Brevet FR2556105A1 — publié le 19850607

CANAL DE TRANSMISSION OPTIQUE A CONNECTEURS ELECTRIQUES La présente invention se rapporte aux canaux de transmission optique à connecteurs électriques. On entend par canal de transmission optique l'ensemble formé par un émetteur électro-optique relié par un câble optique à un récepteur optoélectronique. L'émetteur effectue la conversion électrique/optique du signal correspondant à l'information à trans- mettre, le câble optique achemine le signal lumineux délivré par l'émetteur et le récepteur effectue la transformation inverse optique/électrique du signal lumineux transmis par le câble pour le restituer sous forme électrique. Les conversions respectives sont obtenues par les diodes d'extrémité. L'émetteur utilise en sortie une diode photoémettrice du type diode électroluminescente (DEL en abrégé ou LED de Light Emitting Diode), ou laser. Le récepteur utilise à l'entrée une diode photodétectrice du type diode PIN ou à avalanche (APD en abrégé de Avalanche Photo Diode). Chacune de ces diodes est positionnée avec précision par rapport à la face d'extrémité du câble qui lui est associé pour obtenir un bon couplage optique et une bonne tenue mécanique. Selon les réalisations conventionnelles les plus fréquentes, le couplage optique en extrémité du câble est- réalisé à l'aide de connecteurs optiques appropriés de manière à faciliter les opéra- tions de connexion-déconnexion pour monter, démonter ou changer le câble optique, ou dissocier ce dernier de l'émetteur et/ou du récepteur. Suivant d'autres réalisations connues, le niveau de connexion- déconnexion du câble se trouve reporté en amont de la diode émettrice et en aval de la diode réceptrice. Les connecteurs optiques d'extrémités peuvent ainsi être remplacés par des connec- teurs électriques permettant de relier les électrodes des diodes d'extrémité au circuit correspondant. On bénéficie alors des avan- tages de ce type de raccordement en évitant les inconvénients des connecteurs optiques. En effet, la manipulation répétée des connec- teurs optiques entraîne une usure mécanique qui provoque rapi- dement une perte de puissance et une modification de la bande passante du (ou des) conducteur (s) optiques (s) constituant le câble otpique (une fibre ou un faisceau de fibres) de la liaison émetteur- récepteur considérée. Par contre, dans le cas de connecteurs élec- triques, le vieillissement du connecteur est très lent et ne se traduit que par une légère augmentation de la résistance ohmique. Cette augmentation est tellement faible qu'elle n'a pratiquement aucune action sur la fonction de transfert de la liaison. Suivant ces solutions, les extrémités du câble sont terminées par un module incluant la diode d'extrémité couplée optiquement au câible et reliée à un connecteur électrique. Le couplage optique est obtenu par un montage assurant le positionnement mécanique relatif des éléments sans utilisation de connecteurs optiques à proprement parler. Le connecteur électrique est de type coaxial ou multibroches. Ces réalisations à connecteurs électriques d'extrémité du câible présentent un fonctionnement satisfaisant pour autant que la bande de fréquences utilisée reste relativement basse, n'allant pas au delà de quelques MHz pour les fréquences les plus élevées. Au delà, les longueurs des connexions reliant, à travers le connecteur électrique d'extrémité, la diode d'extrémité au circuit électronique correspondant, présentent une influence croissant avec la fréquence et qui modifie la fonction de transfert du système. Si l'on veut réaliser des systèmes plus performants dont les fréquences hautes atteignent facilement plusieurs centaines de MHz, ou même dépas- sent le GHz, on constate que chacun des composants, diode ou fibre, présente un influence grandissante sur la réponse de la liaison. A titre d'exemple, pour une fibre optique de type 50/125 (diamètre du coeur/diamètre de la gaine, en microns) et en considérant des éléments de fibres de même longueur, la fréquence haute transmise peut varier aisément dans la plage 200 MHz à 1,2 GHz en changeant l'élément de câble, soit dans un rapport allant de I à 6. Un objet de l'invention est de