Brevet FR2674080A1 — publié le 19920918

PHOTORECEPTEUR LINEAIRE La présente invention concerne un photorécepteur utilisé dans le domaine des transmissions optiques, et de façon plus générale, un dispositif de transformation d'un signal optique en un signal électrique, avec une bonne linéarité de transformation et une large bande passante. La linéarité se traduit par l'absence dans le signal électrique de termes d'intermodulation du 2ème ordre. La photorécepteur selon l'invention apporte une solution à la distribution par réseau câblé sur fibre optique de la télévision analogique par exemple, ou de tout autre signal que l'on sait transformer en un signal optique. Soit dans un photodétecteur, si la liaison est courte, soit dans des répéteurs et - dans un photodétecteur si la liaison est longue, il y a obligatoirement un point auquel il faut transformer le signal optique en un signal électrique. Si l'on sait bien détecter un signal optique, par exemple au moyen d'une photodiode, on sait mal amplifier correctement le signal électrique correspondant, dans une large bande passante et avec un grand gain, et de façon simple, parce qu'il se fait que les amplificateurs connus présentent une distorsion d'ordre pair plus importante que la distorsion d'ordre impair (particulièrement le distorsion d'ordre 2).La ou les harmoniques paires peuvent apporter, après amplification, une dégradation trop importante de la qualité du signal. La conception d'un photorécepteur optique est ainsi bien souvent un compromis entre les paramètres concernant la bande passante, la sensibilité, la linéarité, la dynamique de fonctionnement, tant pour les composants que pour le dispositif complet. Actuellement, le montage connu le plus simple et le plus efficace est celui dit à transimpédance, représenté en figure 1. Un signal optique h3, transporté par une fibre optique par exemple, est détecté par une photodiode 1, dont une borne est réunie à l'électrode de commande d'un transistor 2- par exemple la grille d'un transistor à effet de champ -. Ce transistor est alimenté entre deux sources de tension + E, à travers au moins une résistance 3, et sa sortie est appliquée à l'entrée d'un amplificateur 4, dont la sortie 5 est à son tour rebouclée sur l'électrode de commande du transistor 2 à travers une résistance de contre-réaction dite résistance de transimpédance. Dans ce montage, l'impédance de charge équivalente est égale au quotient de la valeur de l'impédance de contre-réaction 6 divisée par la valeur du gain en boucle ouverte du circuit.La valeur de la résistance effective de contre-réaction est limitée à quelques centaines d'ohms, et la linéarité se dégrade dès que le niveau de signal reçu devient important. Ainsi, ce type de photodétecteur ne peut pas satisfaire aux spécifications de la transmission sur fibre optique d'un signal de télévision analogique, c'est à dire - linéarité du photoétecteur : 70 dB par rapport à la porteuse - bande passante de la modulation de la porteuse : 40 MHZ à 1 Gllz - absence de non -linéarité d'ordre pair, qui donne une intermodulation d'ordre pair si on utilise un système à 2 porteuses. Le photodétecteur selon l'invention évite ces inconvénients et a des caractéristiques qui répondent aux exigences citées ici-dessus. Pour y parvenir, il fait la somme de deux signaux électriques prélevés sur une photodiode, puis amplifiés de manière identique mais de signes opposés et dont l'un des deux est déphasé de 1800. Ainsi s'annulent les caractéristiques de non linéarité des deux amplificateurs utilisés, et le signal électrique de sortie peut être fortement amplifié, et dans une large bande passante, sans être déformé par des distorsions harmoniques du 2e ordre. De façon plus précise, l'invention concerne un photorécepteur linéaire, capable de fournir en sortie un signal électrique exempt de distorsions du second ordre par rapport à un signal optique reçu en entrée par un photodétecteur, à deux bornes, ce photorécepteur étant caractérisé en ce qu'il comporte deux amplificateurs, de caractéristiques identiques, dont les entrées sont connectées, respectivement, sur les deux bornes du photodétecteur, et dont les sorties sont connectées sur un circuit à deux entrées, qui déphase les signaux d'entrées et en fait