pC12 CARACT‰RISATION EXP‰RIMENTALE DES Faculte des...  CARACT‰RISATION EXP‰RIMENTALE DES PERFORMANCES

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  • 5me Sminaire National sur le Laser et ses Applications UKM Ouargla 16 et 17 Dcembre 2009

    pC12 CARACTRISATION EXPRIMENTALE DES PERFORMANCES

    DUNE LIAISON WIFI SUR FIBRE MULTIMODE

    Hichem CHETTAT1, Lotfy Mokhtar SIMOHAMED1, Anne-Laure BILLABERT2, Ali YALAOUI2 et Catherine ALGANI2

    1 LSEO-EMP : B.P. 17-C, Bordj-El-Bahri, 16111 Alger 2 ESYCOM-CNAM : 292, rue Saint Martin, Case 454 75141 Paris Cedex 3

    E-mail : hichemchettat@yahoo.fr

    RSUM : Dans cet article, nous prsentons une tude exprimentale rendant compte de la mise en uvre dune ligne de transmission WiFi sur fibre optique multimode. Le but de cette exprience est dvaluer les performances de la liaison numrique en analysant lamplitude du vecteur derreur (EVM). Une caractrisation initiale de la source (VCSEL), en fonction de la variation de la polarisation et de linfluence des non-linarits, a t ncessaire au bon fonctionnement de la liaison. Les rsultats obtenus ont montr les limites en performances du lien radio sur fibre, en terme de dgradations de lEVM, selon diffrents types de modulations OFDM de la norme 802.11g et de plusieurs modulations optiques.

    MOTS-CLS : radio sur fibre, VCSEL, fibre multimode, WiFi 802.11g, non-linarits, EVM

    1. Introduction Les systmes hybrides Fibres optiques/Rseaux sans fils prsentent une association de proprits trs intressantes, savoir : une large bande passante, une mobilit qui est de plus en plus exige par les abonns ainsi quune grande flexibilit vis--vis des standards sans fil [1]. Une des applications, dans ce secteur, concerne les rseaux locaux WiFi [2], o une transmission analogique radio sur fibre (RoF-Radio over Fiber) permet de distribuer le signal RF depuis le site dun routeur sans fil vers plusieurs antennes distribues, afin dobtenir une zone de couverture plus large et de diminuer la puissance du rayonnement conformment aux contraintes imposes dans la norme WiFi sur la puissance RF mise en espace libre [3]. Des tudes rcentes ont montr que les sources VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers) combines avec la fibre optique multimode peuvent prsenter un bon compromis cot-performances, pour la mise en uvre de liaisons RF et microonde-photoniques [4]. Dans le but dvaluer exprimentalement les performances de ce type de liaisons, nous proposons dans ce travail, la mise en uvre dun banc de mesures de leurs performances. Dans la premire partie de cet article, une description de larchitecture WiFi sur fibre implmente est prsente. Ensuite, les rsultats des caractrisations statique et dynamique ainsi que le comportement non linaire de la liaison hybride sont analyss. Enfin dans la dernire partie, les rsultats des mesures des performances en EVM (Error Vector Magnitude) pour plusieurs configurations de la modulation directe du VCSEL sont prsents et compars.

    2. Dispositif exprimental La figure 1 prsente larchitecture implmente de la chaine WiFi sur fibre. La manipulation comprend : un routeur WiFi 802.11b/g, deux fibres optiques de type multimode, deux circulateurs microondes aux extrmits afin de sparer les voies montante et descendante ainsi que deux terminaux mobiles quips de cartes rseaux sans fil.

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    Dans ce systme, la fibre optique est vue comme un prolongement du canal radio. Le routeur sans-fil et les terminaux mobiles communiquent entre eux travers deux liaisons optiques parallles : le lien descendant transporte le signal RF du routeur WiFi vers lantenne et le lien montant transporte le signal RF reu par lantenne vers le port RF du routeur WiFi.

    Figure 1 : Architecture WiFi sur fibre multimode

    3. Caractrisations de la liaison optique 3.1. Caractrisations statiques (VCSEL et Photodiode) Les courbes de la figure 2 prsentent la puissance optique de sortie du laser (en mW) et le courant photodtect (en mA) en fonction du courant de polarisation Ipol lentre (en mA). Elles montrent les caractristiques statiques du VCSEL et le gain statique de la liaison optique. On peut aussi dduire la caractristique courant dtect/puissance optique incidente de la photodiode sans procder une opration supplmentaire de caractrisation.

