1. les sources optiques

L’optique dans la défense
« du composant aux systèmes »
Thomas MERLET
[email protected]
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I. LES LIAISONS OPTO-HYPERFREQUENCES
Limours, 2006, January 25th
1. INTRODUCTION
2. PRINCIPE DE LA TRANSMISSION
2
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II. LES COMPOSANTS
1. LES SOURCES OPTIQUES
2. LES RECEPTEURS
3. LES COMPOSANTS PASSIFS
Limours, 2006, January 25th
4. LES AMPLIFICATEURS OPTIQUES
3
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III. OPTIQUE dans les SYSTEMES
1. LES CARACTERISTIQUES D’UNE LIAISON
2. LE BILAN DE LIAISON
Limours, 2006, January 25th
3. LES MODULES OPTO-HYPERFREQUENCES
4
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IV. LES APPLICATIONS
Limours, 2006, January 25th
5
1. LA DISTRIBUTION
2. LE DEPORT DE SIGNAUX
3. LE TRAITEMENT OPTIQUE DU SIGNAL
4. LES LIGNES A RETARD
5. AUTRES APPLICATIONS
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I. LES LIAISONS OPTO-HYPERFREQUENCES
1. INTRODUCTION
Limours, 2006, January 25th
2. PRINCIPE DE LA TRANSMISSION
6
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L’Evolution des composants optiques
Les grands début de l ’optique pour les « communications »:
1791: télégraphe de Chappe (0.4 bit/s)
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Développements technologiques pour les besoins des télécoms
1962 première démonstration d’une diode laser à semiconducteurs à 77K (IBM)
1972 Fibre multimode à faibles pertes (CORNING): 4dB/km à
0.8µm
1973 Premier laser à semiconducteurs à température ambiante
(BELL)
...
7
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L’Evolution des composants optiques
Aujourd’hui - Produits disponibles:
Émetteurs (Lasers, modulateurs)
Récepteurs (PIN)
Amplificateurs optiques
Switchs
Limours, 2006, January 25th
Composants passifs (connecteurs, coupleurs, MUX/DMUX,
câbles, ...)
...
8
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Pourquoi des télécoms optiques ?
Exemple le téléphone portable:
communications cellulaires = transmission analogique
Distribution d’ondes radio hyperfréquences vers les
portables
système de transmission analogique de signaux
numériques de données
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L’utilisateur est identifié par une fréquence hyper
HF
200
kHz
numérique
9
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Le réseau cellulaire
l’espace géographique est divisé en cellules,afin d’assurer la
couverture
Chaque cellule est équipée d’une antenne
En raison de l’allocation de fréquence et de la bande passante
limitée, chaque cellule utilise les mêmes fréquences porteuses
Il faut donc limiter la portée d’une cellule et donc augmenter le
nombre de cellules
Limours, 2006, January 25th
Chaque cellule est reliée à une station de contrôle et de gestion
10
Les distances augmentent, le débit demandé est de plus en plus
important, le coût augmente
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Le réseau cellulaire futur
Station centrale
client
client
client
client
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fibre optique
11
client
client
client
utilisation de système WDM optique
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Limours, 2006, January 25th
12
Station de base à 900 MHz
Intérieur d’un module
récepteur qui sera monté sur
une antenne à formation de
faisceaux
Photos: Dr.Alwyn Seeds, University College London
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Le WDM dans le réseau cellulaire
Exploite le multiplexage sur des porteuses optiques
Chaque canal optique est multiplexé en sous-porteuses
analogiques
Chaque sous-porteuse analogique porte les données codées
en numérique
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optique
13
électrique
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La maturité technologique 1/2
Systèmes
Réseau Multigigabit
Réseau de distribution:
CATV : Community Antenna Television
FTTC : Fiber To The Curb
FTTH : Fiber To The Home
etc …
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Réseau d’interconnections
14
Porteuse hyperfréquence sur fibre
LMDS - Local Multipoint Distribution System
MMDS - Multichannel Multipoint Distribution System
MVDS - Microwave video Distribution System
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La maturité technologique 2/2
Composants
Plus de 106 kilomètres de
fibre installés
Plus de 106 connecteurs
optiques dans le monde
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Systèmes installés avec des
temps moyens de bon
fonctionnement > 25 ans
15
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Avantages des liaisons optiques
Faibles pertes ( 0,2 dB / km )
Grande bande passante de modulation (plusieurs 10aines de GHz)
Grande bande passante optique (plusieurs 10aines de nm)
Petite taille
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Faible poids
16
Pas d’interférence électromagnétique
Coût
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FENETRES DE TRANSMISSION
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Évolution dans le temps de l'atténuation en dB / km
en fonction de la longueur d'onde
17
0.8 µm
1st fenêtre
GaAs
1.3 µm
2nd fenêtre
InP
dispersion minimale
1.5 µm
3rd fenêtre
InP
Pertes minimales
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Pic OH-
Absorption
intrinsèque
du matériau
Transport optique d’un signal électrique
Electrique
ou
cw
Emetteur
optique
Optique
cw
Electrique
Récepteur
optique
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X km
18
Le signal électrique est imprimé sur le signal optique
puis restitué , X km après, en sortie de liaison
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Applications
Numériques
transmissions de signaux numériques (0 et 1) pour transport de
données : téléphone, Internet…
transport terrestre ou sous marins
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Analogiques
19
Transport d’un signal analogique (sinusoïdal) à moyenne ou haute
fréquence : quelques MHz jusqu ’à quelques dizaines de GHz
Télévision (CaTV), radio sur fibre, applications civiles ou militaires
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Major benefits of photonics for active antenna
Next generations of active aperture
antennas should have :
significant cost and weight
reductions
Advantages of photonics : Full
immunity, remote and up-grading
capacities, mass savings, galvanic
isolation between units
better maintenance and
redundancy
expanded data exchanges
expanded frequency bands or
multi-band capabilities
multi-beam and multi-function
implementation
Limours, 2006, January 25th
Remote capacities
20
In this domain Photonics in conjunction with high speed electronics
and microwaves technologies must be merged and have a strategic
role to play.
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Digital Optical transmission
Transmission from :
Receivers to signal processing
Steering central unit to sub-arrays
Fully immune bi-directional link up to 2.5 Gb/s per channel
Based on Telecom market components
Robust 8/10b encoding protocol for (de-)serialization
SERDES
function
embedded
in FPGA
Limours, 2006, January 25th
ROSA/TOSA
SFP
transceiver
21
1998 European
Program
1 Gb/s 4 WDM
channels
Business Group Air Defence
2001 : French MoD study
2005 : TAD new radar techno
2.5 Gb/s 8 CWDM
channels
Bi-dir 2.5 Gb/s up to 200 links