la somme, ce qui annule les distorsions d'ordre pair. L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée qui suit, en liaison avec les figures jointes en annexe, dont - la figure 1 représente le schéma électrique d'un photodétecteur selon l'art connu;: - la figure 2 représente le schéma électrique d'un photodétecteur selon l'invention, - les figures 3 et 4 représentent, respectivement un circuit de sortie passif et un circuit de sortie actif pour le photodétecteur de la figure précédente. Le schéma électrique du récepteur optique linéaire à large bande et à grand gain, selon l'invention comprend trois étages, facilement identifiables sur la figure 2. Le premier étage comprend un photodétecteur 1 dont la caractéristique est linéaire dans la gamme de puissance optique reçue, et dont la bande passante est compatible avec la bande des fréquences susceptibles d'être utilisées. Par exemple, pour l'utilisation citée de transmission de télévision analogique par fibre optique, le photodétecteur 1 pourra être une photodiode, ayant une linéarité d'au moins 70 dB dans une bande passante de modulation comprise entre 40 MHz et 1 GHz. Ce photodétecteur 1 est polarisé convenablement, à travers deux impédances identiques 7 et 8, entre deux sources de tensions + E et - E. Les impédances 7 et 8 sont connectées symétriquement, à l'anode A et à la cathode K du photodétecteur 1. Le second étage est composé de deux amplificateurs 9 et 10 apairés. De même type, ils sont choisis pour avoir des caractéristiques électriques similaires, une puissance de bruit équivalente en entrée, et une bande passante compatible avec l'application. Il est évident qu'on ne choisit pas les mêmes amplificateurs pour travailler à 40 MHz ou a 1 GHz. L'entrée d'un premier amplificateur 9 est connectée sur l'anode du photodétecteur 1, et l'entrée du second amplificateur 10 est connectée sur la cathode du même photodétecteur. Les sorties de ces deux amplificateurs 9 et 10 sont connectées sur les deux entrées d'un circuit de sortie 11, qui constitue le troisième étage du photorécepteur selon l'invention, et délivre un signal électrique en réponse au signal optique qui excite le photodétecteur 1. La fonction du circuit de sortie 11 est de déphaser de 180 l'un des deux signaux d'entrée, et de faire la somme du signal non déphasé et du signal déphasé. Le fonctionnement de ce photodétecteur est à la fois très simple et très efficace. Lorsque le photodétecteur 1 est éclairé par un faisceau optique -généralement modulé par une porteuse sinusoïdale - compatible avec la sensibilité en longueur d'onde du photodétecteur, il en résulte un photocourant dans le premier étage entre les deux pôles de tension. Etant donné que, par construction, le photodétecteur 1 présente une jonction puisque c'est une photodiode, et qu'en outre les valeurs des impédances 7 et 8 sont identiques, il en résulte que les tensions v a et v k mesurées à l'anode A et à la cathode K de la photodiode 1 sont égales mais opposées va = - vk Les formes d'ondes de v a et vk , à l'entrée des amplificateurs 9 et 10 sont représentées sur la figure 2. Les amplificateurs ne sont pas parfaits, par définition, et engendrent de la distorsion sur les signaux v as et vks à leurs sorties, de la forme : vas = G [A1 va + A2 va2 + ...+ An van] Vks = G [ B1 Vk + B2 Vk + .... + B n l G étant le gain, identique, pour les deux amplificateurs 9 et 10. Les signaux de sorties vas et vks sont amplifiés, mais entachés de distorsions harmoniques du second, troisième, . . . "n" ième ordre. Toutefois, puisque les amplificateurs ont été choisis et triés pour fonctionner en régime linéaire dans la gamme de dynamique optique, les coefficients A1, A2 ... An sont égaux respectivement aux coefficents B1, B2...B n Les signaux vas et vks sont adressés sur les deux entrées du circuit 11 du troisième étage. Ce circuit est un coupleur passif ou actif, à phase constante dans la bande utile, dont les deux entrées sont déphasées de 1800, et qui fait la somme des deux signaux v as et Vks sur ses entrées . Il en résulte que la somme des termes liés à la distorsion et à l'intermodulation d'ordre pair s'annule en raison du déphasage, et que la coupleur fournit un signal vs de la forme : v5 = G [ A1 Va + B1 vk + A3 va + Ba