Brevet FR2685590A1 — publié le 19930625

DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un photo- récepteur non séLectif pour signaux optiques modulés en fréquence et une liaison optique utilisant un tel photorécepteur Elle trouve une application en télé- communications optiques. Etat de La technique Le document FR-A-2 652 465 décrit un photoré- cepteur consistant en un laser à semiconducteur alimen- té nettement au-dessus du seuil Un signal optique modulé en fréquence est injecté dans ce laser La ten- sion prélevée aux bornes de celui-ci reflète l'écart de fréquence entre la fréquence du signal optique et la fréquence propre du laser. Cette technique est également décrite dans l'article de Hisao NAKAJIMA intitulé "Demodulation of Multi-Gigahertz Frequency Modulated Optical Signals in an Injection-Locked Distributed Feedback Laser Oscil- lator", publié dans Electronics Letters 19th July 1990, vol 26, n 15. La figure 1 annexée illustre la structure et le fonctionnement de ce photorécepteur. On voit, sur cette figure, un laser 10, par exemple du type à réaction distribuée ("Distributed Feedback" ou DFB en abrégé) Un tel laser est constitué classiquement d'un empilement de couches semiconductri- ces, avec notamment une couche active encadrée par deux couches de confinement et un réseau distribué. Le semiconducteur peut appartenir à la famille des composés III-V de type binaire, ternaire ou quaternai- re, comme par exemple In Ga As P sur In P Le laser est alimenté par une source de courant 12 et est équipé d'un moyen 14 apte à mesurer la tension à ses bornes. Le courant I injecté est supérieur à deux fois le courant de seuil Is du laser Le laser est ainsi placé dans un régime de fonctionnement en oscil- lateur Il émet un rayonnement lumineux 16, 18 ayant une fréquence bien déterminée Fo ou, si l'on veut, une longueur d'onde bien déterminée Ao. Un faisceau lumineux 20, de fréquence F, (ou de longueur d'onde>) est injecté dans le laser Sa fréquence est censée être modu Lée A titre expli- catif est représenté, sur la gauche du dessin, un diagramme montrant que la fréquence peut prendre deux valeurs F 1 et F 2 (F 1 peut correspondre à un O logique et F 2 à un 1 logique, dans un système d'information binaire). La tension V, préLevée aux bornes du laser par le moyen 14, prend alors deux valeurs V 1 et V 2 représentées sur la partie droite et correspondant aux deux fréquences F 1 et F 2. Dans cet exemple, les fréquences F 1 et F 2 encadrent la fréquence propre Fo du laser, F 2 étant supérieure à Fo Dans cette hypothèse, la fréquence de fonctionnement du laser récepteur va glisser vers F 1 ou vers F 2 sous l'effet de l'injection du faisceau , ce qui va décaler la tension de fonctionnement vers le bas ou vers le haut. La figure 2 montre un exemple de liaison optique utilisant ce type de photorécepteur On y trouve un premier laser 10 alimenté par une source de courant 12, et un second laser 30 jouant le rôle d'émetteur. Ce second laser est alimenté par une source de courant 32 à travers un Té de polarisation 34 comprenant une inductance et un condensateur, celui-ci étant relié à un oscillateur haute fréquence 36 Le courant injecté dans le laser 30 est modulé faiblement en intensité afin d'éviter la modulation d'intensité lumineuse. Il en résulte que le faisceau lumineux émis 20 est modulé en fréquence autour d'une fréquence moyenne. Des moyens optiques sont en outre prévus pour injecter le faisceau modulé dans le laser 10 jouant le rôle de photorécepteur Ces moyens comprennent une première lentille L 1, un atténuateur A, un isolateur optique P, une lame demi-onde LD et une seconde lentille L 2 pouvant être un objectif de microscope. Quant aux moyens de mesure de la tension aux bornes du laser, ils comprennent, après un Té de polarisation 40 constitué d'une inductance et d'un condensateur, un amplificateur 42 et un analyseur de spectre 44 Cet analyseur donne l'intensité de la compo- sante de tension à la fréquence de modulation du généra- teur 36. Le montage comprend encore des moyens de stabilisation en température des lasers, représentés schématiquement par les rectangles en tirets 50 et 52. Dans cette technique antérieure, le laser récepteur 10 travaille en régime monofréquence Ceci implique une certaine sélectivité puisque la fréquence du faisceau modulé injecté doit être située dans une plage assez étroite encadrant la fréquence unique Fo du laser photorécepteur Cette sélectivité peut présen- ter des avantages dans certains cas (par