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Théorie générale des liaisons optiques
Comme tous les systèmes de communications, les liaisons optiques analogiques se basent sur trois différents blocs fondamentaux pour effectuer le transfert de l’information: l’élément de transmission, le canal de communication et le récepteur de l’information transportée. La particularité de ce système provient des éléments utilisés pour effectuer le transport de l’information. Dans notre cas, il s’agit de transmettre un signal RF ou micro-onde à très haute pureté spectrale. L’élément de transmission est constitué d’un dispositif (la diode laser) qui permet de convertir un signal sinusoïdal électrique en un signal optique. Le canal de transmission (la fibre optique) permet de transporter une porteuse optique modulée qui contient l’information à transmettre. Enfin, le récepteur (le photodétecteur) récupère le signal électrique véhiculé en opérant une conversion optique/électrique.
Les éléments constitutifs des liaisons optiques analogiques
L’émetteur: la diode laser à semi-conducteur
Les mécanismes physiques
Dans les systèmes de communications optiques, la source optique la plus utilisée est sans aucun doute la diode laser à semi-conducteur. Nous pouvons définir la diode laser (de l’anglais, « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation») comme un dispositif à semi-conducteur qui génère de la lumière cohérente à travers le processus de l’émission stimulée. La diode laser se base sur trois processus fondamentaux pour effectuer la génération de la lumière.
L’état excité reste quand même instable et l’électron revient rapidement à l’état d’équilibre en provoquant l’émission d’un photon d’énergie hν12. Ce phénomène se réalise sans aucune stimulation externe et est appelé émission spontanée. Ce type d’émission est isotropique et les photons émis ne sont absolument pas en phase les uns avec les autres. Les électrons peuvent aussi effectuer la transition d’un état énergétique supérieur à l’état d’équilibre avec une stimulation externe. En effet si un photon d’énergie hν12 est incident lorsqu’un électron se trouve dans l’état excité, celui-ci descend à l’état d’équilibre avec l’émission d’un photon d’énergie hν12. Les photons émis de cette façon sont en phase avec le photon incident : ce type d’émission est appelée émission stimulée. Les semi-conducteurs sont classés en deux catégories sur la base des diagrammes de l’énergie cinétique en fonction du vecteur d’onde k de l’électron qui correspond, en mécanique quantique, à la quantité de mouvement. La première catégorie est celle des semi conducteurs pour lesquels le sommet de la bande de valence correspond à la même valeur du vecteur d’onde k que le bas de la bande de conduction : ces semi conducteurs sont appelés « semi-conducteurs à gap direct ». La deuxième catégorie est celle des « semi-conducteurs à gap indirect ».
La contre-réaction optique
Le gain optique seul n’est pas suffisant pour obtenir un fonctionnement laser. Le deuxième élément nécessaire pour le fonctionnement correct de la diode laser est la contre-réaction optique. Cet élément permet de transformer le comportement amplificateur du dispositif en oscillateur. Dans la plupart des lasers, la contre-réaction est obtenue en plaçant le milieu actif à l’intérieur d’une cavité optique.
Exemple des structures de lasers
Les structures de guidage des porteurs et de la lumière selon la direction latérale sont reparties en deux groupes fondamentaux, que ce soit pour les zones actives constituées de matériau massif ou à puits quantiques : les lasers à guidage par le gain et les lasers à guidage par l’indice selon que c’est une variation du gain ou de l’indice qui confine le mode. Dans les structures à guidage par le gain, le problème du confinement de la lumière est résolu en limitant la dimension du ruban sur lequel le courant de polarisation est appliqué. La lumière est émise dans un spot elliptique de dimensions d’environ 1×5 µm2 . Le défaut majeur de cette structure est lié au fait que ce spot n’est pas du tout stable lorsque la puissance optique délivrée augmente. Ce type de lasers est rarement utilisé dans les communications optiques à cause de cette instabilité de mode.
Le récepteur du signal optique: le photo-détecteur
Les concepts de base
Dans une liaison par fibre optique le photo-détecteur est le dispositif qui réalise la conversion du signal optique en signal électrique. Nous présentons dans ce paragraphe les caractéristiques de base des dispositifs photoconducteurs. Le mécanisme fondamental qui est relié au processus de photo-détection est l’absorption optique. Considérons le cas d’un semi-conducteur soumis à la réception de photons incidents : si l’énergie h*ν de chaque photon incident dépasse le niveau de la bande interdite, une paire électron-trou est générée chaque fois qu’un photon est absorbé par le semi-conducteur. Sous l’effet d’un champ électrique crée par l’application d’une différence de potentiel entre les contacts, les électrons et les trous bougent en direction opposée à travers le semi-conducteur . On a ainsi généré un flux de courant électrique.
