Modélisation numérique du laser à blocage de modes

Télécharger le fichier original (Mémoire de fin d’études)

Oscillateur optique

Dans un premier temps, la composition de la boucle optique a été étudiée. L’agencement des composants est en effet essentiel dans la réduction du bruit de phase. Tout d’abord, la position du coupleur optique a été étudiée. Le rôle du coupleur optique est de prélever une partie du signal pour alimenter la boucle de rétroaction optoélectronique. Toujours dans un

Le COEO 10 GHz

objectif de réduction du bruit, la puissance optique prélevée doit être suffisamment importante pour générer une puissance non négligeable en sortie de photodiode et ainsi diminuer le gain RF nécessaire pour obtenir l’oscillation. En effet, le bruit de phase des amplificateurs RF a tendance à augmenter avec l’augmentation du gain RF. Ainsi, tous les éléments présentant de fortes pertes optiques vont être placés avant l’amplificateur et le coupleur en sortie de ce dernier. Deux isolateurs ont été utilisés afin d’isoler le SOA (BOA Thorlabs 1004P) de toute réflexion parasite ou de rétrodiffusion Brillouin qui pourrait nuire au fonctionnement du système.
Une étude de l’influence du filtrage optique sur le comportement du système a pu être réalisée grâce au prêt d’un filtre optique accordable en longueur d’onde ainsi qu’en bande passante (Yenista XTM-50 Wide). Le laser à blocage de modes génère un peigne de fréquences optiques. Ce peigne est couramment limité par la cohérence du système et donc par la dispersion chromatique dans la cavité. Cependant, l’insertion d’un filtre optique étroit peut limiter la largeur de ce peigne. Ce n’est bien évidemment pas l’objectif ici, mais a contrario, l’absence de filtrage entraîne une dégradation du bruit de phase du COEO puisque l’émission spontanée amplifiée du SOA couvre une large plage de longueur d’onde. Il faut donc trouver la largeur idéale pour le filtre optique afin de minimiser l’ASE sans limiter la largeur du peigne optique. Les mesures expérimentales ont montrées qu’une largeur de filtre inférieure à 1.8 nm ne permettait pas l’oscillation tandis qu’une largeur supérieure à 5 nm dégradait les performances du COEO. Par ailleurs, la longueur d’onde centrale du filtre a été choisie afin de maximiser le gain optique du SOA et aucune modification du système n’a été observée en changeant la longueur d’onde de travail.
Les longues lignes à retard fibrées sont essentielles au système pour augmenter le facteur qualité de l’oscillateur optique et par conséquent améliorer le bruit de phase du COEO. Cependant, la position des fibres dans la cavité a un impact majeur. On peut distinguer trois positions différentes dans le COEO qui sont indiquées sur la Figure 32. Comme présenté dans le chapitre précédent, le couplage des oscillations dans le COEO intervient par la mise en phase de deux peignes de fréquences. Un premier peigne issu de la cavité optique représentant l’ensemble des modes RF qui peuvent être excités (des multiples du fondamental de la cavité optique) et un peigne optoélectronique dont l’intervalle spectral libre (ISL) dépend de la longueur de fibre avant la photodiode et du facteur qualité du filtre RF. Ainsi, l’ajout de fibres optiques en position 1 « agrandit » la cavité optique et donc diminue l’ISL du peigne optique. En position 3, c’est l’ISL du peigne optoélectronique qui est réduit. Enfin, en position 2, les deux cavités sont modifiées permettant l’obtention de peignes plus fins. Cependant, pour obtenir un facteur qualité optique important, la longueur totale utilisée des fibres dépasse 300 m. Cela entraîne une instabilité du COEO occasionnant des « sauts de modes ». Les peignes étant tous les deux très fins, plusieurs modes adjacents dans la bande passante du filtre RF peuvent vérifier la condition de phase et osciller : la fréquence RF du COEO change alors constamment. Afin de dissocier la longueur de la cavité optoélectronique et de la cavité optique, des bobines en position 1 et 3 ont été insérées. Elles permettent également un filtrage des modes parasites par effet Vernier. Une étude sur les fibres optique sera détaillée dans la suite. Les fibres utilisées n’étant pas à maintien de polarisation (PM), un contrôleur de polarisation est placé juste après les fibres optiques, l’ensemble des autres composants étant PM.

