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LIAISONS OPTIQUES LARGE-BANDES POUR APPLICATIONS ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES

LIAISONS OPTIQUES LARGE-BANDES POUR APPLICATIONS ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES. PLAN DE LA PRESE NTATION RAPPELS DES 2 METHODES DE BASE DE LA TRANSMISSION PAR FIBRE OPTIQUE CONTRAINTES DE L’ANALOGIQUE OBJECTIFS DES DEVELOPPEMENTS ENTREPRIS COOPERATION INTERNATIONALE PRODUIT RESULTATS

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LIAISONS OPTIQUES LARGE-BANDES POUR APPLICATIONS ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES

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  1. LIAISONS OPTIQUES LARGE-BANDES POURAPPLICATIONS ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES PLAN DE LAPRESENTATION RAPPELS DES 2 METHODES DE BASE DE LA TRANSMISSION PAR FIBRE OPTIQUE CONTRAINTES DE L’ANALOGIQUE OBJECTIFS DES DEVELOPPEMENTS ENTREPRIS COOPERATION INTERNATIONALE PRODUIT RESULTATS CONCLUSION

  2. Les méthodes les plus courantes de transmission de signaux par fibre optique sont: l ’usage d ’un modulateur externe tel un interférométre de Mach-Zehnder ou un modulateur electro-absorption. Cette technique présente de bonne performances mais un coût élevé La modulation directe d ’un laser. Cette technique est moins onéreuse, mais présente des pertes et un facteur de bruit importants Ampli hyper Amplificateur Fibre optique Fibre optique Photodiode Photodiode Laser Laser Modulateur RF Amplifier V V V V V PRINCIPES DE TRANSMISSION

  3. AMPLIFICATEUR RF IN LASER RF OUT RECEPTEUR FIBRE OPTIQUE MACH-ZEHNDER MODULATION EXTERNE Modulation du signal optique au moyen d’un composant dédié AVANTAGES • Bande passante jusqu’à 50 GHz. • Liaisons avec gain • Bien adaptée aux transmissions longues • Bon comportement en bruit DESAVANTAGES • Coût très élevé • Intégration plus difficile • Maintient de la polarisation entre laser et modulateur • puissance micro-onde à fournir

  4. MODULATION DIRECTE Modulation directe du courant laser par le signal micro-onde AVANTAGES • Coût plus abordable • Bonne linéarité avec certains composants • moins de composants mis en oeuvre DESAVANTAGES • Pertes typiques - 35 dB en bande large • Facteurs de bruit typiques ~50 dB • Chirp 45 W RESISTANCE D ’ADAPTATION RF IN RF OUT RECEPTEUR FIBRE OPTIQUE LASER

  5. LOSSES LOSSES EFFICIENCY PROBLEM OF OPTICAL LINKS Losses and noise figure of wide band Photonic Links have to be improved RF AMPLIFIER WIDE BAND COMMERCIAL LINKS HAVE 35 dB of LOSSES and NOISE FIGURE above 45 dB DIRECT MODULATION TECHNIQUE PHOTODIODE LASER Poor features are due to matching techniques which use passive resistor for matching the high gap of impedance between microwave and photonic devices 45 W 5000  50  50  5 

  6. CONTRAINTES DE L’ANALOGIQUE • GAIN DE LIAISON • FACTEUR DE BRUIT REDUIT • DYNAMIQUE EN COMPRESSION • DYNAMIQUE EN LINEARITE • MAINTIEN DE LA PURETE SPECTRALE

  7. Les impédances présentées par les photodiodes et les lasers sont respectivement très grandes (polarisation en inverse, quelque kohms) et très faibles (polarisation en direct, quelques ohms). Il est donc logique d’obtenir lors de la connexion aux dispositifs micro-ondes une forte désadaptation. D’autre part, le schéma équivalent d'un laser ou d'une photodiode n'est pas purement résistif mais possède en général une capacité parasite ( 0,1 pF < C < 2 pF ). Solution couramment adoptée: l ’adaptation passive Optoélectronique et Hyperfréquences:Le problèmes des circuits de liaison

  8. L'interface Optique/Microondes

  9. L'interface Optique/Micro-ondes (II) Le problème n'est pas le même coté Laser et coté Photodiode ! Rch : Résistance de charge Coté laser, une adaptation large bande est envisageable Coté photodiode, une adaptation d'impédance ne suffit pas: - Rch élevée: fc diminue - Rch faible: moins de puissance

  10. Le but est de développer des modules optiques d'émission et de réception, pour une large gamme d'applications, donc capables de fonctionner sur une très large bande passante (xxx kHz - 20 GHz, ou plus): Objectifs de conception Pré-ampli Laser Amplificateur de Photodiode • Modulation Directe du Laser , avantageuse car: • Simple et compacte donc faible coût • Large bande par nature, d'autant plus avec les circuits étudiés • Puissance RF limitée à l'entrée • Adaptation de toute Photodiode • Y compris les larges Photodiodes, illuminées par la surface : • composants stabilisés • Adaptés à une forte puissance optique et à un bon rendement • Adaptés au mélange optique

