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EnglishRÉSUMÉ
Depuis les années 1980, la modulation d’amplitude de la porteuse optique a été la plus développée soit pour des signaux hyperfréquences de quelques dizaines de GHz ou soit pour des signaux numériques à très haut débit. La génération de signaux de fréquences supérieures ou égales à 100 GHz a relancé l’étude de la génération de ces signaux par battement de deux ondes optiques. Dans cet article, sont présentées les techniques permettant de moduler des porteuses optiques, ou de générer des faisceaux optiques bifréquences (lasers et modulateurs). Est détaillé aussi le principe des oscillateurs optoélectroniques ultra-stables ou largement accordables mettant en œuvre ces composants.
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Daniel DOLFI : Directeur du Groupe de physique - Thales Research & Technology, Palaiseau, France
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Jean CHAZELAS : Directeur scientifique, Thales DMS, Elancourt, France
INTRODUCTION
De plus en plus, il se confirme, dans le domaine des interactions optique/micro-ondes, la forte dualité entre les technologies développées dans le secteur en expansion des télécommunications à très haut débit, et le traitement de signaux analogiques hyperfréquences pouvant intéresser le domaine militaire (radars, guerre électronique et communications) :
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dualité en termes de composants optiques actifs et surtout passifs (coupleurs, isolateurs…) ;
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dualité des problématiques de bruit et de linéarité des signaux à traiter ;
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dualité de certaines fonctions (multiplexage fréquentiel à forte diaphonie – ou diaphotie en optique –, amplifications optiques à faible bruit…).
Les fibres optiques sont aujourd'hui le support établi des liaisons numériques terrestres à très haut débit en raison de leur très grande bande passante (de l'ordre du THz), leur faible perte linéique, leur faible encombrement, leur faible poids et leur grande immunité aux rayonnements électromagnétiques.
La possibilité de multiplexer plusieurs dizaines de canaux portés par des couleurs différentes sur une même fibre optique, ainsi que la disponibilité d'amplificateurs optiques à fibre dopée en erbium, permettent aujourd'hui d'installer des liaisons transocéaniques d'une capacité de plusieurs dizaines de Gbit/s sans répéteur. Le domaine numérique est largement développé pour, et par les activités de télécommunications civiles.
Ces propriétés des liaisons optiques peuvent être avantageusement utilisées dans les systèmes hyperfréquences pour la transmission de signaux analogiques et numériques.
L'adéquation des performances des technologies développées pour les télécommunications et des besoins de performances des systèmes militaires reste à démontrer, mais la réduction des coûts liée au marché civil reste une bonne opportunité d'insertion de ces technologies dans les équipements militaires.
Il existe cependant des différences fondamentales entre la photonique hyperfréquence et les télécommunications optiques numériques liées à la nature des signaux à transmettre et à leur domaine d'applications. En effet, en photonique hyperfréquence, la nature analogique des signaux requiert pour leur transmission des fonctions de transfert les plus linéaires possibles, alors qu'en télé-communications numériques le signal étant codé binairement, la transmission sera beaucoup moins sensible aux non-linéarités de la fonction de transfert. Cette analyse aura des conséquences sur la définition des composants opto-électroniques.
Enfin, compte tenu de la disponibilité de composants optoélectroniques fonctionnant à des fréquences très élevées (> 20 GHz) il est maintenant possible d'envisager la génération directe de signaux hyperfréquences par battement de deux ondes optiques. Un tel mode de génération permet, en utilisant des photo-détecteurs dont la bande passante dépasse les 100 GHz, d'une part de s'affranchir des limitations des modulateurs d'intensité optique intégrée actuels (dépassant difficilement 40 GHz) et ainsi de couvrir le domaine des ondes millimétriques, voire submillimétriques, et d'autre part de générer directement (c'est-à-dire sans apport d'un signal électrique micro-onde extérieur de modulation) des signaux micro-ondes de grande pureté spectrale.
Après une brève introduction du principe de la génération par battement, nous présentons le principe original d'un laser émettant simultanément deux fréquences optiques, puis celui de translateurs de fréquences en optique intégrée permettant également la génération de faisceaux bifréquences. Enfin, nous abordons le principe des oscillateurs optoélectroniques ultra-stables ou largement accordables mettant en œuvre ces composants, mais également des composants plus classiques (par exemple, modulateurs d'intensité).
