Ecole col e Ce Centra ntr ale d’E d’ Electroniqu lectron ique e VA « Réseaux seaux haut haut débit et multim édia » Novembre 2009
Troisième roi sième partie Les ampli amplificateurs ficateurs optiq ues
Jean-Jacques BERNARD OPTEL OPTEL Form Formatio atio n Tél. : 06 88 48 89 70 E-mail :
[email protected] JJB - Nov. 2009 2009
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Sommaire de la trois ième parti partie e
Introduction Princ rincipes ipes de l’amplification optique Les ampl mplifi ificate cateurs urs optiqu opt ique es : Caractéristiques principales Différents types d’amplificateurs
Ap A p p l i c at atii o n s au aux x t él éléc éco o m m u n i c at atii o n s Limitations Liaisons sous-marines Liaisons terrestres
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Perspectives 2
La révoluti révoluti on de l’amplific ation opti que (1) (1)
Ap p r ès A
Av A v an antt Limi tations en débit et en distance Répéteurs péteurs opt o Ré électroniques
Ac cr cro o i ss ssem ement ent d e la capacité TDM
TBit/s t/s sur s ur 10 1000 000 0 km 1 TBi Am Ampl pl i fi c at atii on op ti qu e WDM
éseau au tout opti que Rése ADM opt o pt i qu e Routage optiqu e Commutation optique
Multiplexage et démultiplexage Electronique JJB - Nov. 2009 2009
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La révoluti révoluti on de l’amplific ation opti que (2) (2)
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L’amplification opt ique a permis permis un acc ccroi roisseme ssement nt gigantesque de la capacité capacité
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Princ ipes de l’amplif ication opti que
Expl oitation des effets effets n on-linéa on-linéaires ires dans une fi bre Diffusion Brillouin stimulée SBS (Stimulated (Stimulated Brill Brillouin ouin scattering) scattering) Diffusion Diffusio Diffusion n Raman stimulée SRS (Stimulat (Stimulated ed Raman scattering) scattering)
Am p l i f i c at ateu eurr s ex exp p l o i t an antt l ’ i n ve verr s i o n d e po p o p u l at atii o n ateu eurr s em emii c o n d u c t eu eur r Am p l i f i c at Semiconductor ctor Laser Amplifier Amplifier (SCLA (SCLA)) Semicondu Semiconductor ctor Optical Amplifi Amplifier er (SOA) (SOA) Semicondu
ateu eurr à f i b r e do d o p ée Erb Er b i u m Am p l i f i c at Erbium-d ium-doped oped Fibe Fiberr Ampl Amplifi ifier er (ED (EDFA) FA) Erb Opticall Fiber Amplifi Amplifier er (OFA) Optica
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Am plification non-linéaire
SBS : diffusion Bril louin s timulée
Interactions entre onde de pompe et phonons Gain contra-directionnel dû à une réflexion distribuée Consécutif à une très faible largeur de raie : 20 à 100 MHz
SRS : dif fus ion Raman sti mul ée
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Interactions entre onde de pompe et vibrations moléculaires Grande longueur d’interaction Très forte puissance de pompe (quelques centaines de mW)
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Am plification basée sur l’inversion de population Etat exci té
Electron
Etat fondamental
Energie de pompage
Photon Emission stimulée
Emission spontanée
Bruit JJB - Nov. 2009
Am plification Amplification 7
Emission spontanée ampli fiée ASE (Ampl ified Spo nt aneous Emi ssi on)
Les électrons s itués sur l’état excité métastable peuvent se désexciter spontanément vers l’état fondamental Emission aléatoire de photons Longueur d’onde aléatoire Emission dans les 2 directions
Emission spontanée
Ces photons s ont amplifi és Emission spontanée amplifiée (ASE)
ASE JJB - Nov. 2009
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Emis sion spont anée ampli fiée ASE (Ampl ified Spo nt aneous Emi ssio n)
Densité spectrale d’ASE
N ASE = mt nsp (G-1) h (W/Hz) nsp = facteur d’inversion = probabilité relative d’émission spontanée rapportée à l’émission stimulée: nsp = n2e/(n2e-n1a) n1, n2 = populations d’électrons sur l’état fondamental et sur
l’état excité e, a = sections efficaces d’émission et d’absorption
mt = nombre de modes transverses (2 pour deux états de polarisation)
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Facteur d’excès de bruit Facteur d’ excès de bruit
Am pl ific ateu r Rin
Rout
