Simulation d’un modulateur de polarisation
Introduction gรฉnรฉrale
ย Le monde des tรฉlรฉcommunications a connu dโimportantes รฉvolutions depuis la mise au point du tรฉlรฉgraphe (sur cรขble รฉlectrique) en 1837 par Samuel Morse et lโinvention du tรฉlรฉphone en 1875 par Alexander Graham Bell. En effet, grรขce ร la thรฉorie รฉlectromagnรฉtique de James Clerk Maxwell qui prรฉdit lโexistence des ondes radio en 1864, Heinrich Hertz a prouvรฉ expรฉrimentalement lโexistence de ces ondes en 1887. Par la suite Olivier James a รฉtabli une communication sans fil sur une distance de 140 mรจtres en 1894 et Guglielmo Marconi a effectuรฉ la premiรจre transmission transatlantique en 1901. Un grand pas a รฉtรฉ effectuรฉ durant les deux derniers siรจcles avec le dรฉveloppement des systรจmes de transmission sur cรขbles et sur ondes hertziennes mais la qualitรฉ et le dรฉbit dโune transmission sont restรฉs toujours dโune grande importance. Lโidรฉe de servir de la lumiรจre dans les communications remonte aux feux de bois utilisรฉs par les Grecs et les Perses ainsi quโaux torches enflammรฉes utilisรฉes par les Romains.
ย ย En 1958 et avec lโinvention du laser, lโidรฉe dโutiliser lโoptique surgit de nouveau. Le laser est un gรฉnรฉrateur de lumiรจre cohรฉrente, stable, et monochromatique, pouvait remplir dans le domaine lumineux le mรชme rรดle que lโoscillateur radioรฉlectrique dans le cas des ondes hertziennes. Les premiรจres expรฉriences de transmission รฉtaient dans lโatmosphรจre qui sโest rรฉvรฉlรฉ un milieu de transmission dispersif et absorbant. Lโidรฉe de guider la lumiรจre sans lโaffaiblir a abouti aux fibres optiques. Au dรฉbut, la recherche sโest concentrรฉe sur le perfectionnement des fibres optiques dont lโattรฉnuation est passรฉe de 1000 dB/km en 1966 ร 0.2 dB/km en 1979. Le siรจcle dernier a รฉtรฉ marquรฉ par le dรฉveloppement des technologies de communication (tel que la tรฉlรฉphonie mobile, la tรฉlรฉvision HD et internet haut dรฉbit), qui ont augmentรฉ le besoin de stockage et la capacitรฉ de transfert de l’information. Pour augmenter le flux de Lโinformation, une solution pertinente consiste ร utiliser les signaux optiques plutรดt que les signaux รฉlectriques. Dans cette chaรฎne de transmission, il devient alors nรฉcessaire d’utiliser des dispositifs de modulation optique ร haut dรฉbit.
Modulation directe
ย La modulation directe consiste ร faire varier le courant dโalimentation de la diode laser, seule source optique permettant une vitesse de modulation compatible avec les applications en tรฉlรฉcommunications haut dรฉbit ร longue distance et avec les systรจmes hyperfrรฉquences , pour obtenir une onde lumineuse modulรฉe en intensitรฉ en sortie. Cette solution requiert peu de composants (figure I.1 ) et prรฉsente un faible coรปt de mise en ลuvre. En plus de la source optique, seuls un gรฉnรฉrateur de courant et un circuit de commande (driver) sont nรฉcessaires. Bien que simple, ce type de modulation n’est pas adaptรฉ aux applications exigeantes en termes de monochromaticitรฉ de la lumiรจre.
