Brevet FR2494514A1 — publié le 19820521

DISPOSITIF DE STABILISATION DE LA PUISSANCE DE SORTIE D'UN MODULE EMETTEUR POUR SYSTEME DE TRANSMISSION SUR FIBRE OPTIQUE La présente invention se rapporte d'une manière générale aux systèmes de transmission sur fibre optique et concerne plus parti- culièrement un dispositif de stabilisation de la puissance optique de sortie du module émetteur pour un système de transmission d'infor- mations, notamment à débit élevé, par exemple égal à 140 Mbits/s. D'une manière générale, pour un système de transmission sur fibre optique, le module émetteur comporte une embase émettrice constituée d'une diode laser, d'une photodiode de contrôle et d'une optique de couplage laserfibre insérée dans une fiche de connecteur pour le raccordement de ladite embase au câble à fibre optique, et une électronique de commande assurant entre autres une régulation ou stabilisation de la puissance optique émise. D'autre part, on sait qu'en présence d'informations à trans- mettre, le courant de la diode laser utilisée dans le module émetteur' résulte de la superposition de son courant continu de polarisation et de son courant de modulation, de sorte que l'amplitude des impul- sions lumineuses transmises dans la fibre optique dépend de la puissance optique émise par la diode laser. Comme on souhaite transmettre les impulsions lumineuses à la puissance maximale de sortie de la diode laser, il s'avère nécessaire de stabiliser à la fois la puissance optique maximale et la puissance optique minimale, de façon à maintenir constante l'amplitude de la puissance optique émise par la diode laser; cette stabilisation est obtenue en effec- tuant une régulation du courant de modulation de la diode laser. De plus, lorsque la température du bottier renfermant la diode laser varie, la caractéristique de transfert de la diode laser (puissance de sortie en fonction du courant) est modifiée, de sorte qu'une régu- lation du courant continu de polarisation de la diode laser en fonction de la température permet une détection sur le vieillis- sement de la diode laser, identique dans la gamme des températures d'utilisation. Pour un système de transmission d'informations à débit élevé, on connaît un dispositif permettant de stabiliser la puissance optique émise par la diode laser utilisée dans le module émetteur, tel que décrit dans l'article publié dans la revue "IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS", vol. 26, NO 7, Juillet 1978, pages 1088 à 1097, intitulé: "Electronic Circuits for High Bit Rate Digital Fiber Optic Communication Systems". Selon la figure 8 de cet article, le dispositif de stabilisation de la puissance optique émise par la diode laser comporte une première boucle d'asservissement comprenant un détecteur crête à crête du signal de modulation, en série avec un différenciateur, permettant de stabiliser la puissance optique maxi- male et la puissance optique minimale émises par la diode laser, maintenant ainsi constante l'amplitude de la modulation de la puissance optique émise, et une seconde boucle d'asservissement comprenant un amplificateur continu en série avec un différen- ciateur, permettant de stabiliser la tension continue de polarisation de la diode laser correspondant à la puissance optique minimale émise par ladite diode. Cependant, un tel dispositif de stabilisation de la puissance optique émise par une diode laser présente des inconvénients. En effet, en l'absence d'informations numériques, on est obligé de mettre simultanément hors service les deux boucles d'asservis- sement. De plus, en raison de la stabilisation de la tension de polarisation de la diode laser à une valeur correspondant à la puissance optique minimale émise par ladite diode, ce dispositif ne peut transmettre ni des informations analogiques ni des informations en codes multiniveaux. En outre, la structure de ce dispositif est relativement complexe. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvé- nients en proposant un dispositif de stabilisation de la puissance optique émise par une diode laser, qui est d'une structure très simple, assure un fonctionnement correct de la diode laser (absence de surintensités, et absence de retard à l'émission stimulée), et peut être réalisé sous forme d'un circuit hybride, ce qui en abaisse notablement le coût de réalisation. Selon l'invention, la stabilisation de la puissance optique émise par la diode laser consiste d'une part en une stabilisation de l'amplitude de la modulation de la puissance optique émise par ladite diode, et d'autre part en une stabilisation de la valeur moyenne de la puissance optique émise correspondant à la tension continue de polarisation de ladite diode. Ainsi, cette stabilisation de la polarisation de la diode laser à la puissance in optique moyenne permet au dispositif de transmettre indiffé- remment des informations numériques, analogiques ou à codes multiniveaux. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de stabilisa- tion de la puissance de sortie d'un module émetteur pour un système de transmission d'informations utilisant une fibre optique et compor- tant: - un ensemble dans lequel sont disposés une diode laser, des moyens de prélèvement d'une partie de la puissance optique émise par la diode laser et de conversion en puissance électrique; - un premier circuit de stabilisation de la valeur moyenne de la puissance optique émise par la diode laser connecté entre les moyens de conversion et la diode laser, et comportant des premiers moyens comparateur de tension engendrant une tension continue stabilisée de polarisation de la diode laser correspondant à la valeur moyenne de la puissance optique émise par la diode laser; et - un second circuit de stabilisation de l'amplitude de modu- lation de la puissance optique émise par la diode laser connecté entre les moyens de conversion et la diode laser et comportant des moyens de détection crête à crête du signal de modulation de la diode laser et des moyens de différenciation des signaux engendrés par les moyens de détection crête à crête fournissant un signal de modulation de la diode laser ayant une amplitude crête à crête stabilisée correspondant à la différence entre la puissance optique maximale et la puissance optique minimale émises par la diode laser; caractérisé en ce que le premier circuit de stabilisation de la valeur moyenne de la puissance optique émise par la diode laser comporte de plus des moyens de restitution de la composante basse fréquence du signal à transmettre connectés entre la sortie des moyens de détection crête à crête et l'entrée des premiers moyens comparateur de tension, permettant ainsi de stabiliser les valeurs minimale et maximale de la puissance optique émise par la diode laser. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparat- tront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère à l'unique dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple et qui est un schéma partiellement sous forme électrique du module émetteur comportant le dispositif de stabilisation de puissance selon l'invention. On notera dès à présent que toutes les tensions d'alimentation repérées par V sur le dessin sont de l'ordre de 12 volts. Suivant un exemple de réalisation et en se reportant au dessin annexé, le module émetteur d'un système de transmission d'infor- mations, notamment à débit élevé, par exemple égal à 140 Mbits/s, sur fibre optique, comprend un ensemble 10 réalisé sous formé d'un bottier dans lequel sont disposés une diode laser 11 dont la puissance optique émise est injectée dans la fibre (non représentée), des moyens de prélèvement d'une partie de la puissance optique émise par la diode laser et de conversion en puissance électrique consti- tués par exemple par une photodiode 12, et une fibre de couplage 13 entre la diode laser 11 et la photodiode 12. Selon l'invention, le dispositif de stabilisation de la puissance optique de sortie de la diode laser 11 utilisée dans le module émetteur comporte un premier circuit 20 de stabilisation de la valeur moyenne de la puissance optique émise par ladite diode connecté entre la photodiode 12 et la diode laser 11, et un second circuit 30 de stabilisation de la puissance optique maximale et de la puissance optique minimale émises par ladite diode, correspondant à une stabilisation de l'amplitude de modulation de la puissance 24945 1 4 optique émise, connecté entre la photodiode 12 et la diode laser 11. Comme on le voit bien sur la figure, le premier circuit 20 de stabilisation