Composants passifs d’entrée Connecteurs
ASE n sp G n sp Rin G
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1+RinG dû aux réflexions : Rétrodiffusion Rayleigh dans la
fibre
SOLUTION :
ISOLATEUR D’ENTREE
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Am plificateur optique à semiconducteur
Am plificateur optique à semiconducteur (SOA)
Matériau amplifi cateur quaternaire : InGaAsP
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Même structure qu’un laser semiconducteur Suppression de la cavité résonnante par traitement antireflet (AR coating) et clivage en biseau des faces de la puce
Pour amplification à 1.3 µm et 1.55 µm
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Am plificateur optique à fibre dopée Erbium (OFA)
Erbium doped fiber ampl ifier (EDFA)
Bonne qualité d’absorption de la pompe 1480 nm 980 nm Bonne qualité d’émission 1550 nm
Niveaux d’ énergie de l ’Erbium
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Fibre dopée Erbi um
Sp ec tr e d ’ab so rp ti on de l ’Erb iu m JJB - Nov. 2009
Sp ec tr e d ’ém is si on de l ’Er bi um 13
Structu re de base d’un OFA
Entrée signal
Coupleur de pompe
Fibre active Sortie signal
Pompe
Am plificateur à fibre dopée
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Milieu amplificateur : fibre avec cœur dopé par des ions terre rare (Nd 3+, Pr 3+ , Er 3+, etc..)
Pompage : énergie optique adaptée aux bandes d’absorption des ions terre rare (980 nm, 1480 nm, etc...) 14
Différentes archi tectures d’un OFA
Pompe
Pompe
Pompage co-directionnel
Pompage contra-directionnel Isolateur optique
Pompe
Amplificateur double étage
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Am plificateur à fibre : la fibre dopée
La fibre dopée est de stru cture simil aire à la fibre SMF standard t ype télécom avec : Ajou t de d op ant s p our amplif ication Er 3+ @ 1550 nm, Nd3+, , Pr 3+ @ 1310 nm Et cod opants (Al, Ge, Yb ..) Elargissement de la plage spectrale d’amplification Géométrie opt imi sée du c œur Optimisation interaction pompe/dopant
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Fibre dopée : matériau hôte
Matériau hô te de la fibre
Verre de silice SiO2 Verre fluoré (base ZrF4) Tellurite, etc...
Solut ion la plus courante
La fibre de sili ce Maîtrise industrielle du process de fibrage Maîtrise des techniques d’épissurage par fusion
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Fibre dopée : stru cture
Er 3+
Er 3+ Cœur
Cœur 3 µm
Gaine optiq ue 125µm
Pompage monomode
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Gaine optique
Pompage multimode fibre "double cladd"
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Am plificateur OFA : le pompage (1)
Les lasers semiconducteurs à 1480 nm et 980 nm sont l argement utilisés co mme sources de pomp age des amplif icateurs à fibr e dopée Er 3+
Lasers SC dérivés des lasers pou r applicatio ns télécoms ou m ilit aires
Composants de très fort e puissance Puissance sur fibre SMF > 300 mW disponibles sur
le marché Puissance sur fibre multimode de 800 mW à 1W
disponibles, sur fibre SMF en développement
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Fiabilité éprouvée
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Am plificateur OFA : le pompage (2)
Pompage à 1480 nm
Pompage à 980 nm
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Large fenêtre d’ absorpt ion (1460 - 1490 nm) Excellente efficacité en régime de saturation Puissance de sortie/puissance de pompe = 65% Grande fiabilité même à forte puissance Matériau : substrat quaternaire GaInAsP
Fenêtre d’absorption plus étroite (979 +/-5 nm) Inversion totale Faible facteur de bruit (< 5 dB) Faible consommation électrique Matériau : subs trat t ernaire GaAlAs 20
Am plificateur OFA : le pompage (3)
Spectre d’absorpti on dans la bande 980 nm
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Spectres d’émissi on et d’absorpt ion de la sil ice dopée Al/P
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Am plificateur OFA : spectre de gain
Caractéristique entrée/sortie
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Spectre de sortie de l’amplificateur pompé à 1480 nm
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La Physiq ue fait bi en les ch oses !