réaliser un canal de transmission à connecteurs électriques qui remédie aux inconvénients précités de manière à préserver la fonction de transfert constante pour une exploitation dans une très large bande de fréquences. Un autre objet de l'invention est de ménager des possibilités internes de connexion-déconnexion aisées en extrémités du câble, de manière à faciliter les changements éventuels de composants, câble ou diode d'extrémité, selon les nécessités de l'exploitation ou en cas de panne. De plus, les circuits sont de préférence aménagés pour produire une compensation en fréquence permettant de préserver sensiblement les caractéristiques de la fonction de transfert tout en permettant une grande souplesse d'exploitation. Suivant l'invention il est proposé de réaliser un canal de transmission optique à connecteurs électriques, composé d'un câble optique reliant un émetteur électro-optique à un récepteur opto- électrique, l'émetteur et le récepteur comportant chacun un circuit électronique associé à une diode transductrice d'extrémité, photo- émettrice et photoréceptrice respectivement, le câble étant ter- miné à chaque extrémité par un module de raccordement électrique, chacun d'eux contenant la diode d'extrémité correspondante avec un dispositif de couplage optique de cette diode à l'extrémité qui lui est associée du câble optique, et étant terminé par un connecteur électrique pour relier électriquement la diode d'extrémité avec le circuit correspondant, et étant caractérisé en ce que chaque module contient, à la fois, une diode d'extrémité et le circuit correspondant, en sorte que les connexions extérieures à travers le connecteur élec- trique n'influent pas sur les caractéristiques de bande passante du canal et permettent un fonctionnement dans une très large bande de fréquences. Les particularités et avantages de la présente invention appa- raîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif à l'aide des figures annexées qui représentent: Fig.l, un canal de transmission optique à connecteurs optiques de type connu; Fig.2, un canal de transmission optique à connecteurs élec- triques de type connu; Fig.3, un canal de transmission optique à connecteurs élec- triques conforme à l'invention; Figs.4 et 5, des schémas de rappel de modes de couplage optique entre diode d'extrémité et câble optique; Fig.6, un canal de transmission multivoies conforme à l'invention; Fig.7, une variante de réalisation selon l'invention répondant à - des impératifs de passage du câble par des orifices étroits; Fig.8, un schéma électrique d'un ensemble émetteur électro- optique avec un circuit de compensation en fréquence, utilisé dans un canal de transmission conforme à l'invention; Fig.9, un schéma électrique d'un ensemble récepteur opto- électrique avec un circuit de compensation en fréquence, utilisé dans un canal de transmission conforme à l'invention; Fig.10, un exemple de réalisation de module d'extrémité du câble pour un canal de transmission bidirectionnelle selon l'in- vention. En se reportant à la Fig.l, le canal de transmission optique se compose d'un ensemble émetteur électro-optique 1 relié à un ensem- ble récepteur opto-électronique 2 par le câble 3 constitué d'une fibre optique ou d'un faisceau de fibres. L'émetteur 1 est constitué par une diode photoémettrice 4 et son circuit associé 5. Le récep- teur 2 est constitué de même par une une diode photodétectrice 6 et son circuit associé 7. Les extrémités du conducteur optique 3 sont couplées optiquement aux diodes 4 et 6 par un dispositif connecteur optique, 8 et 9 respectivement. Les liaisons électriques extérieures comprennent les con- nexions d'alimentation continue (+Vcc et masse) des circuits d'émis- sion et de réception et celles relatives au signal SI (analogique ou numérique) à transmettre, et au signal S2 restitué en sortie du récepteur. Le couplage optique peut s'effectuer comme représenté sur la Fig.4 avec un connecteur hybride composé d'une première pièce Il contenant l'extrémité du câble est adaptée pour être fixée à une deuxième pièce 12 contenant la diode terminale 4 (ou 6). La fixa- tion, par vissage par exemple, place les composantes 4 et 3 (ou 6 et 3) en