Composants et circuits pour liaisons photoniques en microondes

Christian Rumelhard, Catherine Algani, Anne-Laure Billabert

Description

Utilisées dans les liaisons radio sur fibre, dans les antennes à balayage électronique et dans les déports d'antennes, les liaisons photoniques en micro-ondes connaissent aujourd'hui une augmentation radicale de leurs performances et une évolution importante de l'ensemble de leurs composants.
Cet ouvrage reprend de manière méthodique et complète la description et la modélisation de ces éléments en signalant leurs transformations récentes : lasers, modulateurs optiques, fibres optiques, photodétecteurs et amplificateurs optiques. Composants et circuits pour liaisons photoniques en micro-ondes propose une approche pédagogique des grandeurs physiques telles que les gains, les facteurs de bruit opto-micro-ondes et les non-linéarités. La combinaison de ces paramètres conduit à la notion de dynamique sans parasites caractérisant les performances d'une liaison photonique en micro-ondes. L'ouvrage présente également les mesures et les techniques de simulation purement micro-ondes permettant de modéliser et d'optimiser une liaison opto-micro-onde.
Chapitre 1. Généralités. Chapitre 2. Génération et modulation de la lumière. Chapitre 3. Fibres optiques et amplificateurs optiques. Chapitre 4. Les photodétecteurs. Chapitre 5. Performances des liaisons photoniques en micro-ondes. Chapitre 6. Compléments aux performances des liaisons photoniques en micro-ondes. Chapitre 7. Les amplificateurs électroniques dans les liaisons photoniques en micro-ondes. Chapitre 8. Simulation et mesures des liaisons photoniques en micro-ondes. Glossaire. Bibliographie. Index.

Sujets

• Physique
• Électronique

Informations

• Publié par: Hermès - Editions Lavoisier
• Date de parution: 15 avril 2010
• Nombre de lectures: 17
• EAN13: 9782746240735
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Composants et circuits pour liaisons photoniques en micro-ondes

© LAVOISIER, 2010 LAVOISIER 11, rue Lavoisier 75008 Paris www.hermes-science.com www.lavoisier.fr ISBN 978-2-7462-2494-0 ISSN 1760-866X Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5, d'une part, que les "copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective" et, d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, "toute représentation ou reproduction intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite" (article L. 122-4). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle. Tous les noms de sociétés ou de produits cités dans cet ouvrage sont utilisés à des fins d’identification et sont des marques de leurs détenteurs respectifs. Printed and bound in England by Antony Rowe Ltd, Chippenham, March 2010.

Composants et circuits pour liaisons photoniques en micro-ondes

Christian Rumelhard Catherine Algani Anne-Laure Billabert

Direction éditoriale Jean-Claude Sabonnadière

Titre déjà paru

C OLLECTION H YPERFRÉQUENCES SOUS LA DIRECTION DE D ANIEL P ASQUET

Bernard P IETTE – Multicoupleurs et filtres, 2007

T ABLE DES MATIÈRES

Préface13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jean C HAZELAS

Chapitre 1. Généralités. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1. Les liaisons photoniques en micro-ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2. Description d’une liaison. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3. Signal à transmettre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3.1. Signal micro-onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3.2. Porteuse micro-onde pour signal numérique . . . . . . . . . . . . . 21 1.3.3. Signal ultra-large bande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.4. Porteuse optique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.5. En résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.4. Les contraintes d’une liaison photonique en micro-ondes . . . . . . . . 23 1.4.1. Les contraintes dues aux matériaux constituant les différents éléments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.4.2. Sources de bruit dans les liaisons photoniques en micro-ondes . . 25 1.4.3. Non-linéarités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.5. Les grandeurs à étudier et les éléments d’une liaison photonique en micro-ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Chapitre 2. Génération et modulation de la lumière . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1. Les lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1.1. Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1.2. Structure d’un laser à semi-conducteur et gain optique dans la zone active . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6 Liaisons photoniques en micro-ondes

2.1.3. Fonctionnement d’un laser Fabry-Perot . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1.4. Coefficient de confinement et équations de continuité . . . . . . . 39 2.1.5. Laser en régime statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.1.6. Laser en régime dynamique : réponse petit signal . . . . . . . . . . 44 2.1.7. Bruit RIN du laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.1.8. Remontée en 1/f du bruit RIN et superposition d’un petit signal et du bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.1.9. Différentes configurations de lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.1.10. Modèle de lasers pour la CAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.1.11. Mesures de lasers et stabilisation en température . . . . . . . . . 65 2.2. Modulateur électro-optique : MEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.2.1. Principe physique général . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.2.2. Effet Pockels ou électro-optique linéaire . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.2.3. Modulateur électro-optique de type Mach-Zehnder . . . . . . . . . 71 2.2.4.Single-Drive MZM: commande à une électrode. . . . . . . . . . . 73 2.2.5.Dual-Drive MZM: commande à deux électrodes . 87. . . . . . . . . 2.2.6. Modulateur Mach-Zehnder réel : caractéristiques et performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 2.2.7. Technologies des modulateurs Mach-Zehnder . . . . . . . . . . . . 91 2.3. Modulateur à électro-absorption : MEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.3.1. Effet d’électro-absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.3.2. Effet Franz-Keldysh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 2.3.3. Effet Stark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 2.3.4. Structure à puits quantiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.3.5. Fonctionnement d’un MEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.3.6. Caractéristiques d’un MEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 2.3.7. EML : laser DFB intégré au MEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 2.3.8. Modélisation électrique d’un MEA pour la simulation de signaux ultra-rapides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