Même supp ort qu e pour l a transmiss ion Fibre monomode type SMF
Le milieu actif : est adapté aux longueurs d’onde de transmission
(plage 1550 nm) peut être pompé avec une longueur d’onde et une puissance pouvant être délivrées par un laser semiconducteur (980 ou 1480 nm)
L’amplifi cation op tique est transparente : au format de modulation à la largeur de bande du signal (débit) à la direction de la lumière
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Structure d’un amplificateur à fibre (1)
La conception du s ystème nécessi te l’emplo i de comp osants optiq ues suppl émentaires
Connecteur d’entrée
Isolateur optique
C1
G
Isolateur optique
Fibre active Photodiode de contrôle d’entrée
C2
Filtre optique
Coupleur de prélèvement Pompe
Connecteur de sortie Photodiode de contrôle de sortie
C1 = pertes en entrée G = gain intrinsèque C2 = pertes en sortie
Gain net = C1.G.C2
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Structure d’un amplificateur à fibre (2)
Compo sants passifs associés
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Isolateur optique Elimination des réflexions Réduction du bruit contra-directionnel Filtre optiq ue Réduction du bruit d’ASE Elimination du résiduel de pompe Applatissement du spectre de gain Coupleur de prélèvement Contrôle de la puissance d’entrée et/ou de sortie (monitoring) Boucle d’asservissement du gain
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Caractéristiq ues princ ipales d’un amplificateur à fibre
Paramètres impactant les perform ances en transmission
Gain Valeur moyenne Platitude du spectre
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Facteur de b ruit Largeur de bande d’ampli fication Puissance entrée/sortie Sensibilité à la polarisation Puissance de pomp e résid uelle Réflectivité entrée/sortie
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Différents types d’amplificateurs à fibre
Application à la transmission numérique
TX
Booster
Amp li de l igne
Pré-ampl i
RX
Am pl ific ateu r de pu issance à l’ém ission (b oo st er) Forte puissance de sortie Pré-amplificateur en réception : accroît la sensibilité du récepteur Faible facteur de bruit Am pl ific ateu r de li gn e : c ompens e les pertes en l ig ne Gain Facteur de bruit JJB - Nov. 2009
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Bilan de puis sance
TX
Booster Puissance optique
Amp li de l igne
Pré-ampl i
RX
15 dBm Puissance signal
Sensibilité récepteur
0 dBm Bruit
Puissance de sorti e TX
-15 dBm
ASE
Perte fibre 0.2 dB/km @ 1550 nm
-37 dBm 0 JJB - Nov. 2009
150
400 km
Distance 28
Am plificateur de puissance (booster)
Fort niveau d’entrée
Am plificateur à 4 pompes
- 5 à 0 dBm Régime de saturation
Pompe 1
Pompe 2
signal out
Forte de puiss ance de sortie
+15 à +30 dBm
Pompage
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Mono- ou multi-pompe Monomode ou multimode
Pompe 3
Pompe 4
Pompage co- et contradirectionnel
Multiplexage de pompes en polarisation en longueur d’onde 29
Pré-ampl ificateur en récepti on (1)
Signal :
Ps = Pin C1 G C2 Af
Bruit :
Bruit total : 2total= 2
Puissance d’ ASE P ASE = N ASE C2 Af Bo N ASE = mt nsp (G-1) h
Bruit quantique 2qs = 2 e S Ps 2qsp = 2 e S P ASE
(dû au signal) (dû à l’ASE)
Bruit thermique 2th= Nth
Filtre optique P ( S ) S Pin
OFA (C1,C2, G,nsp )
RX (Af : perte filtre, Bo : BP optique)
(électronique)
Brui ts de battement
2s-sp= 4 S2 Ps N ASE (signal-ASE) 2 2 2 sp-sp= 2 S N ASE mt Bo (ASE-ASE)
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Pré-ampli ficateur en réception (2)
Pré-amplificateur optimis é :
Réduct ion du br uit th ermique du récepteur gain d’amplification optique élevé
Réduction du bruit d’ASE filtrage optique
Réduct ion des pertes d’entrée C1 -----> 1
2 = 4 S2 Ps N ASE (signal-ASE)
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Pré-ampli fic ateur en réception (3)
Modulation d’intensité
BER = 1/2 Erfc (Q/2)
Q=
Q2
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B = bande passante électrique
S (Ps(1) - Ps(0) ) [2total(1) B]1/2 - [2total(0) B]1/2
2 Pin C1 G C2 Af 4 nsp (G-1) hC2 Af B
=
Pin 2 (nsp/C1) hB
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Pré-ampli ficateur en réception (4)
Fort gain à petit signal
Faible facteur de bru it
> 30 dB
< 4 dB (3dB min.)
