Brevet FR2512298A1 — publié le 19830304

La présente invention concerne un système de communication optique dans lequel un signal module un laser à injection à semi- conducteur dans un émetteur et la sortie du laser est détectée dans un récepteur par un photodétecteur. Les systèmes actuels de transmission optique utilisent la modulation d'intensité de la source Celle-ci peut être combinée à différents types de modulation du signal électrique d'entrée, par exemple modulation par impulsions et codage (MIC), modulation de position d'impulsions, modulation de fréquence ou d'amplitude etc, mais l'information est toujours introduite sur le signal optique par modulation de l'intensité de ce signal Des travaux ont été effectués sur de véritables systèmes de modulation de fréquence optique mais il s'est avéré difficile de moduler la fréquence des lasers Pour qu'un système de modulation de fréquence optique soit réalisable, il faut que la lumière à moduler soit parfaitement cohérente. Selon la présente invention, on réalise un système de communication optique qui comprend un laser à injection à semi- conducteur dans l'émetteur et un photodétecteur dans le récepteur, caractérisé par le fait qu'un discriminateur de fréquence optique est inséré entre l'émetteur et le récepteur, une source de courant de polarisation du laser est prévue dans l'émetteur pour fixer le point de fonctionnement dudit laser à un niveau de puissance pratiquement constant au dessus du seuil d'effet laser, et un moyen de modulation dudit courant de polarisation fait varier ce dernier entre des limites déterminées pour que le taux de modulation d'intensité à la sortie du discriminateur de fréquence soit plus grand que le taux de modulation de fréquence à l'entrée de ce discriminateur. On a découvert que la modulation directe d'un laser à -injection (par modulation de son courant de polarisation) modifie non seulement l'intensité de la lumière émise par le laser mais également sa longueur d'onde La déviation n'est seulement que de quelques parties par million mais elle correspond à une plage de fréquence de plusieurs gigahertz en raison de la fréquence si élevée du signal optique Bien que cette déviation soit plus grande à basse fréquence par suite d'effets thermiques, la déviation par m A est pratiquement constante jusqu'à plus de 500 M Hz pour les hautes fréquences. Quand un laser à injection "monomode" est modulé entre le seuil d'effet laser et le niveau de puissance optique maximale, les oscillations du laser passent d'un mode longitudinal à l'autre Pendant les transitions, le laser oscille simultanément dans deux modes 2 25 12298 longitudinaux, en dépit du fait qu'un laser polarisé à un niveau de puissance constant devrait osciller dans un seul mode longitudinal. Par conséquent, si le courant de polarisation d'un laser à semiconducteur est modulé par un petit courant, tel que le taux de modulation d'intensité soit plut 8 t faible, on obtient à la sortie du laser une modulation de longueur d'onde qu'un discriminateur de fréquence optique peut convertir en modulation d'intensité optique Ce discriminateur peut être situé à la sortie de l'émetteur ou à l'entrée du récepteur Dans ce dernier cas, la transmission d'informations entre l'émetteur et le récepteur s'effectue donc par des signaux optiques modulés en fréquence. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif en se reportant aux figures annexées qui représentent la figure 1: une modulation d'intensité classique d'un laser à injection à semi-conducteur; - la figure 2: la réduction du taux de modulation d'intensité qui est nécessaire pour moduler en fréquence le signal de sortie optique du laser, selon la présente invention; la figure 3: la modulation de fréquence optique résultant du taux réduit de modulation d'intensité indiqué figure 2; la figure 4: la modulation d'intensité fournie par un discriminateur de fréquence optique à partir du signal optique modulé en fréquence de la figure 3; la figure 5: un système conforme à l'invention, dont le discriminateur de fréquence est adjacent au laser; la figure 6: un système conforme à l'invention, dont le discriminateur de fréquence est adjacent au photodétecteur; la figure 7: la modulation de