ย En effet la modulation du courant dโalimentation dโune diode laser provoque en gรฉnรฉral une variation de la frรฉquence de la lumiรจre accompagnant la modulation de son intensitรฉ. Ce phรฉnomรจne, appelรฉ ยซ chirp ยป en termes anglo-saxons, est dรป ร la modification de lโindice de rรฉfraction du milieu actif par la variation de la densitรฉ de porteurs injectรฉs [I.2]. Le phรฉnomรจne de chirp conjuguรฉ avec la dispersion chromatique de la fibre optique peut dรฉgrader le signal optique en provoquant un รฉlargissement temporel des impulsions .En outre la bande passante de la modulation directe est limitรฉe par la frรฉquence de relaxation liรฉe ร la durรฉe de vie des porteurs dans la diode laser .On peut lโamรฉliorer en augmentant le courant de polarisation [I.3] .On trouve sur le marchรฉ des VCSEL ร 850 nm mis en boitier et connectorisรฉs ร des fibres multi-modes dont la bande passante atteint une dizaine de GHZ[I.4] .Des laser DFB ร puits quantiques ร 1550nm optimisรฉs et polarisรฉs ร 150m arrivent ร des bandes passantes de 20GHZ[I.5]. Une bande passante de 30GHZ a รฉtรฉ dรฉmontrรฉe au laboratoire avec des lasers DFB ร puits quantiques bi-รฉlectrodes
Modulateurs ร base de matรฉriaux inorganiques LiNbO3
ย Les modulateurs รฉlectro-optiques ร base de LiNbO3 destinรฉs aux tรฉlรฉcommunications optiques datent des annรฉes 90. Grรขce au coefficient รฉlectro-optique รฉlevรฉ du niobate de lithium (30,8 pm/V), ils prรฉsentent une tension de commande de quelque volts . Leurs pertes dโinsertion optique peuvent รชtre rรฉduites ร 2 ou 3 dB par composant, grรขce ร la bonne transparence du matรฉriau et grรขce aussi ร une taille de guide assez proche de celle dโune fibre monomode en silice. Par contre, la bande passante des modulateurs ร base de LiNbO3 est plafonnรฉe ร 40 GHz en raison de la diffรฉrence des vitesses de phase entre ondes optique et รฉlectrique. En effet, la permittivitรฉ relative du LiNbO3 est รฉgale ร 28 alors que lโindice optique est seulement de 2,2. De plus, les composants en niobate de lithium souffrent des problรจmes dโencombrement. En effet, les longueurs dโinteraction du modulateur pourront รชtre comprises entre 1 et 5 cm. [II.4]
Modulateurs ร base de matรฉriaux organiques Polymรจres
ย Pour franchir le plafond de bande passante de 40 GHz tout en maintenant la tension de commande ร quelque volts, il faut trouver des matรฉriaux avec un fort coefficient รฉlectro-optique, un indice de rรฉfraction proche de la racine carrรฉe de sa constante diรฉlectrique effective et prรฉsentant de faibles pertes optiques et รฉlectriques. Grรขce aux avancรฉes de lโingรฉnierie chimique, des matรฉriaux organiques polymรจres ร effet รฉlectro-optique prometteurs ont vu le jour ; ces matรฉriaux semblant pouvoir satisfaire le nombre des critรจres ci-dessus. En effet, ร la diffรฉrence des matรฉriaux inorganiques et semi-conducteurs dont les propriรฉtรฉs physiques sont figรฉes par leur structure cristalline, les polymรจres peuvent รชtre constituรฉs de chromophores dont les propriรฉtรฉs peuvent รชtre faรงonnรฉes et amรฉliorรฉes dans le sens souhaitรฉ [II.5]. Plusieurs รฉquipes ont dรฉjร dรฉmontrรฉ lโintรฉrรชt des polymรจres par rapport aux matรฉriaux inorganiques et semi-conducteurs. Ainsi des modulateurs de bande passante supรฉrieure ร 100 GHz ont รฉtรฉ rรฉalisรฉs ร base de polymรจres. Lโintรฉrรชt des matรฉriaux polymรจres a aussi รฉtรฉ mis en รฉvidence ร travers la rรฉalisation dโune grande diversitรฉ de composants Optoรฉlectronique et optohyperfrรฉquence actifs tels que des commutateurs, des filtres et des modulateurs รฉlectro-optiques . En plus dโune bande passante plus importante, un autre avantage des matรฉriaux polymรจres rรฉside dans la facilitรฉ de leur mise en ลuvre et dans la possibilitรฉ dโintรฉgration des circuits de commande, contrairement au niobate de lithium qui nรฉcessite dโavoir recours aux techniques de report de puces et dโinterconnexions difficiles a rรฉaliser[II.5].