I. LES LIAISONS OPTO-HYPERFREQUENCES
1. INTRODUCTION
Limours, 2006, January 25th
2. PRINCIPE DE LA TRANSMISSION
22
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Le signal
Modulation de la source optique
Transport et modification du signal optique modulé
photodétection et restitution du signal électrique incident
Electrique
cw
Optique
Récepteur
optique
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Emetteur
optique
23
X km <<
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cw
Electrique
Liaison point à point
Electrique
cw
Optique
Emetteur
optique
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Iphotodiode
Popt
Ilaser
Cas d’un laser SC modulé
directement sur son courant
de polarisation
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Electrique
Récepteur
optique
X km <<
Popt
opt
24
cw
Le signal: modulation d ’amplitude
En optique: observation sur un analyseur de spectre
optique
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Amplitude
(dBm)
Longueur
d'onde
Optique (nm)
25
Modulation d'amplitude
à double bande latérales
Fe=3GHz
Fréquence (Hz)
200 THz
1550 nm
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Evolution du signal
Popt
opt
Taux de modulation:
m=
Popt max − Popt min
2.Poptmoyen
Poptmax
=
∆Popt
Poptmoyen
Poptmin
Poptmoyen
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Ilaser
26
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Le transport: ajout de pertes
Le signal électrique hyperfréquence est modifié par son transport
en optique
Ajout de pertes aux interfaces Électrique Optique et O/E
désadaptation d ’impédance:
Ex:
la résistance série d ’un laser: 3-5ohms typiques
la PIN est une source de courant : très grande impédance
Limours, 2006, January 25th
-> solution: réaliser des circuits hyperfréquences pour
« adapter » les interfaces E/O et O/E sur 50 ohms: passifs en
bande étroite ; actifs (Mmic) large bande
27
rendement du laser et de la PIN ou efficacité de modulation
d ’un modulateur externe
Ex:
rendement laser nu : 0,1-0,2 W/A typique
sensibilité des PIN proche de 1
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Le transport: ajout de pertes
Ajout de pertes purement optiques:
les composants passifs ont des pertes d ’insertion
Ex: coupleur 1*2: 3dB
isolateur optique: de 0,6 à 1dB
connecteurs optiques: de 0,2 à 1dB
…
les modulateurs externes ont des pertes optiques intrinsèques
Ex: Mach-Zehnder LiNbO3 de 5 à 8 dB typique
Limours, 2006, January 25th
-> solution: insertion d ’amplificateurs optiques pour compenser
les pertes dans la liaison mais attention, pas toujours bénéfique
28
Business Group Air Defence
Le transport: ajout de bruit
Modification du signal électrique dans la liaison optique:
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Ajout de bruit : bruit d ’amplitude optique et bruit de phase optique
en détection quadratique: influence dominante: le bruit d ’amplitude
optique
29
Sources de bruit dans une liaison :
Laser caractérisé par son Bruit d ’Intensité Relatif: RIN -->source de
bruit dominante
Amplificateur optique caractérisé par un facteur de bruit F --> source
de bruit dominante
Photodétection: bruit de grenaille
Autres phénomènes indésirables: réflexions optiques aux interfaces
Business Group Air Defence
Le transport: ajout de bruit de phase
Bruit spécifique: bruit de phase électrique
Conversion d’une partie du bruit BF du laser au pied de
la porteuse hyperfréquence dues aux non-linéarités de
la source optique
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Power
30
F
LF RIN
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HF RIN
Le transport: les non-linéarités
Génération de signaux indésirables par suite de la non-linéarité des
composants optiques
A la détection on obtient le signal et des :
Distorsions harmoniques:
une fréquence électrique Fe --> 2Fe, 3Fe, …, nFe
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Produits d ’intermodulation à deux tons d ’ordre 2, 3, …n
2 fréquences électriques F1 et F2 --> F1+/-F2 , 2F1+/-F2, ...
31
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II. LES COMPOSANTS
1. LES SOURCES OPTIQUES
2. LES RECEPTEURS
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3. LES COMPOSANTS PASSIFS
32
4. LES AMPLIFICATEURS OPTIQUES
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Les composants: les sources
Modulation d’amplitude de la source
Electrique
cw
Optique
Emetteur
optique
Récepteur
optique
X km <<
Limours, 2006, January 25th
33
Business Group Air Defence
cw
Electrique
Les composants: les sources
2 grands types de sources optiques:
Source à modulation directe:
Laser à semi-conducteurs:
Limours, 2006, January 25th
34
1 seul composant
monomode ou multimode longitudinal
Fabry-Pérot ou Distributed Feedback (DFB)
0,8µm à 1,55µm
Source à modulation externe:
2 composants
1 laser continu à état solide ( NdYag, Cristal dopé à l’erbium )
ou laser à SC
1 modulateur externe : Mach-zehnder (LiNbO3, SC, Polymère)
ou Electro-absorption
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Source à modulation directe
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Emetteurs à semi-conducteur:
faible dimension par rapport au cœur de la fibre
relative facilité de modulation directe du courant de polarisation
spectre optique relativement étroit
longueur d ’onde compatible avec les fenêtres spectrales des
fibres
faible consommation énergétique
35
GaAs: matériau de choix
rendement lumineux élevé
fabrication de diodes électroluminescentes en 1956
1971: premier laser SC en courant continu et à température
ambiante
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Source à modulation directe
Modulation du courant de polarisation du laser
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P0
36
I0 + Ic cos(ωt)
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Différents types de laser à SC
b) gravure dans la couche active
c,d,e) contre réaction répartie
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f) réflecteur réparti de Bragg
37
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Résonnateur sélectif
a) pertes indépendantes de λ
égales ∀ modes long.
Laser à SC multimode longitudinal: Fabry-Pérot
Popt = η .( I laser − I seuil )
Optical emitted power (A.U.)
2,0
1,5
1,0
30 mA
0,5
0,0
1,26125
1,26525
1,26925
1,27325
1,27725
1,28125
Wavelength (µm)
12
38
20°C
30°C
40°C
50°C
60°C
70°C
80°C
90°C
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
Driving current (mA)
120
140
160
2,0
Optical emitted power (A.U.)
Limours, 2006, January 25th
Optical emitted power (mW)
10
1,5
1,0
50 mA
0,5
0,0
1,26125
1,26525
1,26925
1,27325
Wavelength (µm)
Business Group Air Defence
1,27725
1,28125
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Lasers à SC monomode longitudinal: DFB / DBR
39
Faible et moyenne puissance:
laser à modulation directe
Forte puissance:
utilisé en continu en modulation
externe
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Laser à SC
Fonctionnement du laser
régit par les équations d ’évolution
évolution de la densité d ’électrons et de photons au cours du
temps
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utilisées pour calculer les caractéristiques du laser:
réponse en fréquence
bruit
non-linéarité
40
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RIN - Relative Intensity Noise
Relative Intensity Noise: RIN*
Fluctuations de la puissance optique