fréquence d'un laser au moyen d'une rétroaction de fréquence optique; la figure 8: l'effet d'un discriminateur de fréquence de gain plus faible dans la boucle de rétroaction de la figure 7; la figure 9: un autre système de commande de la modulation de fréquence d'un laser par contre-réaction; la figure 10: un dispositif de réception utilisable pour des signaux optiques modulés en fréquence. De façon connue, la modulation d'intensité d'un laser à injection à semiconducteur est effectuée par déplacement du courant de polarisation d'un niveau immédiatement inférieur au seuil d'effet laser état 'bloqué" ou O ' à un niveau de puissance maximale état saturé" ou 1 ainsi que le représente la figure 1. Pour moduler en fréquence un laser à injection, conformément à l'invention, le laser est initialement polarisé à un niveau de puissance élevé indiqué par la ligne en tirets de la figure 2 Une modulation de faible amplitude du courant de polarisation est alors effectuée (trait continu) de façon que la puissance de sortie moyenne du laser se maintienne constamment à un niveau élevé Cela conduit a un changement faible mais significatif de la fréquence d'oscillation du laser, comme le représente la figure 3 Ce signal optique modulé en fréquence peut maintenant être appliqué à un discriminateur, par exemple un interféromètre de Michelson ou de Mach Zehnder ou un résonateur de FabryPérot, accordé pour ne transmettre qu'une seule longueur d'onde de la lumière reçue La sortie du discriminateur est ainsi effectivement modulée en intensité, selon la figure 4 A une longueur d'onde?>ql (fréquence fl) un signal optique de puissance pratiquement maximale est émis par le discriminateur, tandis qu'à une longueur d'onde A 2 (fréquence f 2) la lumière émise a une intensité faible ou insignifiante. Le taux de modulation du courant de polarisation du laser est déterminé par les niveaux auxquels les oscillations du laser passent d'un mode longitudinal à un autre Cette contrainte étant respectée, il est évident que plus la modulation du courant de polarisation est forte dans la plage autorisée, plus la modulation de fréquence de la sortie du laser est efficace, ainsi donc que la modulation d'intensité à la sortie du discriminateur. Cette forme de modulation de fréquence d'un laser à injection peut être utilisée de plusieurs manières Typiquement, dans un système utilisant une fibre optique 1 (figure 5) pour coupler un laser 2 à un photodétecteur 3, le discriminateur de fréquence 4 peut être placé immédiatement après le laser La transmission dans la fibre optique 1 s'effectue alors par modulation d'intensité, le niveau du courant de polarisation du laser 2 étant commandé par un modulateur 5 en fonction du signal à transmettre, ainsi qu'on l'a expliqué précédemment En variante, le discriminateur 4 peut être situé immédiatement avant le photodétecteur 3, selon le schéma de la figure 6 Le signal transmis par la fibre optique 1 est, dans ce cas, modulé en fréquence Quel que soit l'emplacement du discriminateur, le photodétecteur 3, par exemple une diode photoconductrice, est excité par un signal d'entrée modulé en intensité. La figure 7 représente un schéma de principe utilisable pour 4 2512298 obtenir le niveau requis de modulation du courant de polarisation du laser Dans un laser à injection typique, il est possible d'obtenir une sortie optique à l'avant du laser, c'est-à-dire dans la fibre optique 1, aussi bien qu'à l'arrière du laser Dans le schéma de la figure 7, un second discriminateur de fréquence 6 est placé derrière le laser 2 pour recevoir la lumière émise vers l'arrière En variante, la lumière dirigée vers le second discriminateur pourrait être prélevée sur le faisceau émis vers l'avant La sortie du second discriminateur est connectée à un second photodétecteur 7 qui fournit un signal d'entrée d'un amplificateur différentiel 8 Le signal de modulation est appliqué à l'autre entrée de cet amplificateur 8 qui fournit le courant de polarisation du laser sur une boucle de rétroaction Le second discriminateur compare la fréquence optique instantanée avec une fréquence requise et règle le courant de modulation en conséquence au moyen d'une contre-réaction électrique Ce procédé à l'avantage de