Cette technique est basée sur la modulation électrique d’impulsions optiques issues d’un laser à verrouillage de mode. Ce laser permet de générer des impulsions très brèves à intervalle de temps régulier et précis. Il a donc un double avantage pour la réduction du jitter des systèmes d’échantillonnage : il présente naturellement un jitter très faible et ses impulsions très courtes permettent d’être beaucoup moins sensible au bruit des composants du système.
1.1 Principe
Le schéma de cette architecture a été proposé par Siegman en 1970 [53] et réside dans la modulation des impulsions issues du laser à verrouillage de mode par le signal à analyser (Figure 18). Des photodétecteurs permettent ensuite de convertir le train d’impulsions modulées en signal électrique qui est alors quantifié par un convertisseur analogique-numérique « classique ».
Signal d’entrée CAN Laser à verrouillage de mode Signal d’entrée CAN CAN Laser à verrouillage de mode
Figure 18 : Schéma de principe de la technique par modulation d'impulsions laser
1.2 Entrelacement temporel
Afin de relâcher les contraintes fréquentielles sur le photodétecteur et le convertisseur, un entrelacement temporel peut être réalisé en répartissant les impulsions modulées sur plusieurs voies. L’impulsion modulée est répétée sur les différentes voies et un dispositif de commutation permet de sélectionner tour à tour chacune des voies (Figure 19).
Signal d’entrée CAN CAN CAN Laser à verrouillage de mode D E M U X Signal d’entrée CAN CAN CAN CAN CAN CAN Laser à verrouillage de mode D E M U X
Figure 19 : Entrelacement temporel appliqué à la technique par modulation d'impulsions laser
Cet entrelacement est réalisé soit par des commutateurs optiques pilotés électriquement (ex. [51] [54]), soit par multiplexage en longueur d’onde (en anglais WDM, Wavelength-Division Multiplexing) (ex. [55], [56], [57]) : des impulsions de longueurs d’onde différentes sont générées périodiquement et le dispositif de commutation n’est simplement constitué que de filtres optiques. L’entrelacement temporel est alors réalisé par filtrage de longueurs d’onde optiques.
1.3 Performances
Les publications présentent des performances assez diverses, avec par exemple plus de deux décades d’écart sur la fréquence d’échantillonnage (environ de 1 à 100 GEch/s) et des résolutions de quelques bits effectifs jusqu’à 8 bits ou plus. Les applications visées sont clairement la numérisation en temps continu de signaux large bande et haute résolution, c'est-à-dire les mêmes applications que celles que nous visons.
Nous n’avons trouvé aucune référence de système entièrement fonctionnel et la caractérisation des systèmes réalisés n’est souvent que partielle. Le Tableau 5 reprend les meilleures performances publiées à ce jour.
Tableau 5 : Etat de l'art des systèmes par modulation d'impulsions optiques
1.4 Codeur optique
En 1975 Taylor adapte la technique pour quantifier directement les impulsions modulées [58] : en choisissant judicieusement les paramètres d’un modulateur électro-optique il est possible d’obtenir en sortie un signal optique équivalent au énième bit de la valeur numérisée de l’échantillon. Un photodétecteur et un comparateur électrique permettent ensuite d’obtenir la valeur du bit. En parallélisant trois, puis quatre modulateurs adaptés, des résolutions de trois et quatre bits ont été obtenues [58], [59].
Cette solution est, bien-sûr, limitée à de faibles résolutions et aucune technique de correction des erreurs de codage ne peut-être appliquée. Les systèmes réalisés sur ce principe présentent donc des erreurs de codage importantes qui réduisent très fortement leur résolution effective.
De nombreuses autres techniques permettent de quantifier directement les signaux optiques mais les résolutions obtenues sont souvent très faibles et leur mise en œuvre reste complexe. Nous avons donc choisi de ne pas les présenter et de nous limiter aux techniques optoélectroniques.
