PLAN DE LA PRESENTATION LIAISONS OPTIQUES LARGE-BANDES POUR APPLICATIONS ANALOGIQUES ET NUMÉRIQUES PLAN DE LA PRESENTATION 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

PRINCIPES DE TRANSMISSION 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 Amplificateur Laser Fibre optique Photodiode Modulateur V Ampli hyper Laser Fibre optique Photodiode RF Amplifier V

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 LASER AMPLIFICATEUR MACH-ZEHNDER FIBRE OPTIQUE RECEPTEUR RF OUT RF IN

RESISTANCE D ’ADAPTATION 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 RF IN 45 W RESISTANCE D ’ADAPTATION RECEPTEUR RF OUT FIBRE OPTIQUE LASER

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 LASER 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 W 5000  50  50  5  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 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/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 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): 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

Modulation 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 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 

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 This is a more detaled view of the distributed Laser Driver. The aspect of the drain line, with straight large lines and additional capacitors, reflects the low impedance of this line. On the top of the chip, one pad is dedicated to the bias of the laser chip, through an on-chip bias T. This input can also be used to superpose a low frequency signal (for example a digital signal), up to 1 GHz, as it will be illustrated in a few moment by the module designed by the french telecom agency. The chip has been manufactured using the Thomson VLN02 Process, a 1/4 µ HEMT process. Typical bias point is 3 V, 50 mA. 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 The unity voltage gain amplifier is laid out using a simple common drain FET, connected to the photodiode between gate and source. The physical length of the bootstrap loop is very short in order to avoid parasitic phase shift. The main problem lies in the length of the bonding wires between the chip and the diode. Advanced techniques like Flip Chip connection would improve the frequency capabilities of this configuration. A second common drain stage improves the gain and output matching to 50  1.8 mm (51 mils)

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

Récepteur optique (photodiode) 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. The situation at the receiver side is very different. A photodiode is reverse biased, leading to a very high internal resistance. The photodiode acts as a current source with a capacitance in parallel. This capacitance is the limiting factor in terms of frequency band, when associated to the resistance of the load. Classical solutions involve : .....

Nouvelle conception pour le photo-récepteur 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 Nouvelle solution: Photodiode (avec C parasite) Circuit polar. 50  Haute Impédance (Pour améliorer le gain et le facteur de bruit) Amplificateur Distribué Compensateur "Bootstrap"

Circuits de nouvelle Génération : Bootstrap + Amplificateur Distribué 125 W

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

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 2 cm 10 cm

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

Résolution des problèmes mécaniques et thermiques

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

ANALYSE COMPARATIVE DES RESULTATS Improved links GAIN S21 0 2 4 6 8 10GHz 15 5 -5 -15 -25 -35 dB Commercially available photonic/microwave links 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 Improved links 0 2 4 6 8 10GHz 50 40 30 20 10 1 dB Commercially available photonic/microwave links NOISE FIGURE

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