Activité Optique Hyperfréquence au LAAS-CNRS

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Martial Damours
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1 Activité Optique Hyperfréquence au LAAS-CNRS P. H. Merrer, H. Brahimi, P. Lacroix, S. Bonnefont, O. Llopis LAAS-CNRS, Université de Toulouse, 7 av. du Colonel Roche, Toulouse, Cedex 04, France L activité optique-micro-onde au LAAS-CNRS concerne la génération et la distribution de signaux à faible bruit de phase par l optique. Il s agit donc principalement des applications «tempsfréquence» de l optique-micro-onde. Les fibres optiques représentent tout d abord une alternative sérieuse au câblage coaxial classique pour la distribution et le routage de différents signaux dans les systèmes embarqués, en particulier les satellites de télécommunications. D autre part, les coefficients de qualité extrêmement élevés accessibles dans les systèmes optiques (lignes, résonateurs) autorisent aujourd hui des applications performantes pour le filtrage RF et la stabilisation de sources hyperfréquences. L optimisation de ces systèmes nécessite cependant une compétence multidisciplinaire, incluant des approches de modélisation/conception et de métrologie dans les domaines de l optique, des hyperfréquences, du bruit, ainsi que des techniques spécifiques d intégration. Cette activité se déroule aujourd hui autour de deux projets principaux sur la génération hyperfréquence à l aide de mini-résonateurs optiques à modes de galerie (projet ANR O2E et projet CNES/DGA/Thales). Ces projets impliquent différentes approches qui vont de la modélisation et de la réalisation technologique du résonateur à la conception et à la simulation du système complet. 1 1 Minidisque 2 2 Figure 1 : Illustrations de résonateurs optiques. A gauche, couplage sous lumière visible (laser rouge) d une sphère de 400 µm de diamètre. A droite, photographie d un minidisque de Quartz obtenu par découpe et polissage optique. Les couplages sont réalisés à l aide de fibres étirées. Ces études sont menées principalement au sein du groupe «Micro-ondes et Opto-micro-ondes pour les Systèmes de Télécommunications» (MOST) du LAAS-CNRS. Elles impliquent cependant également quelques chercheurs du groupe «photonique» et les moyens technologiques du LAAS. Parmi les autres activités menées au LAAS en relation plus ou moins directe avec l optiquehyperfréquence, on pourra noter, au sein du groupe «photonique», la réalisation de VCSEL modulables en hyperfréquences ou de lignes à cristaux photoniques.

2 Génération et distribution de signaux hyperfréquences par l optique P. H. Merrer, H. Brahimi, P. Lacroix, S. Bonnefont, O. Llopis LAAS-CNRS et Université de Toulouse 7 avenue du Colonel Roche, Toulouse, Cedex 04 Contact : llopis@laas.fr, phmerrer@laas.fr

3 Objectifs 1) Utiliser l optique pour véhiculer des signaux à haute pureté spectrale dans un système embarqué (ex : satellite, éléments d une antenne active) et éventuellement pour contrôler certains paramètres du système 2) Réaliser un filtrage micro-onde sur porteuse optique, pour profiter des très forts coefficients de qualité de certains résonateurs optiques (Q~10 10 ) Applications : sources à haute ou très haute pureté spectrale, discriminateur de fréquence à haute pureté spectrale, filtrage à fort Q semi intégré 1) Alcatel Alenia Space 2) Projet CNES/DGA/Thales + Projets ANR

4 Intérêt de la génération hyperfréquence par l optique Sources hyperfréquences à haute pureté spectrale Sources avec résonateurs diélectriques : Technologie DRO (céramique à forte permittivité) Matériaux monocristallins (saphir à modes de galerie) Bonnes performances mais encombrement important Q diminue quand f augmente (Q ~ K/f ) Oscillateur opto-hyper avec ligne à retard optique (1994) Q élevé ~ 10 GHz Q augmente quand f augmente (Q ~ K. f) Volume important Commercialisé par OEWaves 1 Sensibilité à la Température 1) X.S. Yao, L. Maleki, and D. Eliyahu, progress in the opto-electronic oscillator A ten year anniversary review, MTT-S 2004

5 Résonateurs optiques étudiés ~400µm Δν Δ =1 160 GHz Génération d une fréquence micro-onde entre deux modes de type (,n=1) et (,n=2) ou de type (,n,m) et (,n,m+1) en utilisant l ellipticité résiduelle des sphères pour lever la dégénérescence des modes m Coefficients de qualité observés très faibles ~3.3 mm Δν Δ =1 20 GHz ~7.7mm Δν Δ =1 8 GHz

6 Caractérisation optique Les mesures dans le domaine optique visent à repérer les principaux modes de résonance. ~ 8 GHz -40 Source optique : laser 1550 nm Puissance optique (en dbm) Température du laser (en C) Puissance optique (en dbm) T Mini-résonateur optique dbm -55 ~ 2 nm ~ 250 GHz Température du laser (en C) Laser DFB Fibres étirées, effilées I ou biseautées

7 Modélisation «système» du bruit dans les dispositifs opto-hyper Un ensemble de compétences et de moyens de caractérisation en bruit. Bruit basse fréquence : Deux bancs différents (cage de Faraday). Bruit haute fréquence : Amplificateurs Paramètres de bruit 1 40 GHz. Bruit de phase : Oscillateurs, amplificateurs Techniques active, passive, boucle ouverte 1 MHz 40 GHz. Bruit optique : Bruit des laser (ex : RIN) et des systèmes optiques/micro-ondes

8 Banc de bruit de phase à ligne à retard optique Optical delay line ~ 5 km E/O O/E A RF PA 90 IF A LO Att Φ Phase shifter Bruit de phase de l'ocxo 100 MHZ multiplié jusqu'à 4 GHz -40 Bruit de phase en dbc/hz Plancher de bruit, technique classique (ligne micro-onde de 10 m + détecteur à corrélation) -140 Mesure avec la technique optique (fibre de 4 km) Fréquences en Hz

9 Plateforme de caractérisation en bruit des lasers IR Laser contrôlé en T I-source CW Fibre Polarisation 12 V Analyseur de spectre électrique optique LNA RF V Voltmètre Photodiode CW amplifiée R: 50Ω à 1kΩ RIN en db/hz RIN (db/hz) ma 12 ma 15 ma 20 ma 30 ma 40 ma RIN HF d'un DFB Fréquence (Hz) 20 ma (Popt = 4,4 dbm) 30 ma (Popt = 7,0 dbm) 40 ma (Popt = 8,7 dbm) 50 ma (Popt = 9,7 dbm) 1,0E+08 1,0E+09 1,0E+10 Fréquences en Hz Bruit d amplitude (RIN) des lasers Largeur de raie - Laser DFB@1550nm -80 Réponse spectrale (dbm/hz) ,0E+00 2,0E+07 4,0E+07 6,0E+07 8,0E+07 1,0E+08 Fréquence (Hz) Bruit de fréquence des lasers (Méthodes homodyne et «self-hétérodyne»)

10 Modélisation/conception de systèmes opto-hyper à faible bruit Modélisation de liaisons optiques faible bruit ou faible bruit de phase. Liaisons avec MZ + divers types de modulation : modulation linéaire modulation à l annulation de porteuse. Cas de l oscillateur optique micro-onde Etude des différentes topologies (optiques et hyperfréquences). Approches analytiques + CAO Développement d une approche de CAO à partir du logiciel ADS

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