Optoélectronique micro-ondes, comme son nom l'indique, est l'intersection du micro-ondes etoptoélectroniqueLes micro-ondes et les ondes lumineuses sont des ondes électromagnétiques dont les fréquences diffèrent de plusieurs ordres de grandeur, et les composants et technologies développés dans leurs domaines respectifs sont très différents. Leur combinaison permet de tirer parti de chacune d'elles, tout en offrant de nouvelles applications et caractéristiques difficiles à réaliser individuellement.
Communication optiqueLa transmission par micro-ondes est un excellent exemple de la combinaison des micro-ondes et des photoélectrons. Les premières communications sans fil téléphoniques et télégraphiques, pour la génération, la propagation et la réception des signaux, utilisaient toutes des dispositifs à micro-ondes. On utilisait initialement des ondes électromagnétiques de basse fréquence car la bande passante et la capacité du canal de transmission étaient limitées. La solution consistait à augmenter la fréquence du signal transmis : plus la fréquence était élevée, plus les ressources spectrales étaient importantes. Cependant, les signaux à haute fréquence subissaient d'importantes pertes lors de leur propagation dans l'air et étaient facilement bloqués par les obstacles. L'utilisation de câbles entraînait d'importantes pertes et posait problème pour les transmissions longue distance. L'avènement des communications par fibre optique a apporté une solution efficace à ces problèmes.Fibre optiqueElle présente de très faibles pertes de transmission et constitue un excellent support pour la transmission de signaux sur de longues distances. La gamme de fréquences des ondes lumineuses est bien plus étendue que celle des micro-ondes et permet la transmission simultanée de nombreux canaux différents. Grâce à ces avantages,transmission optiqueLa communication par fibre optique est devenue l'épine dorsale de la transmission d'informations actuelle.
La communication optique possède une longue histoire et ses recherches et applications sont très étendues et abouties. Cet article présente principalement les nouveaux axes de recherche de ces dernières années en optoélectronique micro-ondes, en dehors du domaine de la communication optique. L'optoélectronique micro-ondes utilise les méthodes et technologies de l'optoélectronique pour améliorer et atteindre des performances et des applications difficiles à réaliser avec les composants électroniques micro-ondes traditionnels. Du point de vue des applications, elle se divise principalement en trois axes.
La première consiste à utiliser l'optoélectronique pour générer des signaux micro-ondes performants et à faible bruit, de la bande X jusqu'à la bande THz.
Deuxièmement, le traitement du signal micro-ondes. Cela inclut le délai, le filtrage, la conversion de fréquence, la réception, etc.
Troisièmement, la transmission de signaux analogiques.
Dans cet article, l'auteur présente uniquement la première partie, la génération du signal micro-ondes. Les ondes millimétriques micro-ondes traditionnelles sont principalement générées par des composants microélectroniques III-V. Leurs limitations sont les suivantes : premièrement, aux hautes fréquences (au-delà de 100 GHz), la puissance produite par les microélectroniques traditionnelles diminue considérablement, et elles sont inefficaces pour les signaux de fréquence THz encore plus élevés. Deuxièmement, afin de réduire le bruit de phase et d'améliorer la stabilité de fréquence, le dispositif doit être placé dans un environnement à très basse température. Troisièmement, il est difficile d'obtenir une conversion de fréquence par modulation sur une large plage. Pour résoudre ces problèmes, la technologie optoélectronique peut apporter une solution. Les principales méthodes sont décrites ci-dessous.
1. Grâce à la différence de fréquence de deux signaux laser de fréquences différentes, un photodétecteur haute fréquence est utilisé pour convertir les signaux micro-ondes, comme illustré sur la figure 1.
Figure 1. Schéma des micro-ondes générées par la différence de fréquence de deuxlasers.
Les avantages de cette méthode résident dans sa structure simple, sa capacité à générer des signaux millimétriques et même térahertz à très haute fréquence, et la possibilité d'effectuer une conversion de fréquence rapide sur une large plage grâce au réglage de la fréquence du laser. Son inconvénient majeur est la largeur de raie ou le bruit de phase relativement importants du signal de différence de fréquence généré par deux signaux laser indépendants, ce qui nuit à la stabilité de fréquence, notamment avec l'utilisation d'un laser à semi-conducteur compact mais à large largeur de raie (de l'ordre du MHz). Si les contraintes de poids et de volume du système ne sont pas trop importantes, il est possible d'utiliser des lasers à semi-conducteurs à faible bruit (de l'ordre du kHz).lasers à fibre, cavité externelasers à semi-conducteurs, etc. De plus, deux modes différents de signaux laser générés dans la même cavité laser peuvent également être utilisés pour générer une fréquence de différence, ce qui améliore considérablement les performances de stabilité de la fréquence micro-ondes.
