Tutoriel: Principes de base des modulateurs à fibre optique haute vitesse

Modulateur d’intensité de fibre : ce tutoriel donne un aperçu des approches techniques les plus couramment utilisées pour modifier l’amplitude (modulation) de la lumière laser dans le domaine temporel nanoseconde ou sub-nanoseconde dans les systèmes lasers fibrés.

Version PDF complète: Modulateur à fibre optique

Ce tutoriel donne un résumé des avantages et des inconvénients des quatre principales approches techniques de la modulation par fibre optique . Trois d’entre eux sont basés sur une modulation externe: AOM (modulateurs acousto-optiques), EOM (modulateurs électro-optiques), SOA (amplificateurs optiques à semi-conducteurs) et le quatrième consiste à piloter directement la diode laser.

Fiber modulators comparison
Figure 1: les avantages et les inconvénients des quatre principales approches techniques de la modulation sur fibre optique

Modulateur acousto-optique: AOM

Acousto-optique Les dispositifs modulateurs à fibre sont disponibles à différentes longueurs d’onde de 380 nm à 2500 nm. L’avantage majeur des modulateurs acousto-optiques fibrés est la puissance optique relativement élevée que ces modulateurs peuvent gérer. Ils sont spécifiés pour fonctionner avec des niveaux de puissance pouvant atteindre plusieurs watts (plus de 10 W dans certains cas). Cependant, avec les modulateurs acousto-optiques (AOM) , un inconvénient principal est le compromis entre la vitesse de commutation et la perte d’insertion. Plus le faisceau optique est focalisé dans le cristal de l’AOM, plus il bascule rapidement, mais plus il est difficile d’atteindre la fibre de sortie sans subir des pertes élevées. Pour plus d’informations sur cette technologie, vous pouvez lire un aperçu détaillé de Théorie acousto-optique .

3 AOM suppliers
Figure 2 : Modulateur acousto-optique fibré d'AeroDIODE.

Lors de l’examen du prix d’une configuration AOM, l’utilisateur doit tenir compte du coût total des trois éléments clés:

  • Le composant AOM lui-même
  • Le pilote RF
  • Généralement une électronique de synchronisation rapide générant 0-1 V ou 0-5 V selon le driver RF
3 products connected together to show how to interface them
Figure 3 : Configuration d'AOM complet avec un driver RF et l'outil de synchronisation décrit ci-dessous.
AeroDIODE propose des dispositifs AOM fibrés avec de bonnes performances de vitesse/perte d’insertion autour de 1 µm et 1,5 µm. Les performances clés sont détaillées dans le tableau suivant :

)

Longueur d’onde (nm)

Fréquence RF (MHz Puissance d’entrée max (W) Temps de montée (ns) Perte d’insertion (dB)
1000-1090 100 5 45 1.5
1000-1090 200 3 9.5 2.5
1520-1580 80 0.5 45 2.5
1520-1580 200 0.5 9.5 4.5

Un exemple de module électronique de synchronisation rapide, multifonction et simple à utiliser est illustré à la figure 4. Ce module n’est pas obligatoire mais il combine un nombre impressionnant de fonctions pour des besoins de synchronisation complexes dont le pulse-picking (prélèvement d’impulsions) et un AWG (Arbitrary Waveform Generator, générateur de formes arbitraires). Ce générateur de retard d’impulsion est fabriqué par AeroDIODE :

Fiber modulator synchronization tool
Figure 4 : Exemple d'électronique de synchronisation rapide d'AeroDIODE - idéale pour la synchronisation du prélèvement d'impulsions par AOM.

Modulateur électro-optique: EOM

L’avantage majeur d’un modulateur électro-optique (EOM) est leur bande passante, qui s’étend dans la gamme de plusieurs dizaines de GHz. Il faut néenmoins noter qu’il est difficile de trouver une électronique performante à même de prendre en charge cette bande passante.

