LIAISONS OPTIQUES LARGEBANDES POUR APPLICATIONS ANALOGIQUES ET NUMRIQUES

LIAISONS OPTIQUES LARGE-BANDES POUR APPLICATIONS ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES PLAN DE LA PRESENTATION l RAPPELS DES 2 METHODES DE BASE DE LA TRANSMISSION PAR FIBRE OPTIQUE l CONTRAINTES DE L’ANALOGIQUE l OBJECTIFS DEVELOPPEMENTS ENTREPRIS l COOPERATION INTERNATIONALE l PRODUIT l RESULTATS l CONCLUSION Michel SCHALLER 23/06/99 planche n° 1

PRINCIPES DE TRANSMISSION l Amplificateur Les méthodes les plus courantes de transmission de signaux par fibre optique sont: Fibre optique Laser Photodiode Modulateu r V V V Ampli hyper Fibre optique – 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 Photodiod e Laser RF Amplifier V V – La modulation directe d ’un laser. Cette technique est moins onéreuse, mais présente des pertes et un facteur de bruit importants

MODULATION EXTERNE Modulation du signal optique au moyen d’un composant dédié AVANTAGES FBande passante jusqu’à 50 GHz. FLiaisons avec gain FBien adaptée aux transmissions longues FBon comportement en bruit AMPLIFICATEUR DESAVANTAGES FCoût très élevé FIntégration plus difficile FMaintient de la polarisation entre laser et modulateur Fpuissance micro-onde à fournir RF IN LASER RECEPTEUR RF OUT MACH-ZEHNDER FIBRE OPTIQUE

MODULATION DIRECTE Modulation directe du courant laser par le signal micro-onde AVANTAGES DESAVANTAGES FCoût plus abordable FBonne linéarité avec certains composants Fmoins de composants mis en oeuvre FPertes typiques - 35 d. B en bande large FFacteurs de bruit typiques ~50 d. B FChirp RF IN 45 RESISTANCE D ’ADAPTATION RECEPTEUR RF OUT FIBRE OPTIQUE LASER

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

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

Optoélectronique et Hyperfréquences: Le problèmes des circuits de liaison l l l 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 microondes 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 p. F < C < 2 p. F ). Solution couramment adoptée: l ’adaptation passive

L'interface Optique/Microondes

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

Objectifs de conception l 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 k. Hz - 20 GHz, ou plus): Pré-ampli Laser n Modulation Directe du Laser , avantageuse car: l l l Simple et compacte donc faible coût Large bande par nature, d'autant plus avec les circuits étudiés Puissance RF limitée à l'entrée Amplificateur de Photodiode n Adaptation de toute Photodiode n Y compris les larges Photodiodes, illuminées par la surface : l composants stabilisés l Adaptés à une forte puissance optique et à un bon rendement l Adaptés au mélange optique

Modulation directe d'une diode laser l 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 Ä Conception d'un Amplificateur Distribué à basse impédance de sortie ~ 50 n L'adaptation d'impédance entre pré-amplificateur et diode laser améliore: ü La platitude de gain ü La bande passante ü La stabilité 5 ü Le rendement en puissance ü Les ROS

L’amplificateur distribué de Laser Diode Bias + Low Frequency Input Foundry Process: THOMSON-TCS VLN 02 (Quarter µ HEMT) 50 Input 1. 3 mm (51 mils) 5 / 10 Output 1. 8 mm (71 mils)

Mesures Ampli. Distribué + Laser Thomson

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

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)

Bootstrap : Résultats de mesure Une très "grosse" Photodiode a été mesurée: 80 µm de Diametre, 0. 7 p. F de Capacité Parasite 3 d. B cut-off Mesures de l'IEMN: S. MARICOT, D. DECOSTER, J. P. VILCOT

Récepteur optique (photodiode) l 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 ) l 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.

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

Circuits de nouvelle Génération : Bootstrap + Amplificateur Distribué 125

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

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

INTEGRATION POUSSEE

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

Résolution des problèmes mécaniques et thermiques

R LA SE IL L NT LE RE AI IM AT OL R EU TE LL IM A C O PR E AU CE IS FA AT IM C OL L AU S IS GE TA 2 E CE IS FA E RE SE CO ND AI LE TI L LE N E BR FI SYSTEME OPTIQUE A DOUBLE LENTILLE

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

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