Les bases de la modulation fibrée : quelle technologie choisir ?

Modulateurs à fibres optiques : les avantages et inconvénients des différentes solutions.

Les modulateurs à fibres optiques permettent de faire varier le niveau d’intensité optique très rapidement au sein d’un dispositif intégré. Ce « tutoriel » détaille les avantages et inconvénients des 4 technologies alternatives.

Version complète en anglais : Fiber modulator basics

Pour une lecture rapide, le tableau ci-dessous donne une bonne vision d’ensemble des technologies évaluées et de leurs performances relatives :

Modulateurs Acousto-optiques (AOM)

Le principal avantage des dispositifs de type acousto-optique fibrés est lié à la puissance optique moyenne qu’ils peuvent accepter qui peut atteindre plusieurs watts (voire plus de 10 W dans certains cas). Il y a un compromis entre vitesse de commutation et perte d’insertion : plus le faisceau optique est concentré dans le cristal, plus il commute rapidement, mais plus les pertes de couplage dans la fibre de sortie sont importantes.

Des dispositifs Acousto-optiques fibrés sont disponibles à différentes longueurs d’onde entre 380 et 2500 nm.

Au moins deux fournisseurs sérieux proposent des solutions de modules Acousto-optiques fibrés :

• AeroDIODE (France)
• Gooch and Housego (UK)

Des exemples de spécifications de différents modèles sont donnés dans le tableau ci-dessous :

Lorsque l’on considère le prix d’un module acousto-optique, il faut prendre en compte 3 éléments : le composant lui-même, son driver RF et une électronique de synchronisation.
Les drivers RF sont généralement approvisionnés auprès des fournisseurs d’acousto-optiques. Un exemple d’électronique de synchronisation qui combine un nombre élevé de fonctionnalités, y compris autour du prélèvement d’impulsions et de formes de signaux arbitraires est proposé par Aerodiode :

Modulateurs Electro-Optiques (EOM)

Le principal avantages des solutions à base de modulateurs Electro-Optiques est leur bande passante qui s’étend jusqu’à plusieurs dizaines de GHz, pour autant qu’il soit possible de trouver une électronique de pilotage suffisamment rapide. En face de cette caractéristique intéressante, les utilisateurs doivent faire face à de nombreuses difficultés techniques qu’ils résolvent généralement en augmentant la complexité du setup global.

Au moins quatre fournisseurs sérieux proposent des modulateurs electro-optiques (EOM) :

• iX-Blue (France)
• EOspace (USA)
• Jenoptik (Allemagne)
• Thorlabs (USA)

Lorsque l’on décide de mettre en place un setup à base de modulateur électro-optique (EOM), il convient de prêter attention à plusieurs paramètres :

• Pertes d’insertion : Des pertes de l’ordre de 4 ou 5 dB sont habituelles. L’amélioration d’une performance clé telle que, par exemple, le taux d’extinction, s’accompagne généralement d’une augmentation du niveau de pertes.
• Puissance maximale : une puissance de l’ordre de 50 mW (17 dBm) est habituelle. Il s’agit d’une puissance max. Il est donc possible de dépasser ce niveau en appliquant un signal impulsionnel à l’entrée à la place d’un signal continu. Le signal modulé peut être généré par un AOM ou en modulant directement la diode laser. Cela pose cependant des difficultés liées à la stabilité du V-bias (cf ci-après).

• Stabilité du V-bias : c’est probablement le point le plus complexe à considérer. La tension de Bias des modulateurs électro-optiques varie doucement à cause des inhomogénéités thermiques au sein du composant. Cela fait varier la fonction de transfert horizontalement ce qui peut affecter la qualité de la modulation :

Pour obtenir le résultat de modulation escompté avec un modulateur électro-optique, il convient d’appliquer séparément deux tensions sur le composant : une tension de modulation V(t) et une tension continue (appelée également V-bias). Le V-bias sélectionne le point de fonctionnement souhaité et compense les variations thermiques. Une setup de pilotage de modulateur électro-optique requiert ainsi typiquement 5 électroniques de pilotage différentes : 1- driver de diode laser, 2- synchronisation globale, 3- modulation rapide, 4-Amplificateur RF, 5- Electronique d’asservissement de Vbias.

Il existe différents fournisseurs pour les électroniques citées ci-dessus. Un générateur d’impulsions stable dans la gamme nanoseconde est important :

• Laser diode driver (1) : Aerodiode commercialise un driver de diode laser impulsionnel
• Synchronisation electronics (2) : Aerodiode propose un générateur d'impulsions et de délai
• Pour combiner un "Laser diode driver (1)", "Synchronisation electronics (2)" et un "EOM fast modulation electronics (3)", un driver impulsionnel de nouvelle génération est maintenant proposé par Aerodiode. Ce driver est à même de piloter une diode laser de type « Butterfly », générer plusieurs signaux de synchronisation et de piloter le modulateur électro-optique avec une forme de pulse arbitraire et une résolution temporelle de 500 ps :

Amplificateurs-Modulateurs à Semiconducteurs (SOA-SOM)

Les amplificateurs à semiconducteurs (SOA Semiconductor-Optical-Amplifiers) sont souvent utilisés en tant qu’ampli continu et représentent ainsi une alternative crédible aux Amplificateurs à fibre tels les EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier). Ce n’est pas la façons dont les SOA Semiconductor Optical Amplifiers sont utilisés ici.