  11. Au moins pour obtenir un facteur de bruit acceptable, une pré-amplification est nécessaire: Autant réaliser une pré-amplification ADAPTEE (d'un point de vue hyperfréquences) la structure distribuée est naturelle pour une large bande Conception d'un Amplificateur Distribué à basse impédance de sortie 5  Modulation directe d'une diode laser • L'adaptation d'impédance entre pré-amplificateur et diode laser améliore: • La platitude de gain • La bande passante • La stabilité • Le rendement en puissance • Les ROS ~ 50 

  12. L’amplificateur distribué de Laser Diode Bias + Low Frequency Input Foundry Process: THOMSON-TCS VLN02 (Quarter µ HEMT) 50  Input 1.3 mm (51 mils) 5 / 10  Output 1.8 mm (71 mils)

  13. Mesures Ampli. Distribué + Laser Thomson

  14. Le principe du montage "BOOTSTRAP" L'amplificateur de gain unité annule l'effet de la capacité parasite sans perturber le rôle de la source de courant Gv=1 Vers amplification et adaptation à 50 ohms

  15. L’ Amplificateur BOOTSTRAP First common drain stage with feedback Second common drain stage 0.9 mm (35 mils) 50  Output 1.8 mm (51 mils)

  16. Bootstrap : Résultats de mesure Une très "grosse" Photodiode a été mesurée: 80 µm de Diametre, 0.7 pF de Capacité Parasite 3dB cut-off 3dB cut-off Mesures de l'IEMN: S. MARICOT, D. DECOSTER, J.P.VILCOT

  17. Les solutions classiques, pour "adapter" une photodiode au monde des microondes, utilisent: Une adaptation passive, ou Un amplificateur transimpédance contre-réactionné, ou Un amplificateur distribué à basse impédance d'entrée (pour réduire la constante RC ) La solution alternative proposée, basée sur la notion hyperfréquences d'adaptation d'impédance, utilise la combinaison de deux principes: la technique du BOOTSTRAP pour compenser la capacité parasite si besoin est, la structure distribuée, elle-même utilisant la polarisation par charge saturable. L'amplificateur distribué aura alors une haute impédance d'entrée pour augmenter le gain de la chaîne. Récepteur optique (photodiode)

  18. Solution alternative à l'amplificateur distribué à basse impédance d'entrée: Solution vue dans la littérature: Nouvelle conception pour le photo-récepteur Circuit polar. 50  Photodiode (avec C parasite) Basse Impédance (Pour réduire la constante de temps RC) Amplificateur Distribué • Nouvelle solution: Photodiode (avec C parasite) Circuit polar. 50  Haute Impédance (Pour améliorer le gain et le facteur de bruit) Amplificateur Distribué Compensateur "Bootstrap"

  19. Circuits de nouvelle Génération :Bootstrap + Amplificateur Distribué 125 W

  20. OBJECTIFS COMPLEMENTAIRES DU DEVELOPPEMENT Résolution des problèmes d’impédance large-bande par l’utilisation de circuits MMIC spécifiques et d ’amplification complémentaire 1 Intégration de l ’ensemble des composants d ’asservissement (courants, tensions, puissance optique, température) 2 Remplacement de la connexion directe par fibre (pigtail) par un connecteur optique à l ’instar de l ’interface hyperfréquence. 3

  21. CONCEPTION DES LIAISONS ADAPTEES THALES Systèmes Aéroportés a développé et breveté un concept innovant d adaptation d ’impédance large-bande à base de circuits MMICs. Ces composants couvrent une bande passante de 18 GHz, ils permettent de supprimer les pertes des liaisons, apportent une réduction du facteur de bruit et une augmentation de la dynamique. Adaptateur Photodiode Transformateur d’impédance 50 Ohms / 5 Ohms Laser Photodiode Optical fiber

  22. INTEGRATION POUSSEE 2 cm 10 cm

  23. Micro lentille MMIC Photodiode contrereaction Passage faisceau Laser Connecteur Peltier PACKAGING contrôleur

  24. Résolution des problèmes mécaniques et thermiques

  25. LENTILLE SECONDAIRE 2 ETAGES ISOLATEUR FIBRE FAISCEAU COLLIMATE FAISCEAU COLLIMATE LENTILLE PRIMAIRE LASER SYSTEME OPTIQUE A DOUBLE LENTILLE

  26. GAIN S21 dB Improved links 15 5 -5 -15 -25 -35 Commercially available photonic/microwave links 0 2 4 6 8 10GHz NOISE FIGURE dB Commercially available photonic/microwave links 50 40 30 20 10 1 Improved links 0 2 4 6 8 10GHz ANALYSE COMPARATIVE DES RESULTATS • Bilan des optimisations • Adaptation d’impédance par MMIC ( 0,1 à 20 GHz) compatible de tout types de composants optiques, • Pertes réduites de 40 dB, (gain 5 à 10 dB) • Facteur de bruit amélioré de 30 dB, • Asservissements thermique, optique et électrique • Haute densité d’intégration, • Suppression du pigtail, • Compatible Analogique et numérique

  27. CONCLUSION • AUGMENTATION DE PERFORMANCE DE LA MODULATION DIRECTE • AMELIORATION DU TRANSFERT E/O/E • INTEGRATION DES ASSERVISSEMENTS • INTEGRATION D ’UNE CONNECTIQUE OPTIQUE • OPTIMISATION DU COUPLAGE OPTIQUE • MISE EN PRODUCTION EN COURS

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