mesuré en électrique après photodétection
distribution spectrale - bruit basse et haute fréquence
fréquence de résonance: caractéristique de la réponse intrinsèque du
laser
RIN (dB/Hz)
"LF" RIN (dB/Hz)
Limours, 2006, January 25th
1
41
1E+3
R IN ( F ) =
∆ p opt 2
2
Po p t
* Petermann et al
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1
log (F)
(kHz)
10
=
∆s2
S0
2
F (GHz)
RIN moyenne et haute fréquence
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RIN in dB/Hz
5.0 dB/div
λ = 1.5 µm, T= 25°C, I L= 50-80-120 mA
42
FR
FREQUENCY in GHz
2.0 GHz/div
Exemple: RIN= -155 dB/Hz à 7 GHz pour Ilaser= 120 mA
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RIN basse fréquence
-80
RIN
BF *
-100
RIN (dB/Hz)
mesure*
-120
théorie*
-140
Limours, 2006, January 25th
-160
43
-180
1E+01
1E+02
1E+03
1E+04
F (Hz)
* Orsal (University of Montpellier II - CEM)
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1E+05
1E+06
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Modulation d ’amplitude des lasers monomodes
44
Modulation de l ’intensité optique
Chirp
Business Group Air Defence
Réponse en fréquence
Calcul de la densité de photons modulés p1(w) --> R(F)
-20
-22
• Limitations:
-24
• réponse
intrinsèque
|S21 | (dB)
-26
-28
•
packaging
-30
-32
-34
• Pertes
typiques: 30dB
Limours, 2006, January 25th
-36
45
-38
-40
0
2
4
6
8
10
F (GHz)
Business Group Air Defence
12
14
16
18
Source à modulation externe
Mach-zehnder:
Interféromètre
LiNb03, SC, polymère
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Popt = f ( V) sinus
46
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Source à modulation externe
Electroabsorption:
SC
Popt (mW)
EXPONENTIELLE
Pc cos t
P0
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V min
47
Popt=f (V)
Exponentielle
Vc cos t
V0
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V mod (V)
Modulation externe MZ
Différents types de modulateurs
Pour les applications analogiques:
Modulateurs externes Mach-Zehnder, Niobate de Lithium, les
plus utilisés
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Utilisés avec des lasers continus de puissance à SC ou des lasers
états solides
48
RIN du laser, non modifié par le modulateur
EX: RIN lasers SC de puissance très faible :
RIN< -159dB/Hz de 100MHz à 20GHz
(I=250mA)
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Modulation externe MZ
R(F)
bande « plate »
Bande passante:
18GHz typique
Pertes électriques:
Limours, 2006, January 25th
40dB-45 dB typiques
49
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II. LES COMPOSANTS
1. LES SOURCES OPTIQUES
2. LES RECEPTEURS
Limours, 2006, January 25th
3. LES COMPOSANTS PASSIFS
50
4. LES AMPLIFICATEURS OPTIQUES
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Les détecteurs
Détection quadratique du signal optique
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Electrique
51
cw
Optique
Emetteur
optique
Récepteur
optique
X km <<
Business Group Air Defence
cw
Electrique
Les détecteurs
Il existe différents types de photodétecteurs
diode PIN, diode à avalanche,photoconducteurs ..
Composants à semi-conducteurs (matériau III-V)
Les diodes PIN sont principalement utilisées
à éclairage par la surface ou par la tranche
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Détection de 0,8µm à 1,6µm suivant la structure et le matériau
52
La photodiode fournit un photocourant proportionnel à la puissance
optique reçue (sensibilité en A/W)
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Photodiodes à éclairage par la surface
Exemple typique TRT:
Electrical Contact
Device Diameter
N-
Polyimide
SiO 2
InP Surface Layer
InGaAs Active Laye
N
InP Buffer Layer
N+
InP Substrate
InGaAsP
P+
1,3µm -1,5µm
I R < 100pA @ -10V
C < 0.1pF @ -10V
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AR Coating Al2O3
sensibilité > 0.9A/W
53
P Max opt = 18mW
Backside Illumination
Grande sensibilité - forte Puissance optique
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Electrical Contact
Photodiode à éclairage par la surface
Caractérisations des PIN
sensibilité typique : 0,5-1A/W fibré
18.00
Réponse en fréquence
PIN éclairage surface
1250nm<l<1600nm
R(F )(dB)
12.00
6.00
0.00
Limours, 2006, January 25th
-6.00
54
-12.00
Bon compromis entre
rendement et temps
-18.00
de réponse
0.00
Bande passante typique:20GHz
Popt cw max > 15mW
Business Group Air Defence
5.00
10.00
Frequency (GHz)
15.00
20.00
Photodiodes à éclairage par la tranche
Exemple typique TRT-Fr
InGaAsP
1,5µm
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L = 20µm - W = 4µm
55
R > 0.5A/W (couplage inclus)
Grande bande passante électrique
Business Group Air Defence
Photodiodes à éclairage par la tranche
PIN à éclairage par la tranche
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Grande bande passante
Max LCR: 60GHz
sensibilité: 0,2 - 0,8A/W
P optique modérée
56
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II. LES COMPOSANTS
1. LES SOURCES OPTIQUES
2. LES RECEPTEURS
Limours, 2006, January 25th
3. LES COMPOSANTS PASSIFS
57
4. LES AMPLIFICATEURS OPTIQUES
Business Group Air Defence
Autres composants utilisées dans les liaisons
Dans la liaison, différents composants optiques:
composants passifs : fibre optique, coupleurs, switch,
multiplexeurs, …
composants actifs : amplificateurs optiques
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Electrique
58
cw
Optique
Récepteur
optique
Emetteur
optique
X km <<
Business Group Air Defence
cw
Electrique
fibres optiques
Fibres à maintien de polarisation
Bow tie
Panda
Fibre Télécom
Limours, 2006, January 25th
Elliptic
59
Business Group Air Defence
Caractéristiques des fibres optiques
Atténuation
0.8µm
(Sensors)
3dB/km
1.3µm
(Comm.)
0.5dB/km
1.5µm
(Comm.)
0.25dB/km
Dispersion (Guide d ’onde + matériau): vitesse de propagation
différente suivant la longueur d ’onde optique
Fibre standard:
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60
Longueur d ’onde pour une dispersion nulle
λ0 . Ex: 1300 < λ0 < 1320 nm
Fibre à dispersion décalée:
Longueur d ’onde pour une dispersion nulle
λ0 : 1.3µm → 1.5µm (1535 - 1565 nm)
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Lien entre fibres optiques
Épissure:
épissure mécanique
épissure par fusion
pertes d’insertion: 0.05dB
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Connecteurs:
pertes d’insertion < 0.5dB
Pertes en retour
61
> 32dB
> 40dB (PC)
≥ 60dB (APC, Optoball,EC, E2000)
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Connecteurs optiques
ST-Standard Telecom
Limours, 2006, January 25th
EC-European Connector
62
E2000-European 2000
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Physical Contact (PC)
ou
Angled Physical Contact
(APC)
FC/PC or FC/APC
Autres composants passifs
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Isolateurs optiques:
pour éviter le retour de la lumière dans le sens contra-propagatif
en cas de réflexion optique
Filtres optiques :
pour sélectionner une ou plusieurs longueurs d’onde optiques
(transmission ou réflexion)
Coupleurs
Switch
...
63
Multiplexeurs optiques
pour combiner plusieurs longueurs d’onde sur une seule fibre
réseau de Bragg, filtres dichroïques, coupleurs
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Filtrage optique
Différents type de filtre:
Fabry-Pérot
Bragg
Limours, 2006, January 25th
etc…
64
Tunable bandpass filter DICON
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Multiplexage de longueurs d’onde
