Brevet FR2537782A1 — publié le 19840615

DISPOSITIF A DIODE EMETTRICE DE LUMIERE AMENAGE POUR SUPPRIMER LES EFFETS DE CONSTANTE DE TEMPS THERMIQUE La présente invention concerne un dispositif à diode émettrice de lumière aménagé pour supprimer les effets de constante de temps thermique. Les diodes émettrices de lumière sont souvent désignées sous le vocable abrégé DEL ou LED (de l'anglais "Light Emitting Diode"). Elles constituent un des composants les plus utilisés dans les transmissions par fibre optique Ce composant présente en effet une caractéristique de réponse courant-puissance linéaire et, une modu- lation de la puissance optique par variation du courant peut être obtenue dans une large gamme de fréquence, les fréquences hautes pouvant aisément se situer vers 150 à 200 M Hz dans les conditions technologiques actuelles. Les systèmes de transmission, ou bus optiques, font généra- lement intervenir plusieurs émetteurs à diode DEL ainsi que plu- sieurs récepteurs optiques, chaque récepteur étant équipé d'une photodiode PIN ou à avalanche. On rappellera tout d'abord quelques propriétés des dispositifs émetteurs et récepteurs optiques pour faciliter l'exposé et la compréhension de l'objet de l'invention. Dans le cas d'une transmission analogique, la diode DEL est polarisée en direct avec un courant Io correspondant à la valeur moyenne de la zone de modulation parcourue sur la caractéristique courant-puissance La modulation est réalisée en faisant varier le courant et donc la puissance, de part et d'autre de cette valeur moyenne. Dans le cas d'une transmission numérique, il est possible d'effectuer une modulation par rapport à zéro, par exemple I = 0 et -2 - P = O représentent le "zéro" logique et, I = Il et P = Pl le "un" logique Toutefois, pour la plupart des diodes LED, une modulation par tout ou rien entraîne une mauvaise réponse impulsionnelle et il est préférable d'effectuer une modulation avec deux niveaux ce qui revient à une polarisation sur la valeur moyenne Io du courant. Cette valeur moyenne est avantageusement utilisée dans les cas fréquents d'un codage à trois niveaux de la transmission pour définir le troisième niveau ou niveau intermédiaire, les deux autres étant ceux correspondant à l'état "un" et à l'état "zéro". Après transmission par fibre optique, la puissance est démo- dulée à l'aide d'une photodiode Cette photodiode est soit du type PIN, soit à avalanche Dans les deux cas le bruit optique dépend de la valeur de la puissance moyenne de modulation. Pour obtenir le rapport signal sur bruit le plus élevé, il est nécessaire de moduler au maximum la diode LED et de minimiser au maximum la puissance optique moyenne. Si la lumière arrivant au récepteur provient d'un seul émet- teur, le rapport entre ces deux paramètres définissant le taux de modulation est constant et compris entre O et i 1 o % (valeur typi- que 50 %) Pour une valeur fixée du taux de modulation, le rapport signal sur bruit augmente comme la racine carrée de la puissance moyenne. Si la lumière arrivant au récepteur provient d'une pluralité n d'émetteurs (cas des bus optiques), le rapport signal sur bruit est donné par une relation qui fait intervenir A Pl Pol+ Poi + Pon o A Pl est la modulation de l'émetteur i et Poi est la puissance moyenne émise par l'émetteur i La modulation de l'émetteur peut ainsi être noyée dans le bruit produit par l'ensemble des émetteurs 1 à n Ladégradationde la dynamique est proportionnelle à rn dans le cas de puissances considérées égales car alors le rapport peut s'écrire p F. 3 - La puissance électrique PE = I VD dissipée par une diode DEL dépend du courant I qu'on lui injecte ainsi que de sa chute en tension VM Cette puissance, dissipée au niveau de la jonction, produit une élévation de température entraînant une chute de la puissance optique émise La température TJ de la jonction dépend de la puissance électrique PE, de la température ambiante TA, de la- résistance thermique jonction-ambiante Rth J-A et peut être expri- mée sour la forme: Tj = PE Rth 3 A + TA Si la puissance électrique appliquée à la diode varie en fonction du temps, la température de la jonction suit avec une constante de temps qui peut être définie par le produit Rthl A Cth JA o Cth JA représente la capacité