vk3... + An-1 van-1 + Bn-1vk n-1] soit v5 = G1 [2 A1 Va + 2 A3 Va + ... + 2 An-1van-1] G1 étant le gain du circuit de sortie, et le même pour les deux entrées. Le signal de sortie VS ne comporte plus, outre le signal fondamental 2 G1 A1 Va que des distorsions ou intermodulations d'ordre impair. Or, il a été dit plus haut que c'est l'intermodulation d'ordre 2 qui est la plus importante : elle est désormais supprimée et les intermodulations d'ordre 3,5 ou davantage sont négligeables. Le circuit de sortie il n'a jusqu a présent pas été détaillé. La figure 3 en donne un schéma de forme passive. C'est un combineur à inversion de phase, bien connu et disponible dans le commerce. Un premier signal d'entrée, v as par exemple est appliqué sur un premier bobinage 12, et un second signal d'entrée vks sur un second bobinage 13 identique au premier. Il y a sommation des deux signaux vars et vks parce que les deux bobinages 12 et 13 sont en opposition, leur point commun étant mis à la masse. Un troisième bobinage 14, couplé aux deux précédents, délivre le signal de sortie vs. La figure 4 représente une autre forme de combineur, active. C'est un transistor 15, bipolaire ou à effet de champ, selon la bande passante des signaux à transformer, et qui est alimenté à partir de deux sources de tension + E, à travers deux impédances 16 et 17. Un premier signal, v as par exemple est appliqué sur une électrode d'accès (émetteur ou source) et un second signal vks est appliqué sur l'électrode de commande (base ou grille). L'important est qu'entre ces deux signaux, il y ait une jonction, pour les mettre en opposition de phase. Le signal de sortie vs, prélevé sur la seconde électrode d'accès (collecteur ou drain), correspond à la somme des deux signaux vas et vks. L'avantage de ce système actif est qu'il rend plus aisé la commande du gain, ou l'équilibrage des voies, par exemple en jouant sur les tensions d'alimentation ou les impédances 16 et 17. Le photorécepteur selon l'invention est destiné aux communications optiques, mais plus particulièrement à celles requérant des spécifications poussées en gain et en bande passante, sans distorsions ou intermodulations du 2e ordre. REVENDICATIONS 1 - Photorécepteur linéaire, capable de fournir en sortie un signal électrique exempt de distorsions du second ordre par rapport à un signal optique reçu en entrée par un photodétecteur (l), à deux bornes (A,K) , ce photorécepteur étant caractérisé en ce qu'il comporte deux amplificateurs (9,10), de caractéristiques identiques, dont les entrées sont connectées, respectivement, sur les deux bornes (A, K) du photodétecteur (1), et dont les sorties sont connectées sur un circuit (11) à deux entrées, qui déphase les signaux d'entrées (vars, Vks) et en fait la somme (vs), ce qui annule les distorsions d'ordre pair. 2 - Photorécepteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le photodétecteur (l) est une photodiode, ayant une anode (A) réunie à une première source de tension (-E) à travers une première impédance (7), et ayant une cathode (K) réunie à une deuxième source de tension (+E) à travers une deuxième impédance (8), les deux impédances (7,8) étant identiques. 3 - Photorécepteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le photodétecteur (l) et les amplificateurs (9,10) sont choisis et triés pour que leurs caractéristiques soient linéaires dans la bande passante de l'utilisation. 4 - Photorécepteur selon la revendication 1, caractérisé ce que le circuit de sortie (11), de type passif, est un combineur à inversion de phase, qui comprend deux bobinages (12,13) identiques montés en série avec un point milieu mis à la masse, ce qui assure la sommation avec inversion de phase des deux signaux (vas, vks) issus des amplificateurs (9,10), le signal de sortie (vs) du photorécepteur étant délivré par un troisième bobinage (14) couplé aux deux précédents. 5 - Photorécepteur selon la revendication, caractérisé en ce que le circuit de sortie (11), de type actif, est un transistor (15) sur lequel les deux signaux (vas, vks) issus des amplificateurs (9,10) sont appliqués l'un sur une électrode de commande et l'autre sur une première électrode d'accès du transistor (15), le signal de sortie (vs) étant prélevé sur une deuxième électrode d'accés.