faible puissance d’entrée
pom page 980 nm
-40 dBm
structur e doub le étage 1er : faible bruit 2ème: fort gain
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Am plificateur de ligne (1) f
TX
1
i
RX
n C1, G, C2
L’amplifi cateur d e ligne com pense les p ertes en ligne
C1 G C2 f = 1
Ac cumulation du bruit
Q2 JJB - Nov. 2009
=
Pin 2 (nsp/C1) hB n 34
Am plificateur de ligne (2)
Compr omis entre booster et pr é-amplificateur
Faible facteur de b ruit 4 dB Gain m oyen ou élevé 25 dB à 35 dB Puissance de sortie de 13 dBm (20 mW) à plus de 23 dBm (200 mW)
Structure Am pli ficateur à 2 ou 3 étag es Etage faible facteur de bruit pompé à 980 nm Etage forte puissance de sortie pompé à 1480 nm
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Ap plications aux télécommunications
Limi tations de la transmissi on Ap plications aux liaisons sous-marines
Ap plications aux systèmes terrestres
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Systèmes sans répéteur Liaisons transocéaniques
Systèmes de transport numérique Routage et commutation optique Systèmes WDM (cf 4ème partie)
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Limi tations de la transmissi on
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Les performances en transmi ssio n sont limit ées par :
Les pertes (fibre et composants passifs)
Le rapport Signal à Bruit (SNR)
La dispersion chromatique de la fibre
Les non-linéarités optiques
Les effets de la polarisation
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Ap plications sous-marines
Systèmes sans r épéteur Distance maximum sans r épéteur Booster forte puissance Pré-ampl ific ateur en réception Am pl ific ati on d épo rt ée Code correcteur d’erreurs (FEC)
300 km @ 2.5 Gbi t/s Budget de puissance 67 dB
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Am plification déportée (1)
Composants passifs et fibr e dopée Er intégrés dans la fibre de ligne Pas de compos ants actifs i mmergés Pas d’alimentation électri que déportée Réduct ion des coûts
Sources de pompage loc alisées dans le terminal Puissanc e de pompage transmis e par : La fibr e de lign e
effet non-linéaire
Fibre dédiée
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Am plification déportée (2)
RX
TX 50 / 100 km
Réflecteur de Bragg
Fibre dopée Er
Coupleur de pompe
Fibre de transmission
Fibre de pompage dédiée JJB - Nov. 2009
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Am plification déportée (3)
Pré-ampli ficateur déporté Faible niveau de la puissance signal en réception Am plif ication Raman ass oc iée à l’ amp lif ication Er Même fibre pour le signal et pour l a pompe
Am élioration du budget de puissance Jusqu’à 18 dB
Puissance de pompage +20 dBm sans ampli fication Raman +31 dBm avec amplification Raman
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Liaisons transocéaniques (1)
Transmissi on sur 6000 à 13000 km
Très haut débit 2.5 Gbit/s, 10 Gbit/s ou 40 Gbit/s par canal
WDM à faible espacement 8 à 32 canaux O-ADM passif (optical add/drop multiplexing)
Fiabilité élevée Durée de vie des éléments immergés > 25 ans
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Liaisons transocéaniques (2)
Comme les di stances sont très élevées : Nécessité d’optimisation de la liaison tenant compte de La disp ersion chro matique de la fibre La dispersio n de pol arisation (PMD) de la fibre Les effets non-li néaires (Kerr, FWM) L’ASE cumulé
