Brevet FR2500972A1 — publié le 19820903

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TRANSMISSION DE SIGNAUX ANALOGIQUES RAPIDES SUK FIBRES OPTIQUES Le secteur technique de la présente invention est celui des procédés et des dispositifs pour la transmission de signaux analogiques au moyen de fibres optiques. Il est connu dans ce secteur d'utiliser pour des liaisons à large bande (100 MHz) et à moyenne distance, des systèmes à modulation d'amplitude, c'est-à-dire à modulation d'intensité lumineuse. Ainsi, le système de transmission est construit autour d'une source de lumière (diode électroluminescente ou diode laser), modulée en intensité autour d'un point de repos et fonctionnant en classe A, et d'une photodiode à avalanche assurant la conversion optoélectronique du signal lumineux transmis par la fibre optique. Ces dispositifs souffrent généralement d'un niveau de bruit élevé du notamment au bruit Schottky de la photodiode à avalanche et au bruit thermique dans l'impédance d'entrée de l'amplificateur de tension du récepteur modifié par son facteur de bruit dont on rappelle les formules pour mémoire bruit Schottky i 2 , 2e lo M 2,3 bruit thermique .2 - 4 K T . f, f formules dans lesquelles 2 R les différents paramètres sont M le gain d'avalanche de la photodiode, R la résistance de charge de la photodiode, #f la largeur de bande, e la charge d'un électron, Io le courant de photodiode dû au faisceau lumineux, K la constante de Boltzmann, On peut remarquer que le bruit apporté par la photodiode dépend du niveau du signal lumineux reçu, le courant Io étant relié au flux lumineux # incident de la formule par la relation Io = e # # avec h # rendement quantique du détecteur h constante de Planck 9 fréquence du rayonnement Dans une telle transmission en classe A le rapport signal sur bruit s'écrit S m Iç M2 ( Puissance max.du signal) B puissance 2 hfeN2s3 + 2K T F)(puissance efficace R puissance ' 2 hfl(elL > ' - R - lo de bruit) avec m : taux de modulation de la diode LED utilisée F : facteur de bruit de l'amplificateur. Ainsi dans le cas d'une chaîne de transmission à large bande passante de caractéristiques h : 100 MHz o o : 4 $ W optique Io : 2 F A courant moyen de photodiode M : 100,valeur du gain qui rend optimum le rapport S/B précité m : 0,6 F : 2,29 soit 3,6 dB pour amplificateur large bande on obtient un rapport signal /bruit de 37 dB Un moyen pour améliorer le rapport signal / bruit des dispositifs de transmission pourrait consister à travailler en modulation de fréquence ce qui, sur un plan théorique,devrait permettre un gain de 15 dB environ.sur le rapport S/B. Toutefois, la réalisation pratique paraît très difficile dans 11 état actuel de la technique puisqu'elle nécessiterait la mise au point d'éléments de haute technicité, notamment de diodes laser modulables entre 100 N Hz et 700 MHz(pour un indice de modulation égal à 3) avec asservis sement optique en fonction de la température, d'un modulateur FN avec grande excursion en frequence et à haute fréquence (GHz) d'un discriminateur fonc tionnant dans le domaine du gigahertz. Ainsi un tel mode d'amélioration du rapport signal /bruit des transmissions optoélectroniques semble actuellement exclu. L'invention a donc pour but de permettre I'amélioration du rapport signal/bruit d'une transmission optoélectronique au moyen d'un dispositif de réalisation simple permettant un gain de 10 à 15 dB. Pour ce. faire l'invention a pour objet un procédé de transmission d'un signal analogique rapide selon lequel - on sépare le signal en deux parties, une première partie comportant au moins l'alternance positive du signal et une seconde partie comportant au moins l'alternance négative ; - on applique chacune des parties du signal aux bornes d'un transducteur électro-optique chaque transducteur ayant sa sortie couplée à uné extrémité d'une fibre optique - on détecte, à l'autre extrémité de chaque fibre optique l'énergie lumineuse transmise au moyen de deux photodiodes à avalanche polarisées montées symétriquement, - et on reforme le signal transmis par combinaison des deux signaux de sortie pris aux bornes de chacune des photodiodes a avalanche. L'invention a également pour objet un dispositif de transmission a faible niveau de bruit qui comprend en combinaison; - un émetteur a deux sources electroluminescentes travaillant en classe Ab et montées symetriquement ; - deux fiores optiques couplees chacune à la sortie de chaque source electroluminescente - un recepteur a deux