thermique jonction-ambiante. A cette variation dans le temps de la température de la jonction correspond une variation de la puissance optique émise, effet parasite indésirable faussant la modulation de la diode. Un objet de la présente invention est de remédier à cet effet de constante de temps thermique, ainsi qu'à la dégradation du rapport signal sur bruit précédemment signalée dans une utilisation à plusieurs émetteurs et récepteurs optiques (bus optiques). En effet, dans ces cas d'utilisation, le système peut être organisé pour fonctionner de deux manières différentes: Suivant une premier mode, un seul émetteur est modulé mais tous les émetteurs émettent leur puissance moyenne Dans ce cas tous les émetteurs sont polarisés mais, seul l'émetteur choisi pour transmettre reçoit sa modulation De cette manière, un émetteur en état d'attente (donc déjà polarisé) ne fait par intervenir sa constante- de temps thermique au moment o il est sollicité, sa puissance moyenne étant constamment établie à la valeur d'équilibre. Toutefois, le récepteur reçoit la puissance optique moyenne émise par l'ensemble des émetteurs et produit un maximum de bruit Avec, par exemple, dix émetteurs d'égale puissance le rapport signal sur bruit se dégrade de l Odb. -4 - Suivant le second mode possible de fonctionnement, un seul émetteur est modulé, tous les autres sont coupés Dans ce cas, le rapport signal sur bruit au niveau du récepteur n'est pas dégradé mais, chaque fois qu'un émetteur est sollicité, il faut attendre un temps relativement long pour que la stabilisation thermique puisse se produire Pour une transmission à débit élevé ( 10 à 100 Mbits/S), ce temps mort peut représenter plusieurs millions ou milliards de bits. On constate donc qu'aucun de ces deux modes n'apporte une solution pour les systèmes de transmission à émetteurs multiples. Une solution conforme à l'invention permet d'obtenir un rap- port signal sur bruit aussi bon que dans le deuxième mode mais avec une vitesse de commutation proche de celle du premier mode. Selon l'invention, il est proposé un dispositif à diode émettrice de lumière comportant un moyen de mise en service et 'de modu- lation de la diode sur réception d'un signal de modulation, ce moyen polarisant la diode en direct pour obtenir une émission de photons modulés selon le signal, et un moyen de mise hors service de la diode durant les intervalles de temps séparant les périodes d'émission, le dispositif étant caractérisé en ce que le moyen de mise hors service est déterminé pour polariser en inverse la diode en dissipant dans la jonction pn sur laquelle elle est construite, une puissance électrique sensiblement égale à la valeur de celle qui y est dissipée durant chaque émission, et placer, ainsi la diode en un état de veille durant lequel l'émission se trouve bloquée tout en assurant une température de la jonction correspondant à celle durant l'émission ce qui permet d'éviter tout effet de constante de temps thermique de la jonction. Les particularités et avantages de la présente invention appa- ra tront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui représentent: Fig 1, des formes d'ondes relatives au fonctionnement et au procédé mis en oeuvre; Fig 2, un schéma électrique d'un exemple de réalisation d'un dispositif à diode DEL conforme à l'invention; -5 - Fig 3, un schéma partiel du circuit Fig 2 relatif au circuit équivalent en état de veille; Fig 4, la caractéristique tension-courant en inverse de la diode DEL et la détermination du point de fonctionnement; Fig 5, un diagramme d'une utilisation du dispositif à diode DEL selon l'invention dans un bus optique. Le procédé utilisé consiste à polariser en inverse la diode DEL durant toute la période de repos et ceci de manière à ce que la puissance électrique dissipée au niveau de sa jonction soit identique à la puissance électrique qu'elle va dissiper quand elle sera polarisée en direct, c'est-à-dire durant une période de fonctionnement. Dans une première phase (phase d'attente ou de veille), la diode étant* contre-polarisée, il n'y a pas d'émission optique Par contre, la jonction se trouve déjà à la température de travail nécessaire pour la deuxième phase (phase d'émission). Dans ces conditions, la diode n'émet pas de lumière