position. D'autres modes de couplage sont possibles comme représenté sur la Fig.5 lorsque la diode 15 est terminée par une fibre optique 16 (dite "pigtail" selon la terminologie anglo-saxonne). On revient ainsi a coupler deux conducteurs optiques 16 et 3. Dans les cas de démon- tages rares, on peut utiliser la technique d'épissure qui consiste à joindre les extrémités de ces conducteurs optiques par soudure, collage, ou autre moyen. De manière préférée, on utilisera un dispositif connecteur optique 17; il en existe de différents types pour coupler mécaniquement et optiquement deux conducteurs opti- ques, monofibre ou multifibres. Pour les besoins de montage selon l'invention, le connecteur 17 doit être de faibles dimensions, minia- turisé. Pour un canal de transmission utilisant des connecteurs opti- ques, la fonction de transfert n'est pratiquement jamais constante et varie essentiellement en fonction de l'influence de la température et du vieillissement sur les diodes d'extrémité de l'émetteur et du récepteur et sur les connecteurs optiques ainsi que, pour ces derniers de l'état des surfaces optiques et de leur degré de propreté. Parmi les composants d'extrémité, les diodes DEL d'émission et PIN de réception sont relativement stables. La puisance optique de la bande passante de la diode DEL d'émission varie modérément en fonction de la température. La diode PIN est pratiquement invariable en fonction de la température. Par contre, les diodes d'émission LASER, qui ont l'avantage d'émettre dix fois plus de puissance que les diodes DEL, varient beauccoup en fonction de la température ainsi que les diodes de réception à avalanche (APD). Les connecteurs optiques 2 et 9 dans ces liaisons sont utilisés commes des connecteurs classiques pour débrancher (ou rebrancher) en A et B comme indiqué sur la Fig.1, le câble 3 de l'émetteur 1 ou du récepteur 2. Ces manipulations des connecteurs optiques entraînent comme il a été dit, une usure mécanique qui provoquent à la fois une perte de puissance et une modification de la bande passante de la fibre (ou du faisceau de fibres) 3. En effet, la réponse en fréquence dune fibre dépend de l'ouverture numérique (l'ouverture numérique repré- sente le sinus du demi-angle d'injection ou de sortie) d'injection à l'émission et de l'ouverture numérique de réception à la sortie de la fibre. La modification de l'ouverture numérique est due en grande partie à l'éloignement des surfaces optiques à coupler. La diminution de l'ouverture numérique provoque un filtrage modal qui tend à augmenter la bande passante. La dégradation du connecteur optique se traduit aussi bien par une perte de puissance que par une modification de la bande passante. En outre, le dépôt d'impuretés sur les surfaces optiques provoque également des modifications de la puissance transmise et de l'ouverture numérique; ceci est important, notamment dans le cas de liaisons avec une monofibre de faible diamètre. Pour pré- server les caractéristiques de réponse du canal, c'est-à-dire stabi- liser la fonction de transfert, il est connu d'utiliser une régulation de température par thermostat de l'enceinte o est placée la diode d'extrémité, ou d'asservir la puissance d'émission en utilisant une photodiode près de la diode émettrice, ou encore d'utiliser un contrôle automatique de gain. Une autre solution connue rappelée à l'aide de la Fig.2, consiste à terminer le câble 3 par des modules 21 et 22 contenant les diodes d'extrémité 4 et 6 et pourvus d'un connecteur électrique 23, 24 en extrémité pour le raccordement extérieur aux circuits d'émission 5 et de réception 7, respectivement. Dans le module, un moyen mécanique 25, 26 assure le positionnement correct de la diode en face de l'extrémité du câble et rend solidaire ces éléments du boîtier du module 21,22. Les niveaux précités A et B de con- nexion ou déconnexion sont maintenant reportés en amont de la diode émettrice 4 et en aval de la diode réceptrice 6, et sont réalisés avec des connecteurs électriques dont l'usure, comme on l'a dit, n'a pratiquement pas d'influence sur la fonction de transfert. Le moyen mécanique de fixation et de couplage 25, 26 peut comporter un serre-câble 27, 