Rapport Technique
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Projet 13 – Rapport Technique Conception d’une optique diffractive pour une liaison optique haut débit courte distance en espace libre 2008 – 2009 Communication, photonique, optique, diffraction, nouvelle technologie, Vcsel, haut débit Équipe : Besnier Alexandre Client : Foucal Vincent Navarro Antoine Tuteur : Meyrueis Patrick Petit Damien Raddenzati Aurélien Version 1.2 – Mai 2009 Interconnexions optiques en free-space 2008 Rapport Technique - Version 1.1 i Interconnexions optiques en free-space Remerciements De nombreuses personnes ont contribué à la réalisation de ce projet. Nous voudrions remercier tout d’abord les chercheurs du Lsp, et notamment Patrick Meyrueis qui a supervisé ce projet, Patrice Twardowski qui nous a suivi tout au long de la conception de notre lentille, Bernard Kress sans qui la réalisation de la lentille n’aurait pas été possible, et enfin Bruno Serio et Victorien Rollot qui ont fait tout leur possible pour réaliser et découper notre lentille. Nous sommes également reconnaissant auprès de Vincent Foucal et François Quentel de l’entreprise D-Lightsys de nous avoir proposé ce projet innovant, de nous avoir fait confiance pour le mener à bien, et de nous avoir fourni les éléments nécessaires à son aboutissement. Nous remercions enfin Bernard Zann de nous avoir fait profiter de sa connaissance du fonctionnement des équipes projet, ainsi que Jessica Marioni pour nous avoir aidé à monter notre demande de bourse auprès d’Oseo. 2008 Rapport Technique - Version 1.1 ii Interconnexions optiques en free-space Résumé La société D-Lightsys développe et produit des dispositifs d’interconnexions opto-électroniques dans différents environnements comme l’aéronautique ou les radars. Fabriquant déjà des modules de communication sur fibre optique, elle développe actuellement de nouveaux outils de communication en espace libre, c’est à dire sans support physique et à haut débit. Le but de ce projet est d’améliorer cette nouvelle technologie en passant d’une architecture point-à-point vers du point-multipoint en vue d’une intégration dans les calculateurs présents dans les avions ou au sol. Ce système sera, par conséquent, soumis à des contraintes sévères. Pour réaliser cette amélioration, il a été proposé d’utiliser de l’optique diffractive pour partager le faisceau et l’envoyer sur différents modules de réception. Le travail s’est vu séparé en deux grandes parties. La première année a été entièrement consacrée aux études technologiques des domaines relatifs au projet et à l’élaboration du cahier des charges. Enfin, la deuxième année a été la réalisation du prototype, incluant les différentes simulations qui ont permis de concevoir la lentille diffractive ainsi que l’exécution de tests caractérisant notre système. Abstract D-Lightsys manufactures many optical interconnexion devices applied in many field such as aeronautic or radars. This company designs communication modules using fiber optics, but, nowadays, it develops, new mean of communication without any physical support called « free-space » technology. The main goal of this project is to improve this new technique from a point to point architecture to a point-multipoint one in order to insert them into plane calculating or to integrate them on systems on the ground. That’s the consequence, our prototype will be subjected to tough constraints. The key point of this project is the diffraction effect : indeed, we designed an optical diffractive lens to split the beam in two to send them on the different reception modules. The work has been divided into two grand parts. During the first year, we mainly studied the technologies existing in our final prototype and we set the specifications of our system with the client. Then, during the second year, we have manufactured our prototype including the different simulations which enable to design our diffractive lens, and then, the tests’ carrying out describing our system. 2008 Rapport Technique - Version 1.1 iii Interconnexions optiques en free-space Table des matières Introduction 1 1 Le Free-Space 1.1 Description d’une communication en espace libre . 1.1.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Structure du système . . . . . . . . . . . . 1.1.3 Système optique . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Performance d’une liaison en espace libre . . . . . 1.2.1 Positionnement relatif des éléments . . . . 1.2.2 Influence des désalignements . . . . . . . . 1.3 Comparaison entre l’optique et l’électronique . . . 1.3.1 La physique . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Transmission des données . . . . . . . . . 1.3.3 Économie d’énergie . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Implémentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Les Lasers 2.1 Introduction à la théorie des Lasers . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Les différents types d’émission . . . . . . . . . . . . . 2.1.1.1 L’émission spontanée . . . . . . . . . . . . . 2.1.1.2 L’émission stimulée . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 L’inversion de population . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Le résonateur optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Les modes transversaux . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Laser à semi-conducteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 La jonction PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1.1 Rappel des propriétés d’un semi-conducteur 2.2.1.2 La jonction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Le laser à semi-conducteur . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Le Vcsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2 2 3 4 4 6 9 9 9 11 11 . . . . . . . . . . . . . 