photodiodes a avalanche montees symetriquement recevant l'énergie lumineuse a l'extrémité des fibres optiques, le courant de sortie des pnotodiodes étant envoye aux bornes d'un transformateur d point milieu, ou de tout autre dispositif assurant la même fonction (montage symétrique actif, a;;plificateur symétrique Selon l'invention, les sources electroluminescentes peuvent être constituées, soit par des diodes electroluminescentes, soit des diodes laser, travaillant en classe AB, c'est-a-dire a faille courant de polarisation. Selon une autre caractéristique de l'invention, les photodiodes de detection du recepteur sont alimentées par un morne courant de polarisation de valeur constante. L'invention apparaitra plus clairement et d'autres caractéristiques seront explicitées dans la description qui va suivre, donnee a titre d'exemple non limitatif et accompagnée de dessins parmi lesquels: - la figure 1 représente un mode de réalisation de l'émetteur du dispositif de transmission selon l'invention, - la figure 2 représente un recepteur conforme a l'invention, - la figure 3 montre les courbes caractéristiques d'un type de diodes electro- luminescentes pouvant etre utilisé dans le dispositif selon l'invention. L'ide-mre de l'invention provient de la constatation que, dans un dispositif travaillant en modulation d'amplitude en ciasse A, la principale source de Druit provient du bruit SCOTTKY approximativement trente foissssuperieur au bruit thermique de l'amplificateur de tension du dispositif et que ce bruit Scnottky dépend du courant moyen de polarisation continue. La diminution du courant de polarisatioii de la diode permet donc une réduction du niveau de bruit de la transmission, le procede consistant d choisir un point de repos Io n fois plus faible (classe Ab) qu'en classe A. La distorsion de forme innérente pour les signaux faibles en fonctionnement en classe AB et la Dipolarite des signaux d transmettre conduisent à utiliser deux voies d'émission, de transport et de reception symétriques. L'émetteur est donc constitué par deux diodes électroluminescentes 1 et 2 disposées entre une référence de tension continue (+15 v) et le collecteur de deux transistors dont les bases reçoivent les signaux a transmettre des deux points extrêmes du secondaire d'un transformateur à point milieu 3 au travers de condensateurs de découplage 4 et 5. Le signal d'entrée est donc séparé en deux parties, l'une comportant au moins l'alter- nance positive et l'autre l'alternance négative, avec un éventuel recouvre ment d'une partie de la première partie du signal sur l'autre. Les diodes 1 et 2 émettent donc en direction de deux fibres optiques 6 et 7 des rayonnements proportionnels à leurs deux signaux d'entrée. Selon l'-invention, on choisit un point de repos 10 des diodes 1 et 2 (voir figure 3), très faible et positionne sur le point de meilleur raccordement des caractéristiques j (I) de chaque diode c1est-à-dire en général entre 3 et 20 m A. Ainsi pour des diodes électroluminescentes RCA type C 30133, on choisira un point de repos Io de 10 mA. De cette façon, si le point de repos a été choisi n fois plus faible qu'en classe A, le niveau de bruit moyen en l'absence de signal modulant sera également n fois plus faible. En outre le rapport signal bruit sera le même quelque soit le niveau du signal modulant, ce qui n'est pas le cas en modulation d'amplitude. Dans le cas où, au lieu de diodes électroluminescentes, on utilise des diodes lasers, on choisira un courant de polarisation compris entre 200 et 500 mA. Le récepteur est constituée de deux photodiodes à avalanche 8 et -9 montées symétriquement. Celles-ci reçoivent des fibres 6 et 7 les flux Q 1 et # 2 et les convertissement en courants I = 1o1 (1+ m) = en M1 Q oi (1+ m) et I2 = lo2 (1+m) = e nM2 j o2 (1+ m) avec M 1 et M 2 les gains d'avalanche des deux photodiodes 8 et 9, m la profondeur de modulation et j o le flux de polarisation continue. Ces courants sont amenés aux deux borne du primaire 10 d'un transformateur à point milieu transformateur dont une borne il du secondaire est reliée à la masse et sur la seconde borne duquel on prélève la tension de sortie Vs au travers d'un amplificateur de sortie 12 de gain G. Le signal recueilli en sortie est donc Vs = Z G (I I - I s Z G (1 + m ) ( Io1 - Io2) cette tension étant nulle à l'équilibre, lorsque les courants de polarisation sont égaux et en présence d'une variation dynamique de flux dû au signal modu lant. Les composantes positive et négative du signal