sans l’affaiblir a abouti aux fibres optiques. Au début, la recherche s’est concentrée sur le perfectionnement des fibres optiques dont l’atténuation est passée de 1000 dB/km en 1966 à 0.2 dB/km en 1979. Le siècle dernier a été marqué par le développement des technologies de communication (tel que la téléphonie mobile, la télévision HD et internet haut débit), qui ont augmenté le besoin de stockage et la capacité de transfert de l’information. Pour augmenter le flux de L’information, une solution pertinente consiste à utiliser les signaux optiques plutôt que les signaux électriques. Dans cette chaîne de transmission, il devient alors nécessaire d’utiliser des dispositifs de modulation optique à haut débit.

Modulation directe

La modulation directe consiste à faire varier le courant d’alimentation de la diode laser, seule source optique permettant une vitesse de modulation compatible avec les applications en télécommunications haut débit à longue distance et avec les systèmes hyperfréquences , pour obtenir une onde lumineuse modulée en intensité en sortie. Cette solution requiert peu de composants (figure I.1 ) et présente un faible coût de mise en œuvre. En plus de la source optique, seuls un générateur de courant et un circuit de commande (driver) sont nécessaires. Bien que simple, ce type de modulation n’est pas adapté aux applications exigeantes en termes de monochromaticité de la lumière.

En effet la modulation du courant d’alimentation d’une diode laser provoque en général une variation de la fréquence de la lumière accompagnant la modulation de son intensité. Ce phénomène, appelé « chirp » en termes anglo-saxons, est dû à la modification de l’indice de réfraction du milieu actif par la variation de la densité de porteurs injectés [I.2]. Le phénomène de chirp conjugué avec la dispersion chromatique de la fibre optique peut dégrader le signal optique en provoquant un élargissement temporel des impulsions .En outre la bande passante de la modulation directe est limitée par la fréquence de relaxation liée à la durée de vie des porteurs dans la diode laser .On peut l’améliorer en augmentant le courant de polarisation [I.3] .On trouve sur le marché des VCSEL à 850 nm mis en boitier et connectorisés à des fibres multi-modes dont la bande passante atteint une dizaine de GHZ[I.4] .Des laser DFB à puits quantiques à 1550nm optimisés et polarisés à 150m arrivent à des bandes passantes de 20GHZ[I.5]. Une bande passante de 30GHZ a été démontrée au laboratoire avec des lasers DFB à puits quantiques bi-électrodes

Modulateurs à base de matériaux inorganiques LiNbO3

Les modulateurs électro-optiques à base de LiNbO3 destinés aux télécommunications optiques datent des années 90. Grâce au coefficient électro-optique élevé du niobate de lithium (30,8 pm/V), ils présentent une tension de commande de quelque volts . Leurs pertes d’insertion optique peuvent être réduites à 2 ou 3 dB par composant, grâce à la bonne transparence du matériau et grâce aussi à une taille de guide assez proche de celle d’une fibre monomode en silice. Par contre, la bande passante des modulateurs à base de LiNbO3 est plafonnée à 40 GHz en raison de la différence des vitesses de phase entre ondes optique et électrique. En effet, la permittivité relative du LiNbO3 est égale à 28 alors que l’indice optique est seulement de 2,2. De plus, les composants en niobate de lithium souffrent des problèmes d’encombrement. En effet, les longueurs d’interaction du modulateur pourront être comprises entre 1 et 5 cm. [II.4]

