Michel SCHALLER 23/06/99 planche n°1

M ATECHE L E C T R O N I Q U E

LIAISONS OPTIQUES LARGE-BANDES POURLIAISONS OPTIQUES LARGE-BANDES POURAPPLICATIONS ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUESAPPLICATIONS ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES

PLAN DEPLAN DE LA LA PRESEPRESENTATIONNTATION

RAPPELS DES 2 METHODES DE BASE DE LA TRANSMISSION RAPPELS DES 2 METHODES DE BASE DE LA TRANSMISSION

PAR FIBRE OPTIQUEPAR FIBRE OPTIQUE

CONTRAINTES DE L’ANALOGIQUECONTRAINTES DE L’ANALOGIQUE

OBJECTIFS DES DEVELOPPEMENTS ENTREPRISOBJECTIFS DES DEVELOPPEMENTS ENTREPRIS

COOPERATION INTERNATIONALECOOPERATION INTERNATIONALE

PRODUITPRODUIT

RESULTATSRESULTATS

CONCLUSIONCONCLUSION

PRINCIPES DE PRINCIPES DE TRANSMISSIONTRANSMISSION

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

AmplificateAmplificateurur

LaseLaserr

Fibre Fibre optiqueoptique

PhotodioPhotodiodede

ModulatModulateureur

VV VV VV

Ampli Ampli hyperhyper

LaseLaserr

Fibre Fibre optiqueoptique PhotodioPhotodio

dede

RF RF AmplifierAmplifier

VV VV

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

LASERLASERLASERLASER

AMPLIFICATEURAMPLIFICATEURAMPLIFICATEURAMPLIFICATEUR

MACH-ZEHNDERMACH-ZEHNDERMACH-ZEHNDERMACH-ZEHNDERFIBRE OPTIQUEFIBRE OPTIQUEFIBRE OPTIQUEFIBRE OPTIQUE

RECEPTEURRECEPTEURRECEPTEURRECEPTEUR RF OUTRF OUT

RF INRF IN

MODULATION EXTERNEMODULATION EXTERNE

Modulation du signal optique au moyen d’un composant dédié

LASERLASERLASERLASERFIBRE OPTIQUEFIBRE OPTIQUEFIBRE OPTIQUEFIBRE OPTIQUE

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

RECEPTEURRECEPTEURRECEPTEURRECEPTEUR RF OUTRF OUT

RF INRF IN45 45

RESISTANCE D ’ADAPTATION

MODULATION DIRECTEMODULATION DIRECTE

Losses and noise figure of wide band Photonic Links Losses and noise figure of wide band Photonic Links have to be improvedhave to be improved

DIRECT MODULATION TECHNIQUEDIRECT MODULATION TECHNIQUELASERLASER PHOTODIODEPHOTODIODE

RF AMPLIFIERRF AMPLIFIERWIDE BAND COMMERCIAL LINKS HAVE WIDE BAND COMMERCIAL LINKS HAVE

35 dB of LOSSES and 35 dB of LOSSES and

NOISE FIGURE above 45 dBNOISE FIGURE above 45 dB

Poor features are due to matching techniques which use passive resistor Poor features are due to matching techniques which use passive resistor for matching the high gap of impedance between microwave and photonic devicesfor matching the high gap of impedance between microwave and photonic devices

50 50 5 5

45 45

5000 5000 50 50

LOSSES LOSSES

CONTRAINTES DE L’ANALOGIQUECONTRAINTES DE L’ANALOGIQUE

GAIN DE LIAISON GAIN DE LIAISON

FACTEUR DE BRUIT REDUITFACTEUR DE BRUIT REDUIT

DYNAMIQUE EN COMPRESSIONDYNAMIQUE EN COMPRESSION

DYNAMIQUE EN LINEARITEDYNAMIQUE EN LINEARITE

MAINTIEN DE LA PURETE SPECTRALEMAINTIEN DE LA PURETE SPECTRALE

Optoélectronique et Hyperfréquences:Optoélectronique et Hyperfréquences:Le problèmes des circuits de liaisonLe problèmes des circuits de liaison

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

L'interface Optique/MicroondesL'interface Optique/Microondes

Le problème n'est pas le même coté Laser et coté Photodiode !

Coté photodiode, une adaptation d'impédance ne suffit pas:

- Rch élevée: fc diminue- Rch faible: moins de puissance

Coté laser, une adaptation largebande est envisageable

Rch : Résistance de charge

L'interface Optique/Micro-ondes (II)L'interface Optique/Micro-ondes (II)

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):

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

Pré-ampliLaser

Amplificateur de

Photodiode

Objectifs de conceptionObjectifs de conception

Modulation directe d'une diode laserModulation directe d'une diode laser 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

~

50

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

5

50 Input50 Input

Diode Bias+

Low Frequency Input

Diode Bias+

Low Frequency Input

5 / 10 Output5 / 10 Output

1.8 mm (71 mils)

1.3 mm(51 mils)

Foundry Process: THOMSON-TCS VLN02 (Quarter µ HEMT)

L’amplificateur distribué de LaserL’amplificateur distribué de Laser

Mesures Ampli. Distribué + Laser ThomsonMesures Ampli. Distribué + Laser Thomson

Le principe du montage "BOOTSTRAP"Le principe du montage "BOOTSTRAP"

Gv=1

Vers amplification et adaptation à 50 ohms

L'amplificateur de gain unité annule l'effet de la capacité parasite sans perturber le rôle de la source de courant