2 Technique par commutateur photoconducteur
2.1 Principe de fonctionnement
Cette technique a été proposée par Ryohei Urata en 2001 [60] et repose sur l’utilisation des impulsions optiques issues d’un laser à verrouillage de mode pour déclencher la fermeture et
Référence Fréquence
d’échantillonnage Bande-passante Résolution Principe
[51] 500 MEch/s 250 MHz 8 bits effectifs
14 voies par Commutateurs
optiques [55] 10 GEch/s - 5 bits effectifs WDM 4 voies
[57] 10 GEch/s 18 GHz 6 à 7 bits effectifs WDM 8 voies
[56] 12 GEch/s 6 GHz 5 bits effectifs WDM 3 voies
[54] 100 GEch/s 20 GHz 4 bits effectifs
8 voies par Commutateurs
l’ouverture d’un commutateur photoconducteur MSM (Métal Semiconducteur Métal). Initialement à l’état ouvert, ce commutateur passe à l’état fermé lorsqu’il est éclairé par une impulsion laser. Associé à une capacité de maintien, il permet de réaliser un échantillonneur-bloqueur commandé optiquement : pendant la durée de l’impulsion lumineuse, le commutateur est éclairé et la capacité de maintien se charge sur le signal d’entrée ; à la fin de l’impulsion lumineuse le commutateur s’ouvre et la capacité de maintien est alors isolée de l’entrée. Un convertisseur analogique-numérique permet ensuite de convertir les échantillons (Figure 20).
Signal d’entrée Laser à verrouillage de mode CAN t t t 1 2 3 1 2 3 Commutateur MSM Capacité de maintient Signal d’entrée Laser à verrouillage de mode CAN t t t 1 2 3 1 2 3 Commutateur MSM Capacité de maintient
Figure 20 : Principe de l'échantillonnage par commutateur photoconducteur
2.2 Performances
Un des principaux avantages de cette solution est de profiter des performances temporelles du laser à verrouillage de mode sans convertir optiquement le signal à analyser. Cette architecture permet donc d’atteindre un très faible jitter tout en conservant un bon rapport signal-à-bruit. La principale limitation vient de la capacité parasite du commutateur photoconducteur : pour réduire la résistance série du commutateur à l’état passant, il faut augmenter la largeur du commutateur ce qui augmente la capacité parasite à l’état bloqué. Typiquement, cette capacité parasite est de 10 fF alors que la capacité de maintien n’est que de 30 fF. On crée ainsi un pont diviseur capacitif qui limite l’isolation du commutateur au mieux à 12 dB. Pour améliorer cette très faible isolation, une structure différentielle est utilisée dont une seule des deux voies est commutée. Le mode commun correspond alors à la partie du signal qui traverse le commutateur et sera supprimé par l’architecture différentielle alors que le mode différentiel correspond à l’échantillon prélevé et sera conservé.
Reprenant une solution développée pour les architectures électroniques (et qui sera largement détaillée dans la suite de la thèse), l’entrelacement temporel de
n
échantillonneurs-bloqueurs est réalisé en les plaçant le long d’une ligne de propagation adaptée 50 Ω [60]. L’impulsion issue du laser est alors divisée enn
impulsions synchrones, ensuite déphasées les unes des autres pour commander lesn
voies d’échantillonnage. Ces impulsions sont transmises aux commutateurs photoconducteurs par fibres optiques ce qui permet à la fois de conserver un jitter très faible et de séparer totalement la partie signal de la partie déclenchement, la première étant électrique et la seconde optique. En revanche il est à déplorer qu’aucune étude de la ligne de transmission n’ait été réalisée et, dans la pratique, les publications proposées se limitent à l’entrelacement de deux voies.Encore une fois, seuls des résultats préliminaires sont disponibles. La publication [61] fait état d’un système à deux voies d’échantillonnage qui présente une bande-passante supérieure à
40 GHz et une résolution de 3,5 bits effectifs. Les codeurs 4 bits utilisés constituent la principale limitation de la résolution qui pourrait être - d’après la publication - d’environ 5 bits après échantillonnage. En revanche, dans les conditions du test, la fréquence d’échantillonnage n’est que de 160 MEch/s (80 MEch/s sur chaque voie).