∆λ espacement entre canaux
échelle des nm
wavelength division multiplexing (WDM)
Exemple 1 : 1.3 / 1.5µm
Exemple 2: ∆λ = 2nm
dizaines de GHz:
Limours, 2006, January 25th
65
optical frequency
multiplexing (OFDM)
OU
high density wavelength
division multiplexing (HDWDM)
ν↔λ=c/ν
Standard ITU
fenêtre 1,55µm
Business Group Air Defence
N entrées
/ sorties
N sorties
/entrées
MUX /
deMUX
∆λ = 200GHz → 100GHz → 50GHz → ?
II. LES COMPOSANTS
1. LES SOURCES OPTIQUES
2. LES RECEPTEURS
Limours, 2006, January 25th
3. LES COMPOSANTS PASSIFS
66
4. LES AMPLIFICATEURS OPTIQUES
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L’amplification optique
ENERGIE
AMPLIFICATION
Bande
de conduction
électron
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photon
67
Bande
de valence
trou
absorption
E2-E1=h . νs
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émission
spontanée
émission
stimulée
L’amplification optique
2 grandes familles d ’amplificateurs optiques:
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amplificateurs optiques à fibre dopée avec des atomes de terre
rares: Erbium (EDFA à 1,55µm), ou dopée co-dopée à
l ’Ytterbium, Praséodyme,… (EDFA)
amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA)
68
Caractéristiques communes:
amplification du signal optique incident par émission stimulée de
photons
fournit un gain optique dans la liaison (inversion de population)
grande bande passante optique
ajout de bruit
Business Group Air Defence
EDFA: principe d’opération
Milieu à gain: fibre dopée erbium - pompée
optiquement (0,98 / 1,48µm)
2 types de pompage :
fibre classique:
pompe injectée dans le
cœur de la fibre
guidage monomode de la pompe et du
signal
-> EDFA
réalisés au LCR
Limours, 2006, January 25th
fibre double gaine: pompe injectée dans la gaine
69
guidage monomode du signal et multimode
de la pompe
-> Amplificateurs « de puissance »
Business Group Air Defence
EDFA: principe d’opération
• Insensible à la
polarisation de la lumière
Excited state
absorption
980nm
non-radiative decay
1480nm
Limours, 2006, January 25th
Pump
70
ENERGY LEVELS OF ERBIUM
Business Group Air Defence
EDFA : Les différentes structures
ISOLATOR
ISOLATOR
WDM
ERBIUMDOPED
FIBRE
Limours, 2006, January 25th
PUMP
71
Business Group Air Defence
AMPLIFICATEUR A FIBRE DOPEE
SIMPLE POMPE SIMPLE ETAGE
3.3.2 EDFA: caractéristiques
Bande passante optique: 1520 - 1570 nm (C-band)
1470 - 1520 nm (S-band)
1570 - 1620 nm (L-band)
Gain optique
Petits signaux (Pe<-20dBm)
(Typique )
Gain: 30-40dB
Forts signaux, saturation du gain
Quand Pe augmente
, le gain diminue
Gain optique (dB)
Puissance optique de
sortie maximale (à 0dBm)
• 13-18 dBm avec
des fibres dopés
standards
Limours, 2006, January 25th
30
72
20
10
-20
Business Group Air Defence
-10
0
Pe (dBm)
• 20- 40 dBm avec
des fibres doublegaines
3.3.2 EDFA: caractéristiques
Bruit:
dû à l’émission spontanée
F= (S/B)e/(S/B)s
facteur de bruit optique: 4 to 6 dB (@ 0 dBm en entrée)
En régime de saturation:
Limours, 2006, January 25th
RIN équivalent :
73
RIN AO (dB/Hz) = -156 +F (dB) -Pe (dBm)
Business Group Air Defence
3.3.2 EDFA Résultats typiques
Pour les applications analogiques:
Popt en entrée forte (grand signal)
-> AO en saturation : Puissance de sortie constante
Non-linéarités:
Mais
Durée de vie des états excités=10ms
Limours, 2006, January 25th
linéaire si utilisé en régime de saturation pour des fréquences >
few kHz
74
2HD décroît de 20dB/Déc. À partir de 1kHz (2HD<-120dBc à
100MHz)
IMD décroît de 40dB/Déc. À partir de 1KHz (IMD >-220dBc à
100MHz)
Business Group Air Defence
SOA principe
structure identique à une diode laser Semiconducteur de type Fabry-Perot:
milieu à gain
structure différente d ’une diode laser de type
Fabry-Perot:
traitement antiréfléchissant déposé sur les faces clivées
élimination des oscillations
Injection de
l’onde lumineuse
Limours, 2006, January 25th
75
Zone d’injections
des porteurs
Faces clivées avec
traitement antiréfléchissant
Business Group Air Defence
Région active
amplificatrice
SOA: caractéristiques
BRUIT (1)
-17
-18
a) sans signal optique
-19
Le bruit d ’émission spontanée amplifié: ASE
émission spontanée de photons
dans différents modes
-20
-21
1525 1535 1545 1555 1565 1575
Limours, 2006, January 25th
ESA (dBm)
amplification des photons émis-15
-20
dans le mode du signal
76
Création d ’une source
de bruit dans une liaison
source de bruit blanc additif
placée en entrée de SOA
-25
-30
-35
-40
-45
-50
1450
1500
1550
longueur d'onde (nm)
Business Group Air Defence
1600
1650
SOA: caractéristiques
BRUIT (2)
b) avec signal optique
LASER
SOA
DETECTION
Bruit de battement à la détection
• battement signal - spontané
• battement spontané - spontané
Limours, 2006, January 25th
Filtrage optique
77
p u is s a n c e d e s o r t ie ( d B m )
Amplification du signal optique
10
Simulation de
-10
filtrage optique
-30
-50
-70
-90
-110
1510
1530
1550
1570
longueur d'onde (nm)
Business Group Air Defence
1590
III. OPTIQUE dans les SYSTEMES
1. LES CARACTERISTIQUES D’UNE LIAISON
2. LE BILAN DE LIAISON
Limours, 2006, January 25th
3. LES MODULES OPTO-HYPERFREQUENCES
78
Business Group Air Defence
Le signal: modulation d ’amplitude
Puissance hyper sur la résistance interne RL de la source optique
laser à modulation directe --> courant circulant aux bornes du laser
modulateur externe --> tension aux bornes du modulateur
entrée
PHYP
Vpolar
RL × I m2
=
2
Puissance optique
Limours, 2006, January 25th
Phyp
79
entrée
HYP
P
2
m
V
=
2 × RL
P(t ) = P0 + Pm × cos(ω t + ϕ )
RL
I (t ) = I 0 + I m × cos(ω t )
V (t ) = V0 + Vm × cos(ω t )
Signal sinusoïdal à la pulsation ω <---> fréquence fe
Business Group Air Defence
Le signal: détection quadratique
Photodétection du signal optique modulée
Photocourant modulé --> Puissance hyperfréquence sur une
charge RL
PIN
Limours, 2006, January 25th
P(t ) = P0 + Pm × cos(ω t + ϕ )
80
RL
sortie
P
hyp
I PH (t ) = I PH 0 + I PHm × cos(ω t + ϕ )
sortie
PHYP
Business Group Air Defence
2
RL × I PHm
=
2
Caractéristiques des signaux : R(F)
Réponse en fréquence: R(F)
R(F) = |S21|
(dB)
Pertes
Mesurée avec un analyseur
de réseau
Réponse de la liaison en fonction de
la fréquence électrique
Limitée par interfaces E/O et O/E
Limours, 2006, January 25th
-30 dB
81
-3dB
Bande passante électrique
F (GHz)
Fc
Business Group Air Defence
Caractéristiques des signaux : bruit
Le bruit: détermination de la puissance électrique de bruit en
sortie de liaison --->rapport signal sur bruit en sortie de
liaison (SNR)
cw
cw
Emetteur
optique
Analyseur de
spectre
électrique
PIN
Limours, 2006, January 25th
Amplificateur
faible bruit
82
PBruit = RL × ( RIN × I
Business Group Air Defence
2
PH
+ 2eI PH
kT
+
)B
RL
Caractéristiques des signaux : bruit
Exercice : calculer la puissance de bruit en sortie de liaison sur une
bande de 1Hz ???
Données:
laser:
RIN = -155 dB/Hz
Poptique = 10 mW
fibre: perte de connexion= 3dB
Limours, 2006, January 25th
photodiode:
83
Sensibilité: 0,8A/W
impédance de sortie: 50 ohms
Business Group Air Defence
cw
Emetteur
optique
cw
PIN
Caractéristiques des signaux : bruit
Solution :
PBruit = RL × ( RIN × I
Que vaut Iph ?
2
PH
+ 2eI PH
kT
+
)B
RL
Iph = Poptique × pertes× sensibilité
Iph = 10×
1
( −3 )
10
× 0,8 = 4 mA
10
Limours, 2006, January 25th
Puissance de bruit?
84
Pnoise
1.38e − 23 * 300 
 (−15510 )
= 50 × 10
× (4e − 3) 2 + 2 ×1,6e − 19 × 4e − 3 +
 ×1
50