28 à l'entrée du module. Conformément à la présente invention, pour accroître les performances et éliminer l'influence sur la bande passante des connexions extérieures allant des connecteurs électriques 23, 24 aux circuits extérieurs 5 et 7, ces derniers sont intégrés dans le boîtier du module correspondant comme indiqué sur la Fig.3. Ainsi, seules subsistent avec l'extérieur des connexions sans effet sur la fonction de transfert, les amenées d'alimentations continues et les signaux Si et S2, ces connexions aboutissant au connecteur électrique 23 ou 24 correspondant composé d'une prise mâle multibroches et d'une prise femelle correspondante. En outre, les circuits électriques 5 et 7 sont dotés avanta- geusement d'un circuit de compensation en fréquence 31, 32 ayant un effet passe-haut de manière à compenser l'atténuation de la fibre, ou un écart éventuel trop important entre la diode et la face d'extrémité au câble à laquelle elle est couplée. Le couplage entre la fibre optique sortant du serre-câble 27, 28 et le composant d'extrémité 4, 6 est assuré par un montage fixe, ou démontable. Dans la première catégorie entre, en particulier, le raccordement par épissure d'une diode pigtail. Dans la deuxème catégorie entrent les connecteurs optiques 8, 9 diode-fibre (éléments 11-12, Fig.4), ou fibrefibre (éléments 17, Fig.5), selon le type de diode. Le couplage par connecteur optique permet d'accéder plus facilement à la diode d'extrémité ou au câble lorsqu'il est nécessaire de changer un élément. L'existence d'un connecteur optique interne miniature ne pré- sente aucun des inconvénients du connecteur optique externe (Fig.l). En effet, ce connecteur n'est utilisé que durant la phase d'inté- gration de l'ensemble et, éventuellement, pour la maintenance. Durant le fonctionnement normal,Ice connecteur est toujours ver- rouillé et ne présente ni risque de vieillisement ni risque de pollution. L'utilisation d'une jonction optique par épissure interne permet d'obtenir un résultat semblable avec l'avantage d'une plus faible perte de puissance optique mais avec l'inconvénieent d'une démon- tabilité plus difficile. La Fig.6 se rapporte au cas de canaux multiples c'est-à-dire, comportant plusieurs émetteurs et/ou récepteurs à chaque extré- mité. Le câble 3 comporte autant de conducteurs optiques F1 à Fn (chacun d'eux étant constitué par une fibre, ou un faisceau de fibres) qu'il y a de liaisons à effectuer, n émetteurs à n récepteurs respectivement. Chacun des blocs El, RI,... En, Rn rassemble une diode d'extrémité avec son circuit et le couplage à la fibre F1,... Fn correspondante. Les modules 35A et 35B sont consécutivement de plus grandes dimensions. Les connexions électriques d'extrémité 36A et 36B rassemblent le brochage de l'ensemble des connexions exté- rieures pour n circuits internes au module, constitués d'émetteurs et/ou de récepteurs. Dans certains cas d'utilisation, il. est nécessaire de pouvoir passer le câble optique à travers des orifices de faible diamètre. Dans ce cas, il est possible de monter le ou les ensembles d'émission ou de réception dans un module 21 ou 22 (Fig.3) ou 35 A ou B (Fig.6) en une extrémité du câble qui peut être connectée et déconnectée souvent, et de terminer l'autre extrémité du câble optique 3 par un connecteur optique 37 monovoie ou mutivoies (Fig.7), cette deuxième extrémité étant connectée/déconnectée qu'occasion- nellement. Cette solution, quoique moins performante que la solu- tion utilisant des connecteurs électriques à chaque extrémité, permet d'obtenir, par la taille moindre du connecteur optique 37 utilisé seul, un diamètre d'orifice de passage de câble très faible. La Fig.8 montre un exemple de réalisation du circuit d'émis- sion avec un circuit 40 de compensation en fréquence ou circuit d'avance de phase. Le transistor QI monté en collecteur commun assure l'adap- tation d'entrée (impédance d'entrée de 50 ohms, impédance de sortie faible). Les résistance RI et R3 ainsi que les diodes Dl et D2 assurent une polarisation de ces transistors invariable en tempé- rature. Le condensateur C1 assure la mise à la masse dynamique de l'une des extrémités de la résistance d'entrée R2 de 50 ohms. Le