corriger les variations de déviation en fonction de la fréquence, donc d'égaliser la réponse en fréquence du dispositif de modulation de fréquence En outre, il peut linéariser la modulation Plus précisément, il fournit une modulation linéaire pour un discriminateur de fréquence linéaire et, dans le cas contraire, il force la non-linéarité de la modulation à suivre celle du discriminateur Cela peut être avantageux quand un discriminateur de fréquence adéquat a, par exemple, une réponse sinusoïdale plutôt que linéaire Si le second discriminateur, ou discriminateur de contre-réaction 6, est du même type que le discriminateur de transmission 4, la fonction de 'transfert globale du système est alors linéaire. Dans leur réalisation la plus simple, les discriminateurs de fréquences optiques sont sensibles aussi bien aux changements d'intensité qu'aux variations de fréquence du signal d'entrée Comme on l'a déjà mentionné, l'intensité du signal de sortie du laser est légèrement modulée tandis qu'on effectue sa modulation de fréquence. Cette composante de modulation d'amplitude peut être compensée, mais non pas supprimée, en utilisant un discriminateur de fréquence également sensible à la modulation d'amplitude dans la boucle de contre-réaction. Autrement, si le récepteur utilise un discriminateur de fréquence insensible aux variations d'intensité, il faut alors utiliser un discriminateur de même type dans la boucle de rétroaction pour obtenir une bonne linéarité. Dans des applications numériques pour lesquelles la non-linéarité a moins d'importance que le taux de modulation, un 12298 discriminateur à gain plus faible peut être utilisé dans la boucle de contre-réaction (figure 8) Cela permet d'assurer un fonctionnement stable de la boucle de contre-réaction en dépit du fait que la sortie du discriminateur de réception pénètre dans des régions de pente nulle aux valeurs de crête du signal. Le schéma de la figure 5 peut être amélioré par application d'une contre-réaction du signal optique de sortie du discriminateur 4 adjacent au laser 2, sur l'entrée électrique de modulation du laser Ce système, représenté figure 9, est similaire à celui de la figure 7, mais n'exige pas l'utilisation d'un second discriminateur de fréquence. L'avantage apporté par l'exemple d'un discriminateur de fréquence optique pour effectuer la transmission en modulation d'intensité est que des courants de modulation beaucoup plus faibles peuvent être utilisés Le fonctionnement dans un seul mode longitudinal peut ainsi être obtenu, même avec un taux de modulation important, ce qui est impossible avec les lasers à injection actuels. Cependant, la transmission en modulation de fréquence optique a aussi l'avantage de permettre l'utilisation d'un type de fonctionnement "pushpull" dans le récepteur, comme le représente la figure 10 Un double discriminateur de fréquence 9 est ici nécessaire, chaque discriminateur fournissant une sortie séparée en fonction de l'une des deux fréquences optiques Il faut noter que la puissance transmise par le laser pour les deux fréquences est voisine de la puissance maximale et qu'elle est ainsi disponible entièrement par le récepteur Le récepteur est pour cela constitué par un premier photodétecteur 10 qui reçoit la lumière émise par le discriminateur 9 quand il détecte la fréquence fl, et un second photodétecteur 11 qui reçoit la lumière émise par le discriminateur 9 en fonction de la fréquence f 2 Les deux photodétecteurs sont montés en série et leur point de connexion est relié à un amplificateur de sortie Cette disposition a l'avantage de conférer une redondance inhérente au récepteur qui devient protégé contre une défaillance de l'un des photodétecteurs. Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. 12298 REVENDICATIONS l Système de communication optique dont l'émetteur comprend un laser à semi-conducteur à injection ( 2) et le récepteur comporte un photodétecteur ( 3), caractérisé par le fait qu'un discriminateur de fréquence optique ( 4) est monté dans le trajet de transmission ( 1) entre ledit émetteur et ledit récepteur, une source de courant de polarisation du laser ( 2) est inclue dans l'émetteur pour fixer le point de fonctionnement du laser à un niveau de puissance pratiquement constant supérieur au seuil d'effet laser, et un moyen de modulation ( 5) dudit courant de polarisation du laser fait varier ce courant dans des limites. déterminées, telles que le taux de modulation d'intensité lumineuse à la sortie du discriminateur de fréquence optique ( 4) soit plus important que le taux de modulation de fréquence à l'entrée de ce discriminateur. 