de la valeur moyenne de la puissance optique émise par la diode laser 11 comporte un convertisseur courant-tension 21 constitué par un amplificateur opérationnel A1 monté en transimpé- dance dont une entrée E1 est connectée à la photodiode 12. On a représenté en Z l'impédance de contre-réaction connectée entre la sortie S1 et l'entrée E1 de l'amplificateur opérationnel A1, et en R1 la résistance de charge de cet amplificateur. Ainsi, le courant engendré par la photodiode 12, proportionnel à la puissance optique émise par la diode laser 11, est converti en une tension par l'amplificateur monté en transimpédance A1. Le signal en sortie 1 est ensuite intégré par un filtre passe-bas 22 de structure classique connecté en série avec le convertisseur couranttension 21. Le filtre passe-bas 22 fournit à sa sortie 52 une tension continue propor- tionnelle à la puissance optique moyenne émise par la diode laser 11. Cette tension est ensuite présentée à un circuit comparateur de tension 23 constitué par un amplificateur opérationnel A3 ayant une première entrée E3 reliée à la sortie du filtre passe-bas 22, et une seconde entrée E4 reliée à une source de tension de référence V1 correspondant à la puissance optique moyenne émise par la diode laser 11. On expliquera par la suite le rôle précis du circuit comparateur de tension 23. On notera dès à présent que le compa- rateur de tension 23 fournit en sortie 53 une tension destinée à polariser la diode laser Il à sa puissance optique moyenne. A cet effet, cette tension commande la base d'un transistor T1 de polari- sation de la diode laser 11, le collecteur du transistor T1 étant relié en C à la diode laser 11, et une résistance r étant reliée à l'émetteur dudit transistor afin de limiter le courant injecté. Comme il apparaît sur la figure, le second circuit 30 de stabilisation de l'amplitude de modulation de la puissance optique émise par la diode laser 11, comporte un circuit adaptateur d'impé- dance 31 constitué d'un transistor T2 dont la base est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance R2 et d'un condensateur Cl, en D à 2 4 9 45 1 4 la photodiode 12. L'émetteur du transistor T2 est relié, par un condensateur C2, à l'entrée d'un amplificateur opérationnel A4 dont la sortie 54 est connectée à un détecteur crête à crête 32. Ce détecteur crête à crête 32 comporte deux diodes en parallèle D1 et D2 reliées chacune à un amplificateur opérationnel à haute impé- dance d'entrée (A5 et A6) par l'intermédiaire d'un condensateur et d'une résistance montés en parallèle (C5, R5 et C6, R6). Les sorties respectives 55 et 56 des deux amplificateurs A5 et A6 sont directement connectées à l'entrée d'un amplificateur différenciateur A7. Ainsi, la composante alternative du courant engendré par la photodiode 12 est filtrée par le condensateur C1 et la résistance de charge R2, puis est amplifiée, après passage dans le circuit adapta- teur d'impédance 31, par l'amplificateur A4 destiné à porter l'ampli- tude du signal de modulation à une valeur compatible avec le seuil des diodes D1 et D2 du détecteur crête à crête 32. La diode D1 et le condensateur C5 détectent la crête ou amplitude positive du signal de modulation présent en 54, et la diode D2 et le condensateur C6 détectent la crête ou amplitude négative de ce signal de modulation. L'amplificateur A5 fournit en sortie 55 l'amplitude positive du signal de modulation, proportionnelle à la puissance optique maximale émise par la diode laser 11, et l'ampli- ficateur A6 fournit en sortie 56 l'amplitude négative du signal de modulation, proportionnelle à la puissance optique minimale de la diode laser 11. Ces tensions positive et négative sont ensuite appliquées à l'amplificateur différenciateur A7 engendrant en 57 une tension proportionnelle à l'amplitude crête à crête du signal de modulation. Cette tension est ensuite intégrée par un filtre passe- bas 33 de structure classique, puis est présentée à un circuit comparateur de tension 34 constitué d'un amplificateur opérationnel A8 dans lequel elle est comparée à une tension de référence V2. La tension d'erreur engendrée par le comparateur de tension 34 com- mande un atténuateur variable 35 de structure classique recevant les informations à transmettre présentes