deuxième étage, constitué autour du transistor Q2, permet d'effectuer la transformation tension-courant du signal d'entrée. La variation du courant dans la diode 4 est donnée par la variation de tension du signal d'entrée Si divisée par l'impédance présentée par le circuit formé par la résistance R5 en parallèle avec le circuit de compensation 40. Ce dernier est constitué par la résistance R5, le condensateur C3, et l'impédance Z. Pour un courant de polarisation donné (R5 fixé), le choix de R6, C3, Z permet d'obtenir une avance de phase plus ou moins importante. Afin de faciliter les réglages, un élément ajustable est utilisé, telle une capacité variable C3a mon- tée en parallèle sur C3. La partie 2 est fonction de la longueur du câble; à titre indicatif, cette impédance Z est constituée d'une résistance et d'une capacité en parallèle pour un câble de 50 mètres, elle est nulle pour une longueur de 100 mètres et est inductive pour un câble de plus grande longueur 150, 200 mètres ou plus. La Fig.9 concerne un mode de réalisation de la partie récep- trice avec également un circuit 42 de compensation en fréquence en aval du circuit de réception 41 proprent dit qui est de type trans- impédance. Ce circuit récepteur 41 comporte un amplificateur à large bande et à gain élevé réalisé autour des transistors Qll et Q14 assurant l'adaptation d'impédance et QI2 et Q13 formant un mon- tage cascode à faible capacité d'entrée. La résistance RI1 produit une contre-réaction. La tension à la sortie du transistor Q14 est sensiblement égale au produit de cette résistance RI 1 par le courant circulant dans la diode photodétectrice 6. Le circuit suivant 42 constitue un amplificateur-égaliseur. Il assure la compensation en fréquence vers les fréquences hautes, ou avance de phase, et l'adaptation d'impédance (50 ohms). Il comporte les transistors Q15 et Q16. L'avance de phase est produite par les éléments R17, RiSg, R19, C12 et C13 et est du même type que celle réalisée au niveau du circuit d'émission. La Fig.10 montre une réalisation à l'échelle, environ x25x25mm, d'un module 50 d'extrémité du câble. Dans cet exem- pie il y a deux diodes d'extrémité 51 et 52 de préférence l'une d'émission et l'autre de réception pour réaliser une transmission bidirectionnelle le long du câble équipé de même à l'autre extré- mité. On distingue les connecteurs optiques miniatures 53 et 54 qui couplent les diodes aux fibres (ou à des conducteurs multifibres) FI et F2 respectivement. Les circuits électroniques d'émission et de réception associés aux diodes sont réunis sous forme miniaturisée sur une carte imprimée 55. Les autres éléments sont constitués par un montage serre-câble 56 et du côté opposé le connecteur élec- trique 57 de type multibroches. En outre, un couvercle non repré- senté est prévu pour fermer le boîtier du module après montage ou après accès aux éléments pour une opération de maintenance. Des joints d'étanchéité sont avantageusement prévus entre le couvercle et le boîtier et sur les montages d'extrémité 57 et 56. Les solutions décrites présentent les avantages essentiels rappelés ciaprès: - contrairement aux connecteurs optiques, très sensibles à l'usure mécanique, à la poussière et autres pollutions, les connec- teurs électriques sont pratiquement insensibles et la fonction de transfert du câble optique ne subit pas de modification à chaque connexion-déconnexion; - dans le cas des liaisons multivoies, il est difficile de réaliser des connecteurs optiques multivoies fiables alors que la réalisation de connecteurs électriques multivoies ne pose aucun problème; - la stabilité de la fonction de transfert de la fibre optique due à une ouverture numérique d'entrée constante (par le maintien de la distance diode-fibre) autorise des compensations, notamment dans le but d'élargir la bande passante, réalisées électriquement. L'exten- 1! sion de la bande passante est réalisée en accentuant les fréquences hautes plus fortement atténuées par la fibre optique. La compen- sation permet aussi de remédier au filtrage modal dû à un écart trop grand entre diode et fibre; - la standardisation de l'équipement par suite de la compen- sation de fréquence et