Fiber modulator EOM
Figure 5 : Exemple de modulateurs électro-optiques d'intensité par ixBlue (ex-Photline) (à gauche) et EOspace (à droite) – (Avec l'aimable autorisation d'iXBlue/EOspace - sites web)

3 fabricants très réputés de modulateurs de fibre EOM sont:

Plusieurs difficultés associées aux modulateur électro-optique ( EOM) peuvent être résolues en augmentant la complexité de la configuration globale. Si vous décidez d’utiliser un EOM basé sur la configuration de la modulation, plusieurs paramètres doivent être pris en compte et correctement gérés:

  • Perte d’insertion:

Les niveaux de perte d’insertion varient d’un modèle à l’autre. En général, l’amélioration d’un attribut de performance clé d’une MOE (par exemple le taux d’extinction) peut avoir une conséquence négative sur les pertes d’insertion. Les pertes d’insertion typiques sont de l’ordre de 4 à 5 dB.

  • Puissance d’entrée / sortie maximale:

La puissance d’entrée maximale typique est de l’ordre de 50 mW (17 dBm). Cette puissance maximale est généralement une puissance moyenne. On peut ainsi surmonter cette limite / problème en appliquant un signal pulsé à la fibre d’entrée au lieu d’un signal continu. Le signal d’entrée modulé peut être généré par un AOM (voir l’aperçu AOM ci-dessus) ou en modulant directement la diode laser. Ceci, cependant, produit d’autres difficultés associées à la stabilité du V-Bias de l’EOM (voir ci-dessous).

Figure 6 : Exemple d'une configuration impulsionnelle pour surmonter la limitation de puissance d'entrée moyenne des EOM
  • Stabilité du V-bias:

C’est l’un des problèmes techniques les plus difficiles à gérer lors de l’utilisation d’une EOM. Les EOM dérivent généralement en raison de l’inhomogénéité thermique, etc. Cela amène la fonction de transfert (voir figure 6) à se déplacer dans la direction horizontale et le signal de modulation est appliqué à un point de fonctionnement changeant. Cela peut affecter la qualité de la modulation.

Fiber modulator EOM V-bias
Figure 7 : Fonction de transfert d'un modulateur d'intensité

Afin de faire fonctionner le modulateur d’intensité et d’obtenir la modulation souhaitée, l’utilisateur doit appliquer deux tensions distinctes au modulateur: (1) Une tension de modulation V (t) et (2) une tension continue (également appelée V-bias). Le V-Bias sélectionne le point de fonctionnement souhaité et compense la dérive afin de maintenir des conditions de fonctionnement plus stables.

Fiber modulator complete EOM setup
Figure 8 : Une configuration typique pour piloter une EOM nécessite 5 types d'électronique : 1- pilote de diode laser, 2-synchronisation globale, 3-modulation rapide, 4-amplificateur RF, 5-électronique de bias 5V

De nombreux fournisseurs proposent le pilote de diode laser décrit dans le schéma fonctionnel ci-dessus. Il est important de trouver un pilote impulsionnel qui génère des impulsions stables et propres dans le domaine temporel de la nanoseconde. Voici un exemple de pilote de diode laser pulsée adapté à de nombreux besoins.

Le produit illustré à la Figure 4 peut être utilisé efficacement comme la deuxième source électronique de « synchronisation » à laquelle il est fait référence à la Figure 8.

Un autre produit AeroDIODE combine les quatre premières fonctions électroniques de la Figure 8 ci-dessus avec de très bonnes performances techniques. Voir ce lien : driver de diode laser haute vitesse et Figure 10 ci-dessous. Ce pilote d’impulsion est capable de piloter et de contrôler simultanément un « seeder » en impulsionnel ou en continu (# 1), générer plusieurs signaux de synchronisation (# 2) piloter l’EOM avec une forme d’impulsion programmable avec une résolution temporelle jusqu’à 500 picosecondes (# 3 et 4).