Pnoise = 3.21e −16 mW / Hz = −154.9 dBm/ Hz
Business Group Air Defence
Caractéristiques des signaux : NL
Puissance (dBm)
F1
F2
IM D3
IM D2
IM D5
Limours, 2006, January 25th
F2-F1
85
F2+F1
2*F1-F2
2*F2-F1
2*F1
3*F1-2*F2
Business Group Air Defence
3*F2-2*F1
2*F2
Fréquence, A.U.
Caractéristiques des signaux : NL
Mesure des IMD3 (produits d ’intermodulations d ’ordre 3 à 2 tons)
Les plus gênants se situent dans la bande de réception : difficile à
filtrer
cw
Limours, 2006, January 25th
F1 F2
86
Emetteur
optique
cw
PIN
Détermination de plusieurs caractéristiques
Business Group Air Defence
F1 F2
Caractéristiques des signaux : NL
Psortie
à f1 et f2
IP3
Linéarité
à Pe
à 2.f1-f2
Limours, 2006, January 25th
SFDR
point de compression à 1dB
point d ’interception d ’ordre 3
Rapport signal sur spurious: linéarité
SFDR
P de bruit
dans 1Hz
87
Pentrée
Pe
Business Group Air Defence
Non-linéarités: IMD3
P1dB laser à modulation directe > ou = Modulation externe MZ
SFDR Modulation externe MZ > SFDR laser modulation
directe
0
-20
P1dB typique
> 25dBm -
Ps (dBm)
-40
SFDR typique 100110 dB dans 1Hz
-60
Limours, 2006, January 25th
-80
88
IP3 >30dBm
-100
-120
-10
-5
0
5
Pe (dBm)
Business Group Air Defence
10
15
20
III. OPTIQUE dans les SYSTEMES
1. LES CARACTERISTIQUES D’UNE LIAISON
2. LE BILAN DE LIAISON
Limours, 2006, January 25th
3. LES MODULES OPTO-HYPERFREQUENCES
89
Business Group Air Defence
Bilan de liaison
Performances de la liaison optique analogique complète
Paramètres « systèmes »:
Gain
Puissance en entrée : PC1dB
Non-linéarités, dynamique, SFDR
Bruit de phase: pureté spectrale
Facteur de bruit
Limours, 2006, January 25th
( S / B) in
1 B
NF =
= ⋅ out
( S / B ) out G Bin
90
dB
NF dB = ( S / B) indB − ( S / B) out
Business Group Air Defence
signal
signal
(S/B)in
dB
bruit
Liaison
optique
(S/B)outdB
bruit
Bilan de liaison
désadaptation d’impédance:
laser
ligne
50 Ω
Limours, 2006, January 25th
photodiode
91
1 MΩ
5Ω
ligne
50 Ω
Z 50 − Z l 5 − 50
Γin =
=
= −0.8
Z 50 + Z l 5 + 50
En cas de réflexions en aval de la
photodiode, des oscillations
importantes auront lieu dans la
bande
Il faut faire une adaptation d’impédance
Business Group Air Defence
Bilan de liaison
adaptation d’impédance résistive:
45 + 5 = 50 Ω
Vpolar
Puissance optique
Phyp 45 Ω
Limours, 2006, January 25th
5Ω
92
Business Group Air Defence
vue de la ligne HF, l'impédance du
module laser vaut 50Ω
Ω
réflexions HF sont supprimées
Adaptation large bande
dissipation de puissance dans la
résistance série (=pertes)
Bilan de liaison
adaptation d’impédance résistive:
Vpolar
Puissance
optique
Limours, 2006, January 25th
MΩ
93
vue de la ligne HF, l'impédance du
module photodiode vaut 50Ω
Ω
réflexions HF sont supprimées
adaptation large bande
division du courant de sortie (=pertes)
Business Group Air Defence
50 Ω
Phyp
Bilan de liaison
adaptation d’impédance réactive (self, capa):
Vpolar
Puissance optique
Phyp
adaptation
réactive
Limours, 2006, January 25th
5Ω
94
Business Group Air Defence
vue de la ligne HF, l'impédance du
module vaut 50Ω
Ω
réflexions HF sont supprimées
Pertes faibles
adaptation bande étroite (10%)
Bilan de liaison
adaptation d’impédance réactive (self, capa):
Entrée HF
puce laser
0
Limours, 2006, January 25th
S11 (dB)
-5
95
-10
-15
Sans adaptation
Avec adaptation
-20
-25
-30
3
3.5
4
Fréquence (GHz)
Business Group Air Defence
4.5
5
Bilan de liaison
adaptation d’impédance réactive (self, capa):
Vpolar
Puissance
optique
Limours, 2006, January 25th
MΩ
96
vue de la ligne HF, l'impédance du
module vaut 50Ω
Ω
réflexions HF sont supprimées
Pertes faible
adaptation bande étroite (10%)
Business Group Air Defence
adaptation
réactive
Phyp
Bilan de liaison
adaptation d’impédance réactive (self, capa):
Adaptation réactive
d'une puce photodiode,
avec des lignes distribuées
Limours, 2006, January 25th
97
Il est plus difficile
d'adapter une photodiode
(MΩ
Ω 50Ω
Ω)
qu'un laser (50Ω
Ω 5Ω
Ω)
S22 (dB)
Sortie HF
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
sans adaptation
avec adaptation
2,6
3
3,4
3,8
4,2
Fréquence (GHz)
Business Group Air Defence
4,6
5
Bilan de liaison
adaptation d’impédance active: MMIC (Monolithic Microwave
Integrated Circuit)
Adaptation aux 2 extrémités de la liaison
Constitué d’un réseau d’adaptation et d’amplificateur
Apporte du gain à la liaison
Large bande (20 GHz, 40 GHz, 60 GHz)
Limours, 2006, January 25th
Bande étroite (quelques % à 10 %)
98
Business Group Air Defence
III. OPTIQUE dans les SYSTEMES
1. LES CARACTERISTIQUES D’UNE LIAISON
2. LE BILAN DE LIAISON
Limours, 2006, January 25th
3. LES MODULES OPTO-HYPERFREQUENCES
99
Business Group Air Defence
Réalisation de modules hyperfréquences
Limours, 2006, January 25th
Sous-modules Laser
10
0
Sous-module photodiode
Bande passante : 18 GHz (Laser et PIN)
Température de stockage = -65 / +150°C
Business Group Air Defence
Réalisation de modules hyperfréquences
Limours, 2006, January 25th
Module Laser
10
1
Business Group Air Defence
Module photodiode
Réalisation de modules hyperfréquences
Limours, 2006, January 25th
Module photodiode 10 kHz- 40 GHz
10
2
Business Group Air Defence
Module photodiode 20 GHz
Limours, 2006, January 25th
Réalisation de modules hyperfréquences
10
3
Business Group Air Defence
Limours, 2006, January 25th
Récepteur 40-43 GHz pour radio sur fibre
10
4
Business Group Air Defence
Ampli RF radio sur fibre
MMIC driver simulated @ 41 GHz
33.0
Pout [dBm], Gain [dB]
30.0
27.0
24.0
21.0
Pout
18.0
Gain
15.0
0.0
3.0
6.0
9.0
12.0
15.0
Pin [dBm]
MMIC driver simulated @ Pin=12 dBm
35.0
Limours, 2006, January 25th
Pout [dBm], Gain [dB]
30.0
10
5
25.0
20.0
15.0
10.0
5.0
Gain
Pout
0.0
37.0
39.0
41.0
frequency [GHz]
Business Group Air Defence
43.0
45.0
Filtre redresseur radio sur fibre
TF1 MMIC
filter
Microstrip line
(substrate :
0.25 mm
thickness
alumina)
Limours, 2006, January 25th
Input
10
6
Business Group Air Defence
Output
Filtre redresseur radio sur fibre
Filter 1
10
VC1 to VC5 = - 1,5 V
5
VC1 to VC5 = - 1,6 V
0
VC1 to VC5 = - 1,7 V
VC1 to VC5 = - 1,8 V
S21 (dB)
-5
VC1 to VC5 = - 1,9 V
-10
VC1 to VC5 = - 2 V
VC1 to VC5 = - 2,1 V
-15
VC1 to VC5 = - 2,14 V
-20
VC1 to VC5 = - 2,16 V
-25
VC1 to VC5 = - 2,19 V
VC1 to VC5 = - 2,2 V
Limours, 2006, January 25th
-30
10
7
VC1 to VC5 = - 2,3 V
-35
VC1 to VC5 = - 2,4 V
VC1 to VC5 = - 2,5 V
-40
0
5
10
15
20
Frequency (GHz)
Business Group Air Defence
25
30
35
40
Elements included in the
packaged filter :
• MMIC amplifier (bandwidth
>35 GHz from MMIC
measurements)
• Microwave interconnects and
bias circuits
Packaged Amplifier
performance :
• max. bandwidth ≈ 35
GHz
Récepteur large bande radio sur fibre
Cleaved 12 micron waveguide
photodiode from Thales R&T-Fr
+ macao amplifier from UMS
Coupled
fibre
Main
output
Photodiode
Limours, 2006, January 25th
Macao
MMIC
amplifier
10
8
Business Group Air Defence
Clock
recovery
output
Tests de qualification
Essais CEM
Limours, 2006, January 25th
Essais vibration
10
9
Business Group Air Defence
Limours, 2006, January 25th
IV. LES APPLICATIONS
11
0
1. LA DISTRIBUTION
2. LE DEPORT DE SIGNAUX
3. LE TRAITEMENT OPTIQUE DU SIGNAL
4. LES LIGNES A RETARD
5. AUTRES APPLICATIONS
Business Group Air Defence
Limours, 2006, January 25th
Distribution sur une seule fibre
11
1
Business Group Air Defence
Limours, 2006, January 25th
MARINE RADAR
Ship to radar link using
a singlemode optical rotary joint
RADAR MULTI-FONCTIONS
Évaluation des dommages
Lien montant
radar/missile
Confirmation
Contre-contre de détection
mesures
électroniques
Poursuite 3D
Veille radar
Limours, 2006, January 25th
Acquisition de
cibles par désignation externe
11
3
Cartographie
de l’air : fouillis de
terre et de mer,
pluie, brouillage
Business Group Air Defence
Surveillance
Détection
Poursuite
Détection de cible de surface
PROPOSED DEMONSTRATOR ARCHITECTURE
Point to point transmissions / experimental setup
Otx Direct Mod.
X band
ODx1
ORx
Ku band
Otx Direct Mod.
X band
Otx Ext. Mod.
Ku band
OA1