exemple pour un multiplexage en fréquence), mais entraîne souvent des inconvénients en transmission normale, car elle nécessite que l'on accorde la fréquence du récepteur 10 à celle de l'émetteur 30 (ou l'inverse). Exposé de l'invention La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient A cette fin, elle pro- pose un photorécepteur beaucoup moins sélectif en fré- quence, ce qui simplifie grandement sa mise en oeuvre en supprimant le réglage de la plage de réception sur la fréquence d'émission (ou l'inverse). Pour obtenir ce résultat, le photorécepteur de l'invention utilise un laser fonctionnant en régime multimode longitudinal On sait que ce régime est obtenu en utilisant une cavité FABRY-PEROT constituée par deux faces réfléchissantes obtenues fréquemment par le clivage et en réglant la longueur de ce résonateur pour que l'intervalle entre modes longitudinaux, (intervalle égal à la quantité c/2 n L o c est la vitesse de la lumière, N l'indice du milieu et L la longueur de la cavité FABRY-PEROT, soit supérieur à la largeur de la raie d'émission Dès lors, le photorécepteur peut fonctionner autour de l'un quelconque des modes longitudinaux du laser, dans des plages de fréquence qui se chevauchent, ce qui conduit à une large bande globale o le fonctionnement est possible La sélecti- vité en fréquence a donc disparu Ainsi, un laser dont la cavité a 4 mm de long n'a plus de sélectivité en fréquence pour un signal d'excursion 9 G Hz. La présente invention a également pour objet une liaison optique, soit unidirectionnelle utilisant un photorécepteur tel qu'il vient d'être défini, soit bidirectionnelle et utilisant deux sous- ensembles comprenant les moyens du photorécepteur de l'invention, chacun pouvant fonctionner en émission ou en réception et ceci soit en alternance, soit en permanence. Brève description des dessins la figure 1 montre un photorécepteur sélec- tif de l'art antérieur, la figure 2 montre une liaison optique selon l'art antérieur, La figure 3 montre un montage expérimental pour l'étude du photorécepteur non séLectif de l'invention, la figure 4 montre le spectre de fonction- nement d'un laser multimode, la figure 5 montre les variations de tension aux bornes du laser en fonction de l'écart de fréquence du signal optique par rapport à La fréquence des divers modes du laser, la figure 6 illustre une liaison optique bidirectionnelle travaillant à l'alternat, la figure 7 illustre une liaison optique bidirectionnelle travaillant simultanément dans les deux sens, la figure 8 illustre un mode de réalisation d'un sous-ensemble, la figure 9 illustre un autre mode de réali- sation d'une Liaison bidirectionnelle, La figure 10 montre une liaison bidirec- tionnelle utilisant des lasers à deux élec- trodes. Exposé détaillé de modes de réalisation On voit, sur la figure 3, un laser à semicon- ducteur 60 de type FABRY-PEROT, c'est-à-dire constitué par deux faces réfléchissantes en regard 62 et 64. Sur la figure 3, ces deux faces sont supposées être les faces clivées de la structure semiconductrice mais cette disposition n'est en rien limitative de l'inven- tion Des miroirs indépendants peuvent fort bien être utilisés Ce laser 60 est alimenté par une source de courant 66, alimentant le laser très au-dessus du seuil (par exemple 2 à 3 fois le courant de seuil) La source 66 est reliée au laser 60 par un circuit en T 68 compre- nant une inductance et un condensateur Ce circuit est par ailleurs relié à un amplificateur 69 qui délivre une tension V. Ce premier sous-ensemble, portant la référen- ce générale 70, constitue le photorécepteur de l'inven- tion Ce photorécepteur reçoit un faisceau lumineux 72 provenant d'une source lumineuse modulée en fréquence et qui, dans l'exemple illustré, est constituée par un laser 74, par exemple de type à réaction distri- buée (DFB) Le faisceau lumineux traverse divers élé- ments optique comme un isolateur 76, un atténuateur 78 et une lentille 80. Le laser émetteur 74 est alimenté par une source 82 à travers un circuit 84 en T avec une induc- tance et un condensateur Une source de modulation 86 permet de moduler faiblement le courant d'alimen- tation donc de moduler la fréquence d'émission. Un dispositif de modulation par tout ou rien du faisceau (découpeur ou "chopper") 90 peut être prévu, avec une amplification synchrone au niveau de l'amplificateur 69. La figure 4 montre les divers modes longitu- dinaux sur lesquels oscille le laser 60 du photorécep- teur Ces modes peuvent être repérés par un indice