à une borne d'entrée E. La 2 4 9 4 5 1 4 sortie S8 de l'atténuateur 35 est reliée à un amplificateur de courant 36 constitué d'un transistor T3 dont la base est reliée à ladite sortie S8 par l'intermédiaire d'un condensateur C8 et dont le collecteur est relié en C à la diode laser 11 par l'intermédiaire d'un condensateur Cg. Ainsi, V'atténuateur variable 35 agit sur l'amplitude du courant de modulation généré par le transistor T3, assurant ainsi une stabili- sation de l'amplitude de modulation de la puissance optique émise par la diode laser 11. Du fait de la présence des condensateurs de découplage (C,1 02, Cg) dont les valeurs ne doivent pas être trop importantes pour permettre à la fois une hybridation du système et une transmission d'informations à débit élevé, le dispositif de stabilisation de la puissance optique émise qui vient d'être décrit est limité en basse fréquence. Dès lors, pour des informations, par exemple numériques, transmises à débit élevé, on observe le phénomène suivant. D'une part, en présence d'une prépondérance d'états logiques "1", la diode laser n'est plus polarisée au-dessus du seuil pour les états logiques "0". Dans ce cas, il apparaît le phénomène dit de retard à l'émission stimulée de la diode laser, comme connu en soi. D'autre part, en présence d'une prépondérance d'états logiques "O", le courant injecté dans la diode laser, correspondant aux états logiques "1", est trop important et dégrade ladite diode laser. Dans le but de remédier à ces difficultés et de restituer la composante basse fréquence du spectre du signal à transmettre, filtrée par les condensateurs précités, le premier circuit 20 de stabilisation de la valeur moyenne de la puissance optique émise par la diode laser 11 comporte également des moyens de restitution 25 de la composante basse fréquence du signal à transmettre, connec- tés entre le détecteur crête à crête 32 et le circuit comparateur de tension 23. Plus précisément, ces moyens de restitution 25 sont constitués par un amplificateur opérationnel A10 monté en somma- teur ayant deux entrées reliées respectivement aux sorties S5 et S6 des deux amplificateurs A5 et A6 du détecteur crête à crête, et une sortie connectée à une entrée E9 de l'amplificateur A3 du circuit 24945 1 4 comparateur de tension 23. Cet amplificateur sommateur Alo constitue des moyens de restitution de la composante basse fré- quence du signal à transmettre, destinés à stabiliser les valeurs minimale et maximale de la puissance optique émise par ladite diode laser. Les deux tensions présentes respectivement aux sorties 55 et Si des deux amplificateurs A5 et A6, et correspondant aux ampli- tudes respectives positive et négative du signal de modulation, sont sommées par l'amplificateur opérationnel A10. Cet amplificateur A1, engendre un signal proportionnel à la composante basse fré- quence du signal à transmettre. Ce signal est ensuite appliqué à l'entrée E9 de l'amplificateur A3, et est superposé au signal de polarisation présent à l'entrée E3 dudit amplificateur A. Dès lors, le transistor T1 génère, par son collecteur, le courant de polari- sation superposé à un courant dont l'amplitude est proportionnelle à la composante basse fréquence du signal à transmettre, permettant ainsi d'obtenir une stabilisation des valeurs minimale et maximale de la puissance optique émise par la diode laser 11. Pour obtenir un fonctionnement correct du dispositif décrit ci- dessus, deux conditions doivent être remplies: - la fréquence de coupure liée au condensateur C9 doit être supérieure à la fréquence de coupure associée aux condensateurs C5 et C6; et - la fréquence de coupure du dispositif, imposée par R5.C5 ou R6.C6, doit être supérieure aux fréquences de coupure respectives des filtres passe-bas 22 et 33. On notera qu'en absence d'informations à l'entrée E du module émetteur, on doit uniquement mettre hors service le circuit 30 de stabilisation de l'amplitude de modulation de la puissance optique. On a donc réalisé suivant l'invention un dispositif de stabili- sation de la puissance optique émise par une diode laser, permettant de restituer la composante basse fréquence du spectre du signal à transmettre, qui est particulièrement simple, très efficace, et avantageux du point de vue du coût de fabrication. 