Brevet FR2695215A1 — publié le 19940304

TETE OPTIQUE D'EMISSION-RECEPTION POUR TRANSMISSION DE DONNEES PAR SYSTEME OPTIQUE,ET CIRCUIT DE COMMUTATION POUR CETTE TETE. La présente invention concerne une tête optique d'émission- réception utilisée pour les transmissions de données ou les télécommunications par fibres ou systèmes optiques. Cette tête optique, étudiée pour fonctionner avec une seule fibre optique assurant la transmission des signaux dans les deux sens (full duplex), n'utilise qu'un seul composant optoélectronique, qui est un laser semiconducteur assisté par un circuit de commutation qui appartient à l'invention. On sait que les fibres optiques constituent un moyen très puissant et très rapide pour les échanges de données, en particulier parce que la vitesse de la lumière est plus élevée que la vitesse des électrons Mais la technologie en optoélectronique n'est pas aussi expérimentée qu'en électronique, notamment dans le domaine de la commutation d'un faisceau lumineux. C'est ainsi que, pour transmettre des données, le schéma le plus simple, symbolisé en figure 1, consiste à exploiter deux fibres optiques, munies chacune, à leurs deux extrémités, d'un semiconducteur E émetteur de lumière et d'un semiconducteur R récepteur de lumière, les deux circuits d'émission et de réception fonctionnant dans deux sens opposés. On peut également n'utiliser qu'une seule fibre optique, comme cela est symbolisé sur la figure 2, mais il faut dans ce cas interposer entre la fibre optique et chacun de ses circuits d'embouts un démultiplexeur ou commutateur C: la plupart de ceux qui sont réellement utilisés sont basés sur des réflexions et sont plus proches de la construction mécanique que de la construction électronique. Quel que soit le cas, parce qu'on ne sait pas bien commuter les faisceaux lumineux, on utilise deux types de composants différents pour l'émission et la réception, par terminal de la fibre optique, soit 4 puces de semiconducteurs. Les circuits de commande de ces composants semiconducteurs sont assez simples et représentés en figures 3 à 5. En émission, l'étage terminal de l'amplificateur d'émission figure 3 est constitué d'habitude par une paire différentielle de transistors, pilotée par une source de courant Imax et une source de courant I n' qui sont connectées à une diode laser Les données D et D, s'il s'agit de transmission numérique, sont appliquées sur les bases des transistors et commandent I ax qui traverse le laser, polarisé en direct. Le montage de la figure 4 est équivalent à celui de la figure 3: au lieu de contrôler directement I et I qui max min traversent le laser, on contrôle I dans la paire différentielle connectée au laser et on y additionne le courant d'excursion AI/2 commandé par les données D et D appliquées sur une autre paire différentielle. En réception, le photorécepteur, alimenté en inverse, est suivi par un amplificateur dont le montage connu le plus simple et le plus efficace est celui nommé transimpédance qui est représenté en figure 5 Le photorécepteur est de type diode photosensible. L'invention apporte une grande simplification à la réalisation des liaisons de transmissions de données optiques, dans les systèmes numériques ou analogiques, en proposant une tête optique d'émission-réception ne mettant en oeuvre qu'un seul composant optoélectronique, une diode laser présentant de bonnes caractéristiques en émission ( 10 Gllz) et en réception ( 3 G Hz). L'usage d'une diode laser comme photorécepteur est rendu possible par le circuit de commutation, objet de l'invention, qui permet d'isoler électriquement soit le circuit d'excitation pour l'émission, soit le circuit de détection, tout en conservant dans chaque cas un composant commun, qui est le laser polarisé en direct pour l'émission et en inverse pour la détection. De façon plus précise, l'invention concerne une tête optique pour l'émission-réception, comportant un circuit optoélectronique aligné avec un système optique, cette tête optique étant caractérisée en ce qu'elle comporte un seul composant optoélectronique, qui est un laser semiconducteur, assisté par un circuit de commutation, qui assure une polarisation en inverse du laser pour la réception. L'invention sera mieux comprise par la description qui suit d'un exemple d'application, faite en liaison avec les figures jointes en annexe qui représentent: figures 1 et 2: Schémas généraux de liaisons optiques à 2 et à 1 fibre optique, figures 3 et 4: Schémas électriques de polarisation d'un laser à l'émission, selon l'art connu, figure 5: Schéma électrique de polarisation d'une photodiode en réception, selon l'art connu, figures 6 et 7: Schémas du circuit de commutation selon l'invention, dans ses deux états. La tête optique selon l'invention n'ayant qu'un seul composant optoélectronique émetteur-récepteur, elle n'exige donc qu'une seule fibre optique pour la transmission des données, sans démultiplexeur comme dans l'art connu de la figure 2 Les figures 6 et 7 représentent le schéma électrique du circuit de commutation selon l'invention, dédoublé pour mieux en comprendre le fonctionnement en émission (figure 6) et en réception (figure 7) Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que l'exemple chosi pour illustrer l'invention peut être adapté à d'autres types de composants semiconducteurs (NPN, PNP, FE Ts), ou à d'autres polarisations, et la fibre optique remplacée par un système optique atmosphérique, avec ou sans lentilles sans pour autant sortir du domaine de l'invention. Ce circuit comporte essentiellement: 4 diodes montées en série entre une première et une deuxième source de tension, par exemple, la masse et une source d'alimentation négative -V, dans le sens passant La seconde parmi ces 4 diodes est la diode laser DL un amplificateur d'émission AE dont la sortie est réunie à la cathode de la dernière diode D 3 un amplificateur de réception AR dont l'entrée est réunie à la cathode de la première diode Dl, deux commandes C, alimentées à partir d'une troisième source de tension, constituées par deux transistors QI et Q 2 dont les émetteurs sont réunis à l'anode de la deuxième diode D 2 pour Ql et à la cathode de la même D 2 pour Q 2 Les bases des transistors sont alimentées à travers des ponts diviseurs. Pour les diodes Dl,D 2,D 3, les diodes rapides de type Schottky confèrent deux avantages: leur constante de temps est faible, et le temps de commutation peut être inférieur à 250 ns, et de plus la chute de tension à leurs bornes est faible, ce qui modifie peu les circuits par rapport à une utilisation sans ce circuit de commutation classique, sans diodes Schottky. Pour les deux entrées de commande C, les transistors QI et Q 2 sont préférablement de type bipolaire NPN: leur faible capacité base collecteur et une fréquence de transition importante pour quelques milliampères permettent d'obtenir une bande passante d'environ 1 G Hz. Le schéma des figures 6 et 7 montre que les amplificateurs d'émission et de réception ont des entrées (AE) et des sorties (AR) adaptées aux données numériques Leur équivalent adapté aux données analogiques, avec une seule entrée et une seule sortie, permettrait tout aussi bien d'exposer l'invention. La figure 6 explique le fonctionnement en émission de la tête optique et du circuit de commutation Les commandes C sont par exemple au zéro logique, c'est à dire que les transistors Ql et Q 2 sont bloqués, et n'interviennent pas dans le circuit de commutation Si les transistors Q 1 et Q 2 sont des transistors à effet de champ normalement passant, les commandees C sont au contraire à " 1 logique" Les diodes Dl à 3 et le laser DL sont polarisés en direct L'amplificateur de réception AR a son entrée bloquée à environ -0,7 V, qui correspond à la chute de tension dans Dl, et l'amplificateur AR est lui-même bloqué La diode laser DL, en mode émission, est polarisée en direct entre -0,7 V (à la cathode de Dl) et -3,1 V environ en sortie de l'amplificateur AE, et convertit en puissance optique émise vers la fibre optique FO les données en courant il envoyées par l'amplificateur d'émission. On observera qu'en émission l'amplificateur d'émission AE fonctionne tandis que l'amplificateur de réception AR est bloqué, par la polarisation de -0,7 V appliquée sur son entrée par Dl, dont la seule présence sert à commuter l'amplificateur de réception AR. Le fonctionnement en réception de la tête optique et du circuit de commutation est expliqué en figure 7, comparable à la figure 6 mais pour laquelle les courants sont différents. Un signal optique, transporté par la fibre optique FO, est détecté par la diode laser DL si celle-ci est en mode réception, c' est à dire polarisée en inverse Pour obtenir cette polarisation inverse, les commandes C sont polarisées à 1 logique et les transistors Qi et Q 2 sont conducteurs Un courant i 2 traverse la diode laser DL en inverse, en allant de l'alimentation positive du transistor QI à la masse de l'amplificateur du réception AR, qui transmet donc sur ses sorties les informations parvenues par la fibre optique FO. Le courant i est contenu sur son parcours par la diode Dl qui est bloquée et par la diode D 2 également bloquée En effet, si on appelle A et B les deux points d'anode et cathode de la diode D 2, points auxquels sont réunis les émetteurs des transistors Qi et Q 2, D 2 est bloquée parce qu'on a choisi, au moyen de ponts diviseurs montés sur les bases des transistors Qi et Q 2, d'avoir une tension en B supérieure à la tension en A: D 2 est polarisée en inverse. Le choix des résistances des ponts diviseurs est guidé par la valeur de la tension en A, imposée pour diminuer la capacité équivalente du laser polarisé en inverse. Durant