Otx Ext. Mod.
Ku band
Limours, 2006, January 25th
OMx
1
ORx
2.5Gb/s
OMx
2
ORx
Ku band
Rotar
y
joint
Otx Dir. Mod.
2.5Gb/s
DEMONSTRATOR PERFORMANCES
Point to point transmissions / experimental setup
Range
Aimed performances
1 - 18 GHz1
1 - 18 GHz1
1, 3, 5, 10 & 18 GHz1
10 GHz
3.5 GHz (∆f=10MHz)
-
+/- 2 dB max
- 10 dB max
-135 dBc/Hz max
-100dBc max
80 dB min
Type of measurement
Variation of S21
S11 and S22
Phase noise floor at >10kHz offset
Variation of S21 with joint angle
Spurious due to intermodulation
Isolation from other channels
Limours, 2006, January 25th
OPERATING TEMPERATURE : 0 up to 50°C
Notes : 1 frequency range limited to X-band for links using directly modulated laser
Distribution de signaux: 1 seule fibre
R
F
L
O
L
O
L
O
Otx Direct
Mod.
Otx Direct
Mod.
Otx Ext. Mod.
Otx Ext. Mod.
ORx
OA1
OM
x1
OM
x2
ODx
1
ORx
Otx Dir. Mod.
ORx
Limours, 2006, January 25th
Digital
11
6
Business Group Air Defence
Shelter
Antenna
R
F
L
O
L
O
L
O
Digital
Optical Analog Distribution
ANTENNA
RADAR
CABIN
Analog channels
Clocksync, Decoys,..
Analog channels
Clocksync, Decoys,..
CWDM
BB :
ROJO+WD
M
2.5 Gb/s full duplex
2.5 Gb/s full duplex
Photonic links for analog
transmission
distribution 2:64
reference
11
7
Transmission of RF & LOs, Clock
reference signals
Based on COTS (long haul)
components
Compliance with required SNR
owing to careful design in optical
architecture design, impedance
matching & and low noise electronic
drivings
Business
Group Air Defence
-115
-120
-125
-130
d B c /H z
Limours, 2006, January 25th
-110
-135
-140
-145
-150
-155
-160
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
f offset (Hz)
1.E+05
1.E+06
Système de défense aérienne élargie
Générateur
électrique
Shelter
logistiques
Liaison
optique
Module
d’engagement
Module radar
IFF
Limours, 2006, January 25th
Liaison radio 5km ou fibre optique 1km
11
8
4 à 6 lanceurs
&
8 missiles
Business Group Air Defence
Limours, 2006, January 25th
IV. LES APPLICATIONS
11
9
1. LA DISTRIBUTION
2. LE DEPORT DE SIGNAUX
3. LE TRAITEMENT OPTIQUE DU SIGNAL
4. LES LIGNES A RETARD
5. AUTRES APPLICATIONS
Business Group Air Defence
Déport d’antenne de satellite
Concept démontré et en
fonctionnement
Exemple 1:
3.6 - 4.2GHz
Diamètre d’antenne = 9m
Longueur de transmission > 20km
CNET Lannion - Bretagne
Limours, 2006, January 25th
Exemple 2:
jusqu’à 6.5GHz
Longueur de transmission = 20km
Kourou centre de l’espace (Guyane)
12
0
Business Group Air Defence
Déport d’antenne
émetteur L3
Limours, 2006, January 25th
X mètres
12
1
récepteur
Business Group Air Defence
récepteur L3
amplificateur
Déport d’antenne radar sol
Champ d ’antennes
24 sous -réseaux connectés par
des liaisons optiques à l ’unité de
traitement centrale
Limours, 2006, January 25th
Liaisons optiques analogiques
pour transporter les signaux
radars
Liaisons numériques pour le
contrôle et le déport des données
reçues
12
2
systèmes installé en Australie
Business Group Air Defence
Gigue (jitter) et bruits
Représentation d’un signal électrique
s(t)
bruit d’amplitude (AM)
bruit de phase (PM) s(f)
A
Limours, 2006, January 25th
A
12
3
t
représentation temporelle
Business Group Air Defence
f
représentation fréquentielle
Bruit au pied de la porteuse hyperfréquence
s(f)
A
Limours, 2006, January 25th
f
12
4
dans un système optohyperfréquence, AM=PM *
dans un système hyperfréquence, AM <<PM **
* M.B. BIBEY & Al., MTT Conf, USA, 1997
** C. COX, Trans. On MTT, 1997
Business Group Air Defence
Pureté spectrale
Phyper
L(f) (en dBc / Hz
àF)
1Hz
Limours, 2006, January 25th
12
5
fréquence
F+f
Bruit de phase (dBc/Hz)
F
900OL2
MHz
-100
MLOH
Modèle
Mesure
Mesure
-120
-140
-160
0.01
0.1
1
10
fréquence (kHz)
Business Group Air Defence
100
1000
La pureté spectrale
F = 9 GHz
DFB (IL=120mA) + PIN (Iph=7mA) m=40%
theorie
mesure
-100
Limours, 2006, January 25th
L(f) dBc/Hz
-110
12
6
-120
Résultats
-130
-142dBc/Hz
-140
@ 9GHz
-150
-160
10
100
1 000
10 000
F (Hz)
Business Group Air Defence
100 000
1 000 000
10 000 000
RIN moyenne et haute fréquence
Limours, 2006, January 25th
RIN
in dB/Hz
5.0 dB/div
λ = 1.5 µm, T= 25°C, I L= 50-80-120 mA
12
7
FR
FREQUENCY in GHz
Business Group Air Defence
2.0 GHz/div
RIN basse fréquence
RIN BF
-80
*
mesure*
-100
RIN (dB/Hz)
théorie*
-120
-140
Limours, 2006, January 25th
-160
12
8
-180
1E+01
1E+02
1E+03
1E+04
F (Hz)
* Orsal (University of Montpellier II - CEM)
Business Group Air Defence
1E+05
1E+06
Limours, 2006, January 25th
Report du bruit BF
12
9
Business Group Air Defence
Synthèse de l’exigence pureté spectrale
Système fonctionnant principalement en bande étroite (OL à
fréquence fixe)
Exigence très restrictive sur les niveaux de pureté spectrale
•
Plancher de bruit blanc inférieur à –150 dBc/Hz
-100
Limours, 2006, January 25th
L(f) dBc/Hz
-110
13
0
-120
-130
-140
-150
-160
10
100
1 000
10 000
F (Hz)
Business Group Air Defence
100 000
1 000 000
10 000 000
Implication sur les liaisons
Niveau de bruit en sortie de liaison le plus faible possible
Pertes de liaisons les plus faibles possibles
•
Insertion d’amplificateur hyperfréquence en amont et en aval de la
liaison
•
Insertion d’amplificateur optique dans la liaison: attention, le gain est
augmenté, mais le bruit aussi
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Pbruit = RL .(
13
1
k .T
2
+ 2.e.I ph + ( RIN laser + RIN AMPLIFICATEUR ).I ph ).B
RL
gainhyper avec amplification = gainhyper sans amplification * gainoptique
2
•
Utilisation de la modulation externe
Business Group Air Defence
Limours, 2006, January 25th
IV. LES APPLICATIONS
13
2
1. LA DISTRIBUTION
2. LE DEPORT DE SIGNAUX
3. LE TRAITEMENT OPTIQUE DU SIGNAL
4. LES LIGNES A RETARD
5. AUTRES APPLICATIONS
Business Group Air Defence
Techniques for multi-beamforming
ADC
ADC
ADC
ADC
Optical
manifold
ADC
ADC
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Microwave
Beamforming
13
3
• Heavy Volume – Weight
• No reconfiguration
• Limited Bandwidth
• Limited number of
beams
Digital Beamforming
• Reconfiguration
• Large number of beams
• SP Complexity
• Limited Bandwidth
Optical
Beamforming
• Light volume - Weight
• Large Bandwidth
• Limited reconfiguration
• Limited number of
beams
Optical BeamForming is attractive for 1D & 2D
Business Group Air Defence
1D Dispersive Optical Beamforming – Principle
True Time Delay Slopes
between optical carriers
Optical sommation of
microwave signals
λ1
16 lines
λ1
Sub-array
Rx module
LNA
Laser λ1
Rx module
LNA
Laser λ2
Rx module
LNA
Limours, 2006, January 25th
Rx module
LNA
13
4
W
D
M
Laser λ i
λ2
λi
λ16
Optical
Rotary Joint
λ16
Dispersive fiber
Dispersive fiber
Pd
beam 1
Pd
beam 2
Pd
beam 3
Pd
beam 4
Laser λ16
Optical Manifold
Antenna
0°
Business Group Air Defence
S
P
L
I
T
T
E
R
λ2
λ1
λj
λ2
λ1
λλjn
λ2
λ1
λλjn
λ2
λλin
Dispersive
fiber
elevation
112 3 4
élévation
elevation
Steering with dispersive fiber
d
τ = ⋅ sin (θo )
c
L=
τ = Dch ⋅ ∆λ ⋅ L
d
c ⋅ Dch ⋅ ∆λ
⋅ sin (θ 0 )
Limours, 2006, January 25th
13
5
Scan
angle
Fiber
Length
44
Relative delay (ns)
Relative
Delay
(ns)
retard
relatif (ns)
55
33
22
11
00
1510
0
1520
5
1530
10
1540
15
1550
20
1560
25
Longueur
Radiatging
d'onde
element
(nm)#
Wavelength
(nm)
Business Group Air Defence
1570
30
1580
35
Optical summation basics
Summation through RF combiner
Optical Summation
1
2
⋅ Z ⋅ (N ⋅ m ⋅ I )
2
SNRΣo =
RIN
2
k ⋅T + 2 ⋅ q ⋅ Z ⋅ N ⋅ I + Z ⋅
⋅ (I ⋅ N )
N
(
)
⋅ N⋅ P 2
SNR
=
= N ⋅ SNR
ΣRF
0
⋅N⋅B
L
Limours, 2006, January 25th
Summation With Optical links
through RF combiner :
13
6
SNRΣLO
L
Pd
L
Pd
1
2
⋅ Z ⋅ (m ⋅ I )
2
= N⋅
k ⋅ T + 2 ⋅ q ⋅ Z ⋅ I + Z ⋅ RIN ⋅ I ²
Business Group Air Defence
L
SNRΣo = N ⋅
Opt
Σ
Pd
1
2
⋅ Z ⋅ (m ⋅ I )
2
k ⋅T
+ 2 ⋅ q ⋅ Z ⋅ I + Z ⋅ RIN ⋅ I 2
N
Optical summation by WDM
L
L
Optical
WDM
Pd
Photodetected power (dBm)
Optical beating interferences are
strongly attenuated owing to the
shape of the WDM filter channels
Phase to amplitude conversion
should occur depending on the
filter shape
Limours, 2006, January 25th
Frequency offset (Hz)



