La demande croissante de services à bande étroite dans les systèmes radio actuels a réduit la disponibilité de la capacité élevée requise par les systèmes sans fil à large bande au sein du spectre radioélectrique. Pour pallier cette limitation, l'utilisation de liaisons radio à ondes millimétriques (26-100 GHz) est envisagée pour des applications dans les systèmes micro/picocellulaires à large bande, les systèmes d'accès sans fil fixes et les réseaux locaux sans fil. La complexité de ces liaisons radio peut être simplifiée en partageant les émetteurs et récepteurs à ondes millimétriques entre différents canaux radio grâce au multiplexage de sous-porteuses.
Dans ces réseaux sans fil, la forte atténuation atmosphérique aux fréquences millimétriques permet le développement d'architectures cellulaires avec une meilleure réutilisation des fréquences et, par conséquent, une gestion du spectre simplifiée. Cependant, la zone de couverture réduite impose un plus grand nombre de stations de base, ce qui nécessite une conception fonctionnellement simple. Si les stations de base sont connectées à une station de contrôle, les fonctions de routage et de traitement sont centralisées, simplifiant ainsi l'équipement de la station de base. Le câble à fibre optique constitue le support idéal pour ces connexions, pour les trois raisons évoquées précédemment. De plus, si les signaux radio sont transmis par fibre aux fréquences millimétriques, les stations de base sont encore simplifiées, leur équipement se limitant à des composants optoélectroniques et des amplificateurs électriques, ce qui élimine le besoin de convertisseurs de fréquence. En acheminant les signaux directement depuis la station de contrôle par câble à fibre optique, il n'est plus nécessaire de générer la porteuse haute fréquence à la station de base, qui peut être située dans une zone difficile d'accès. Par conséquent, pour déployer ces systèmes à grande échelle, il est indispensable de trouver des méthodes économiques de génération et de détection du signal optique aux fréquences millimétriques.
Techniques de génération
Actuellement, la fréquence de modulation maximale des diodes laser est d'environ 30 GHz, ce qui rend la modulation directe aux fréquences millimétriques impraticable. Par ailleurs, bien que des modulateurs électro-optiques fonctionnant à des fréquences allant jusqu'à 50 GHz, voire optimisés pour une bande particulière (par exemple, 60 GHz), soient disponibles dans le commerce, ces dispositifs sont onéreux et nécessitent des tensions élevées. Néanmoins, la modulation optique aux fréquences millimétriques à l'aide de composants optoélectroniques basse fréquence moins coûteux fait l'objet de recherches actives. En effet, ces recherches visent à découvrir de nouvelles techniques plutôt qu'à améliorer les performances ou les fonctionnalités des dispositifs existants. Différentes méthodes ont notamment été étudiées : la modulation des résonances de la réponse laser, la génération d'harmoniques et le mélange optique cohérent.
La première technique a été démontrée à l'aide de lasers à cavité externe, où les fréquences multiples du temps de parcours aller-retour de la cavité sont amplifiées. Par ailleurs, les techniques de génération d'harmoniques permettent l'utilisation de composants optoélectroniques à des fréquences relativement basses, intégrés au système millimétrique. Dans tous ces composants, la réponse optique non linéaire au signal électrique d'entrée est exploitée. Ainsi, lasers et modulateurs électro-optiques peuvent être utilisés à cette fin, permettant une génération efficace de fréquences millimétriques grâce aux harmoniques d'ordre supérieur. Enfin, le mélange optique cohérent peut également servir à générer des signaux millimétriques. Si deux porteuses optiques cohérentes sont incidentes sur la même photodiode, une composante du signal est générée à la sortie de la photodiode à la fréquence différente des deux porteuses. Par exemple, une différence de 0,5 nm à une longueur d'onde centrale de 1550 nm produit un battement de signal à une fréquence légèrement supérieure à 60 GHz. Cependant, cette technique souffre généralement de problèmes de stabilité et de pureté spectrale des signaux générés. La génération d'harmoniques, quant à elle, produit des signaux d'une pureté spectrale dérivée de l'oscillateur de référence utilisé, ce qui permet de synthétiser des signaux avec des largeurs de raie inférieures à 1 Hz.