La modulation optique à base de semiconducteur (SOM Semiconductor-Optical-Modulation) peut être obtenue lorsque le SOA est vu comme un modulateur à fibre optique avec des pertes potentiellement négatives (c’est-à-dire un gain). Dans ce mode d’utilisation du SOA, un signal continu issu d’une diode laser est appliqué au SOA et c’est le niveau de courant de pilotage du SOA qui produit les impulsions souhaitées, avec éventuellement des formes arbitraires, avec une rapidité de l’ordre du GHz grâce à des électroniques spécifiques.

Il y a de nombreux avantages à utiliser des modulateurs fibrés de type SOA comparativement à d’autres solutions :

• La dynamique est généralement beaucoup plus élevée que pour les EOM (Electro-optic-Modulator) qui sont souvent limités par trop d’effets optiques
• Il n’y a pas de rotation de polarisation alors que les EOM ou les AOM peuvent rencontrer ce type de problème
• Le spectre reste identique tout au long de l’impulsion, alors que lorsque l’on pulse directement une diode laser, il y a un couplage des spectres de fréquence/phase et des profils d’intensité qui peuvent engendrer des effets indésirables sur la longueur d’onde d’émission.
• Il s’agit de la seule solution qui fonctionne également en tant qu’isolateur pour le signal laser

Il reste cependant nécessaire de bien faire attention aux deux points suivants :

• Le taux d’extinction d’un SOA (Semiconductor-Optical-Amplifier) dépend de la polarisation et il est souvent nécessaire de rajouter un polariseur fibré en sortie (ou un isolateur pour ses fonctions de polariseur) pour atteindre un bon taux d’extinction.
• Suivant la configuration d’utilisation et le niveau de de puissance en entrée, il peut être pertinent d’utiliser également les fonctions d’amplification du SOA. Cela est potentiellement intéressant mais peut également générer un signal d’ASE (Amplified Stimulated Emission). Il est alors pertinent de rajouter une filtre ASE pour certaines configurations d’intégration.

Des niveaux de taux d’extinction jusqu’à 70 dB peuvent être typiquement rencontrés. La puissance maximale en entrée n’est généralement pas beaucoup supérieure que la puissance de saturation en sortie, soit typiquement 50 mW (17 dBm).

La modulation rapide du courant d’un SOA requiert une électronique stable et efficace avec des fonctionnalités spécifiques pour permettre d’atteindre un niveau de taux d’extinction de, par exemple, 50 dB.

Le driver de diode laser impulsionnel est un pilote « ouvert » à même de recevoir directement les pin de la majorité des SOA du marché. 

AeroDIODE propose également des solutions complètes fermées avec un large choix de SOA de 775 nm à 1625 nm. Au sein de ces modules, les circuits de contrôle en température/courant et les limites de sécurité sont préprogrammées et optimisées pour garantir les meilleures performances en régime impulsionnel sans risquer d’endommager le composant.

Quelques sociétés de par le monde commercialisent des driver impulsionnels rapides. Cependant la forme de l’impulsion à durée de pulse court et les temps de montée/descente ainsi que les niveaux de Jitter peuvent être très différents. Il est également important de faire attention au nombre de fonctionnalités et à la facilité d’utilisation qui peuvent varier de façon importante d’un fournisseur à l’autre.

Les limitations de bande passante sont liées à la rapidité des électroniques d’une part, mais également au niveau d’inductance de la diode laser (très souvent liée au type de boîtier). Atteindre typiquement 5ns/A de temps de montée/descente est assez habituel. La principale difficultés en électronique de pilotage réside dans la capacité de coupler performances techniques et modularité dans les fonctionnalités.

AeroDIODE propose quatre modèles de drivers impulsionnels de type On/Off avec des temps de montée allant de 3 ns/A à moins de 500 ps/A :

Un autre driver impulsionnel proposé par Aerodiode pour la modulation directe de diodes lasers est appelé « Shaper ». Ce pilote comprend un générateur de signaux arbitraires (AWG) interne et est à même de générer n’importe quelle forme d’impulsion optique avec une résolution de 48 dB et de 500 ps.

Ce driver permet de programmer la forme d’une impulsion spécifique à l’aide d’un générateur de fonction arbitraire et génère ainsi la forme temporelle souhaitée. Il comprend également une fonction spécifique qui permet de supprimer le pic de gain-switch :

Attention néanmoins au fait que lorsque l’on pulse directement une diode laser, il y a un couplage des spectres de fréquence/phase et des profils d’intensité qui peuvent engendrer des effets indésirables d’évolution de la longueur d’onde tout au long de l’impulsion. Si cela est un problème, le passage au SOA/SOM décrit précédemment est souvent la meilleure solution.

Conclusion

Le tableau ci-dessous résume les avantages et inconvénients des différentes solutions de modulation fibrée. Les modulateurs acousto-optiques sont intéressants lorsque l’on souhaite atteindre plusieurs watts en sortie fibrée. Les modulateurs électro-optiques représentent la solution la plus rapides malgré le fort niveau de complexité d’intégration et leur faible taux d’extinction. Les SOA utilisés en tant que modulateurs fibrés présentent un excellent compromis lorsque l’on recherche une solution de coût optimal et de bande passante de l’ordre du GHz. La modulation directe de diode laser est la solution la moins coûteuse, mais il faut savoir que la longueur d’onde va varier tout au long de l’impulsion et il sera probablement nécessaire d’identifier la bonne électronique de pilotage pour atteindre une puissance crête suffisante lorsque l’on considère des impulsions inférieures à 10ns, et pour éventuellement supprimer le pic de gain-switch.