MOTS-CLÉS
battement de fréquences génération optique de signaux micro-ondes lasers bi-fréquence oscillateurs optoélectroniques
VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 2003 par Béatrice CABON, Jean CHAZELAS, Daniel DOLFI
DOI (Digital Object Identifier)
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2. Génération de signaux hyperfréquences par battement optique
Comme vu au paragraphe 1, le transport d'un signal hyperfréquence (ou micro-onde) sur porteuse optique se fait la plupart du temps au moyen d'une modulation d'intensité du faisceau laser, cette modulation étant « directe » (modulation du courant d'alimentation d'une diode laser) ou « externe » (modulation d'intensité via un modulateur externe, par exemple de type Mach-Zehnder). La modulation directe est généralement cantonnée à des fréquences de modulation inférieures à 20 GHz, alors que la modulation externe permet assez classiquement d'aller jusqu'à 40 GHz.
Lorsqu'il est nécessaire de transporter ou de générer des signaux micro-ondes au-delà de 40 GHz, la modulation d'intensité doit être remplacée par une génération hétérodyne du signal. Deux types d'approche sont développées : celle d'une source laser bi-fréquence ou celle d'un modulateur externe modifié pour permettre la génération de signaux bi-fréquence.
Dans le premier cas, c'est le battement entre deux faisceaux laser de fréquences optiques respectives ν 1 et ν 2 qui fournit le signal micro-onde recherché, à la fréquence |ν 1 – ν 2|. En effet, lorsqu'un détecteur optique rapide, forcément quadratique (c'est-à-dire sensible à l'intensité du champ électrique associé et non à son amplitude), détecte la superposition de deux champs optiques E 1 et E 2 , de fréquences ν 1 et ν 2 , il délivre une puissance continue proportionnelle à |E 1|2 + |E 2|2, ainsi qu'un signal de battement d'amplitude proportionnelle au produit E 1 · E 2 , et de fréquence |ν 1 – ν 2|....
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Génération de signaux hyperfréquences par battement optique
BIBLIOGRAPHIE
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(2) - ALOUINI (M.), BENAZET (B.), VALLET (M.), BRUNEL (M.), DI BIN (P.), BRETENAKER (F.), LE FLOCH (A.), THONY (P.) - Offset phase locking of Er,Yb:glass laser eigenstates for RF photonics applications. - Photonics Technology Letters, IEEE, vol. 13, n° 4, p. 367-369 (2001).
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(3) - PILLET (G.), MORVAN (L.), BRUNEL (M.), BRETENAKER (F.), DOLFI (D.), VALLET (M.), HUIGNARD, (J.-P.), LE FLOCH (A.) - Dual-frequency laser at 1.5 μm for optical distribution and generation of high-purity microwave signals. - J. Lightw. Technol, vol. 26, n° 15, p. 2764-2773 (2008).
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(4) - PILLET (G.), MORVAN (L.), DOLFI (D.), SCHIELLEIN (J.), MERLET (T.) - Stabilization of new generation solid-state dual-frequency laser at 1.5 m for optical distribution of high purity microwave signals. - Microwave Photonics (MWP), 2010 IEEE Topical Meeting on , p. 163-166 (2010).
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(5) - VAN DIJK (F.), ENARD (A.), GUANG-HUA DUAN,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Optoélectronique-hyperfréquence – Marché des composants et fonctions.
-
Optoélectronique-hyperfréquence – Photodétecteurs et commutateurs optiques.
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Optoélectronique-hyperfréquence – Fibres optiques et amplification optique.
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Optoélectronique- hyperfréquence – Contrôle optique de fonctions électroniques.
ANNEXES
1.1 Modulateurs électro-optiques et électro-absorption
Photline http://www.photline.com
Alcatel-Thales III-V Lab http://www.3-5lab.fr
OEwaves http://www.oewaves.com
EOspace http://www.eospace.com
Keopsys ex 3-S Photonics http://www.keopsys.com
HAUT DE PAGE1.2 Oscillateurs optoélectroniques
OEwaves http://www.oewaves.com
ELUXI Ltd http://www.eluxi.co.uk
HAUT DE PAGE
Conférence annuelle :
IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP)
Conférence annuelle ECOC (European Conference on Optical Communication)
Conférence bi-annuelle :
CLEO Europe (Conference on Lasers and Electro Optics) a lieu tous les deux ans à Munich (années impaires) http://www.cleoeurope.org
Réunion...
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