24945 1 4 REVENDICATIONS 1. Dispositif de stabilisation de la puissance de sortie d'un module émetteur pour un système de transmission d'informations utilisant une fibre optique et comportant: - un ensemble (10) dans lequel sont disposés une diode laser (11), des moyens de prélèvement (12) d'une partie de la puissance optique émise par la diode laser et de conversion en puissance électrique; - un premier circuit (20) de stabilisation de la valeur moyenne de la puissance optique émise par la diode laser (11) connecté entre les moyens de conversion (12) et la diode laser (11), et comportant des premiers moyens comparateur de tension (23) engendrant une tension continue stabilisée de polarisation de la diode laser corres- pondant à la valeur moyenne de la puissance optique émise par la diode laser; et - un second circuit (30) de stabilisation de l'amplitude de modulation de la puissance optique émise par la diode laser (11) connecté entre les moyens de conversion (12) et la diode laser (11), et comportant des moyens de détection crête à crête (32) du signal de modulation de la diode laser et des moyens de différenciation (A7) des signaux engendrés par les moyens de détection crête à crête fournissant un signal de modulation de la diode laser ayant une amplitude crête à crête stabilisée correspondant à la différence entre la puissance optique maximale et la puissance optique mini- male émises par la diode laser; caractérisé en ce que le premier circuit (20) de stabilisation de la valeur moyenne de la puissance optique émise par la diode laser comporte de plus des moyens de restitution (25) de la composante basse fréquence du signal à transmettre connectés entre la sortie des moyens de détection crête à crête (32) et l'entrée des premiers moyens comparateur de tension (23), permettant ainsi de stabiliser les valeurs minimale et maximale de la puissance optique émise par la diode laser. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de restitution (25) comportent des moyens de sommation (A10) des signaux engendrés par les moyens de détection crête à crête (32), délivrant en sortie une tension dont la valeur assure la restitution de la composante basse fréquence du signal à trans- mettre, permettant ainsi de stabiliser les valeurs minimale et maximale de la puissance optique émise par la diode laser. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de détection crête à crête (32) comportent deux diodes en parallèle (D1, D2) reliées chacune à l'entrée d'un amplificateur (A5, A6) à haute impédance d'entrée, la sortie de chaque amplificateur étant reliée aux moyens de différenciation (A7) et aux moyens de restitution (25). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le second circuit (30) de stabilisation de l'amplitude de modulation de la puissance optique émise par la diode laser com- porte de plus: - des moyens adaptateur d'impédance (31) connectés entre les moyens de conversion (12) et l'entrée des moyens de détection crête à crête (32); - un premier filtre passe-bas (33) connecté à la sortie des moyens de différenciation (A7); - des seconds moyens comparateur de tension (34) connectés à la sortie du premier filtre passe-bas (33); et - un amplificateur de courant (36) commandé par les infor- mations à transmettre et connecté en série entre les seconds moyens comparateur de tension (34) et la diode laser (11). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second circuit (30) de stabilisation de l'amplitude de modulation de la puissance optique émise par la diode laser comporte également un atténuateur variable (35) connecté entre les seconds moyens compa- rateur de tension (34) et l'amplificateur de courant (36), P'atté- nuateur variable ayant une borne d'entrée recevant les informations à transmettre. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, carac- 24945 1 4 térisé en ce que le premier circuit (20) de stabilisation de la valeur moyenne de la puissance optique émise par la diode laser comporte de plus en série: - un amplificateur opérationnel (A1) monté en transimpédance dont l'entrée est connectée aux moyens de conversion (12); et - un second filtre passe-bas (22) dont la sortie est connectée aux premiers moyens comparateur de tension (23).