Modulateurs à base de matériaux organiques Polymères

Pour franchir le plafond de bande passante de 40 GHz tout en maintenant la tension de commande à quelque volts, il faut trouver des matériaux avec un fort coefficient électro-optique, un indice de réfraction proche de la racine carrée de sa constante diélectrique effective et présentant de faibles pertes optiques et électriques. Grâce aux avancées de l’ingénierie chimique, des matériaux organiques polymères à effet électro-optique prometteurs ont vu le jour ; ces matériaux semblant pouvoir satisfaire le nombre des critères ci-dessus. En effet, à la différence des matériaux inorganiques et semi-conducteurs dont les propriétés physiques sont figées par leur structure cristalline, les polymères peuvent être constitués de chromophores dont les propriétés peuvent être façonnées et améliorées dans le sens souhaité [II.5]. Plusieurs équipes ont déjà démontré l’intérêt des polymères par rapport aux matériaux inorganiques et semi-conducteurs. Ainsi des modulateurs de bande passante supérieure à 100 GHz ont été réalisés à base de polymères. L’intérêt des matériaux polymères a aussi été mis en évidence à travers la réalisation d’une grande diversité de composants Optoélectronique et optohyperfréquence actifs tels que des commutateurs, des filtres et des modulateurs électro-optiques . En plus d’une bande passante plus importante, un autre avantage des matériaux polymères réside dans la facilité de leur mise en œuvre et dans la possibilité d’intégration des circuits de commande, contrairement au niobate de lithium qui nécessite d’avoir recours aux techniques de report de puces et d’interconnexions difficiles a réaliser[II.5].

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Table des matières

Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction générale
Chapitre I : Polarisation de la lumière –Modulation électro-optique I. Introduction
II. Types De Modulation
II.1 Modulation Directe
II.2 Modulation Externe
III. Polarisation de la lumière
III.1 Polarisation
III.2 Polarisation rectiligne
III.3 Action d’un polariseur rectiligne sur la lumière polarisée linéairement
IV. Propriétés optiques tensorielles
IV.1. Permittivité diélectrique
IV.2. Imperméabilité diélectrique
IV.3. Ellipsoïdes des indices
V. L’effet électro-optique
V.1. Tenseur électro-optique
V.2. Représentation matricielle des tenseurs
V.2.1. Symétries thermodynamiques
VI. L’effet pockels
VI.1. Les cristaux de KDP
VI.2. Les Coefficients électro-optiques
VI.3. Effet électro-optique longitudinale
VI .4.Effet électro-optique transversal
VII. Modulation électro- optique
VII.1. Modulation de polarisation
VII.2. Modulation d’intensité
I.VX. Conclusion
Chapitre II : Les modulateurs électro-optiques commercialisés
I. Introduction
II. La bande passante du modulateur
III. Le point de fonctionnement
IV. État de l’art des modulateurs commerciaux
IV.1. Modulateurs à base de semi-conducteurs
IV.2. Modulateurs à base de matériaux inorganiques LiNbO3
IV.3. Modulateurs à base de matériaux organiques Polymères
V. Les modulateurs électro-optiques commercialisés
V.1. Le modulateur électro-optique commercialisé THORLABS
V.1.1 Modulateur d’amplitude
V.1.2 Spécifications du modulateur d’amplitude
V.1.3 Modulateur de phase
V.1.4 Spécifications du modulateur de phase
V.2 Le modulateur électro-optique commercialisé FINISAR
V.2.1 Les caractéristiques principales
V.2.2 Les applications
V.2.3 Les conditions de fonctionnement
V.2.4 Les caractéristiques optiques et électriques
V.3. Le modulateur électro-optique commercialisé JENOPTIK
V.3. 1. Modulateur d’amplitude
V.3.2 Les caractéristiques techniques
V.3. 3. Modulateur de phase
V.3.4 Les caractéristiques techniques
V.4. le modulateur électro-optique commercialisé MEADOWLARK
V.4.1. les applications
V.4.2. Les caractéristiques techniques
V.5. Le modulateur électro-optique commercialisé CONOPTICS
V.5.1. Modulateur de phase
V.5.2. Caractéristiques
VI. Conclusion
Chapitre III : Simulation des modulateurs électro- optiques
I Introduction
II. Modulateur Électro-optique
III .Procédures De Travail
IV. Simulation
IV.1.Simulation d’un modulateur de polarisation
IV.1.1 Le déphasage en fonction de la tension électrique
IV.1.2 Le déphasage en fonction du temps
IV.2. Simulation d’un modulateur d’intensité
IV.2.1. Modulateur d’intensité à base de polariseurs croisés
IV.2.1.1 L’intensité en fonction de la tension électrique
IV.2.1.2 L’intensité en fonction du temps
IV.2. 2 Modulateur d’intensité à base de polariseurs parallèles
IV.2.2.1 L’intensité en fonction de la tension électrique
IV.2.2.2 L’intensité en fonction de temps
V. Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques