Brevet FR2681203A1 — publié le 19930312

i La présente invention concerne la détection directe de signaux optiques modulés en phase, dans des systèmes de transmission. La modulation de fréquence et la modulation d'ampli- tude des lasers à semi-conducteur sont déjà connues dans les systèmes numériques de communications optiques, surtout lorsque le support de transmission est une fibre optique. Une autre forme de modulation d'un laser à semi-conducteur est la modulation différentielle de phase dans laquelle une modulation directe du courant de pilotage du laser est réalisée avec un signal de modulation codé différentiel- lement Tous les types précédents de modulation sont décrits dans l'article "Performance of Directly Modulated DFB Lasers in 10-Gb/s ASK, FSK et DPSK Lightwave Systems", de Richard S Vodhanel et al, Journal of Lightwave Technology, Vol 8, N O 9, septembre 1990, pages 1379 à 1386 Comme indiqué dans ce document, la modulation diffé- rentielle de phase est un format convenable des signaux optiques destinés à des systèmes à détection directe, par incorporation d'un modulateur optique dans le récepteur. Les systèmes connus de transmission optique à détection directe homodyne nécessitent soit un discrimina- teur optique verrouillé en phase dans le récepteur, soit un réglage de la fréquence absolue du laser de l'émetteur La présente invention a pour objet la réalisation d'un système de transmission optique à détection directe automatiquement homodyne qui n'impose pas ces conditions. L'invention concerne ainsi un système de transmis- sion optique par détection directe automatiquement homo- dyne, comprenant, au niveau de l'émetteur, un dispositif de conversion de signaux binaires de données en signaux optiques modulés en phase à double différentiation, tels que définis dans la suite, et, au niveau du récepteur, un interféromètre optique à deux trajets ayant un retard optique dû au déséquilibre des trajets pratiquement égal à la période d'un bit auquel les signaux modulés reçus sont appliqués, un dispositif de conversion du signal de sortie de l'interféromètre en plusieurs signaux de sortie équili- brés présentant une diversité de phases, un dispositif de restitution, à partir de chacun des signaux de sortie à diversité de phases, d'une réplique des signaux binaires de données, et un dispositif de combinaison des signaux des répliques pour la formation d'un signal binaire de données de sortie. La présente invention met en oeuvre un format de signaux appelés "modulés en phase doublement différen- tielle" Cette modulation en phase doublement différen- tielle désigne des dispositions de codage des signaux dans lesquels des données binaires sont initialement différen- tiées, par exemple par commande d'horloge avec une forme d'onde rectangulaire synchrone ayant un déphasage prédéter- miné par rapport aux données binaires, par exemple un déphasage de 90 avec elles, l'opération étant suivie d'une seconde différentiation, par exemple par commande par des signaux d'horloge du signal initialement différentié avec une seconde forme d'onde synchrone ayant un second dépha- sage prédéterminé par rapport à la première forme d'onde rectangulaire synchrone, par exemple un déphasage de 90 avec elle. On décrit maintenant des modes de réalisation de l'invention en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un ensemble émetteur optique destiné à la création de signaux modulés en phase à double différentiation; la figure 2 est un schéma d'un récepteur optique à détection directe automatiquement homodyne, destiné aux signaux modulés en phase à double différentiation; la figure 3 représente diverses formes d'onde associées à un système optique de détection directe automa- tiquement homodyne de signaux modulés en phase à double différentiation; la figure 4 est un schéma d'une variante de réalisa- tion de récepteur; la figure 4 (a) représente une variante d'une partie de la figure 4; et la figure 5 est un schéma d'une variante de récepteur. Dans la disposition de l'émetteur de la figure 1, un signal binaire classique de données de non retour à zéro (NRZ) (forme d'onde "a" sur la figure 3) est appliqué à un premier commutateur à bascule 10 qui bascule sous l'action d'un signal rectangulaire d'horloge ayant une fréquence de bit de données mais ayant un déphasage nominal de 900 par rapport au courant des bits de données NRZ Le signal de sortie du premier commutateur basculant 10 est une forme d'onde rectangulaire différentiée ("b" sur la figure 3) dans laquelle les données binaires d'une première valeur, par exemple " 1 ", sont représentées par un changement de l'un des deux niveaux logiques à l'autre alors que l'autre valeur binaire des données, c'est-à-dire " 0 ", est représen- tée par l'absence de changement du niveau logique existant. Ainsi, les " 1 " binaires sont représentés par un changement net au point médian d'une période de bit NRZ alors que les " O " sont représentés par un niveau logique constant pendant toute la période d'un bit Le signal de sortie du commuta- teur à bascule 10 est appliqué à un second commutateur à bascule analogue 12 qui est commandé de manière analogue par un second signal rectangulaire d'horloge à la fréquence des bits, mais en synchronisme avec le courant des bits NRZ, c'est-à-dire ayant un déphasage de 900 par rapport à la première forme d'onde des signaux d'horloge Le courant résultant de données ayant subi le double basculement ("c" sur la figure 3) du commutateur à bascule 12 est utilisé pour la commande de modulation du courant de pilotage du laser 14 Comme décrit précédemment, la modulation de phase du laser à semi-conducteur est réalisée par commande du laser avec un courant de pilotage sensiblement constant, si bien que le laser est maintenu constamment au-delà de son seuil d'effet laser, et ensuite par application de courtes impulsions de pilotage qui changent la fréquence optique instantanée pendant un temps court et provoquent ainsi un changement de la phase optique en radians Un signal bipolaire de pilotage ayant des impulsions d'une durée de ps change un court instant la fréquence optique instan- tanée du laser, et donne ainsi un changement de phase positif ou négatif, convenant aux transitions des données. La forme d'onde "d" de la figure 3 montre comment les variations de la phase optique du signal de sortie du laser forment les signaux optiques modulés Il faut noter qu'il n'existe aucune corrélation évidente à ce moment entre la modulation de la phase optique du laser et le courant original de bit de données NRZ Il faut aussi noter que la forme d'onde "d" représente une dérive vers le bas de la fréquence du laser, due à la dérive à l'intérieur du laser. Au niveau du récepteur représenté sur la figure 2, le signal optique reçu, modulé en phase à double différen- tiation, est reçu du trajet de transmission, par exemple une fibre optique, et est appliqué initialement à un interféromètre optique de Mach-Zehnder à diversité de phase et déséquilibré dans les trajets optiques, utilisés comme discriminateurs de phase optique L'interféromètre comporte essentiellement un coupleur 20 de fibres optiques à 2 x 2 entrées, ayant deux sorties qui sont formées par des liaisons 22 a, 22 b à fibres optiques rejoignant un second coupleur 24 de fibres optiques L'une des liaisons 22 b comporte un tronçon supplémentaire de fibre 26 qui crée un retard optique égal au retard d'un bit si bien que, au niveau du coupleur 24, le signal reçu sans retard transmis par la liaison 22 a présente des interférences avec sa version retardée d'un bit (forme d'onde "e"), et que le déphasage est transformé en un changement d'amplitude à chacune des sorties du second coupleur 24. Le second coupleur 24 de chacun des modes de réali- sation décrits dans le présent mémoire est un coupleur optique 3 x 3 destiné à donner une fonction de diversité de phase Le coupleur 3 x 3 recombine les deux trajets de l'interféromètre et forme trois signaux de sortie par ailleurs identiques, ayant des déphasages relatifs de 0, + 120 et -120 , entre les deux trajets Il s'agit d'une caractéristique d'un coupleur à 3 x 3 fibres optiques. D'autres éléments peuvent être utilisés afin qu'ils donnent des déphasages relatifs de O et 90 par exemple (ou d'autres valeurs) Les valeurs 00, + 1200 et -120 sont commodes car elles donnent toujours des sorties équili- brées En conséquence, si une dérive de la fréquence du laser de l'émetteur se produit (ou une dérive de la phase dans le déséquilibre des trajets de l'interféromètre de Mach-Zehnder), provoquant un affaiblissement de l'amplitude de la forme d'onde de sortie du discriminateur optique à l'une des trois parties de sortie, les amplitudes des autres parties augmentent et assurent la compensation (formes d'onde "f", "g" et "h" de la figure 3), si bien que l'amplitude totale de la somme reste constante pour un bit donné, après que les trois signaux de sortie ont été traités séparément pour la restitution du courant original de données Ces trois signaux de sortie du coupleur optique sont des versions affaiblies et/ou inversées de la forme d'onde "b", c'est-à-dire des données originales traitées par basculement La seconde opération de basculement permet la suppression de ces effets d'affaiblissement et/ou d'inversion dans le discriminateur optique par un dispo- sitif convenable de traitement postérieur à la détection. La fréquence absolue du laser n'est pas primordiale, car c'est le déphasage des bits adjacents qui transmet l'infor- mation Les contraintes relatives à la dérive de la fré- quence du laser et à la largeur de raie sont analogues à celles de la modulation de phase différentielle cohérente; le déphasage pendant une période de bit dû à ces phénomènes doit donc être faible. Dans la disposition représentée sur la figure 2, le courant des données émises est restitué de la manière suivante, après que les signaux de sortie du coupleur 24 ont été transformés, de signaux du domaine optique en signaux électriques, par application à des récepteurs opto- électriques respectifs Rxl, Rx 2 et RX 3 Les équivalents électriques des signaux de sortie du récepteur ayant les formes d'onde "f", "g" et "h" sont transmis chacun à une entrée d'un circuit multiplicateur respectif 281 28 et 1 ' 2 283, et, par l'intermédiaire de circuits à retard 301, 302 et 303 à la seconde entrée du circuit multiplicateur respectif Les retards sont nominalement d'une durée de 1 bit (ou moins) lorsqu'une forme de courant de données de non retour à zéro doit être reconstruite La version retardée du signal de sortie du récepteur RX 3 est repré- sentée par la forme d'onde "i" sur la figure 2 La forme d'onde résultante "j" est le signal de sortie du circuit multiplicateur 283 On peut noter que, bien que l'amplitude des données de la forme d'onde "j" s'affaiblisse encore, les données ont toujours la même polarité, c'est- à-dire des données d'entrée " 1 " (voir forme d'onde "a") qui corres- pondent toujours à une impulsion allant vers les valeurs négatives à la sortie du circuit multiplicateur Les formes d'onde analogues sont produites par les deux autres cir- cuits multiplicateurs Cependant, les données qui s'affai- blissent à partir de chaque circuit multiplicateur sont toujours déphasées de 1200 par rapport à l'affaiblissement des deux autres circuits multiplicateurs mais, comme les données des trois sorties ont la même polarité, une simple sommation des trois signaux reconstruit le courant de données avec une amplitude pratiquement constante, malgré l'inversion par rapport au signal original reçu. Dans la disposition de la variante de la figure, l'interféromètre ayant le coupleur 3 x 3 qui alimente trois récepteurs Rxi à Rx 3 est le même que sur la figure 2 Dans ce cas, chaque signal de sortie d'un récepteur est sous- trait d'une version nominale retardée d'un bit du même signal Aux fréquences élevées de données, la soustraction ou la formation de la différence des signaux électriques peut être préférable à la multiplication L'opération peut être réalisée par division du signal de sortie du récepteur dans deux trajets dont l'un comprend un inverseur 321 à 323 alors que l'autre comprend un circuit à retard 341 à 344 f les signaux étant ensuite ajoutés Dans une variante, l'inversion et le retard peuvent être réalisés dans le même trajet, le signal normal de sortie du récepteur étant ajouté à sa version retardée et inversée Dans une autre variante, le signal normal non retardé et la version retardée (mais non inversée) peuvent être appliqués aux deux entrées d'un amplificateur différentiel comme repré- senté sur la figure 4 a Ce traitement donne des données " O " comme centre ou niveau logique zéro alors que les données " 1 " sont des impulsions positives ou négatives dont l'am- plitude dépend du degré d'affaiblissement de la forme d'onde (forme d'onde "k" sur la figure 2) Enfin, le courant original de données est reconstruit par redres- sement de chaque signal (" 1 " sur la figure 2) et par sommation des trois formes d'onde redressées. Dans la disposition représentée sur la figure 5, les mêmes principes de retard et de soustraction sont utilisés que dans la disposition de la figure 4, mais l'opération de retard est alors exécutée dans le domaine optique et non dans le domaine électrique Ceci simplifie le circuit électronique, au détriment de l'utilisation de composants optiques supplémentaires Les trois signaux de sortie du discriminateur optique du coupleur 24 sont transmis chacun à un coupleur respectif 361 à 363 donnant un rapport nominal 50/50 Les deux sorties de chaque coupleur sont dirigées vers des récepteurs opto-électriques équilibrés respectifs 381 à 383 Dans ce cas, le retard nominal d'un bit est donné par une différence de longueur des trajets de sortie de chaque coupleur 50/50, d'une quantité correspon- dant au retard nominal d'une période d'un bit (ou moins le cas échéant) Les signaux de sortie des récepteurs sont alors redressés séparément (ou portés au carré) et ajoutés pour la reconstruction des données originales d'entrée Les formes d'onde "k" et " 1 " représentent encore la sortie de l'opération de soustraction et le signal redressé respectivement. REVENDICATIONS 1 Système de transmission optique par détection directe automatiquement homodyne, caractérisé en ce qu'il comprend, au niveau d'un émetteur, un dispositif ( 10, 12, 14) destiné à transformer des signaux binaires de données en signaux optiques modulés en phase à double différentia- tion, et, au niveau d'un récepteur, un interféromètre optique ( 20-26) à deux trajets, présentant un retard optique ( 26) de déséquilibre des trajets pratiquement égal à la période d'un bit à la fréquence à laquelle les signaux reçus sont appliqués, un dispositif ( 24) de transformation du signal de sortie de l'interféromètre en plusieurs signaux équilibrés de sortie à diversité de phase, un dispositif ( 28- 30) destiné à restituer, pour chaque signal de sortie à diversité de phase, une réplique des signaux binaires de données, et un dispositif destiné à combiner les signaux de réplique pour la formation d'un signal binaire de données de sortie. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de transformation du signal de sortie de l'interféromètre du récepteur en plusieurs signaux équilibrés de sortie à diversité de phase comporte un coupleur optique 3 x 3 ( 24) à deux entrées duquel sont appliqués des signaux de sortie des trajets déséquilibrés de l'interféromètre. 3 Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de restitution d'une réplique des signaux binaires de données à partir de chacun des signaux de sortie à diversité de phase comporte un dispositif séparé (Rxi à Rx 3) destiné à transformer chaque signal optique de sortie à diversité de phase en un signal électrique correspondant, et un dispositif séparé ( 281 à 283) destiné à multiplier chaque signal électrique par une version retardée de lui-même, les signaux de sortie de chaque dispositif multiplicateur étant appliqués au dispo- sitif de combinaison. 4 Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la version retardée de chaque signal électrique est retardée d'une période d'un bit au maximum. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de restitution d'une réplique des signaux binaires de données de chacune des sorties à diversité de phase comporte un dispositif séparé (Rxi à R X 3) de transformation de chaque signal optique de sortie à diversité de phase en un signal électrique corres- pondant, et un dispositif séparé destiné à soustraire chaque signal électrique d'une version de lui-même retardée nominalement-d'un bit, et un dispositif de redressement du signal de sortie de chaque dispositif de soustraction, les signaux de sortie des dispositifs de redressement étant appliqués au dispositif de combinaison. 6 Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de restitution d'une réplique des signaux binaires de données à partir de chacun des signaux de sortie à diversité de phase comporte un dispositif destiné à soustraire chaque signal optique de sortie à diversité de phase d'une version retardée de lui- même, un dispositif (Rxi à Rx 3) de transformation de chaque signal optique de sortie en un signal électrique correspon- dant, et un dispositif de redressement de chaque signal électrique, les signaux de sortie des dispositifs de redressement étant appliqués au dispositif de combinaison. 7 Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de soustraction comprend des coupleurs optiques 2 x 2 ( 361 à 363) à une entrée de chacun desquels est couplé un signal optique correspondant de sortie à diversité de phase, les deux signaux de sortie de chaque coupleur 2 x 2 étant appliqués à un dispositif photodétec- teur équilibré, une sortie de chaque coupleur 2 x 2 compre- nant un dispositif optique à retard présentant un retard nominal d'un bit, le signal de sortie équilibré du photodé- tecteur étant appliqué au dispositif correspondant de transformation. 8 Emetteur destiné à un système de transmission optique à détection directe automatiquement homodyne selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur comporte un dispositif ( 10, 12, 14) destiné à transformer des signaux binaires de données en signaux optiques modulés en phase à double différentiation. 9 Récepteur destiné à un système de transmission optique à détection directe automatiquement homodyne, caractérisé en ce que des signaux binaires de données sont transformés en signaux optiques modulés en phase à double différentiation, le récepteur comprenant un interféromètre optique ( 20-26) à deux trajets, présentant un retard optique de déséquilibre entre les trajets qui est pratique- ment égal à une période de bit et auquel sont appliqués les signaux reçus, un dispositif ( 24) de conversion du signal de sortie de l'interféromètre en plusieurs signaux de sortie équilibrés à diversité de phase, un dispositif ( 28-30) destiné à restituer, à partir de chacun des signaux de sortie à diversité de phase, une réplique des signaux binaires de données, et un dispositif de combinaison des signaux de réplique pour la formation d'un signal binaire de données de sortie.