Fiber modulator Shaper
Figure 10 : Carte Shaper pour le pilotage d'EOM, combinant un pilote de diode laser, une électronique de synchronisation à sorties multiples et une sortie de forme programmable 5 V pour piloter un EOM avec une bande passante de 2 GHz et une plage dynamique de 48 dB

Le cinquième bloc représenté sur la Figure 8 est très important lorsqu’une stabilité élevée est requise (ce qui est presque toujours le cas). Voici trois produits disponibles auprès de fabricants réputés:

Une difficulté majeure associée à la configuration illustrée dans la Figure 7 se produit lorsqu’un utilisateur doit fonctionner avec un régime d’impulsions à un temps de cycle très bas. Le faible niveau de puissance peut ne pas être suffisant pour que l’électronique du V-Bias puisse garder le contrôle du niveau de Bias. La différence entre les différentes générations de produits électroniques joue ici un rôle important.

Quelques exemples de quelques paramètres techniques clés des modèles EOM disponibles autour de 1064 nm et 1550 nm sont présentés dans le tableau ci-dessous:

Longueur d’onde (nm) Bande passante (GHz) Rapport d’extinction (dB) Perte d’insertion (dB)
1064 10 18 4,5
1064 (double) 10 50 4,0
980-1150 12 30 3,5
1530 – 1625 12 3,5 / 2,7
1525 – 1605 14 20 4,0

Modulateur optique à semi-conducteur: SOM (modulation basée sur un SOA)

Les amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA) sont une alternative bien établie aux EDFA (amplificateurs à fibre dopée à l’erbium) et sont le plus souvent utilisés pour amplifier un signal modulé. Un modulateur optique à semi-conducteur (SOM) utilise la technologie SOA d’une manière différente que celle que l’on connait pour les amplificateurs SOA traditionnels (Figure 10). La modulation optique à semi-conducteurs utilise une SOA comme un modulateur à fibre avec une perte d’insertion potentiellement négative (c’est-à-dire un gain). Dans ce cas, un signal de diode laser continu est appliqué au SOA et c’est le niveau de courant pilotant le SOA qui est allumé / éteint à la vitesse du GHz . Ce signal modulé peut également être personnalisé et façonné pour s’adapter à de nombreuses applications émergentes.

Fiber modulator SOA principle
Figure 10 : Le SOA, lorsqu'il est piloté par une électronique spécifique, se comporte comme un modulateur fibré sans perte d'insertion (SOM : Semiconductor Optical Modulator)

Il y a un certain nombre d’avantages à utiliser un SOA par rapport à d’autres solutions:

  • La plage dynamique d’un SOM est généralement plus élevée que celle d’un EOM ou d’un AOM. Par exemple, les EOMs sont souvent limitées à< 30 dB, et souvent moins car il existe une forte dépendance de polarisation.
  • Un SOM n’a pas de dépendances de rotation de polarisation, alors qu’un EOM et un AOM sont généralement sensibles aux dépendances de polarisation.
  • Le spectre d’un SOM reste le même tout au long de l’impulsion entière, alors que lors de la génération d’impulsion directe d’une diode laser, l’utilisateur doit tenir compte des effets spectraux indésirables qui surviennent du couplage entre le spectre fréquence / phase et le profil d’intensité.

Il faut cependant prêter attention à trois caractéristiques importantes:

  • Avec les SOA PM, le taux d’extinction élevé dépend de la polarisation et il est souvent nécessaire d’ajouter un polariseur (généralement un isolateur pour ses propriétés de polarisation) en sortie pour atteindre les niveaux de taux d’extinction très élevés.
  • Les technologies SOA peuvent être très différentes d’un fournisseur à l’autre. Un paramètre clé est le niveau de réflexion de la sortie optique qui peut à l’origine d’effets laser indésirablkes dans certains cas. Un isolateur est souvent nécessaire entre la diode laser d’entrée et le SOA.
  • En fonction de la configuration et de la puissance de la diode laser d’entrée, on peut vouloir (accessoirement) profiter de l’aptitude du SOA d’amplifier le signal d’entrée. Ceci est potentiellement intéressant mais cela peut également générer un signal d’ASE. Un filtre ASE peut être pertinent dans certaines configurations d’intégration.