12 12 12 13 13 13 15 17 17 19 19 20 23 25 3 L’optique diffractive 28 3.1 La Théorie de la diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.1 Principe de Huygens–Fresnel . . . . . . . . . . . . . . . 28 2008 Rapport Technique - Version 1.1 iv Interconnexions optiques en free-space 3.1.2 3.1.3 3.2 3.3 Théorie scalaire de la diffraction . . . . . . . . . . . . Diffraction de Fresnel–Kirchhoff . . . . . . . . . 3.1.3.1 L’intégrale de de Kirchhoff–Helmholtz 3.1.3.2 Théorie de Fresnel–Kirchhoff . . . . . La lentille diffractive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Fabrication d’une lentille diffractive . . . . . . . . . . Méthodes de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Ifta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Création du masque de gravure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 30 30 32 33 33 33 35 35 36 Conclusion 38 Glossaire 40 Références 41 2008 Rapport Technique - Version 1.1 v Interconnexions optiques en free-space Table des figures 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 Schématisation d’une liaison en espace libre . . . . . . . . . . Structure d’un système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rôle du système optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Position des éléments du banc . . . . . . . . . . . . . . . . . . Taux de couplage en fonction du positionnement des éléments Désalignement des modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Puissance de couplage pour une distance de 400 mm . . . . . . Puissance de couplage pour une distance de 160 mm . . . . . . Dépendance de la diaphonie par rapport à la fréquence. . . . . 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 Principe de l’émission spontanée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principe de l’émission stimulée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemple de d’inversion de population. . . . . . . . . . . . . . . . . Niveaux d’énergie dans un laser à trois niveaux et transitions possibles. Principe du résonateur de Fabry-Pérot. . . . . . . . . . . . . . . Différentes longueur d’onde pouvant exister dans le résonateur. . . . Distribution des modes dans la cavité laser . . . . . . . . . . . . . . Modes longitudinaux et filtrage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Représentation des modes transverses. . . . . . . . . . . . . . . . . Distribution spatiale de l’intensité du rayon émergeant selon les premiers modes transverses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Représentation énergétique d’un métal, d’un semiconducteur et d’un isolant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Semiconducteur dopé N et dopé P. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Représentation énergétique d’une jonction PN. . . . . . . . . . . . . Représentation du champ électrique dans une jonction PN. . . . . . Polarisation de la jonction PN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagramme énergétique d’une diode laser. . . . . . . . . . . . . . . Polarisation directe d’une diode laser. . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma d’une diode laser à émission horizontale. . . . . . . . . . . . Forte divergence du composant optoélectronque. . . . . . . . . . . . Schéma du principe d’un Vcsel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma d’un miroir de Bragg : le rayon incident à chaque interface donne un rayon réfléchi et un rayon transmis. . . . . . . . . . . . . 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2008 Rapport Technique - Version 1.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 4 5 5 6 7 8 10 13 14 14 15 16 16 17 17 18 18 19 21 21 22 23 24 24 25 25 26 27 vi Interconnexions optiques en free-space 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 2008 Principe de Huygens : décomposition d’une onde plane (a) et d’une onde sphérique (b) en sources secondaires d’ondes sphériques. . . . Principe de Fresnel : l’amplitude de l’onde au point M est proportionnelle à celle au point P. La phase et la pulsation étant égales à celles de l’onde incidente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Surfaces d’intégration pour le théorème de Green. . . . . . . . . . Surfaces d’intégration pour le théorème de Kirchhoff. . . . . . . . Différence de marche des rayons dans la lentille diffractive. . . . . . Principe de gravure d’une lentille diffractive à partir d’un masque. . Exemple de lentille gravée sur deux ou quatre niveaux. . . . . . . . Schéma du relief de la lentille diffractive. . . . . . . . . . . . . . . . Numérisation du masque de la lentille diffractive . . . . . . . . . . . Rapport Technique - Version 1.1 28 29 31 33 34 34 36 36 37 vii Interconnexions optiques en free-space Bibliographie [1] Alexandre Besnier, Antoine Navarro, Damien Petit, Aurélien Raddenzati : Conception d’une optique diffractive pour une liaison optique haut débit courte distance en espace libre, 2009. [2] Bernard C.Kress, Patrick Meyrueis : Digital Diffractive Optics. Wiley, September 1998. [3] Dls : Site internet de d-lightsys. http ://www.d-lightsys.com. [4] falstad : Applet java http ://www.falstad.com/membrane/. sur les modes transverses. [5] François Quentel : Optimisation et fabrication de micro-éléments photoniques passifs pour les interconnexions optiques numériques. Thèse de doctorat, Université Louis Pasteur, 2005. [6] Jeff Hecht : The Laser Guidebook. Mc Graw-Hill, 2ème édition édition. [7] Jeff Hecht : Understanding Lasers : An Entry-Level Guide. IEEE Press, 1993. [8] Ken’Ichi : Fundamental of Laser Optics. Springer, 1994. [9] Olivier Magnin : Application de l’optique diffractive à l’hématologie. Thèse de doctorat, Université Louis Pasteur, 2002. [10] Vincent Foucal : Étude d’un dispositif de communication en espace libre haut débit à courte distance. Rapport de stage, Ensps, 2005. 2008 Rapport Technique - Version 1.1 41/41