RIN WDM ( f ) = 




13
7
2
 f
1 + 
γ
(f
2
r
−f

 ⋅ f r2

)
2 2
+ (γ ⋅ f )2
2



2
2
 ⋅ ∆ν LASER ⋅ H WDM (ν 0 )

Po 2



λ
Frequency (GHz)
RIN without & with WDM filter
Business Group Air Defence
Optical summation by WDM
L
L
Optical
WDM
Pd
Experimental validation (1/2)
sin 2 (π ⋅ f ⋅τ BI ) 
C2 
SI ( f ) = 4⋅
⋅
C
+

 1
f 
f2

∆ν LASER = π ⋅ C1
Frequency (GHz)
Limours, 2006, January 25th
RIN measured & fitted
13
8


RIN( f ) = 


Self delayed interferences to
determine laser linewidth
Business Group Air Defence
2
(f
f r2
2
r
−f2
)
2
+ (γ ⋅ f )2
2
  1  + (2 ⋅ π ⋅ f )2
  τe 
 ⋅
⋅ K LASER

(2 ⋅π ⋅ f r )4

Optical summation by WDM
L
L
Optical
WDM
Pd
Experimental validation (2/2)
Limours, 2006, January 25th
Frequency (GHz)
13
9
Max Filter slope can be specified
Business Group Air Defence
Dispersion based OBFN Mock-up
A
ϕ
Laser λ1
1510 nm
A
ϕ
Laser λ1
1530 nm
ϕ
Laser λ1
1550 nm
ϕ
Laser λ1
1570 nm
A
A
0m
34 m
C
W
D
M
Antenna
Four elements
spaced from λ/2
Limours, 2006, January 25th
demonstrated with CWDM uncooled lasers
14
0
Limited to 4 elements
Lasers and Photodiodes are reactively matched
classical fiber with 17 ps/nm.km dispersion is
used
Business Group Air Defence
68 m
102 m
Pd
Ω
Experimental results
Test
Benc
h
-90
-70
-50
Fixed Emitting
Horn
-30
-10
10
30
50
70
90
0
Fiber
lengt
h
Angle
Standard fiber
length
(17 ps/nm.km)
Dispersive fiber
length
(300 ps/nm.km)
0m
0m
3.6
34.4 m
1.9 m
7.2
68.8 m
3.9 m
10.8
103.2 m
5.8 m
-10
0
-20
-30
Limours, 2006, January 25th
-40
14
1
dépointage optique 0°
dépointage optique 3.6°
dépointage optique 7.2°
dépointage optique 10.8°
d
L=
⋅ sin (ϑo )
c ⋅ D ⋅ ∆λ
Very similar to classical RF manifold
Side lobe levels compatible to
predicted ones
Business Group Air Defence
Temperature stability of dispersive OBFN
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
25°C
Limours, 2006, January 25th
L1
14
2
L2
L3
L4
65°C
102 m
C
W
D
M
Pd
Ω
-40°C
Laser modules would be thermally
controled for operationnal
architectures
Climatic chamber
-40°C -> +65°C
Business Group Air Defence
second order variation in
temperature
Dispersion based OBFN Frequency stability
-1.00E+02
-8.00E+01
-6.00E+01
-4.00E+01
-2.00E+01
0.00E+00
2.00E+01
4.00E+01
-8.00E+01
-6.00E+01
-4.00E+01
8.00E+01
1.00E+02
-1.00E+02
-8.00E+01
-6.00E+01
-4.00E+01
-2.00E+01
0.00E+00
0.00E+00
-5.00E+00
-5.00E+00
-1.00E+01
-1.00E+01
-1.50E+01
-1.50E+01
-2.00E+01
-2.00E+01
-2.50E+01
-2.50E+01
-3.00E+01
-3.00E+01
-3.50E+01
-3.50E+01
3 GHz
-4.00E+01
-1.00E+02
6.00E+01
0.00E+00
-2.00E+01
0.00E+00
2.00E+01
4.00E+01
6.00E+01
8.00E+01
2.00E+01
4.00E+01
6.00E+01
8.00E+01
1.00E+02
2.7 GHz
-4.00E+01
1.00E+02
0.00E+00
-5.00E+00
OBFN based on Optical Time Delays :
-1.00E+01
Limours, 2006, January 25th
-1.50E+01
14
3
No beam squint with frequency
variations
-2.00E+01
-2.50E+01
-3.00E+01
-3.50E+01
-4.00E+01
Business Group Air Defence
3.3 GHz
Target application : Space FAFR
Within ESA SAT ‘N LIGHT project we have
selected a FAFR (Focal Array Fed Reflector)
Rx antenna as a “study case”.
• well-suited for narrow angular coverage for
GEO satellite
• based on cheap radiating aperture of a
reflector
Limours, 2006, January 25th
• many clusters of horns form numerous
beams
14
4
Ka band, 1 GHz bandwidth, diameter = 1.2 m, focal length = 1 m
170 feeds for 34 beams in Northern Hemisphere
Business Group Air Defence
Why to optically steer an active antenna ?
Beam forming is a complex architecture from
170 RF inputs towards 34 outputs with
≈ 400 RF amplitude controls
≈ 400 RF phase controls
≈ 200 splitters / combiners
Optical architectures lead to drastic weight
and volume savings.
Among the 2 classes of optical architectures :
• True Time Delay Beam Steering
Limours, 2006, January 25th
• “Coherent” Phase Steering
We have selected the latter approach since it
corresponds to the ultimate integration
capacity for satellite application
14
5
Business Group Air Defence
Coherent Optical Controlled
Antenna (OCA) estimation* :
•Mass < 50 kg
•Consumption < 220 W
•Volume < 6 liters
* From SAT N LIGHT phase 1
FAFR implementation of OCA architecture
Phase weight 34x12
Amplitude weights : 34x12
signal RF 1
signal RF 25
modulator
modulator
modulator
signal RF 145
signal RF 170
modulator
modulator
modulator
Wafer 1
Wafer 7
detector
detector
detector
detector
Beam 1
Beam 34
Limours, 2006, January 25th
Optical fiber
14
6
Heterodyne source
Heterodyne source
LO
Patent Fr 99 13358 (registration number) T. MERLET, O. MAAS « Dispositif de commande pour la formation de plusieurs
faisceaux simultanés de réception radar à antenne à balayage électronique »
Patent Fr 2 779 579 T. MERLET, O. MAAS, D. DOLFI « Dispositif de commande optique pour l’émission et la réception
d’un radar large bande »
Business Group Air Defence
Dual-Frequency Laser LO source
Dual-frequency laser cavity - Principle
Cavity rear mirror
Limours, 2006, January 25th
The anisotropic LTO media induces two cross-polarized axis for lasing effect
• 2 laser beams are sharing the same active gain media (YAG crystal)
• 2 cross polarized pulsations are “naturally” frequency shifted in GHz range
• Beating is locked through a Phase Lock Loop
14
7
Business Group Air Defence
DUAL FREQUENCY LASER
Etalon
Laser beam
Optics for PLL and
Control
Yag+LTO
Limours, 2006, January 25th
Input fibre
14
8
Very mechanically
stable cavity design
Dual Frequency Laser
Cavity
Business Group Air Defence
Dual-Frequency Laser LO source
Beating frequency tunable with
LTO temperature or applied
voltage on LTO
Microwave tunability
Limours, 2006, January 25th
Temperature sensitivity:
Λ= 370 MHz / K
Voltage sensitivity:
Γ = 2 MHz / V
Tunability range:
0.5 –1.5 GHz
14
9
• Very pure and powerful line width once locked
• Thermal issues to be solved
Business Group Air Defence
Single Polarization Modulator
FC/APC
Polarisation
Polarisation
Maintaining Fiber
Maintaining Fiber
FC/APC
Coherent architectures are based upon delay coding in the range of 1 optical
wavelength (1 µm).
• For RF phase stability, optical beams shall witness the same variations.
• Beams need to be carried on superposed on the same media
Limours, 2006, January 25th
“Single polarization modulator” means :
15
0
• A modulator that transmit both polarizations, contrary to usual modulators.
• A modulator that only modulates one of the polarization.
Refer to Photline presentation for detailed explanations
Business Group Air Defence
SINGLE POLARIZATION MODULATOR
FRF
ΩL+ ΩOL (E1)
ΩL+ ΩOL (E1)
ΩL+ ΩOL (E1)
ΩL+ ΩOL+ 2π FRF (E1)
Modulator
Hybrid version:
phase modulators assembled in a
fiber Mach Zehnder interferometer
configuration
ΩL+ ΩOL (E1)
ΩL+ ΩOL+ 2π FRF (E1)
PBC
PBS
ΩL (E2)
ΩL (E2)
Limours, 2006, January 25th
ΩL (E2)
15
1
2 single polarization modulators
within a closed box with foam
• Up to 20 GHz, BW> 1 GHz
• Vπ = 10 V, IL = 6-7 dB
Business Group Air Defence
• Integrated version is mandatory for
coherent architectures
SLM Weighting module principle
S
L
M
P
H
A
S
E
ϕ
S ϕ ϕ,A
L
M
Collimated
fibers
A
T
T
polarizers
Nematic Amplitude and Phase Spatial Light Modulators
Limours, 2006, January 25th
8 collimated channels. 0-15 dB attenuation range. 0-180° phase range
15
2
• H polarization is delayed relatively to V polarization by a tuneable voltage
applied on Phase SLM pixel
• Both polarization are 45°projected, rotated by “At tenuation SLM” and
analysed by the second polarizer. Rotation is controlled by the applied
voltage on each pixel and lead to a tuneable attenuation
Business Group Air Defence
Limours, 2006, January 25th
Amplitude and phase weighting modules
15
3
Business Group Air Defence
SLM Phase & Amplitude Accuracy
5
Amplitude accuracy observed
during 2 minutes for different
attenuation
0
Normalized DC power (dB)
Single polarization send
through SLM at 0 & 90°
-5
-10
-15
Within +/- 0.35 dBoptical
-20
Optical
transmission
Time (s)
15
4
Phase accuracy observed
during 2 minutes for quadrature
(max slope)
4
Normalized DC power (dB)
Limours, 2006, January 25th
Single polarization send
through SLM at 45°
5
3
2
Phase control
1
0
+/- 3 °
-1
-2
-3
-4
Within +/- 3°
-5
0
20
40
60
Time (s)