2. Afin de résoudre le problème d'incohérence des deux lasers dans la méthode précédente et le bruit de phase trop important généré, la cohérence entre les deux lasers peut être obtenue par la méthode de verrouillage de phase par injection de fréquence ou par un circuit de verrouillage de phase à rétroaction négative. La figure 2 illustre une application typique du verrouillage par injection pour générer des multiples micro-ondes. En injectant directement des signaux de courant haute fréquence dans un laser semi-conducteur, ou en utilisant un modulateur de phase LinBO3, il est possible de générer plusieurs signaux optiques de fréquences différentes, équidistants les uns des autres, formant ainsi des peignes de fréquences optiques. La méthode la plus courante pour obtenir un peigne de fréquences optiques à large spectre consiste à utiliser un laser à modes verrouillés. Deux signaux quelconques du peigne de fréquences optiques généré sont sélectionnés par filtrage et injectés respectivement dans les lasers 1 et 2 afin de réaliser le verrouillage de fréquence et de phase. Étant donné que la phase entre les différents signaux du peigne de fréquences optiques est relativement stable, la phase relative entre les deux lasers est stable, et par conséquent, par la méthode de différence de fréquence décrite précédemment, le taux de répétition du signal micro-ondes à fréquence multiple du peigne de fréquences optiques peut être obtenu.
Figure 2. Schéma du signal de doublage de fréquence micro-ondes généré par verrouillage de fréquence d'injection.
Une autre façon de réduire le bruit de phase relatif des deux lasers consiste à utiliser une PLL optique à rétroaction négative, comme illustré sur la figure 3.
Figure 3. Schéma de l'OPL.
Le principe d'une PLL optique est similaire à celui d'une PLL électronique. La différence de phase entre deux lasers est convertie en un signal électrique par un photodétecteur (équivalent à un détecteur de phase). Cette différence de phase est ensuite obtenue en appliquant une différence de fréquence à une source de signal micro-onde de référence. Le signal résultant est amplifié, filtré, puis réinjecté dans l'unité de contrôle de fréquence de l'un des lasers (pour les lasers à semi-conducteurs, il s'agit du courant d'injection). Grâce à cette boucle de rétroaction négative, la phase relative des fréquences des deux signaux laser est verrouillée sur le signal micro-onde de référence. Le signal optique résultant peut alors être transmis par fibres optiques à un photodétecteur externe et converti en un signal micro-onde. Le bruit de phase de ce dernier est quasiment identique à celui du signal de référence dans la bande passante de la boucle de rétroaction négative. En dehors de cette bande passante, le bruit de phase est égal au bruit de phase relatif des deux lasers initiaux.
De plus, la source de signal micro-ondes de référence peut également être convertie par d'autres sources de signal par doublage de fréquence, division de fréquence ou autre traitement de fréquence, de sorte que le signal micro-ondes de basse fréquence puisse être multiplié ou converti en signaux RF, THz de haute fréquence.
Comparativement au verrouillage de fréquence par injection, qui ne permet qu'un doublage de fréquence, les boucles à verrouillage de phase (PLL) offrent une plus grande flexibilité, peuvent générer des fréquences quasi arbitraires et sont, de fait, plus complexes. Par exemple, le peigne de fréquences optiques généré par le modulateur photoélectrique de la figure 2 est utilisé comme source lumineuse. La boucle à verrouillage de phase optique (PLL) permet de verrouiller sélectivement la fréquence de deux lasers sur les deux signaux du peigne optique, puis de générer des signaux haute fréquence grâce à la différence de fréquence, comme illustré sur la figure 4. f1 et f2 représentent respectivement les fréquences de référence des deux PLL, et un signal micro-ondes de fréquence N*frep + f1 + f2 peut être généré par la différence de fréquence entre les deux lasers.
Figure 4. Schéma de principe de la génération de fréquences arbitraires à l'aide de peignes de fréquences optiques et de PLLS.