les périodes de réception, l'amplificateur d'émission AE fonctionne: il est alimenté par un courant i 3 qui vient de l'alimentation positive du transistor Q 2, traverse D 3 et va à l'alimentation négative de l'amplificateur AE Ce courant i 3 est isolé du courant i 2 par la diode D 2, bloquée. Ainsi, en mode de réception, les deux amplificateurs sont en état de fonctionnement, mais les informations qui pourraient transiter par l'amplificateur AE sont bloquées par D 2. Néanmoins, puisque AE fonctionne constamment, la tête optique passe plus vite d'un état d'émission à un état de réception, et réciproquement. Le circuit de commutation a été exposé en utilisant des diodes Dl à D 3 pour isoler différentes parties du circuit selon son utilisation pour l'émission ou la réception Plusieurs variantes sont possibles qui appartiennent au domaine de l'invention, par exemple: les trois diodes Dl à D 3 peuvent être remplacées, par des transistors bipolaires montés en diodes, ce qui permet d'avoir une technologie homogène pour intégrer les amplificateurs et les transistors Ql, Q 2 et Dl à D 3 la diode Dl peut être remplacée par un transistor à effet de champ Cela nécessite évidemment une tension de grille VG qui n'était pas nécessaire avec une diode, mais cela permet de moduler sa résistance équivalente par rapport à la résistance d'entrée de l'amplificateur à transimpédance de réception les transistors de commandes Ql et Q 2 peuvent être remplacés par des portes logiques de type ET ou OU. Bien entendu, la tête optique selon l'invention peut également émettre ou recevoir des données en électronique analogique: il suffit d'adapter les amplificateurs d'entrée et de sortie en offset, en gain etc Ils n'ont plus besoin de deux entrées Di et Di et de deux sorties D et D: il leur suffit d'une voie référencée par o o rapport à une masse. La tête optique selon l'invention est appliquée, de façon générale, dans le domaine des transmissions de données optiques, soit pour les télécommunications, soit pour l'instrumentation. REVENDICATIONS 1 Tête optique pour l'émission-réception, comportant un circuit optoélectronique aligné avec un système optique, cette tête optique étant caractérisée en ce qu'elle comporte un seul composant optoélectronique, qui est un laser semiconducteur (DL), assisté par un circuit de commutation (Ql,Q 2,Dl-3), qui assure une polarisation en direct du laser pour l'émission, et une polarisation en inverse du laser pour la réception. 2 Circuit de commutation, pour l'assistance d'un laser semiconducteur (DL) fonctionnant en émission et en réception, caractérisé en ce qu'il comporte: une première diode (Dl), le laser (DL), une deuxième (D 2) et une troisième (D 3) diodes montées en série, dans le sens passant entre une première et une deuxième sources de tension. un amplificateur d'émission (AE) dont la sortie est connectée à la cathode de la troisième diode (D 3) un amplificateur de réception (AR) dont l'entrée est connectée à la cathode de la première diode (Dl) deux moyens de commande (Ql,Q 2), connectés le premier (Ql) à l'anode (A) de la deuxième diode (D 2) et le second (Q 2) à la cathode (B) de la même deuxième diode (D 2), ces deux moyens de commande (Ql, Q 2) étant alimentés par une troisième source de tension. 3 Circuit de commutation selon la revendication 2, caractérisé en ce que, en mode émission lumineuse, les moyens de commande (Ql,Q 2) sont bloqués et le laser (DL) est polarisé en direct, un premier courant (il) traversant les diodes (Dl à 3 + DL) depuis la première vers la deuxième source de tension, à l'amplificateur d'émission (AE). 4 Circuit de commutation selon la revendication 2, caractérisé en ce que, en mode réception lumineuse, les moyens de commande (Ql,Q 2) sont rendus conducteurs, de telle façon que la tension sur la cathode de la deuxième diode (D 2) est supérieure à la tension sur l'anode de la même diode (D 2) qui est ainsi bloquée, et le laser (DL) est polarisé en inverse, un second courant (i 2) traversant le premier moyen de commande (QI), la diode laser (DL) et l'amplificateur de réception (AR), ce dit courant (i 2) étant isolé du reste du circuit par la première (Dl) et la deuxième (D 2) diodes, bloquées. Circuit de commutation selon la revendication 4, caractérisé en ce que, en mode réception, l'amplificateur d'émission (AE) fonctionne mais est isolé du laser (DL) par la deuxième diode (D 2) bloquée. 6 Circuit de commutation selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de commandes (Ql,Q 2) sont des transistors bipolaires. 7 Circuit de commutation selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de commandes (Ql,Q 2) sont des portes logiques. 8 Circuit de commutation selon la revendication 2, caractérisé en ce que les diodes (Dl à 3) sont des transistors montés en diodes, de types bipolaires ou à effet de champ.