L’ Amplificateur BOOTSTRAPL’ Amplificateur BOOTSTRAPFirst common drain stagewith feedback

Second common drain stage

50 Output50

Output

1.8 mm (51 mils)

0.9 mm(35 mils)

Bootstrap : Résultats de mesureBootstrap : Résultats de mesure

3dBcut-off

3dBcut-off

Une très "grosse" Photodiode a été mesurée:80 µm de Diametre, 0.7 pF de Capacité Parasite

Mesures de l'IEMN: S. MARICOT, D. DECOSTER, J.P.VILCOT

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)Récepteur optique (photodiode)

Nouvelle conception pour le photo-récepteurNouvelle conception pour le photo-récepteur

Solution alternative à l'amplificateur distribué à basse impédance d'entrée: Solution vue dans la littérature:

Photodiode(avec C parasite)

50

Basse Impédance(Pour réduire laconstante de temps RC)

Photodiode(avec C parasite)

Haute Impédance(Pour améliorer le gainet le facteur de bruit)Compensateur "Bootstrap"

Circuit polar.

Nouvelle solution:

Circuit polar.

Amplificateur Distribué

Amplificateur Distribué

50

Circuits de nouvelle Génération :Circuits de nouvelle Génération :Bootstrap + Amplificateur Distribué 125 Bootstrap + Amplificateur Distribué 125

Résolution des problèmes d’impédance large-bande par Résolution des problèmes d’impédance large-bande par l’utilisation de circuits MMIC spécifiques et l’utilisation de circuits MMIC spécifiques et d ’amplification complémentaired ’amplification complémentaire

Intégration de l ’ensemble des composants Intégration de l ’ensemble des composants d ’asservissement (courants, tensions, puissance optique, d ’asservissement (courants, tensions, puissance optique, température)température)

Remplacement de la connexion directe par fibre (pigtail) Remplacement de la connexion directe par fibre (pigtail) par un connecteur optique à l ’instar de l ’interface par un connecteur optique à l ’instar de l ’interface hyperfréquence.hyperfréquence.

OBJECTIFS COMPLEMENTAIRES DU DEVELOPPEMENTOBJECTIFS COMPLEMENTAIRES DU DEVELOPPEMENT

THALES Systèmes Aéroportés a développé et breveté un concept innovant d adaptation 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 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 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.une réduction du facteur de bruit et une augmentation de la dynamique.

CONCEPTION DES LIAISONS ADAPTEESCONCEPTION DES LIAISONS ADAPTEES

LaserLaser

Transformateur d’impédanceTransformateur d’impédance50 Ohms / 5 Ohms50 Ohms / 5 Ohms

PhotodiodePhotodiode

Adaptateur PhotodiodeAdaptateur Photodiode

Optical fiberOptical fiber

INTEGRATION POUSSEEINTEGRATION POUSSEE

PACKAGINGPACKAGING

contrôleurcontrôleur

MMICMMIC

PhotodiodePhotodiode

contrereactioncontrereaction

LaserLaser

Micro lentilleMicro lentille

PeltierPeltier

Passage faisceauPassage faisceau

ConnecteurConnecteur

Résolution des problèmes mécaniques et thermiquesRésolution des problèmes mécaniques et thermiques

LASE

R

LEN

TILL

E PR

IMA

IRE

FAIS

CEA

U C

OLL

IMA

TE

FAIS

CEA

U C

OLL

IMA

TE

LEN

TILL

E SE

CO

ND

AIR

E

2 ET

AG

ES IS

OLA

TEU

R

FIB

RE

SYSTEME OPTIQUE A DOUBLE LENTILLESYSTEME OPTIQUE A DOUBLE LENTILLE

Improved links

0 2 4 6 8 10GHz

50

40

30

20

10

1

dB

Commercially available photonic/microwave links

Bilan des optimisationsBilan des optimisations

Adaptation d’impédance par MMIC ( 0,1 à 20 GHz) Adaptation d’impédance par MMIC ( 0,1 à 20 GHz)

compatible de tout types de composants optiques,compatible de tout types de composants optiques,

Pertes réduites de 40 dB, (gain 5 à 10 dB)Pertes réduites de 40 dB, (gain 5 à 10 dB)

Facteur de bruit amélioré de 30 dB,Facteur de bruit amélioré de 30 dB,

Asservissements thermique, optique et électriqueAsservissements thermique, optique et électrique

Haute densité d’intégration,Haute densité d’intégration,

Suppression du pigtail,Suppression du pigtail,

Compatible Analogique et numériqueCompatible Analogique et numérique

ANALYSE COMPARATIVE DES RESULTATSANALYSE COMPARATIVE DES RESULTATS

Improved links

0 2 4 6 8 10GHz

15

5

-5

-15

-25

-35

dB

Commercially available photonic/microwave links

CONCLUSION CONCLUSION

AUGMENTATION DE PERFORMANCE DE LA AUGMENTATION DE PERFORMANCE DE LA

MODULATION DIRECTEMODULATION DIRECTE

AMELIORATION DU TRANSFERT E/O/EAMELIORATION DU TRANSFERT E/O/E

INTEGRATION DES ASSERVISSEMENTSINTEGRATION DES ASSERVISSEMENTS

INTEGRATION D ’UNE CONNECTIQUE INTEGRATION D ’UNE CONNECTIQUE

OPTIQUEOPTIQUE

OPTIMISATION DU COUPLAGE OPTIQUEOPTIMISATION DU COUPLAGE OPTIQUE

MISE EN PRODUCTION EN COURS MISE EN PRODUCTION EN COURS