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Table des matiรจres
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction gรฉnรฉrale
Chapitre I : Polarisation de la lumiรจre โModulation รฉlectro-optique I. Introduction
II. Types De Modulation
II.1 Modulation Directe
II.2 Modulation Externe
III. Polarisation de la lumiรจre
III.1 Polarisation
III.2 Polarisation rectiligne
III.3 Action dโun polariseur rectiligne sur la lumiรจre polarisรฉe linรฉairement
IV. Propriรฉtรฉs optiques tensorielles
IV.1. Permittivitรฉ diรฉlectrique
IV.2. Impermรฉabilitรฉ diรฉlectrique
IV.3. Ellipsoรฏdes des indices
V. Lโeffet รฉlectro-optique
V.1. Tenseur รฉlectro-optique
V.2. Reprรฉsentation matricielle des tenseurs
V.2.1. Symรฉtries thermodynamiques
VI. Lโeffet pockels
VI.1. Les cristaux de KDP
VI.2. Les Coefficients รฉlectro-optiques
VI.3. Effet รฉlectro-optique longitudinale
VI .4.Effet รฉlectro-optique transversal
VII. Modulation รฉlectro- optique
VII.1. Modulation de polarisation
VII.2. Modulation dโintensitรฉ
I.VX. Conclusion
Chapitre II : Les modulateurs รฉlectro-optiques commercialisรฉs
I. Introduction
II. La bande passante du modulateur
III. Le point de fonctionnement
IV. รtat de l’art des modulateurs commerciaux
IV.1. Modulateurs ร base de semi-conducteurs
IV.2. Modulateurs ร base de matรฉriaux inorganiques LiNbO3
IV.3. Modulateurs ร base de matรฉriaux organiques Polymรจres
V. Les modulateurs รฉlectro-optiques commercialisรฉs
V.1. Le modulateur รฉlectro-optique commercialisรฉ THORLABS
V.1.1 Modulateur dโamplitude
V.1.2 Spรฉcifications du modulateur dโamplitude
V.1.3 Modulateur de phase
V.1.4 Spรฉcifications du modulateur de phase
V.2 Le modulateur รฉlectro-optique commercialisรฉ FINISAR
V.2.1 Les caractรฉristiques principales
V.2.2 Les applications
V.2.3 Les conditions de fonctionnement
V.2.4 Les caractรฉristiques optiques et รฉlectriques
V.3. Le modulateur รฉlectro-optique commercialisรฉ JENOPTIK
V.3. 1. Modulateur dโamplitude
V.3.2 Les caractรฉristiques techniques
V.3. 3. Modulateur de phase
V.3.4 Les caractรฉristiques techniques
V.4. le modulateur รฉlectro-optique commercialisรฉ MEADOWLARK
V.4.1. les applications
V.4.2. Les caractรฉristiques techniques
V.5. Le modulateur รฉlectro-optique commercialisรฉ CONOPTICS
V.5.1. Modulateur de phase
V.5.2. Caractรฉristiques
VI. Conclusion
Chapitre III : Simulation des modulateurs รฉlectro- optiques
I Introduction
II. Modulateur รlectro-optique
III .Procรฉdures De Travail
IV. Simulation
IV.1.Simulation d’un modulateur de polarisation
IV.1.1 Le dรฉphasage en fonction de la tension รฉlectrique
IV.1.2 Le dรฉphasage en fonction du temps
IV.2. Simulation d’un modulateur d’intensitรฉ
IV.2.1. Modulateur dโintensitรฉ ร base de polariseurs croisรฉs
IV.2.1.1 Lโintensitรฉ en fonction de la tension รฉlectrique
IV.2.1.2 Lโintensitรฉ en fonction du temps
IV.2. 2 Modulateur dโintensitรฉ ร base de polariseurs parallรจles
IV.2.2.1 Lโintensitรฉ en fonction de la tension รฉlectrique
IV.2.2.2 Lโintensitรฉ en fonction de temps
V. Conclusion
Conclusion gรฉnรฉrale
Rรฉfรฉrences bibliographiques
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