• Very stable phase and amplitude weightings
• Collimation purposes to be worked out
Business Group Air Defence
80
100
120
Summation module : manufacturing
8 fibers gather in a bunch shines a
single large surface photodetector
Fibre bunch
Limours, 2006, January 25th
XYZ positioner to adjust
optical fibre position before
hermetic sealing
15
5
Box with:
• integrated PIN detector
• MW output (and DC bias)
Business Group Air Defence
Limours, 2006, January 25th
Summation module : tests (1)
15
6
Business Group Air Defence
Summation module
Output RF power increases with the number of channels
according to the expected rule : G α (total optical power)²
0
#Laser = 1
#Laser = 2
-10
#Laser = 4
Output Power (dBm)
-20
-30
-40
-50
-60
-70
Limours, 2006, January 25th
-80
15
7
-90
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Frequency (Hz)
• Very integrated combiner compared to RF alternatives
• Releases dynamic constraints on single photonic links
Business Group Air Defence
1800
2000
OCA Integrated Demonstrator
SLM
Phase & Ampl
weights
Summation
Limours, 2006, January 25th
Dual
Frequency
Laser
15
8
Single
polarization
modulators
Business Group Air Defence
RF measurements
0
LO
-10
IF
IF at 4 GHz
-20
(dB)
-30
-40
Frequency down-conversion
to IF = 4GHz
RF
-50
-60
-70
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
frequency (GHz)
10
Limours, 2006, January 25th
G= PIF/PRF (dB)
-10
15
9
-30
L aser po w e r im p ro vem e nt fro m 2 0 to 2 00 m W
S LM collim a tion,
m od ula tor e fficie ncy & in se rrtion lo ss,
su m m ation m od ule m atchin g
La se r cou plin g
-50
-70
-90
-1 10
0
10
20
30
O p tica l lo ss es (d B )
Business Group Air Defence
40
50
Gain contrast measurements
OCA
RF 11 dBm, ~ 2.3 GHz
M1
RF Spectrum Analyzer
Sum
IF
0..π
π [2π
π]
LO ~ 1.4 GHz lock-in
0
0
With One modulator
15
30
45
60
75
90
105
-5
-10
Limours, 2006, January 25th
16
0
Instabilities are the
conjunction of laser and
hybrid modulator ones.
Still compliant with target at
21.5 dB
-15
(dB)
Max contrast is worth 22 dB
-20
-25
-30
-35
-40
phase (degree)
Business Group Air Defence
120
135
150
165
180
Bandwidth vs path equalization
5
∆L = 533 mm
between 2 channels
1 GHz
4 GHz
0
IF at 1 GHz & 4 GHz
Same spectral figures
(dB)
-5
-10
-15
-20
0
25
0
20
0
15
0
10
50
0
-5
0
0
-1
0
0
-1
5
0
-2
0
-2
5
φ = 2π.
π.∆
∆L/c with ∆f=f-f0
π.∆f.∆
0
-25
frequency (MHz)
Limours, 2006, January 25th
Effect of path difference clearly demonstrated notably
16
1
very low path difference (< 1 mm) : stable figure
long path difference (113 and 533 mm) : decrease and inversion of in phase and
nulling configuration
Contrast < 20 dB due to long term instabilities and gain variations within
BW
Path equalization becomes more stringent to preserve the same fractional
bandwidth when central frequency is raised up.
Business Group Air Defence
Limours, 2006, January 25th
Parallel programmable filtering
16
2
filter with 4 coefficients
optically carried microwave signal operation over large frequency
bandwidths
time delayed samples provided by a diffractive grating
parallel weighting with a spatial light modulator
control of the filter shape and frequency
Business Group Air Defence
Wide Band filtering functions based on LC SLM
free space architecture
Mach Zehnder
Laser
Modulator
Filter coefficients
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
-1
BeamSplitter
Diffractive Grating
Beam Expander
Ai odd
Ai even
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
ns
Microwave
Input Signal
SLM
dB
Re normalized output
0
Focusing
Cylindrical lens
-5
Photodiodes
-10
-15
-30
-40
1,0
1,5
2,0
Limours, 2006, January 25th
dB
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
+
Microwave
OutputSignal
Odd
pixels
-35
16
3
-
Re
-20
-25
5,0
GHz
Im normalized output
0
Discrete Fourier Transform & RF Filtering
-5
-10
-15
Even
pixels
-20
-25
-30
-35
Im
-40
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Business Group Air Defence
4,0
4,5
5,0
GHz
Limours, 2006, January 25th
IV. LES APPLICATIONS
16
4
1. LA DISTRIBUTION
2. LE DEPORT DE SIGNAUX
3. LE TRAITEMENT OPTIQUE DU SIGNAL
4. LES LIGNES A RETARD
5. AUTRES APPLICATIONS
Business Group Air Defence
Ligne à retard analogique
But: Générer du retard sur la ligne de transmission afin de:
Effectuer du filtrage spectral
Faire de la formation de faisceaux pour détection radar
Mesurer du temps d’arrivée de signaux radar
Limours, 2006, January 25th
3 types de lignes à retard:
Contrôle mécanique
Commutation de ligne à retard
Utilisation de la dispersion des fibres optiques
16
5
Composants large bande - très grand retard τ > 100ms
Faibles pertes:
Précision: 1cm = 50ps
Stable: ∆τ/τ < quelques ppm /°C
Business Group Air Defence
Ligne à retard analogique
contrôle mécanique:
Récepteur
optique
Emetteur
optique
Récepteur
optique
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Emetteur
optique
16
6
piezo
HT
Business Group Air Defence
Ligne à retard
Filtrage spectral:
Delay line
RF
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Formation de faisceaux
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7
Business Group Air Defence
RF
Ligne à retard analogique
Commutation de ligne à retard:
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Thales Airborn System
16
8
Business Group Air Defence
Ligne à retard
Utilisation de la dispersion chromatique:
Limours, 2006, January 25th
OBANET
16
9
Business Group Air Defence
Ligne à retard
Utilisation de la dispersion chromatique:
Limours, 2006, January 25th
OBANET
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0
Business Group Air Defence
Ligne à retard analogique
Limours, 2006, January 25th
Application à la formation de faisceaux (pointage d’antenne
radar):
17
1
Business Group Air Defence
Ligne à retard analogique
Limours, 2006, January 25th
Application à la formation de faisceaux:
17
2
Business Group Air Defence
Ligne à retard analogique
Limours, 2006, January 25th
Application à la formation de faisceaux (RoF):
17
3
Business Group Air Defence
Ligne à retard analogique
Limours, 2006, January 25th
Application à la formation de faisceaux:
17
4
Business Group Air Defence
Ligne à retard analogique
Limours, 2006, January 25th
Application à la formation de faisceaux:
17
5
Business Group Air Defence
Ligne à retard analogique
Application à la formation de faisceaux:
Limours, 2006, January 25th
2 – 20 GHz
8 voies
Tmin = 6.37 ps
Tmax = 178.36ps
5 bits
17
6
Business Group Air Defence
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Démonstrateur en chambre anéchoïque
17
7
Business Group Air Defence
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IV. LES APPLICATIONS
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8
1. LA DISTRIBUTION
2. LE DEPORT DE SIGNAUX
3. LE TRAITEMENT OPTIQUE DU SIGNAL
4. LES LIGNES A RETARD
5. AUTRES APPLICATIONS
Business Group Air Defence
Limours, 2006, January 25th
Interconnections dans l ’avion
17
9
Business Group Air Defence
Peau intelligente
L ’avion est entièrement recouvert
de capteurs reliés entre eux et
alimentés par des liaisons optiques
Permet de:
préserver l ’aérodynamisme
vision de tout l ’espace autour de
l ’avion
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pour détecter (radar) et brouiller
(contre-mesure)
liaisons avec satellites
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0
Business Group Air Defence
Peau intelligente
Wideband Dual Polarisation
Radiating Element
Microwave & Photonic
Module
Main signal fiber
Limours, 2006, January 25th
Power supply fiber
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1
Business Group Air Defence
Capteur de champ électromagnétique
Receiving or emitting
antenna test
Receiving antenna test
already demonstrated
All dielectric (fibers) feeder
Wide band device
The sensor can include
microwave amplifier
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RF signal
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2
Airborne
phased
array
antenna
Power
by light
Business Group Air Defence
Single
mode fiber
O/E
convertor
Multimode
fiber
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V. DEBAT
18
3
Business Group Air Defence