en état de veille, n'augmentant pas le bruit au niveau du récepteur Dans la phase d'émission, la température de jonction étant correcte, il n'y a pas de constante de temps thermique retardant l'état d'équilibre. Les formes d'ondes Figs 1-a à 1-e illustrent ce fonction- nement. La Fig 1-a représente la tension VI aux bornes de la diode lorsqu'elle est polarisée en inverse (période d'attente ou de veil- le TV) et VD lorsqu'elle est polarisée en direct (période de fonction- nement ou d'émission TE) La Fig 1-b se rapporte au courant traversant la diode, II et ID respectivement La Fig l-c montre l'égalisation de la puissance électrique en inverse PE 1 et en direct PED et la Fig 1-d la température TJ inchangée de la jonction La puissance optique PO transmise est illustrée par la Fig 1-e; elle est nulle durant chaque période de veille TV par suite du blocage de l'émission par polarisation inverse; elle atteint immédiatement la valeur désirée dès l'instant to de passage à l'état de fonctionnement du fait que la température de la jonction a été préservée durant la phase TV précédente La valeur PO correspond à la valeur de puissance moyenne. La Fig 2 montre un exemple de réalisation d'un dispositif à diode DEL conforme à l'invention Le dispositif représenté sous forme d'un circuit électrique comporte la diode DEL proprement dite, une entrée de modulation EM, une entrée de commande EC, deux transistors QI et Q 2, un condensateur C et les résis- tance RI, R 2, RE et RC. La diode DEL est polarisée en direct par la source de courant constituée par le transistor pnp QI, les résistances RE, Ri, R 2 et une tension continue VC de polarité appropriée aux bornes du montage Cette tension est obtenue avec les deux potentiels con- tinus Vccl et Vcc 2, positifs dans le cas considéré, et appliqués côté RI et R 2 respectivement La tension VC produite est égale à Vcc 2-Vccl étant entendu que Vcc 2 est supérieur à Vccl, par exemple, Vcc 2 = 1 OV et Vccl = 5 V La branche RI-R 2 assure la polarisation de la base du transistor QI et détermine le courant moyen Io dans la diode DEL qui charge le collecteur La modulation est appliquée à l'entrée EM et transmise vers la base de QI à travers le condensateur C pour faire varier la polarisation et corréla- tivement le courant à travers le transistor et la diode en sorte de moduler l'émission des photons. La polarisation inverse est réalisée par un commutateur qui a pour rôle de brancher la diode aux bornes de l'alimentation continue Vccl Le circuit commutateur se compose du transistor Q 2 et des résistances RC et RB. Pour produire l'état de veille une tension positive est appliquée à l'entrée EC ce qui entraîne la conduction à saturation du tran- sistor Q 2 et revient à considérer la résistance RC connectées de ce côté de la masse comme indiqué sur la Fig 3 Les résistances RB et RC servent à limiter les courants La diode DEL se trouve alors polarisée en inverse par la tension-Vccl. La Fig 4 représente la caractéristique tension-courant de la diode DEL en inverse ainsi que la droite de charge relative à la résistance RC Le point de fonctionnement vl, i 1 peut être réglé en faisant varier Vccl et/ou RC en sorte que la puissance électrique -7- dissipée PEI = vl i 1 durant la phase d'attente TV correspond à celle PE 2 de la phase d'émission La diode étant polarisée en inverse il n'y a pas d'émission de lumière. Pour produire ensuite une phase d'émission TE, la tension de commande appliquée à l'entrée EC descend à OV ou à une valeur légèrement négative pour bloquer le transistor Q 2 et le circuit de la diode DEL se reforme à nouveau à travers le transistor QI La diode DEL est polarisée par la source de courant QI, RI, R 2, RE et la valeur du courant direct est donnée par: ID = l(Vcc 2-Vccl) R-R 2 (VBE)Q l RE (VBE)QI étant la tension entre base et émetteur de QI La ten- sion VD aux bornes de la diode dépend peu du courant ID, et est généralement voisine de 2 V La puissance électrique dissipée PE 2 îs est égale à ID VD. Si le courant ID d'une part, Vccl et RC d'autre part, sont choisis pour égaliser sensiblement les valeurs de puissance dissipée PEI et PE 2, la température de la jonction ne changera pratiquement pas au moment du passage de l'état de veille (DEL polarisée en inverse; pas d'émission de lumière) à l'état de fonctionnement (DEL polarisée en direct; émission de lumière) et le montage ne pré- sentera pas de constante de temps thermique. Dans une application à un bus optique, le fait que les diodes non opérationnelles à un instant considéré ne sont pas émissives entraîne à la réception d'un seul signal lumineux à la fois, celui de la diode DEL de l'émetteur opérationnel, et évite la dégradation du rapport signal sur bruit dans le rapport X Pol+ +Poi+ Pn Poi qui devient f pour N émetteurs identiques. 