Lors de l’utilisation d’un SOM, des taux d’extinction aussi élevés que 70 dB sont possibles. La puissance d’entrée maximale n’est généralement pas beaucoup plus élevée que la sortie de saturation de 50 mW (17 dBm).

Lorsqu’un taux d’extinction très élevé est requis, le meilleur choix est d’utiliser un SOA PM (avec le pilote optimisé correspondant) et d’utiliser les propriétés d’amplification du SOA. De cette façon, la faible puissance appliquée et l’absorption du SOA font que la lumière atteint des niveaux pW lorsqu’il n’y a pas de courant appliqué alors qu’elle peut atteindre, disons, 100 mW lors de l’application du courant nominal, soit >80 dB extinction entre les régimes ON et OFF. Le taux d’extinction est même amélioré en ajoutant un isolateur après le SOA pour bloquer la lumière résiduelle de l’axe rapide.

AeroDIODE propose trois modèles de châssis ouvert Pilote SOA pulsé et un module de commande qui sont compatibles avec les configurations de broches et la taille du boîtier de la plupart des SOA . Voir ce lien: Pilote pulsé SOA

Fiber modulator Aerodiode SOA
Figure 12 : Driver de SOA AeroDIODE capable de moduler la lumière jusqu'à 1 ns avec un taux d'extinction très élevé de plus de 50 dB.

AeroDIODE propose également 3 solutions complètes « clé en main » de modulateurs à fibre optique SOM. Ces SOM sont proposés avec une large sélection de SOA de 775 nm à 1625 nm. Les circuits de contrôle de courant et de température et les limites de sécurité sont préréglés et optimisés pour assurer le plus haut niveau de performance en mode pulsé. Voir ce lien: modulateur à fibre optique .

Fiber modulator SOM-std
Figure 13 : SOM clé en main avec plusieurs fonctionnalités intéressantes et contrôle USB. Version de forme carrée: la largeur d'impulsion peut être ajustée en interne ou déclenchée en externe avec un signal LVTTL. La puissance crête est ajustée en interne avec une résolution allant jusqu'à 60 dB ou en externe avec un signal analogique pur 0-5 V.
Fiber modulator SOM-shape
Figure 14 : SOM clé en main avec plusieurs fonctionnalités intéressantes et contrôle USB : version à forme d'impulsion conçue par l'utilisateur avec AWG interne. La forme de l'impulsion de sortie peut être configurée de 0,5 ps à 8 µs avec une bande passante de 2 GHz et une plage dynamique de 48 dB.
Fiber optic modulator SOM 1 nanosecond pulse
Figure 15 : Impulsion d'environ 1 nanoseconde obtenue avec un signal CW DFB d'entrée à 1064 nm en utilisant le SOM-std d'AeroDIODE

Il est intéressant de noter qu’un SOA peut également être utilisé comme, par exemple, pour le prélèvement d’impulsions (pulse-picking). Mais il faut connaître la limitation de cette solution liée au niveau d’énergie/puissance crête de l’impulsion entrante.

Fiber coupled modulator
Figure 16 : Un SOA peut-il être utilisé comme "pulse picker", par exemple, d'impulsions ps ? Le graphique ci-dessus montre le taux d'extinction d'impulsions de 230 ps traversant un AeroDIODE SOM à 1064 nm. Cela fonctionne bien pour les impulsions à faible énergie, mais le taux d'extinction se détériore lorsqu'on considère des impulsions à plus haute énergie. Dans ce cas, il faut priviligier l'AOM. (Note : les performances d'extinction relativement faibles ici sont liées au fait que l'on considère des impulsions ps de forte puissance crête)


Modulation directe par diode laser

La dernière solution (mais non des moindres)  pour moduler la lumière provenant d’une diode laser couplée dans une fibre optique consiste à appliquer une modulation directe à l’aide d’un pilote impulsionnel. Un exemple d’une largeur d’impulsion de 3 nanosecondes est présenté ci-dessous. On peut voir le pic de gain-switching au début de l’impulsion. Il s’agit d’une relaxation des porteurs dans la diode laser. Les pics de gain-switch peuvent être utiles si l’on veut isoler cette impulsion et obtenir ~ 100 picosecondes de durée d’impulsion. Mais le pic de « gain switch » est généralement une propriété indésirable. 

