Photodiode pour Répéteur Optique Sous

Master STPI-EEA
M2IUP GEII
Spécialité
OPTOELECTRONIQUE,
HYPERFREQUENCE,
SYSTEMES DE
TELECOMMUNICATION
tel: [phone]
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PROJET
INITIATION RECHERCHE/DEVELOPPEMENT
UMSII309
Master M2 IUP GEII
Spécialité :
OPTOELECTRONIQUE, HYPERFREQUENCE, SYSTEMES DE
TELECOMMUNICATION
1. Parcours Optoélectronique
Ou
2. Parcours Systèmes de Télécommunication
soutenu le 21/02/2006
par Mrs BRADTKE Romain - KAYAIAN Jean
devant le Jury :
B. ORSAL : Président
M. LAFAGE
X.BERTHOMME
F. GENTY

Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin
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Sommaire
Table des Illustrations .......................................................................................................................................... 3
I. INTRODUCTION............................................................................................................................................. 4
II. Enjeux de la Transmission Optique ............................................................................................................... 5
III. Détails d’une Transmission Optique Haut Débit......................................................................................... 6
III.1 L’émetteur optique : le LASER ........................................................................................................... 7
III.2 Le modulateur Mach ZENDER ........................................................................................................... 7
III.3 La fibre optique.................................................................................................................................... 8
III.4 Dispersion Chromatique et FCDC ....................................................................................................... 8
III.5 L’AOFD............................................................................................................................................... 9
III.6 Le répéteur optique .............................................................................................................................. 9
III.6.1. La Réception.................................................................................................................................... 10
III.6.2. La Régénération .............................................................................................................................. 10
III.6.3. La Réémission.................................................................................................................................. 11
IV. CAHIER DES CHARGES........................................................................................................................... 12
V. Etude théorique du phénomène d’avalanche par ionisation par impact................................................... 14
V.1. Ionisation par impact.......................................................................................................................... 14
V.2. Photodétecteur à avalanche................................................................................................................ 16
VI. Etude du Bruit de la photodiode avalanche ............................................................................................... 19
VI.1. Définition du bruit.............................................................................................................................. 19
VI.2. Origines physique du bruit................................................................................................................. 19
VI.3. Bruit thermique.................................................................................................................................. 19
VI.4. Bruit de Génération-Recombinaison.................................................................................................. 20
VI.5. Bruit de grenaille................................................................................................................................ 21
VI.6. Bruit en 1/f......................................................................................................................................... 21
VI.7. Bruit de multiplication ....................................................................................................................... 21
VI.8. Bruit de la source : Bruit du laser....................................................................................................... 23
VI.9. Bilan des bruits de la photodiode avalanche...................................................................................... 24
VII. Caractérisation expérimentale des composants........................................................................................ 25
VII.1. Précautions de mesure à prendre :...................................................................................................... 25
VII.2. Mesure du courant d’obscurité........................................................................................................... 25
VII.2.1. Schéma du montage de mesure....................................................................................................... 25
VII.2.2. Rappel de la Structure de la photodiode APD................................................................................ 26
VII.2.3. Résultat expérimentaux du courant d’obscurité en fonction de la tension inverse......................... 27
VII.2.4. Résultat expérimentaux de la résistance dynamique en fonction de la tension inverse.................. 29
VII.2.5. Résultat expérimentaux de la densité spectral de bruit en fonction du courant d’obscurité.......... 29
VII.3. Mesure de la densité spectrale de bruit en courant à l’obscurité de la photodiode 2.......................... 31
VII.2.1. Schéma du montage de mesure....................................................................................................... 31
VII.2.2. Détermination de la densité spectrale de bruit en courant à l’obscurité ....................................... 31
VII.2.3. Relevé de la densité spectrale de bruit en courant de l’APD 2 ...................................................... 32
VII.4. Détermination de la puissance minimum détectable l’APD 2............................................................ 32
VII.5. Conclusions sur les mesures. ............................................................................................................. 34
VIII. Conclusion générale................................................................................................................................... 35
Bibliographie ....................................................................................................................................................... 36

Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin
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Table des Illustrations
Table des IllustrationsTable des Illustrations
Table des Illustrations
Figures et Schémas :
Figure III-1: Liaison point à point WDM amplifiée optiquement........................................................................... 6
Figure III-2: Interféromètre de Mach-Zender ......................................................................................................... 7
Figure III-3: AOFD................................................................................................................................................. 9
Figure III-4: Schéma de la partie électronique d'un régénérateur 3R.................................................................... 10
Figure III-5: Amplificateur Transimpédance........................................................................................................ 11
Figure V-1 Illustration de la multiplication par ionisation par impact. Poour un électron primaire entrant à x=0,
Mn électrons sortent à w.............................................................................................................................. 14
Figure V-2 Structure des bandes d’énergie dans une photodiode PIN polarisée en inverse. ................................ 16
Figure VII-1 Structure simplifié de la photodiode APD InP/InGaAs en polarisation Inverse.............................. 26
Figure VII-2 Résistance dynamique de la photodiode APD 1&2. ........................................................................ 29
Figure VII-3 Densité spectrale de bruit en courant à l’obscurité. ......................................................................... 30
Figure VII-4: Etude du bruit en courant................................................................................................................ 31
Tableaux :
Tableau IV-1- Paramètres constructeurs des Photodiodes Avalanches................................................................. 13
Tableau VI-1 - Récapitulatif des Bruits de la Photodiode Avalanche................................................................... 24
Courbes :
Courbe III-1: Rapport Signal à Bruit en fonction du flux optique reçu ................................................................ 10
Courbe V-1: Evolution du coefficient d'ionisation des électrons en fonction du champ électrique...................... 16
Courbe V-2:Evolution du facteur de multiplication pour plusieurs valeurs du rapport p/ n ............................. 18
Courbe VI-1:Facteur d’excès de bruit des électrons et des trous pour différentes valeur du rapport des
coefficients d’ionisation .............................................................................................................................. 23
Courbe VII-1 - Caractéristique du courant d'obscurité APD 1&2. ....................................................................... 27
Courbe VII-2: Densité spectrale de bruit en courant à l’obscurité en fonction du courant d’obscurité ................ 32
C OURBE  VII-3 - P UISSANCE DE BRUIT MINIMUM DETECTABLE .............................................................................. 33

Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin
Chapitre I Introduction
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I. INTRODUCTION
L'apparition de la Fibre Optique a totalement révolutionné le monde des
télécommunications. Grâce à elle, la conception de systèmes de transmission à très grande
capacité fut désormais envisageable. L'aboutissement de nombreuses années de recherche de
base pour obtenir d'une part des fibres présentant une atténuation compatible avec les
exigences d'un réseau de télécommunications, d'autre part des composants et dispositifs
suffisamment performants et fiables a permis l'apparition des premiers systèmes de
transmission optique dès les années 90. Ils sillonnent désormais le monde entier, aussi bien
sur terre que dans le domaine sous-marin.
La transmission de l’information se fait donc désormais sur fibre optique à une longueur
d'onde de 1,55µm et à un débit élevé qui ne cesse de s'accroître (les débits 2,5 Gbits/s et 10
Gbits/s sont déjà installés et le 40 Gbits/s le sera très prochainement). Le débit est tout de
même restreint à cause des photodétecteurs et des modulateurs qui doivent être capables de le
suivre à la longueur d’onde utilisée (1.55µm).
De même les faibles pertes de la FO (environ 0,15 dB/Km) permettent le transport des
données sur de plus longues distances. En effet, de nos jours on peut utiliser jusqu'à 80/100
km de FO sans ré-amplifier et régénérer le signal pour 2 Km de câble coaxial en comparaison.
Par contre, il est bien évident qu'il faut ré-amplifier plusieurs fois le signal optique pour
parcourir de très longues distances (5.000 ou 6.000 Km) comme c'est le cas pour les liaisons
transatlantiques, et quelque fois il faut placer des répéteurs régénérateurs qui permettent de
remettre en forme le signal lorsque l’amplification ne suffit plus à restituer convenablement
les signaux d’information et d’horloge.

Photodiode pour Répéteur Optique Sous-marin
Chapitre II– Enjeux de la transmission optique.
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II. Enjeux de la Transmission Optique
L'une des difficultés de ce type de réseaux est que le signal optique est déformé lors de
sa propagation dans la FO. Cela est principalement du à la dispersion chromatique (étalement
du signal). Si on veut parcourir de très longues distances et être toujours capable de détecter le
signal afin de décoder les informations, il faudra rajouter dans ce type de réseau optique
plusieurs éléments:
Dans un premier temps on rajoute des fibres à compensation de dispersion chromatique
et des amplificateurs optiques pour reformer le signal. Cependant il est évident que l'on ne
peut pas utiliser que des étages amplificateur, d'une part à cause du bruit généré et de
l’étalement du signal, et d'autre part à cause d'une consommation accrue de la puissance
électrique de ces derniers. Au bout de plusieurs corrections (environ huit) il est nécessaire de
reformer le signal à l'aide d'un autre moyen plus efficace. C'est ici que le système de répéteur
régénérateur optoélectronique intervient, ce dernier est composé de plusieurs fonctions
optoélectroniques et électroniques: le photodétecteur est le premier en ne citant pas la
connectique préalable. Il est généralement une photodiode PIN ou APD. Ce dernier est
l'élément le plus sensible à choisir car il doit produire le moins de bruit possible et pouvoir
suivre le débits envoyé de 10 à 40 GHz (la tendance actuelle se dirige vers des photodiodes à
avalanches (dites APD) dont nous verrons la raison plus tard). L’intérêt de la photodiode à
avalanche est de multiplier elle-même le photocourant.
La partie électronique de ce genre de système est actuellement très bien maîtrisée, on
peut dés à présent réaliser des circuits électroniques fonctionnant à de très hautes fréquences.
L’enjeu de la transmission optique à hauts débits réside désormais dans la fabrication de
photodétecteurs suffisamment rapides pour fonctionner à des débits de l’ordre de 10 à 40 GHz
avec des puissances minimum détectables de l’ordre de -30 dBm soit 10µW.
Le but de ce projet est donc de trouver sur le marché des photodétecteurs les plus
adéquats en fonction de leurs performances en termes de bruit, de facteur de multiplication et
de leur bande passante. Nous disposons de plus de 2 prototypes de photodiodes fournies par
THALES AVANEX, qui sont données pour une bande passante de 25 GHz. Nous
caractériserons donc ces photodiodes.