Amélioration des performances électriques d’un module de mélange optoélectronique privilégiant des dispositifs à semi-conducteurs : Applications dans les charges utiles de satellites

Improvement of photonic RF frequency down converter performance based on semiconductors : Applications in satellite payloads

• Auteur / Autrice : Jordan Thouras
• Direction : Christelle Aupetit-Berthelemot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 20/12/2016
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christelle Aupetit-Berthelemot, Benoit Benazet, Romain Brenot, Herve Leblond, Raymond Quéré, Rose-Marie Sauvage
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Angélique Rissons, Ammar Sharaiha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites artificiels dans les télécommunications

Semiconducteurs

Technologie

Photonique

Changeurs de fréquence

Mots clés libres

Satellite

Charge utile

Convertisseur de fréquence RF

Mélangeur photonique

EAM

SOA

Satellite

Payload

RF frequency down converter

Photonic mixer

EAM

SOA

Résumé

Les télécommunications par satellite prennent aujourd’hui de en plus d’importance, et le nombre d’abonnés à travers le monde ne cesse de croître. Partout où la fibre optique ne peut être déployée, elles sont un moyen fiable de fournir des débits très élevés aux utilisateurs, dont les pratiques nécessitent des bandes passantes toujours plus importantes (vidéo HD, visioconférences, téléchargement, cloud computing, jeux en ligne...). Elles garantissent également de très vastes zones de couverture. Pour les concepteurs de charges utiles de satellite, suivre les besoins du marché revient à augmenter constamment le nombre d’équipements embarqués, ce qui affecte le volume et la masse des systèmes et donc le coût de mise en orbite. Une des solutions envisagées afin de contrer ce phénomène consiste à employer des technologies optiques. Il a été démontré par Thales Alenia Space que pour un système de distribution de signaux de référence de 1 vers 64 équipements, la réduction du poids pourrait être de 70 %. Dans ce contexte nous avons développé 7 convertisseurs de fréquence RF réalisés à partir de composants photoniques semi-conducteurs. Ces convertisseurs font partie des composants clés des charges utiles car ils permettent d’isoler les transmissions montantes (vol vers satellite) et descendantes (satellite vers sol) afin d’éviter les interférences. Les performances des 7 architectures proposées, réalisées à partir de modulateurs électro-absorbants (EAM) et d’amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA) ont été évaluées au travers de différentes simulations et en calculant le gain de conversion, le facteur de bruit, les isolations RF/FI et OL/FI, les rapports C/I3 et les coordonnées du point d’interception d’ordre 3. Nous avons obtenu des performances intéressantes, premières données pour de futures études et montré que ces convertisseurs seraient compatibles avec de nombreux plans de fréquence en bandes Ku/Ku, Ku+/Ku, et Ka/Ka. Des manipulations ont également permis de valider les modèles théoriques employés dans les simulations.

Nowadays, Satellite telecommunications are becoming very popular and the number of subscribers worldwide is always growing. Wherever the optical fiber cannot be deployed, they are a reliable way to provide very high data rates to the users, whose activities are becoming more and more bandwidth-hungry (HD video, video conferencing, downloading, cloud computing, online games ...). They also guarantee very large coverage areas. In order to follow the market needs satellite payload designers have to increase the number of on-board equipment, which affects the volume and mass of the systems and therefore the launching cost. One of the solutions to solve the problem consists in using optical technologies. It has been demonstrated by Thales Alenia Space that In the case of a reference signal distribution system for 64 devices, a weight reduction of about 70% could be obtained. In this context we have developed 7 RF frequencydown-converters based on photonic semiconductor components. The down-converters are key components of satellite payloads, as their aim is to isolate uplink transmissions (ground to satellite) and downlink (satellite to ground) to avoid interference. Performance of the 7 architectures, incorporating electro-absorption modulators (EAM) and semiconductor optical amplifiers (SOA) were evaluated through various simulations and by calculating the conversion gain, noise figure, RF/IF and LO/IF isolations, the C/I3 ratio and the coordinates of the third order intercept point. We obtained interesting results, first data for futur works,and showed that these converters are compatible with many frequency plans in Ku/Ku, ku+/Ku, and Ka/Ka bands. Manipulations were also led and validated the theoretical models used in simulations.