3. Utiliser un laser à impulsions à modes verrouillés pour convertir un signal d'impulsion optique en un signal micro-ondes à traversphotodétecteur.
Le principal avantage de cette méthode réside dans l'obtention d'un signal présentant une excellente stabilité de fréquence et un bruit de phase très faible. En verrouillant la fréquence du laser sur un spectre de transition atomique et moléculaire très stable, ou sur une cavité optique extrêmement stable, et en utilisant un système d'élimination de la fréquence par auto-doublage, un décalage de fréquence et d'autres technologies, on obtient un signal d'impulsion optique très stable avec une fréquence de répétition très stable, permettant ainsi d'obtenir un signal micro-ondes à bruit de phase ultra-faible. Figure 5.
Figure 5. Comparaison du bruit de phase relatif de différentes sources de signaux.
Cependant, la fréquence de répétition des impulsions étant inversement proportionnelle à la longueur de la cavité laser, et les lasers à modes verrouillés traditionnels étant volumineux, il est difficile d'obtenir directement des signaux micro-ondes haute fréquence. De plus, la taille, le poids et la consommation énergétique des lasers pulsés traditionnels, ainsi que leurs exigences environnementales strictes, limitent leurs applications principalement aux laboratoires. Pour pallier ces difficultés, des recherches ont récemment été entreprises aux États-Unis et en Allemagne. Ces recherches utilisent des effets non linéaires pour générer des peignes de fréquences optiques stables dans des cavités optiques à modes chirp de très petite taille et de haute qualité, permettant ainsi la production de signaux micro-ondes haute fréquence à faible bruit.
4. Oscillateur optoélectronique, Figure 6.
Figure 6. Schéma d'un oscillateur photoélectrique couplé.
L'une des méthodes traditionnelles de génération de micro-ondes ou de lasers consiste à utiliser une boucle de rétroaction. Tant que le gain de cette boucle est supérieur aux pertes, l'oscillation auto-excitée produit des micro-ondes ou des lasers. Plus le facteur de qualité Q de la boucle est élevé, plus le bruit de phase ou de fréquence du signal généré est faible. Pour augmenter le facteur de qualité de la boucle, la méthode directe consiste à allonger la boucle et à minimiser les pertes de propagation. Cependant, une boucle plus longue permet généralement la génération de plusieurs modes d'oscillation. L'ajout d'un filtre passe-bande étroit permet d'obtenir un signal d'oscillation micro-ondes monomode à faible bruit. L'oscillateur photoélectrique (ou oscillateur à couplage photoélectrique) est une source de signal micro-ondes basée sur ce principe. Il exploite pleinement les faibles pertes de propagation de la fibre optique et, en utilisant une fibre plus longue pour améliorer le facteur de qualité Q de la boucle, produit un signal micro-ondes à très faible bruit de phase. Proposée dans les années 1990, cette méthode a fait l'objet de nombreuses recherches et d'un développement considérable, et des oscillateurs photoélectriques sont aujourd'hui commercialisés. Plus récemment, des oscillateurs photoélectriques à fréquence ajustable sur une large plage ont été développés. Le principal inconvénient des sources de signaux micro-ondes basées sur cette architecture réside dans la longueur de la boucle, qui accroît significativement le bruit en régime permanent (FSR) et à double fréquence. De plus, le nombre de composants photoélectriques utilisés est plus élevé, le coût est important, l'encombrement est difficile à réduire et la fibre plus longue est plus sensible aux perturbations environnementales.
Ce qui précède présente brièvement plusieurs méthodes de génération de signaux micro-ondes par photoélectrons, ainsi que leurs avantages et inconvénients. Enfin, l'utilisation de photoélectrons pour produire des micro-ondes présente un autre avantage : le signal optique peut être distribué par fibre optique avec de très faibles pertes, transmis sur de longues distances jusqu'à chaque terminal d'utilisation, puis converti en signaux micro-ondes. De plus, sa résistance aux interférences électromagnétiques est nettement supérieure à celle des composants électroniques traditionnels.
Le présent article a pour seul but de fournir des informations de référence et, compte tenu de l'expérience et des recherches personnelles de l'auteur dans ce domaine, il peut comporter des inexactitudes et des lacunes ; veuillez en prendre note.
Date de publication : 3 janvier 2024