Une autre méthode de génération de signaux millimétriques utilise un laser à modulation de fréquence auquel est appliqué un signal de commande. Le spectre optique d'un laser à modulation de fréquence présente plusieurs raies séparées par la fréquence du signal de modulation. Les fréquences millimétriques peuvent être générées par battement de ces bandes latérales dans un photodétecteur. Cependant, un signal FM pur a une intensité constante et ne produit aucun photocourant aux harmoniques de la fréquence de modulation. Par conséquent, le signal est propagé dans une fibre optique dispersive afin de modifier la phase relative des bandes latérales et ainsi obtenir les harmoniques du signal de modulation à la sortie du photodétecteur.
Bien que la technique de conversion FM-1M (fréquence-intensité) décrite précédemment se soit avérée efficace pour la génération de signaux millimétriques, elle nécessite des lasers présentant d'importantes déviations de fréquence pour atteindre un bon rendement. De plus, cette technique n'est pas adaptée aux fibres courtes ni aux fibres à dispersion décalée. Pour pallier ces limitations, l'utilisation de modulateurs de phase associés à des réseaux de diffraction sur fibre optique, en tant qu'élément dispersif, a également été proposée.
D'autres techniques peuvent être utilisées, comme les modulateurs externes, tels que les modulateurs Mach-Zehnder ou à électroabsorption. La génération d'harmoniques à la fréquence de modulation dans un modulateur Mach-Zehnder repose sur la non-linéarité de sa fonction de transfert. Plus précisément, cette fonction est sinusoïdale et présente trois régions de fonctionnement typiques. La région linéaire correspond au fonctionnement normal, mais des excursions de modulation importantes permettent d'obtenir des harmoniques d'ordre 3, 5, 7, etc., du fait de son comportement d'ordre impair. Par ailleurs, les régions non linéaires, appelées MITB (biais de transmission minimal) et MATB (biais de transmission maximal), produisent des harmoniques d'ordre 2, 4, 6, etc., du fait de leur comportement d'ordre pair (régions autour du minimum et du maximum de la fonction de transfert, respectivement). Enfin, les modulateurs à électroabsorption constituent une alternative prometteuse pour la génération d'harmoniques, car leur fonction de transfert est plus non linéaire que celle des modulateurs Mach-Zehnder.
Détection du signal
En matière de détection, les photodiodes rapides disponibles dans le commerce sont onéreuses et peu performantes. La recherche de photodiodes à haut rendement et potentiellement économiques pour les fréquences millimétriques est également à l'étude. On peut citer comme exemples les photodiodes monolithiques intégrées avec préamplificateurs optiques et les phototransistors à hétérojonction bipolaire (photoHBT).
La principale limitation des photodétecteurs réside dans leur faible sensibilité. L'amplification optique s'étant avérée une méthode efficace pour améliorer le rapport signal/bruit dans de nombreux systèmes, une photodiode monolithique associée à un préamplificateur optique constitue un photodétecteur à haute sensibilité. Ce dispositif a permis d'atteindre une bande passante de 33 GHz et une sensibilité de 89 A/W. Ainsi, la combinaison d'un gain optique élevé et d'une large bande passante rend ce dispositif idéal pour les applications de fibre optique aux fréquences millimétriques.
Le photoHBT est un autre exemple de photodétecteur à gain élevé. Dans ce cas, le gain électrique est obtenu grâce à un transistor. Ce dispositif est un simple transistor bipolaire à hétérojonction (HBT) doté d'une fenêtre pour l'entrée optique. La couche d'InGaAs utilisée dans la base-collecteur des dispositifs à base d'InP assure une forte absorption à la longueur d'onde souhaitée, autour de 1550 nm. Bien que ce dispositif puisse être utilisé comme simple photodétecteur, il peut également être employé dans des applications tirant parti de sa double fonction de photodiode et d'élément électronique actif. On peut citer l'exemple d'un oscillateur à verrouillage optique (OLSO), composant essentiel des systèmes radio à fibre optique, car il permet la conception d'oscillateurs de forte puissance et à faible coût, sans contrainte sur la pureté spectrale.
