UNIVERSITE DE LIMOGES

Traore Brahima / Institut de Recherche XLIM / Département Photonique
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UNIVERSITE DE LIMOGES
ECOLE DOCTORALE Science –Technologie – Santé
FACULTE des Sciences et Techniques
Institut de Recherche XLIM
Thèse N°
Thèse
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE LIMOGES
Discipline : Electronique des Hautes Fréquences et Optoélectronique
Présentée et soutenue par :
TRAORE Brahima
Le 27 Septembre 2006
Echantillonnage opto-électronique pour application
à la Conversion Analogique Numérique rapide
Thèse dirigée par Philippe Di Bin
JURY :
Rapporteurs
P. CROZAT Professeur à l’Université de Paris-Sud ORSAY (IEF)
J.C. MOLLIER Professeur à l’Université de TOULOUSE (SUPAERO)
Examinateurs
J. M NEBUS Professeur à l’Université de Limoges-XLIM
F. REYNAUD Professeur à l’Université de Limoges-XLIM
M MAIGNAN Ingénieur, ALCATEL ALENIA SPACES
P. DI BIN Professeur à l’Université Limoges-XLIM
G. NEVEUX Maître de Conférence, Limoges-XLM

Traore Brahima / Institut de Recherche XLIM / Département Photonique
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Remerciements 6
Résumé 7
Abstract 7
Introduction générale 8
I Les principes de la conversion analogique
numérique
I.1 Introduction............................................................................................................11
I.2 Généralités ..............................................................................................................12
I.2.1 Bruit de quantification..........................................................................................14
I.2.2 Rapport signal à bruit (SNR)................................................................................15
I.3 Echantillonnage des signaux analogiques............................................................19
I.4 Présentation des principaux facteurs de mérite des convertisseurs analogiques
numériques ...........................................................................................................................22
I.4.1 Le SNR.................................................................................................................22
I.4.2 La distorsion d’harmonique totale (THD)............................................................23
I.4.3 Le SNR avec distorsion (SINAD)........................................................................23
I.4.4 Le nombre de bits effectifs (N
eff
ou ENOB) ........................................................24
I.4.5 La SFDR...............................................................................................................25
I.5 Analyse des sources de limitations des performances d’un CAN......................26
I.5.1 Durée des impulsions d’échantillonnage..............................................................26
I.5.2 Gigue temporelle des instants d’échantillonnage.................................................28
I.5.3 Le bruit thermique................................................................................................29
I.5.4 Erreur du comparateur (Comparator Ambiguity) où Métastabilité......................30
I.5.5 Bilan des sources de limitation.............................................................................31
I.6 Principe d’incertitude d’Heisenberg ....................................................................32
I.7 Commentaires généraux........................................................................................33
I.8 Echantillonnage I/Q ...............................................................................................34
I.8.1 Principe de la technique .......................................................................................34
I.8.2 Avantages de la technique....................................................................................38
I.8.3 Limitations ...........................................................................................................39
I.8.3.1 DC offset ......................................................................................................39
I.8.3.2 Désappariement entre les voies I et Q..........................................................40
I.8.3.3 Les problèmes de distorsion.........................................................................42
I.8.4 Synthèse des sources d’erreur ..............................................................................42
I.9 Spécifications souhaitées........................................................................................43
I.10 Conclusion générale ...............................................................................................44
Bibliographie du chapitre 1 46
Tables des illustrations 48
Figures 48
Tableaux 48

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II Etude des architectures de convertisseur
analogique numérique
II.1 Introduction............................................................................................................52
II.2 Les CANs en technologie semi-conductrice.........................................................53
II.2.1 Le CAN ‘‘Flash’’ .............................................................................................53
II.2.2 Les CANs à ‘‘ approximations successives’’...................................................55
II.2.3 Le CAN ‘‘pipeline’’.........................................................................................56
II.2.4 Les CANs ‘‘Sigma Delta’’...............................................................................58
II.3 Les CANs en technologie supraconductrice.........................................................62
II.3.1 Historique des composants logiques supraconducteurs ...................................63
II.3.2 Structure et performances des circuits RSFQ ..................................................65
II.3.3 Les CANs supraconducteurs............................................................................66
II.3.4 Conclusion sur les CANs supraconducteurs ....................................................68
II.4 Les convertisseurs analogiques numériques optiques.........................................69
II.4.1 Les convertisseurs analogiques numériques optiques hybrides.......................70
II.4.1.1 Echantillonnage optique et multiplexage temporel de CANs électroniques71
II.4.1.1.1 Démultiplexage par division temporelle (Time Interleaving)...............71
II.4.1.1.2 Le démultiplexage par division de longueur d’onde .............................73
II.4.1.2 Technique d’étirement temporel ..................................................................77
II.4.1.3 . Technique de décodage de phase ...............................................................81
II.4.1.4 Résumé des techniques hybrides optiques électroniques.............................85
II.4.2 Architectures basées sur des techniques optiques de génération de code binaire
..........................................................................................................................86
II.4.2.1 Le schéma de Taylor ....................................................................................86
II.4.2.2 Techniques utilisant le codage en longueur d’onde .....................................89
II.4.2.2.1 Architectures à base d’éléments optiques diffractifs.............................90
II.4.2.2.2 Architecture à base de filtres spectraux périodiques .............................93
II.4.2.2.3 Codage en longueur d’onde par auto décalage en fréquence d’une
impulsion soliton (SSFS) .........................................................................................95
II.4.2.2.4 Conclusion sur les techniques de codage en longueur d’onde ..............96
II.4.2.3 Quantification tout optique à base d’interféromètre non linéaire de Sagnac98
II.4.2.4 . Les autres techniques de conversion analogique numérique tout optique102
II.4.3 Conclusion sur les CANs tout optique...........................................................104
II.5 Conclusion générale .............................................................................................106
Bibliographie du chapitre 2 108
Tables des illustraions 116
Figures 116
Tableaux 116