Boucle optoélectronique

Le train d’impulsions généré par le laser à blocage de modes est détecté par une photodiode Discovery (DSC30S) dont la bande passante est de 40 GHz chargée sur une résistance 50 Ω. Le signal RF en sortie de photodiode est amplifié dans un premier temps par un amplificateur simple étage constitué d’un transistor à effet de champ (LP7612) possédant un gain de 10 dB environ. Le signal est ensuite filtré par un montage incluant un résonateur diélectrique réalisé au laboratoire et enfin amplifié à nouveau par un amplificateur Minicircuit (ZVA213) de 25 dB de gain. Idéalement, le filtre RF devrait être positionné après les amplificateurs afin de filtrer le bruit de ces derniers en dehors de la fréquence de fonctionnement. Cependant, l’étude du laser à blocage de modes a montré un meilleur fonctionnement lorsque la puissance incidente sur le modulateur Mach-Zehnder (MZM) était de l’ordre de 20 dBm. De plus, la succession des deux amplificateurs entrainerait une saturation importante de l’amplificateur en second étage et donc une possible dégradation du composant. Le filtre à résonateur diélectrique n’étant pas adapté sur 50 Ω, deux isolateurs permettent d’éviter les réflexions de puissance vers les amplificateurs. Enfin, un coupleur 10 dB est ajouté en bout de chaîne pour analyser le signal RF en sortie du COEO. Le couplage entre l’oscillation optique et optoélectronique est assuré par un déphaseur placé avant le MZM. Le MZM utilisé pour le COEO (JDSU 10020420) possède une bande passante à 3 dB de 11 GHz. L’ensemble des composants utilisés pour la réalisation du COEO est répertorié dans le Longueur de la cavité optique Le coefficient de qualité d’un résonateur optique dépend à la fois des pertes dans le résonateur et de la longueur de celui-ci. Or comme les pertes dans les fibres optiques sont négligeables devant les pertes dans les autres éléments, plus les fibres sont longues, plus la bande à 3 dB sera réduite et plus le coefficient de qualité sera grand. L’ajout d’une plus longue fibre optique doit donc conduire à une amélioration du bruit de phase proche de la porteuse, comme le prédit le modèle de Leeson [8] (voir chapitre précédent). Les premières mesures expérimentales du COEO ont donc été réalisées avec deux cavités optiques de longueur différentes : dans un cas, la cavité est composée de 200 m de fibre SMF et dans le second de 400 m de fibre SMF. Le bruit de phase des deux COEO est présenté sur la Figure 33. Tel que le prévoit le modèle de Leeson, la remontée du bruit de phase en -30 dB/dec. intervient à une fréquence d’offset plus faible pour le COEO dont la cavité est la plus longue. Néanmoins, le premier mode parasite intervient à une fréquence deux fois plus faible soit 500 kHz. Le bruit de phase très proche de la porteuse est limité par les vibrations du dispositif ce qui explique le rapprochement des deux niveaux de bruit.