8 - La Fig 5 représente un exemple d'une telle utilisation Le système de transmission comporte N voies, chacune avec un émet- teur E Dj à diode DEL, un récepteur optique R Oj et une logique de décision L Dj On distingue les entrées pour commander l'un ou l'aute état et la sortie de détection S Dj du récepteur Les circuits de décision LDI à L Dn sont contrôlés à partir d'une unité centrale non représentée, ne serait ce que pour gérer dans le temps les émissions de messages Les interconnexions optiques peuvent être réalisées avec un coupleur optique CO, par exemple un barreau mélangeur, auquel les émetteurs et récepteurs sont connectés par fibres optiques. -9- REVENDICATIONS 1 Dispositif à diode émettrice de lumière, comportant un moyen de mise en service et de modulation de la diode (DEL) sur réception d'un signal de modulation, ce moyen polarisant la diode en direct pour obtenir une émission de photons modulée selon le signal, et un moyen de mise hors service de la diode durant les intervalles de temps séparant les périodes d'émission, le dispositif étant carac- térisé en ce que le moyen de mise hors service (Q 2, RB,RC) est déterminé pour polariser en inverse la diode en dissipant dans la jonction pn sur laquelle elle est construite, une puissance élec- trique (PEI) sensiblement égale à la valeur de celle (PE 2) qui y est dissipée durant chaque émission, et placer ainsi la diode en un état de veille (TV) durant lequel l'émission se trouve bloquée tout en assurant une température de la jonction correspondant à celle durant l'émission (TE) ce qui permet d'éviter tout effet de constante de temps thermique de la jonction. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de mise en service et de modulation comporte une source de courant (QI,RE,R 1,R 2) réalisée à l'aide d'un premier transistor (Ql)- connecté par son collecteur à une électrode de la diode (DEL), et que le moyen de mise hors service comporte un commutateur (RC, Q 2,RB) réalisé à l'aide d'un second transistor (Q 2) dont le collecteur est connecté à la même électrode de la diode et à travers une résistance (RC). 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite résistance (RC) est ajustable pour régler ladite égalité des puissances électriques dissipées. 4 Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation annexe produisent deux tensions continues, une première tension continue (Vccl) appli- quée du côté de l'autre électrode de la diode (DEL) et une deuxième tension continue (Vcc 2) appliquée sur l'électrode émetteur du pre- mier transistor (QI) à travers un élément résistif (RE). - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la deuxième tension continue (Vcc 2) est supérieure à la première tension continue (Vccl). 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 5, caractérisé en ce que le premier transistor est de type pnp, le deuxième de type npn, et que la deuxième tension continue (Vcc 2) est supérieure à la première tension continue (Vccl). 7 Utilisation d'un dispositif à diode DEL selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6 pour réaliser un système de trans- mission optique dit bus optique destiné à interconnecter une plura- lité N de stations comportant chacune un émetteur E Dj) à diode émettrice de lumière, caractérisé en ce que chaque émetteur émet son information pendant que les autres émetteurs sont polarisés en inverse, n'émettant ainsi pas de lumière qui augmenterait le bruit dans les récepteurs optiques (R Oj) qui équipent les stations, ces émetteurs en état de veille étant polarisés en inverse de manière à chauffer leurs jonctions à la même valeur qu'au moment de l'émis- sion optique évitant ainsi tout délai dû à la constante de temps thermique.