La jonction p-n
Une jonction p-n polarisée en inverse présente une zone désertée de porteurs où un fort champ électrique interne (nommé « built-in » en anglais) s’oppose au flux d’électrons de la couche n à la couche p et de trous de la couche p à la couche n. Cette zone s’étend préférentiellement dans la partie résistive de plus faible dopage sur une distance d’autant plus grande que le niveau de dopage est faible. Quand la jonction est illuminée sur le coté p, des paires électrons trous se créent à travers le processus d’absorption. Sous l’action d’un champ électrique extérieur de même sens que celui de « built-in », les porteurs se précipitent en direction de l’électrode de signe opposé pour s’y recombiner. Le flux de courant ainsi généré est proportionnel à la puissance optique incidente.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : THEORIE GENERALE DES LIAISONS OPTIQUES
I. INTRODUCTION
II. LES ELEMENTS CONSTITUTIFS DES LIAISONS OPTIQUES ANALOGIQUES
II.1 L’EMETTEUR: LA DIODE LASER A SEMI-CONDUCTEUR
II.1.1. Les mécanismes physiques
II.1.1.1. Le cœur de la diode laser : la jonction p-n
II.1.2. Le gain optique
II.1.3. La contre-réaction optique
II.1.4. Exemple des structures de lasers
II.1.5. Les lasers à émission monomode longitudinal
II.1.6. Les équations du fonctionnement de la diode laser
II.1.6.1. Le fonctionnement statique
II.1.6.2. Le fonctionnement dynamique
II.2 LE RECEPTEUR DU SIGNAL OPTIQUE: LE PHOTO-DETECTEUR
II.2.1. Les concepts de base
II.2.2. La jonction p-n
II.2.3. La photodiode p-i-n
II.3 LES ELEMENTS DE CONNEXION : LA FIBRE OPTIQUE
II.4 LES APPLICATIONS DE BASE
III. LES CARACTERISTIQUES FONDAMENTALES DE LA LIAISON
III.1 LE GAIN DE LA LIAISON
III.1.1. Modulation directe de la porteuse optique
III.1.2. Modulation externe de la porteuse optique
III.2 LA BANDE SPECTRALE
III.3 LE BRUIT DE LA CHAINE OPTIQUE
III.3.1. Le bruit du laser (RIN)
III.3.1.1. Le banc de mesure du RIN
III.3.2. Le bruit du photodétecteur
III.3.2.1. Le bruit de grenaille ou « shot noise »
III.3.2.2. Le bruit thermique
III.3.2.3. Le bruit de courant d’obscurité
III.3.3. Le rapport signal sur bruit
IV. CONCLUSION
CHAPITRE II : ETUDE THEORIQUE DES RECEPTEURS OPTIMISES EN BRUIT DE PHASE : INTERET DE L’APPROCHE « PHOTO-OSCILLATEUR »
I. INTRODUCTION
II. GENERALITES SUR LE BRUIT DE PHASE
II.1 NOTION DE BRUIT DE PHASE
II.2 COMMENT EXPRIMER LE BRUIT DE PHASE?
III. LE BRUIT DE PHASE DANS LES LIAISONS OPTIQUES ANALOGIQUES
III.1 LE BRUIT DE PHASE RAMENE PAR LA CHAINE OPTIQUE
III.1.1. Transmission d’une source synthétisée par voie optique : la liaison simple
III.1.2. La conversion du bruit BF en bruit de phase
III.1.3. La mesure du RIN du laser
IV. ANALYSE THEORIQUE DU PHOTO-OSCILLATEUR
IV.1 TOPOLOGIE DES OSCILLATEURS
IV.1.1. Définitions
IV.1.2. Conditions de démarrage
IV.2 ORIGINE DU BRUIT DE PHASE DANS LES OSCILLATEURS MICRO-ONDES : L’APPROCHE DE LEESON
IV.3 LE BRUIT DE PHASE DE L’OSCILLATEUR SYNCHRONISE: LE MODELE DE KUROKAWA
IV.4 LE BRUIT DE PHASE DE LIAISONS OPTIQUES AVEC PHOTO-OSCILLATEUR COMME DISPOSITIF DE RECEPTION
IV.5 UN PARAMETRE CRITIQUE : LA BANDE DE SYNCHRONISATION
IV.5.1. Analyse directe par équilibrage harmonique
IV.5.2. La méthode de la boucle ouverte