Dispersion totale de la cavité optique

Les performances d’un laser à blocage de modes sont étroitement liées aux caractéristiques de dispersion de la cavité optique. En effet, il a été montré que certains régimes de fonctionnement ne pouvaient être obtenus que pour certaines gammes de dispersion bien précises [9]. Dans le cas d’un COEO, la rétroaction optoélectronique assure constamment le verrouillage des deux oscillations contrairement au laser à blocage de modes où le synthétiseur de fréquence et l’oscillateur optique sont indépendants. Les contraintes dispersives sont alors moins importantes mais les performances du COEO sont toutefois très dépendantes de la dispersion totale de l’oscillateur optique. Pour étudier l’influence de la dispersion chromatique, une fibre à compensation de dispersion (DCF) peut être intégrée dans la cavité. La dispersion chromatique nominale de cette fibre est de −90 ps.nm-1.km-1. Deux configurations ont été analysées : un COEO dont la cavité est composée de 200 m de fibre SMF dont la dispersion chromatique sur un tour de cavité est de 4 ps.nm-1 et un second COEO dont la cavité est composée de 100 m de fibre DCF et 400 m de fibre SMF et dont la dispersion chromatique est alors de −2,2 ps.nm-1. Ces dispersions sont estimées à partir des propriétés intrinsèques des fibres et de leurs longueurs. Dans les deux cas, une bobine de fibre SMF de 100 m de longueur a été ajoutée avant la photodiode. La Figure 34 présente le spectre optique, le spectre RF, le profil temporel du train d’impulsion ainsi que le bruit de phase pour les deux COEO réalisés.

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre I Les oscillateurs optoélectroniques
I.1 Introduction
I.2 L’oscillateur
I.2.a Principe et notions de bruit
I.2.b Bruit de phase résiduel et modèle de Leeson
I.3 Le laser à blocage de modes
I.3.a Principe
I.3.b Lasers à blocage de modes régénératif
I.4 Les oscillateurs optoélectroniques
I.4.a OEO à ligne à retard
I.4.b Les résonateurs passifs
I.4.c Les oscillateurs optoélectroniques couplés (COEO)
I.5 Génération micro‐ondes par peignes de fréquences optiques
I.5.a Les peignes par effet Kerr dans les résonateurs WGM
I.5.b Stabilisation de peignes pour la génération micro-ondes
I.6 Vers la génération millimétrique…
I.7 Conclusion
I.8 Références
Chapitre II Le COEO 10 GHz
II.1 Introduction
II.2 Bruit de phase des amplificateurs optiques
II.2.a Caractérisation des amplificateurs optiques
II.2.b Conversion amplitude-phase du bruit dans la liaison
II.2.c Etude de la saturation des amplificateurs optiques
II.2.d Choix de l’amplificateur pour le COEO
II.3 COEO à 10 GHz
II.3.a Etude de la topologie du dispositif
II.3.b Impact de la longueur et de la dispersion totale de la cavité optique
II.3.c COEO à partir d’un EDFA
II.4 Etude du bruit de phase du COEO par fonction de transfert
II.4.a Modélisation du COEO
II.4.b Mesure du facteur qualité du COEO
II.4.c Bruit de phase résiduel à 10 GHz des amplificateurs
II.4.d Résultats du modèle
II.5 Conclusion
II.6 Références
Chapitre III Modélisation numérique du laser à blocage de modes
III.1 Contexte
III.2 Le laser à blocage de modes actif
III.2.a Filtre optique
III.2.b Modulateur Mach Zehnder
III.2.c Propagation dans les fibres
III.2.d Amplification dans le SOA
III.2.e Photodétection du signal en sortie
III.3 Résultats de la modélisation du laser à blocage de modes
III.3.a Train d’impulsion en régime stabilisé
III.3.b Etude de l’influence de la dispersion chromatique sur le régime stabilisé
III.3.c Photodétection et puissance RF générée à 10 GHz
III.4 Conclusion
III.5 Références
Chapitre IV Vers la génération en gamme millimétrique
IV.1 Introduction
IV.2 Multiplication de fréquence à partir d’un laser à blocage de modes
IV.3 COEO à 30 GHz
IV.3.a Topologie du COEO
IV.3.b Mesures expérimentales
IV.4 Génération harmonique à 90 GHz
IV.4.a Montage expérimental
IV.4.b Etude de la polarisation DC du MZM
IV.4.c Compression d’impulsions pour la génération harmonique
IV.4.d Bruit de phase du système
IV.5 Conclusion
IV.6 Références
Conclusion Générale
Perspectives
Liste des publications