transmis au moyen du dispositif selon l'invention sont donc Signal = m Io1 ZG t signal = m 102 ZG A l'équilibre, le signal de sortie est symétrique et indépendant de la dispersion des pertes optiques sur les deux voies. Cette alimentation des photodiodes à même courant constant compense parfaitement I'atténuation et la dispersion des pertes sur chaque fibre ainsi que les variations de sensibilité de chaque photodétecteur en température et est réalisable en faisant varier les gains d'avalanche M 1 et M 2 de chaque détecteur pour maintenir constant le produit M do (M 1 ; 01 s M 2 d 02) L'emploi d'un montage symétrique à la réception tel que décrit plus haut améliore légèrement le rapport signal/bruit. En effet conformément à la théorie des bruits stationnaires gaussiens, les signaux s' ajoutent alors que le bruit se compose quadratiquement Un tel montage améliore le rapport S/B de 3 db aux petits signaux.Aux grands signaux cette amélioration théorique décroît et s'annule par suite du mode de fonctionnement asymétrique qui tend à s'établir dans le transformateur. Le gain global de ce mode de fonctionnement par rapport à la modulation d'amplitude en classe A peut se résumer comme suit faibles signaux 10 db + 3 db - 13 db max. forts signaux 10 db + 0 - 10 db max. Cette amélioration est légèrement inférieure à celle apportée par la modulation de fréquence pour un taux de modulation de 3 (14 db). Néanmoins, à partir des composants actuels et des circuits prévus dans la présente invention, la méthode proposée est immédiatement réalisable. En outre elle est bien moins limitative en bande passante, que celles utilisante la modulation de fréquence. L'invention s'applique favorablement au liaisons à large bande (100 tEz) et à moyenne distance ainsi qu'aux transmissions numériques à haut débit (code H DB 3 à trois niveaux des équipements M.I.C.) pour augmenter éventuellement l'espace entre répéteurs. REVENDICATIONS 1 - Procédé de transmission d'un signal analogique rapide au moyen de fibres optiques caractérisé en ce que - on sépare le signal en deux parties, une première partie comportant au moins l'alternance positive du signal et une seconde partie comprenant au moins l'alternance négative. - on applique chacune des parties du signal aux bornes d'un transducteur électro-optique à faible courant de polarisation chaque transducteur ayant sb sortie couplée à une extrémité d'une fibre optique. - on détecte, à l'autre extrémité de chaque fibre optique l'énergie lumineuse transmise au moyen de deux photodiodes à avalanche polarisée montées symétriquement - et on reforme le signal transmis par combinaison des deux signaux de sortie pris aux bornes de chacune des photodiodes à avalanche. 2 - Dispositif de transmission d'un signal analogique rapide aux moyen de fibres optique à faible niveau de bruit caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison, - un émetteur à deux sources électroluminescentes tra vaillant en classe AB et montées symétriquement - deux fibres optiques couplées chacune à la sortie de chaque source électroluminescente. - un récepteur à deux photodiodes à avalanche montées symétriquement recevant lténergie lumineuse à l'extrémité des fibres optiques, le courant de sortie des photodiodes étant envoyé aux bornes d'un transformateur à point milieu. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les sources électroluminescentes de l'émetteur sont constituées par des diodes électroluminescentes. 4 - Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le courant au point de polarisation des diodes électroluminescentes à une valeur comprise entre 3 m A et 20 mA. 5 - Dispositif selon la revendications 2, caractérisé en ce que les sources électroluminescentes sont constituées par des diodes lasers. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le courant au point de polarisation des diodes lasers a une valeur comprise entre 200 mA et 500 mA. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 caractérise en ce que les photodiodes de détection du récepteur sont alimentées par un même courant de polarisation de valeur constante. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 d 7 caractérisé en ce que les fibres optiques sont des monofiores multimodes. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2a 7 caractérisé en ce que les fibres optiques solit des monofibres monomodes. 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 o 9, caractérisé en ce que le recepteur comporte un amplificateur de sortie.