La figure 1 présente le schéma fonctionnel d'une configuration typique d'émetteur-récepteur à ondes millimétriques. Le signal optique entrant est photodétecté, et l'une de ses bandes latérales est filtrée pour amplification et transmission à la station mobile. Le filtre fournit également la porteuse millimétrique pour la liaison de retour. Le signal reçu de la station mobile est amplifié avant d'être converti en fréquence intermédiaire (FI) et retransmis par fibre optique à l'aide d'un laser. Cette configuration simplifie considérablement l'optoélectronique de la liaison de retour, puisqu'un laser basse fréquence à modulation directe peut être utilisé.
Transmission par liaisons à fibre optique
La dispersion chromatique de la fibre influe considérablement sur la distance de transmission atteignable dans les systèmes de communication optique à détection dirigée par modulation d'intensité (MI-DD) transportant des signaux millimétriques supérieurs à 20 GHz. Dans une liaison MI-DD, la sous-porteuse millimétrique est transmise au moyen de deux bandes latérales de modulation (supérieure et inférieure) de part et d'autre de la porteuse optique. En raison de la dispersion et du fort écart de fréquence entre les deux bandes latérales et la porteuse optique, la phase de chacune des composantes fréquentielles du signal optique transmis subit un déphasage différentiel. Après détection, cette différence de phase entraîne une diminution de la puissance électrique récupérée et, par conséquent, une dégradation du rapport signal sur bruit.
La puissance électrique à la sortie du photodétecteur varie périodiquement en fonction de la distance de transmission, présentant des maxima et des minima (ou creux). Ce comportement périodique est dû à des interférences constructives ou destructives se produisant dans le photodétecteur entre les deux bandes de modulation, qui présentent des déphasages différents selon la fréquence de modulation et la longueur de la fibre optique. Cette variation s'accélère avec l'augmentation de la fréquence de modulation. Par exemple, pour une fréquence de sous-porteuse de 30 GHz, le premier creux apparaît aux alentours de 4 km de fibre, tandis que pour une fréquence de 60 GHz, ce creux se situe à seulement 1 km. Par conséquent, les systèmes optiques analogiques fonctionnant aux fréquences millimétriques sont relativement limités.
La pénalité de puissance admissible due à la dispersion pour une liaison de communication donnée dépend du bilan de puissance et de la marge disponible. Toutefois, pour les analyses générales, une pénalité maximale de 1 dB est généralement utilisée. Cette valeur garantit une influence minimale de la dispersion sur les performances globales du système, notamment en termes de rapport signal sur bruit.
La figure 2 illustre la dépendance de la distance de transmission à la dispersion chromatique de la fibre et à la fréquence de la sous-porteuse des fibres millimétriques. On constate que la distance dépend en 1/D de la dispersion et en 1/f de la fréquence de la sous-porteuse. Par conséquent, une augmentation de la dispersion ou de la fréquence limite la distance de transmission maximale.
Les performances peuvent être considérablement améliorées grâce à l'utilisation de fibres à dispersion décalée. Cependant, comme le montre la figure 2, la tolérance imposée à la valeur de dispersion est très stricte, car une variation de quelques ps/km.nm entraîne d'importantes variations de la distance maximale atteignable (courbe plus abrupte pour les valeurs réduites du paramètre de dispersion chromatique). Bien que la dispersion de la fibre ne varie généralement pas de manière significative, les variations relatives sont plus importantes lorsque la valeur du paramètre de dispersion diminue. Par conséquent, cet aspect doit être pris en compte avec soin dans les systèmes utilisant des fibres à dispersion décalée.
Système modal
Le système MODAL (Microwave Optical Duplex Antenna Link) fait référence à un projet de recherche de RACE II (Recherche et Développement pour les Communications Avancées en Europe) visant à trouver des applications des techniques photoniques pour générer des signaux à fréquence millimétrique pour la fourniture de services de télécommunications mobiles en Europe.