    Figure 2 : Courbe L-I du VCSEL et gain en courant statique de la liaison RoF

    On remarque que mme au milieu de la caractristique, qui est suppose linaire, il y a des non-linarits qui vont distordre le signal microonde lors de la modulation directe du laser. Au-del de 8.5 mA, un phnomne de compression du gain commence apparatre. Ce phnomne rsulte de lchauffement local de la jonction constituant la diode en polarisation des courants continus levs pour un VCSEL [5]. La courbe du gain statique de la liaison optique prsente la mme forme que celle du VCSEL, avec un niveau plus faible en sortie, caus par lattnuation de la fibre et par la responsivit de la photodiode qui est infrieure 1mA/mW. partir de la caractristique statique du VCSEL (figure 2), on peut dduire la responsivit du laser (figure 3). Nous avons utilis pour liminer le bruit numrique, une drive lisse, partir dun polynme dordre 9, ajuste la caractristique L-I mesure du laser. Sur la figure 3 est prsente lvolution de la responsivit du VCSEL en fonction du courant de polarisation. La valeur maximale de la responsivit est gale 0.136 mW/mA pour un courant

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    de 5.6 mA. Au-del de ce courant de polarisation, on remarque une diminution constante de la responsivit qui sannule puis devient ngative la limite de la saturation du VCSEL, situe autour de 14.7 mA.

    Figure 3 : Courbe de responsivit du VCSEL

    3-2. Caractrisation dynamique Afin dextraire les caractristiques dynamiques de la chaine de transmission optique, un banc de mesure a t mont (figure 4). Ce banc est compos dun VCSEL polaris par un t de polarisation, dun cble de fibre optique multimode, dune photodiode PIN et dun analyseur vectoriel de rseaux VNA Agilent 8722 ES. Ce dernier a t calibr dans la gamme de frquences la plus large possible, cest--dire 30 kHz 6 GHz, avec 200 points de mesures et une puissance RF injecte de -36 dBm.

    Figure 4 : Dispositif de caractrisation dynamique de la liaison optique

    La figure 5 permet dobserver lvolution du coefficient de rflexion S11 en entre du VCSEL et le coefficient de transmission S21 du lien optique. On saperoit que ladaptation se dgrade lorsque la frquence augmente. Pour une frquence de modulation suprieure 2GHz, lamplitude du paramtre S11 est suprieure -8dB. La dsadaptation des lignes daccs empche alors une mesure prcise. De plus, la connexion botier/ligne daccs peut tre mise en cause. Le trac de la caractristique dynamique permet de reprer la valeur de la frquence de relaxation du laser, gale 4 GHz pour un courant de polarisation (Ipol) de 8 mA. la frquence de 300 MHz, le gain RF total de la liaison est de -4 dB. Lattnuation du signal est plus importante en hautes frquences cause des limites en bande passante du VCSEL et de la fibre multimode.

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    Figure 5 : Caractristiques de transfert (S21) et de rflexion (S11) pour Pe=-36dBm et Ipol=8mA En maintenant le courant de polarisation au-dessus du courant de seuil du laser, une modulation directe en intensit peut tre effectue jusqu quelques gigahertz. Au-del de cette frquence, un pic de rsonance dont la frquence dpend du point de polarisation (figure 6) est observ. On vrifie que la frquence de relaxation augmente quand le courant de polarisation crot.

    Figure 6 : Gain microonde du lien optique pour les diffrents courants de polarisation du

    VCSEL (Pe=-36 dBm) Les effets des non-linarits sur le gain de la liaison sont montrs dans la figure 7. En augmentant chaque fois la puissance injecte via le premier port de lanalyseur VNA, nous remarquons que le gain microonde-photonique du lien optique se dgrade. Le gain du lien est de plus en plus dgrad dans la zone non linaire.

    Figure 7 : Gain RoF pour les diffrentes puissances RF l'entre du VCSEL (Ipol=8ma)

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    partir des diffrentes mesures effectues en transmission, nous avons trac sur la figure 8 les frquences de coupure -3dB du VCSEL pour diffrents courants de polarisation. Nous remarquons que la bande passante crot tant que lon est dans la zone linaire du VCSEL, puis se stabilise autour de 4 GHz avant de dcroitre dans la zone non linaire.

    Figure 8 : Bande passante de la liaison en fonction du courant de polarisation

    3. 3. Caractrisation des non linarits La mesure de la rponse non linaire du VCSEL est effectue en envoyant lentre RF du circuit de polarisation du VCSEL deux sinusodes de frquences f1 = 2412 MHz et f2 = 2437 MHz respectivement. Ces frquences correspondent 2 frquences centrales de canaux adjacents 802.11g. La mesure consiste relever, grce un analyseur de spectre, la puissance du signal RF photodtecte aux frquences fondamentales f1, f2 ainsi que les puissances des produits dintermodulations dordre 3 (frquences 2 f1 f2 = 2387 MHz et 2 f2 f1 = 2462 MHz) et dordres suprieurs m+n (frquences m*f1 n*f2 et m*f2 n*f1). Il est noter que les deux produits dintermodulations dordre 3 se retrouvent dans la bande de frquences alloue aux rseaux locaux sans-fils. Une premire tape a consist talonner les rponses des 2 gnrateurs RF, en prenant en compte les pertes dinsertion du combineur RF des deux sinusodes et du t de polarisation. Une deuxime tape a consist vrifier quaucun produit dintermodulation parasite nest gnr par le dispositif de mesure.