Chapitre 3. Fibres optiques et amplificateurs optiques109. . . . . . . . . . . . . 3.1. Les fibres optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.1.1. Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 3.1.2. Atténuation dans les matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 3.1.3. Indice de réfraction et dispersion dans les matériaux . . . . . . . . 114 3.1.4. Réflexion totale, ouverture numérique, fréquence maximum transmise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 3.1.5. La fibre à saut d’indice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.1.6. La fibre à gradient d’indice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.1.7. La fibre monomode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

Table des matières 7

3.1.8. Les fibres optiques plastiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3.2. Les amplificateurs optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 3.2.1. Amplificateur optique à semi-conducteur : SOA . . . . . . . . . . 135 3.2.2. Amplificateur optique à fibre dopée à l’erbium : EDFA . . . . . . 136 3.3. Annexe : propagation dans une fibre : analyse modale . . . . . . . . . . 138 3.3.1. Les équations de Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 3.3.2. Les équations de Maxwell dans une fibre cylindrique . . . . . . . 139 3.3.3. Conditions de continuité et équation caractéristique . . . . . . . . 143 3.3.4. Recherche des différents modes de propagation . . . . . . . . . . . 144 3.3.5. Approximation de modes polarisés linéairement . . . . . . . . . . 148

Chapitre 4. Les photodétecteurs . 153. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1. Définitions concernant les photodétecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.2. Les photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 4.2.1. Présentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 4.2.2. Absorption de la lumière dans un semi-conducteur . . . . . . . . . 155 4.2.3. La photodiode p-i-n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 4.2.4. La photodiode métal-semi-conducteur-métal ou MSM . . . . . . . 161 4.2.5. Schémas équivalents pour photodiodes p-i-n et MSM . . . . . . . 163 4.2.6. Les non-linéarités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 4.2.7. Les photodiodes UTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 4.2.8. Compensation des charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 4.2.9. Zone d’absorption partiellement déplétée. . . . . . . . . . . . . . . 167 4.2.10. Eclairage latéral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 4.2.11. Eclairage latéral : structure à onde progressive. . . . . . . . . . . 169 4.2.12. Eclairage latéral : structures périodiques . . . . . . . . . . . . . . 172 4.2.13. Photodétecteurs à cavité optique résonante . . . . . . . . . . . . . 173 4.2.14. Guides dilués et couplage par mode évanescent . . . . . . . . . . 176 4.2.15. En résumé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 4.3. Les phototransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 4.3.1. Phototransistors à effet de champ ou bipolaires ? . . . . . . . . . . 179 4.3.2. Phototransistors GaAlAs/GaAs et InGaP/GaAs . . . . . . . . . . . 181 4.3.3. Phototransistors InP/InGaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 4.3.4. Phototransistors Si/SiGe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 4.3.5. Cavités optiques résonnantes pour phototransistors. . . . . . . . . 193 4.3.6. Simulations et modèles de phototransistors. . . . . . . . . . . . . . 193 4.3.7. Valeur de la charge micro-onde de la base . . . . . . . . . . . . . . 197 4.3.8. En résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

8 Liaisons photoniques en micro-ondes

4.4. Annexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 4.4.1. Accord de maille, couche pseudomorphique, couche métamorphique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 4.4.2. Effet de survitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 4.4.3. Le transistor bipolaire à hétérojonction . . . . . . . . . . . . . . . . 205

Chapitre 5. Performances des liaisons photoniques en micro-ondes209. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Schémas de liaisons photoniques en micro-ondes et définitions. . . . . 209 5.1.1. Schéma d’une liaison à modulation directe et définitions . . . . . 209 5.1.2. Schéma d’une liaison avec modulation externe et définitions . . . 213 5.1.3. Schéma simplifié d’une liaison et premier calcul de gain . . . . . 215 5.2. Paramètres S et gains opto-micro-ondes de chacun des éléments de la liaison photonique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 5.2.1. Présentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 5.2.2. Paramètres S et gain opto-micro-onde du laser . . . . . . . . . . . 218 5.2.3. Paramètres S et gain opto-micro-onde de la fibre optique . . . . . 219 5.2.4. Paramètres S et gain opto-micro-onde de la photo-diode . . . . . 220 5.2.5. Paramètres S et gain opto-micro-onde d’un modulateur externe à éléments localisés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 5.2.6. Paramètres S et gain opto-micro-onde d’un modulateur externe à éléments distribués . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 5.2.7. Récapitulatif des paramètres S et gain opto-micro-onde des éléments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 5.3. Paramètres S et gains opto-micro-ondes des liaisons photoniques en micro-ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 5.3.1. Paramètres S de la liaison photonique en micro-ondes à modulation directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 5.3.2. Gains de la liaison photonique en micro-ondes à modulation directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 5.3.3. Paramètres S de la liaison photonique en micro-ondes à modulateur externe localisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 5.3.4. Gains de la liaison photonique en micro-ondes à modulateur externe localisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 5.3.5. Paramètres S de la liaison photonique en micro-ondes à modulateur externe distribué . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 5.3.6. Gains de la liaison photonique en micro-ondes à modulateur externe distribué . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231