Dans le domaine des communications mobiles, l'UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) devrait fournir la majeure partie de la capacité requise. Cependant, fonctionnant à de basses fréquences micro-ondes, l'UMTS ne pourra pas fournir de services à haut débit. Par conséquent, les futurs réseaux sans fil à haut débit devraient utiliser le spectre des ondes millimétriques comme support d'accès. À cette fin, deux sous-bandes pour les applications haut débit mobile ont été identifiées en Europe : la bande 62-63 GHz pour les liaisons entre stations de base et mobiles, et la bande 65-66 GHz pour les liaisons entre mobiles et stations de base. Ces bandes sont particulièrement intéressantes pour les systèmes à haut débit en raison de la disponibilité suffisante du spectre radioélectrique. Le MBS (Mobile Broadband System), actuellement en développement, est un exemple de système de ce type.
Le projet MODAL a contribué au développement de ces systèmes en étudiant des techniques d'interconnexion d'antennes distantes à une station de base centrale par fibre optique. Il a également exploré des méthodes optiques de génération des fréquences millimétriques nécessaires à ces systèmes. Le consortium initial, composé d'Alcatel-SEL, de l'Université de Galles, de l'Université d'Aveiro, de l'Université technique nationale d'Athènes et du CET, a accueilli par la suite de nouveaux membres tels que GEC-Marconi, Caswell, Thomson-CSF, l'Université de Lille et l'Institut Fraunhofer.
Le projet MODAL visait initialement à démontrer une liaison fibre optique bidirectionnelle fonctionnant à 30 GHz. Le choix de cette fréquence reposait sur la disponibilité commerciale de dispositifs optoélectroniques dans cette gamme de fréquences. Par la suite, les objectifs du projet ont été élargis et la fréquence de fonctionnement portée à 60 GHz, ce qui a nécessité le développement de nouveaux circuits MMIC et de dispositifs optoélectroniques pour atteindre ces fréquences plus élevées. La figure 3 résume le périmètre et les applications du projet MODAL.
La topologie du système MODAL est illustrée à la figure 4. Pour la liaison descendante (station de base vers mobile), une source optique bi-fréquence et un modulateur électro-optique linéaire basse fréquence sont utilisés comme émetteurs. Cette technique de transmission est particulièrement adaptée aux sous-porteuses modulées, car d'autres méthodes présentent une linéarité insuffisante aux hautes fréquences. La longueur d'onde de fonctionnement était de 1550 nm afin de permettre l'intégration d'amplificateurs à fibre dopée à l'erbium (EDFA) au sein du système, garantissant ainsi un niveau de puissance optique suffisant pour assurer la qualité de signal électrique requise à l'entrée de l'antenne distante.
La méthode de génération optique à double source consiste à fournir la porteuse millimétrique grâce à un processus de photodétection non linéaire. La source optique génère deux porteuses optiques cohérentes, séparées précisément par la fréquence millimétrique souhaitée. L'une de ces porteuses est ensuite modulée par le signal de données basse fréquence et combinée à l'autre pour la transmission sur la liaison fibre optique. Dans ce cas, la modulation d'une seule porteuse permet de s'affranchir de la dispersion chromatique de la fibre et de limiter la portée du système. Au niveau du récepteur, le battement non linéaire des deux porteuses optiques par la photodiode génère la porteuse millimétrique sur laquelle les données transmises seront modulées.
Pour la liaison retour, une longueur d'onde de 1300 nm (seconde fenêtre) a été choisie, permettant ainsi l'utilisation de la même liaison fibre optique dans les deux sens. Cette liaison montante (mobile vers station de base) utilise une diode laser à haute linéarité comme émetteur optique afin de minimiser la distorsion d'intermodulation, ainsi qu'un récepteur accordé à faible bruit et à large plage dynamique pour s'adapter à la large gamme de niveaux de signal propres à l'environnement mobile.
Auteur : Francisco Ramos Pascual. Ingénieur en télécommunications. Professeur de radiocommunications à l’Université polytechnique de Valence.