IV.5.3. La méthode de la sonde
IV.6 LA MESURE DU BRUIT DE PHASE DES OSCILLATEURS
IV.6.1. La mesure directe à l’analyseur de spectre
IV.6.2. Technique à référence passive : la ligne à retard
IV.6.3. Technique à référence active : la boucle à verrouillage de phase ou PLL
IV.7 LA MESURE DU BRUIT DE PHASE RESIDUEL OU EN BOUCLE OUVERTE
V. CONCLUSION
CHAPITRE III : LES LIAISONS OPTIQUES ANALOGIQUES POUR LA DISTRIBUTION DE SIGNAUX DE REFERENCE RF
I. INTRODUCTION
II. ARCHITECTURE DE DISTRIBUTION
III. ETAT DE L’ART
IV. TRANSMISSION D’UN SIGNAL DE REFERENCE A 10 MHZ
IV.1 LES SPECIFICATIONS DU PROJET
IV.2 DEVELOPPEMENT D’UN BANC DE MESURE DU BRUIT DE PHASE RESIDUEL A 10 MHZ
IV.3 SELECTION DES TRANSISTORS POUR L’APPLICATION A 10 MHZ
IV.4 SELECTION DES RESONATEURS
IV.5 MODELISATION PRELIMINAIRE DE LA LIAISON OPTIQUE A 10 MHZ POUR DIFFERENTES CONFIGURATIONS DE RECEPTION
IV.6 CONCEPTION ET REALISATION D’UN OSCILLATEUR A 10 MHZ
IV.7 CARACTERISATION DE LA LIAISON POUR DIFFERENTES CONFIGURATIONS DE RECEPTION ET TESTS EN BRUIT DE PHASE
IV.7.1. Caractérisation préliminaires effectuées au LAAS
IV.7.2. Intégration dans le banc expérimental d’ALCATEL SPACE
IV.7.2.1. La configuration expérimentale
IV.7.2.2. Mesure du bruit de phase de la liaison générique avec filtre à quartz
IV.7.2.3. Mesure du bruit de phase de la liaison générique avec photo-oscillateur
IV.7.2.4. Validation des résultats obtenus pour la liaison avec photo-oscillateur
IV.8 OPTIMISATION ET REALISATION D’UN PHOTO-OSCILLATEUR INTEGRE (ENTREE OPTIQUE/SORTIE RF)
IV.8.1. Les modifications apportées
IV.8.2. Optimisation des performances de l’oscillateur
IV.8.3. Tests en bruit de phase de la liaison avec photo-oscillateur intégré
IV.9 CONSIDERATIONS FINALES SUR L’ETUDE MENE A 10 MHZ
V. TRANSMISSION D’UN SIGNAL DE REFERENCE A 874.2 MHZ
V.1 LES SPECIFICATIONS DU PROJET
V.2 CONCEPTION ET REALISATION DE L’OSCILLATEUR A 874.2 MHZ
V.2.1. Choix de composants
V.2.2. L’approche CAO
V.2.3. Les performances en bruit de phase
V.2.4. La bande de synchronisation
V.2.5. Bruit de phase résiduel de la liaison avec oscillateur (entrée RF, sortie RF)
V.3 CONCEPTION D’UN PHOTO-OSCILLATEUR INTEGRE
V.3.1. Les modifications apportées
V.3.2. Les tests en bruit de phase de la liaison avec photo-oscillateur intégré
V.4 BILAN FINAL DE L’ETUDE MENE A 874.2 MHZ
CHAPITRE IV : LES LIAISONS OPTIQUES ANALOGIQUES POUR LA DISTRIBUTION DE SIGNAUX DE REFERENCE MICRO-ONDES
I. INTRODUCTION
II. LES PHOTO-OSCILLATEURS A RECEPTION DIRECTE
II.1 LES TRANSISTORS : LE HEMT INP ET LE PHOTOTBH
II.2 LA CARACTERISATION DYNAMIQUE
II.3 LA CARACTERISATION DU BRUIT BASSE FREQUENCE
II.4 LE BRUIT DE PHASE RESIDUEL
II.4.1. Le HEMT sur InP
II.4.2. Le photoTBH
II.5 CONVERSION DU BRUIT BASSE FREQUENCE EN BRUIT DE PHASE RESIDUEL
II.6 TRANSMISSION D’UNE SOURCE SYNTHETISEE A 3.5 GHZ
II.6.1. La configuration expérimentale des tests
II.6.2. Les résultats
III. LES PHOTO-OSCILLATEURS A RECEPTION INDIRECTE
III.1 LE CHOIX DES COMPOSANTS
III.1.1. La caractérisation de la liaison
III.1.2. Le choix du transistor
III.2 LA TRANSMISSION D’UNE SOURCE SYNTHETISEE A 3.5 GHZ
IV. BILAN DE L’ETUDE ET PERSPECTIVES
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES
ANNEXE
