Examen d'optoélectronique

Examen d'optoélectronique
Documents autorisés - Calculatrice autorisée Liaison optique parallèle pour application spatiale
Un satellite de nouvelle génération est équipé d'un répéteur numérique
multicanaux dont la fonction est de réaliser la remise en forme et le
routage des informations montantes (depuis la station sol) vers différentes
zones de couverture (voies descendantes). Le signal montant, composé de 8
canaux adjacents, est remis en forme et traité pour être ensuite distribué
vers 16 voies descendantes. La distribution des voies est réalisée au moyen
de liaisons optiques parallèles multimodes. On représente sur la figure
suivante l'architecture du réseau optique de distribution. [pic]
Figure 1. Schéma synoptique de réseau de distribution I- Généralités I-1. Justifier le choix d'une architecture de distribution optique. Quels
sont les avantages et inconvénients de la solution optique multimode face à
la solution électrique ? On utilise à l'émission et à la réception des modules d'interconnexions
optiques parallèles aux dimensions réduites. Le faisceau de fibre comporte
6 raccords (connecteurs) et huit demultiplexeurs optiques 1 vers 8 en
parallèle. Le schéma suivant reprend cette liaison.
[pic]Figure 2. Détail du lien optique pour une voie I-2. En considérant que les pertes de connections sont uniquement dues à
la réflexion au niveau des interfaces air-fibre, calculer les pertes de
connections sur la puissance optique pour chaque raccord. On rappel que les
pertes de Fresnel (réflexions) en puissance sont égales au carré des pertes
de Fresnel en amplitude. I-3. En considérant que le coupleur 1 vers 8 est équilibré et homogène
(toutes les voies sont identiques), évaluer les pertes du coupleur. I-4. Afin de prendre en compte certains phénomènes intrinsèques au
coupleur, il est nécessaire de rajouter 4 dB au résultat précédent. Quelles
sont alors les pertes en ligne (de bout en bout sur la fibre) d'un tel
dispositif, si l'on néglige l'atténuation de la fibre ? II- Etude du module d'émission
II-1. Effet des conditions d'injection de la fibre Les sources optiques utilisées, réalisées sous la forme de matrice 1x8,
dont la cathode est commune (substrat de type N) sont des lasers à cavités
verticales (VCSEL). Le diagramme de rayonnement des sources est annulaire
et est représenté sur la figure suivante. [pic]
Figure 3. Diagramme de rayonnement de la source VCSEL Sachant que toutes les sources ont le même diagramme de rayonnement,
exprimer le retard maximum de propagation des différents trajets dans la
fibre en fonction des différentes grandeurs. On considérera que seuls les
trajets compris entre les angles ?1 et ?0 jouent un rôle significatif. Pour
simplifier l'expression on fera intervenir l'angle ? défini par la
différence entre ?1 et ?0. Comparer ce résultat avec celui obtenu dans le cas d'une injection de
puissance uniforme sur une ouverture numérique donnée le long de l'axe
optique. En déduire l'avantage d'un tel type de source.
II-2. Calcul de la bande passante du couple Source/Fibre En considérant qu'une impulsion lumineuse émise dans la fibre est reçue
sous la forme d'une gaussienne, calculer la bande passante linéique de la
fibre en fonction des conditions d'injection de la source. On négligera ici
les effets de la dispersion chromatique sur la bande passante. Vérifier que
cette bande passante est en accord avec les composants choisis. II-3. Dimensionnement de la source et du driver associé On donne figure 4 les variations de la puissance optique et de la tension
de la source VCSEL en fonction du courant qui la traverse. Expliquer
l'allure de ces courbes en fonction des phénomènes physiques mis en jeux
dans la jonction. [pic]
Figure 4. Puissance optique et tension de la source en fonction du courant
laser On exprime le taux de modulation, en télécommunication optique, par une
grandeur appelée « rapport d'extinction » qui correspond au rapport de la
puissance optique émise pour transmettre un « 1 » et de la puissance émise
pour transmettre un « 0 ». Sachant que la zone de fonctionnement linéaire
du VCSEL débute à 1.5 fois le courant de seuil et que le laser sature pour
une puissance de sortie de 2mW, calculer le rapport d'extinction maximum
qu'il est possible de réaliser avec ce type de composant. Le module est composé d'une barrette de VCSELs dont toutes les cathodes
sont communes. Donner le synoptique du driver en détaillant les différents
éléments constitutifs. Quelles doivent être les valeurs maximales de
courant pour l'étage de sortie ? III- Etude du module de réception La chaîne de réception est composée d'un photodétecteur de type PIN suivie
d'un amplificateur transimpédance, d'un filtre passe haut et d'un
comparateur à seuil.
III-1.Sensibilité de détection On négligera, dans un premier temps, le bruit apporté par l'amplificateur
transimpédance. Calculer la puissance équivalente de bruit (en W/Hz) du
photodétecteur en fonction des différents paramètres de la diode donnés en
annexe. On considérera pour cela que le courant d'obscurité correspond au
bruit thermique et au bruit Schottky généré par ce même bruit. Pour obtenir un taux d'erreur binaire de 10-14, il est nécessaire d'avoir
un rapport signal sur bruit d'au moins 17dB. Calculer alors la puissance
minimale que doit recevoir le détecteur pour atteindre ce TEB.
III-2. Bruit dans la chaîne de réception Connaissant la température équivalente de bruit de l'amplificateur
transimpédance, calculer le facteur de bruit de l'amplificateur. Quel est
alors le nouveau TEB en sortie de l'amplificateur ? L'équation suivante donne une valeur approximative du TEB en fonction du
rapport signal sur bruit : [pic] où le rapport signal à bruit est exprimé en linéaire.
III-3. Dynamique A partir du rapport d'extinction de l'émetteur, déterminer la dynamique que
l'amplificateur transimpédance doit vérifier.
Comment faire pour bénéficier d'une dynamique maximale de l'étage d'entrée
de la chaîne de réception ? IV- Bilan de liaison Pour déterminer la longueur maximale de communication au sein du satellite,
on considérera que cette dernière est proportionnelle à la puissance
moyenne couplée dans la fibre. Sachant que les données sont codées en NRZ
et que les pertes de couplage Sources/Fibres et Fibres/photodétecteurs sont
négligées, Calculer la distance maximum de communication. Que devient cette distance lorsque les données sont codées en RZ ? Caractéristiques des fibres optiques utilisées Type de fibre : Gradient d'indice
Diamètre c?ur : 50µm
Diamètre Gaine : 125µm
Indice c?ur : 1.5
Indice gaine : 1.48
Atténuation linéique : 5dB/km
Bande passante : 2000MHz/km Caractéristiques des émetteurs (VCSEL) utilisés Courant de seuil : 2mA
Rendement externe : 0.17W/A
Puissance optique de saturation : 2mW
Tension de seuil : 1.7Volt
Divergence (demi-angle) : 6°
Temps de montée : 100ps Caractéristiques des récepteurs utilisés Rendement interne : 0.87
Temps de montée : 140ps
Courant d'obscurité : 100nA Caractéristiques des amplificateurs utilisés Impédance d'entrée : 109Ohms
Température équivalente de Bruit : 600°K