les facilités d'exploitation et de maintenance du dispositif présentant une haute fiabilité et de hautes perfor- mances. Grâce à l'invention, on remplace un ensemble bien défini et stable par un autre ensemble défini et stable équivalent (on rappelle que le remplacement du câble optique dans les systèmes à connec- teurs optiques classiques entraîne une modification qui peut être importante de la fonction de transfert. REVENDICATIONS 1. Canal de transmission optique à connecteurs électriques, composé d'un câble optique(3) reliant un émetteur électro- optique (I) à un récepteur opto-électronique (2), l'émetteur et le récepteur comportant chacun un circuit électronique (5,7) associé à une diode transductrice d'extrémité (4,6), photoémettrice et photo- réceptrice respectivement, le câble étant terminé à chaque extré- mité par un module (21,22) de raccordement électrique, chacun d'eux contenant la diode d'extrémité correspondante avec un dispo- sitif de couplage optique (25,26) de cette diode à l'extrémité qui lui est associée du câble optique, et étant terminé par un connecteur électrique (23,24) pour relier électriquement la diode d'extrémité avec le circuit correspondant, et étant caractérisé en ce que chaque module contient, à la fois, une diode d'extrémité et le circuit correspondant, en sorte que les connexions extérieures à travers le connecteur électrique n'influent pas sur les caractéristiques de bande passante du canal et permettent un fonctionnement dans une très large bande de fréquence. 2. Canal de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits circuits électroniques (5,7) comportent chacun un circuit de compensation en fréquence (31,32) pour produire une avance de phase permettant d'accentuer les fréquences hautes. 3. Canal de transmission selon la revendication I ou 2, carac- térisé en ce que les dispositifs de couplage optiques internes sont constitués par des connecteurs optiques (8,9) miniatures. 4. Canal de transmission selon la revendication 3, caractérisé en ce que le connecteur optique interne est de type hybride (11,12) pour un raccordement diode-fibre, et de type conventionnel (17) pour un raccordement fibre-fibre dans le cas d'une diode d'extrémité du type "pigtail". 5. Canal de transmission selon la revendication I ou 2, carac- térisé en ce que les couplages optiques sont réalisés selon une technique d'épissure dans le cas de diodes du type "pigtail". 6. Canal de transmission selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que chaque module compor- te au moins deux diodes d'extrémité et leurs circuits associés pour constituer un canal multivoies, le câble (3) comportant n conduc- teurs optiques (Fl-Fn), monofibre ou multifibres, pour relier chacun un émetteur (Ej) à un récepteur (Rj). 7. Canal de transmission selon la revendication 6, caractérisé en ce que pour réaliser une liaison bidirectionnelle, le câble compor- te deux conducteurs optiques (F1,F2) et chaque module un émet- teur (51-55) et un récepteur (52-55). 8. Variante de réalisation d'un canal de transmission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une des extrémités du câble est équipée uniquement d'un connecteur optique (37) miniature pour des questions d'ordre dimensionnelles nécessitées par l'exploitation. 9. Canal de transmission selon la revendication 2 ou combinée à l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que le circuit d'avance de phase (40) du circuit d'émission (5) comporte un montage d'éléments passifs (R6,C3,C3a,Z) avec un élément ajustable (C3a) et une impédance (Z) déterminée, capacitive pour de faibles longueurs de câble et inductive pour de plus grandes longueurs, et que le circuit d'avance de phase (42) du circuit de réception (7) est constitué par un montage d'éléments passifs (R17,R18,R19, C12,C13). 10. Canal de transmission selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, utilisant une diode DEL ou laser à l'émission, PIN ou à avalanche à la réception, caractérisé en ce que les liaisons extérieures aux connecteurs électriques (23,24) d'extrémité compor- tent les alimentations continues et le signal numérique ou analo- gique (SI) à transmettre et celui détecté (S2).