2 Système conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que le discriminateur ( 4) est adjacent au laser ( 2). 3 Système conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que le descriminateur ( 4) est adjacent au photodétecteur ( 3). 4 Système conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de fournir une seconde sortie optique provenant du laser ( 2) dont une première sortie fournit l'énergie optique au récepteur ( 3), un second discriminateur de fréquence optique ( 6) qui reçoit ladite seconde sortie, et un second photodétecteur ( 7) couplé au discriminateur et fournissant une entrée d'un amplificateur différentiel ( 8) dont l'autre entrée est constituée par un signal de modulation, la sortie dudit amplificateur différentiel constituant le courant de polarisation modulé du laser ( 2). Système conforme à la revendication 4, caractérisé par le fait que le second discriminateur ( 6) a les mêmes caractéristiques que le premier ( 4). 6 Système conforme à la revendication 4, caractérisé par le fait que le second discriminateur ( 6) a un gain plus faible que le premier ( 4). 7 Système conforme à la revendication 2, caractérisé par le fait qu'une fraction de la sortie du discriminateur ( 4) est appliquée à un second photodétecteur ( 7) inclu dans une boucle de contre-réaction de l'émetteur qui comprend encore un amplificateur différentiel ( 8) dont une entrée est reliée à la sortie dudit second photodétecteur ( 7) et dont l'autre entrée reçoit un signal de modulation, la sortie dudit amplificateur différentiel constituant le courant de polarisation modulé du laser ( 2). 8 Système conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le premier discriminateur de fréquence ( 4) est adjacent au récepteur qui comprend des premier ( 10) et second ( 11) photodétecteurs connectés en série, ledit premier discriminateur de fréquence ( 4) étant conçu pour fournir deux sorties optiques séparées pour chacune des deux fréquences optiques d'entrée (fl, f 2) et des moyens étant prévus pour coupler chaque sortie du discriminateur à un photodétecteur respectif. 9 Système conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que chaque discriminateur de fréquence optique ( 4, 6) comprend une cavité résonnante de Fabry-Pérot. Système conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que chaque discriminateur de fréquence optique ( 4, 6) comprend un interféromètre de Michelson. 11 Système conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que chaque discriminateur de fréquence optique ( 4, 6) comprend un interféromètre de Mach-Zehnder. 12 Système conforme à la revendication 8, caractérisé par le fait que le premier discriminateur de fréquence ( 4) comprend deux résonateurs de Fabry-Pérot séparés, accordés sur des fréquences optiques différentes (fl, f 2)- 13 Système conforme à la revendication 8, caractérisé par le fait que le premier discriminateur de fréquence ( 4) comprend deux interféromètres de Michelson séparés, accordés sur des fréquences optiques différentes (fl, f 2)-' 14 Système conforme à la revendication 8, caractérisé par le fait que le premier descriminateur de fréquence ( 4) comprend deux interféromètres de Mach-Zehnder séparés, accordés sur des fréquences optiques différentes (fl, f 2)- Système conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la transmission entre l'émetteur et le récepteur s'effectue par une fibre optique ( 1). 16 Méthode de transmission de l'information dans un système de communication optique, caractérisé par le fait de moduler une source de lumière ( 2) par un courant assez faible pour obtenir une modulation de fréquence du signal optique émis par la source et de convertir la modulation de fréquence en modulation d'intensité ( 4) avant ou après la transmission unidirectionnelle du signal optique à un récepteur ( 3).