Fiber modulator : direct laser diode
Figure 17 : largeur d'impulsion stable de 3 ns en pulsant directement une diode laser DFB Butterfly avec le driver CCS d'AeroDIODE. Un pic de "gain-switch" est observé au début de l'impulsion.

Il existe peu d’entreprises dans le monde qui se spécialisent dans la fabrication commerciale de pilotes impulsionnels à diode laser. Cependant, la forme de l’impulsion à une courte largeur d’impulsion et le temps de montée / descente et les niveaux de gigue peuvent être très différents d’un fabricant à l’autre. En outre, il existe de nombreuses fonctionnalités clés et des fonctions supplémentaires qui varient d’un fabricant à l’autre, et la facilité d’utilisation doit également être prise en compte.

Les limitations de bande passante sont le résultat de la vitesse de l’électronique du «côté conducteur» et de l’inductance de la diode laser de l’autre côté. Atteindre un temps de montée / descente de 5 ns/A est atteint, en mode de commutation ON / OFF, par de nombreux fournisseurs. Cependant, combiner modularité, facilité d’utilisation et niveaux de performances élevés représente un difficulté importante.

AeroDIODE propose quatre modèles de pilotes de commutation de diode laser ON / OFF avec des vitesses de commutation de 3 ns / A à moins de 0,5 ns / A. Un autre pilote de diode laser haute vitesse également proposé par AeroDIODE pour la modulation directe des diodes laser, est appelé «Pulse-Shaper». Il s’agit du même produit illustré à la Figure 10, mais configuré pour la mise en forme directe du courant dans la diode laser. Il comprend un AWG interne et est capable de façonner la sortie de la diode laser avec une résolution d’amplitude de 48 dB et une résolution de synchronisation de 500 picosecondes. Voir ce lien: pilote de diode laser haute vitesse .

Fiber modulator Shaper
Figure 17 : Module de mise en forme AeroDIODE pour générer des formes d'impulsions ns spéciales conçues par l'utilisateur à partir de son AWG (générateur de forme d'onde arbitraire) intégré
Fiber modulator pulse shaping
Figure 18 : Forme d'impulsion optique spéciale obtenue à partir d'une diode laser DFB après sa programmation dans le module (à droite)

Ce module de mise en forme d’impulsions permet à l’utilisateur de programmer une forme personnalisée à l’aide d’un AWG intégré à bande passante élevée et génère la forme d’impulsion optique personnalisée souhaitée. Comme on le voit sur la figure ci-dessous, ce module dispose également d’une fonction interne spéciale qui permet à l’utilisateur d’atténuer le pic de changement de gain :

Fiber modulator gains switch suppression
Figure 19 : Formes d'impulsions de 3 ns à partir d'une diode laser DFB pilotée par des modules de mise en forme AeroDIODE. La courbe de gauche a un pic de gain-switch qui est supprimé sur l'impulsion de droite en activant la fonction interne de «suppression de pic de gain-switch».

Conclusion

Le tableau ci-dessous résume les avantages et les inconvénients des différentes solutions. Les AOMsont intéressants lorsque l’on recherche plusieurs Watts de puissance de sortie. Les EOM sont les solutions les plus rapides malgré un haut niveau de complexité d’intégration, un faible taux d’extinction et une perte d’insertion élevée. Les SOM(c’est à dire Les SOAutilisé dans une configuration de modulateur avec une électronique spéciale) présentent clairement des avantages majeurs lors de la recherche d’une solution de vitesse GHz simple et robuste. Les Diode laser avec pilotage directe sont la solution la moins chère mais attention au fait que la longueur d’onde se décale tout au long de l’impulsion et il faut choisir la bonne électronique de pilotage pour atteindre une puissance crête minimale lorsqu’on recherche une largeur d’impulsion inférieure à 10 ns.

Figure 20 : Les avantages et les inconvénients des quatre principales approches techniques de la modulation pour les laser à fibre