La conception et l’emplacement des amplificateurs sur la ligne résultent d’ un compromis entre : L’effet Kerr Le facteur de bru it (NF)
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Liaisons transocéaniques (3)
Pour obtenir un SNR élevé, les ampli s doivent : Présenter un e forte puiss ance de sorti e Av oir un f aib le facteur d e br uit Etre proc hes les uns d es autres
Pour éviter les effets non-linéaires, les amplis doivent : Présenter un e faible pui ssance de sorti e Etre loin les uns d es autr es
Un bon compromis se situe autour de : Distance moy enne entre amplis : 50 km Puissance émise par canal : -3 dBm
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Liaisons transocéaniques (4)
Amplificateurs immergés Pompes Partagées dans chaque
direction Sans refroidisseur Peltier Evolution de 1480 nm vers 980 nm
Filtre aplatisseur d e gain Fibre à réseau de Bragg
(FBG) Bande passante 10 nm
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Ap plications terrestres
Transport numérique Ac croissement du produit débit x distance Multipl exage dense en longueur d’ ond e (D-WDM)
Routage et commutation optique Multiplexage à insertion/extraction o ptique (O-ADM) Commu tateur tout opti que
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Routage et comm utation opti que
La forte demande en D-WDM et en très hauts débits pous se les systèmes télécoms vers l es réseaux to ut optique
Les premières fon ction s mi ses en œuvre sont :
Le multiplexage à insertion/extraction optique (OADM) (Optical Add Drop Multiplexer) insert et/ou extrait une ou plu sieurs longu eurs
d’on de au niv eau d’u n nœud
La commutation optique matrices de commutatio n spatiale non bl oquantes
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Multi plexeur ADM optiqu e
n dB
i
j
Sélection p ar composants passifs : réseau de Bragg photo -inscrit d ans une fibre FBG (Fiber Bragg Grating) avec circulateur basé sur un interféromètre de Mach-Zehnder...
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Commu tation o ptiqu e (1)
Quelle méthode de commutation ?
Dans quel but ?
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Connexion mécanique d’une fibr e de sortie vers une fibre d’entrée Commutation d ’une longueur d’onde d’une fibr e vers une autre fibre Translation (conv ersion) d’une longueur d’on de d’un e fibr e vers une autr e longueur d’on de sur une autre fibr e
Protection d’ un réseau en anneau ou d ’une lign e Routeur (crossconnect) optiq ue 49
Commu tation o ptiqu e (2) #1
#1
Entrée 1
Sortie 1
#2
SOA 1
#2
Entrée 2
Sortie 2 SOA 2
Diviseurs 1x8 #8
Commutateur s 8x1
SOA 8
#8
Entrée 8
Matrice de commutation à fibre 8 X 8 JJB - Nov. 2009
Coupleur 8/1
Sortie 8
SOA utilisé comme porte optique - commutateur sans perte - commutation très rapide 50
Perspectives (1)
Les évolutions sont poussées par :
L’accroissement de la capacité Plus larg e bande (1510-1640 nm; 130 nm) Am plificateur à gain ultra-plat Très forte puis sance de sorti e
Réduction des dimensions et du coût Fonct ions passives sans pertes Intégration monol ithiq ue (technolog ie
planar)
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Perspectives (2)
Intégration
Technologie planar Coupl eurs et multipl exeurs Isolateurs Filtres
Plateforme Sili ce sur Silici um (SiO2/Si) Am plificateurs faible coût Faibles dimension s
Circuits intégrés spécialisés (ASIC) JJB - Nov. 2009
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