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III Analyse du convertisseur analogique numérique
optique
III.1 Introduction..........................................................................................................117
III.2 Détermination des différents paramètres d’analyse .........................................118
III.2.1 Les sources de bruit........................................................................................119
III.2.1.1 Le bruit thermique..................................................................................120
III.2.1.2 Le bruit de grenaille ...............................................................................121
III.2.1.3 Le bruit relatif d’intensité (RIN)............................................................122
III.2.1.4 Le bruit d’obscurité................................................................................123
III.2.2 Les non linéarités ...........................................................................................123
III.2.2.1 Les non linéarités de modulation ...........................................................124
III.2.2.2 Les non linéarités dans les fibres optiques.............................................126
III.2.2.3 Les non linéarités induites par les photo-détecteurs...............................126
III.2.3 Conclusion sur les sources de limitation........................................................129
III.2.4 Validation expérimentale du modèle classique de CANO.............................130
III.3 . Choix de l’architecture du CAN optique à réaliser.........................................132
III.3.1 Choix de la technique.....................................................................................132
III.3.2 Validation expérimentale de la technique de décodage de phase ..................135
III.3.2.1 Caractéristiques statique du modulateur électrooptique.........................135
III.3.2.2 Caractéristique dynamique du modulateur électrooptique:Vérification de
la technique de décodage de phase.............................................................................137
III.3.3 Analyse expérimentale des performances du décodage de phase..................139
III.3.3.1 Caractérisation de l’oscilloscope numérique LeCroy 9360 ...................140
III.3.3.2 Caractérisation du décodage de phase en mode monoporteuse. ............142
III.3.3.3 Caractérisation en mode biporteuse .......................................................148
III.3.3.4 Conclusion sur les performances du D2codage de phase ......................153
III.3.4 Spécification des blocs élémentaires de l’architecture du CANO à développer
152
III.3.4.1 Génération I/Q par voie optique.............................................................154
III.3.4.2 L’électronique de détection....................................................................161
III.3.5 L’architecture du CAN optique à réaliser ......................................................163
III.3.5.1 Schéma de principe ................................................................................163
III.3.5.2 Développement théorique relatif au décodage de phase........................164
III.4 Conclusion.............................................................................................................172
Bibliographie du chapitre 3 174
Tables des illustrations 177
Figures 177
Tableaux 178

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IV : Réalisation du convertisseur analogique
numérique optique
IV.1 . Introduction........................................................................................................179
IV.2 .Echantillonnage et technique de décodage de phase........................................180
IV.2.1 . Dispositif expérimental ................................................................................180
IV.2.2 . Présentation des blocs élémentaires du CANO...........................................181
IV.2.2.1 . La source laser......................................................................................181
IV.2.2.2 . Le modulateur électrooptique...............................................................184
IV.2.2.3 . La photodiode.......................................................................................184
IV.2.2.4 . La carte d’acquisition DP 240 Digitizer...............................................185
IV.2.2.5 . Résultats expérimentaux relatifs au décodage de phase.......................187
IV.3 . Réalisation du CANO.........................................................................................194
IV.3.1 . Description du dispositif ..............................................................................195
IV.3.2 . Dispersion de l’impulsion optique ...............................................................196
IV.3.3 . Echantillonnage par filtrage spectral............................................................198
IV.3.3.1 . Les réseaux de Bragg ...........................................................................198
IV.3.3.2 . Principe de la génération I/Q optique...................................................201
IV.3.3.3 . Influence de la durée des impulsions d’échantillonnages....................201
IV.3.3.4 Réponse temporelle de la conversion I/Q ..............................................205
IV.3.4 . Acquisition des signaux ...............................................................................206
IV.3.5 . Résultas expérimentaux................................................................................207
IV.3.5.1 . Technique de choix de la fréquence porteuse ......................................208
IV.3.5.2 . Réponse temporelle des signaux I/Q....................................................210
IV.3.5.3 . Analyse spectrale.................................................................................213
IV.4 Conclusions 220
Bibliographie du chapitre 4 221
Tables des illustrations 221
Figures 221
Tableaux 222
CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES 223