n, n, de valeur O au centre de la raie d'émission, et de valeurs (+ 1,-1)/(+ 2,- 2)/(+ 3,-3)/etc de part et d'autre du centre de la raie La fréquence de ces modes est notée Fn L'écart de fréquence entre deux modes consécutifs est égal à c/2 n L et est inversement propor- tionnel à la longueur L du résonateur FABRY-PEROT. La figure 5 montre les variations de la ten- sion V prélevée aux bornes du laser 60 et amplifiée par l'amplificateur 69 En abscisses, on trouve l'écart de fréquence d F exprimé en G Hz entre la fréquence F du faisceau laser injecté dans le laser et la fréquence Fn de l'un des modes longitudinaux et, en ordonnées, la tension V exprimée en microvolts, délivrée par l'am- plificateur 69 On voit, sur la figure 5, la courbe propre au mode n=O et les courbes propres aux modes extrêmes n=+ 3 Ces courbes ont chacune la forme caracté- ristique d'un photorécepteur monomode tel que décrit dans les deux documents cités plus haut Mais, du fait du caractère multimode, on voit que le photorécepteur de la présente invention est capable de répondre à un signal optique modulé en fréquence lorsque la fré- quence de ce signal tombe dans une large plage commen- çant avant le mode n=-3 et finissant après le mode n= 3. Le photorécepteur qui vient d'être décrit peut être utilisé dans diverses liaisons optiques. Son caractère symétrique (il constitue non seulement un récepteur mais aussi un émetteur) et son absence de sélectivité le rendent particulièrement apte à constituer les deux sous-ensembles présents à chaque extrémité d'une liaison optique, chaque sous- ensemble pouvant travailler en émission et/ou en réception. La liaison représentée sur la figure 6 comprend ainsi un premier sous-ensemble SE 1 et un second sous-ensemble SE 2, tous deux identiques et reliés entre eux par une ou des fibres optiques Fo Les moyens qui constituent ces sous-ensembles sont référencés par des lettres affectées d'un indice I ou 2 selon qu'il s'agit du premier ou du second On trouve ainsi, dans le sous-ensemble SE 1, un laser L 1 à résonateur de FABRY-PEROT, une source de courant I 1, un Té de polarisation TP 1, un générateur de signal G 1, un ampli- ficateur A 1 et un commutateur SW 1 avec une borne E 5 permettant de relier le générateur G 1 au laser pour un fonctionnement en émission et une borne R reliant le laser à l'amplificateur A 1 pour un fonctionnement en réception. Le sous-ensemble SE 2 comprend les mêmes moyens Cependant, les commutateurs SW 1 et SW 2 sont commandés en opposition: si SW 1 est sur la position E, SW 2 est sur la position R et vice versa La liaison fonctionne donc tantôt dans un sens (SE 1 étant un sous- ensemble émetteur et SE 2 un sous-ensemble récepteur)15 tantôt dans l'autre (SE 2 émetteur, SE 1 récepteur) La liaison fonctionne donc à l'alternat. Dans la variante illustrée sur la figure 7, on retrouve les mêmes moyens avec, en outre, dans chaque sous-ensemble, des moyens de filtrage de type passe haut et passe bas De façon plus précise, dans le sous- ensemble SE 1, le générateur G 1 travaille sur une plage de fréquence haute et comprend un filtre F 1 de type passe bas disposé entre un circulateur C 1 et l'amplifi-25 cateur A 1 De manière similaire, le sous-ensemble SE 2 comprend un générateur G 2 travaillant dans une plage basse (correspondant à la bande du filtre passe bas F 1) et un filtre passe haut F 2 disposé entre un circula- teur C 2 et un amplificateur A 2.30 Dans la variante de réalisation illustrée sur la figure 8, chaque sous-ensemble (seul le sous- ensemble SE 1 représenté) comprend un atténuateur ATT 1 inséré entre le générateur G 1 et l'entrée inverseuse35 (-) de l'amplificateur A 1, qui est alors du type ampli- ficateur différentiel, l'entrée directe (+) recevant le signal filtré par Fl Dans cette variante de réali- sation, on réussit à minimiser les interférences entre les deux voies de transmission par soustraction des5 signaux en phase. Quel que soit le rapport entre la largeur de la bande haute et la largeur de la bande basse, la bande haute peut transmettre plus d'informations10 que la bande basse On peut remédier à cette dissymé- trie en utilisant, pour la bande haute, la technique du multiplexage de sous-porteuse (en anglais "subcar- rier multiplexing" ou SCM) Cela permet également l'uti- lisation d'un multiplexage en fréquence d'une porteuse,15 comme illustré sur la figure 9. Sur cette figure est illustré un mode de réalisation d'un liaison à 250 Mb/s Cette liaison comprend, en plus des moyens déjà représentés, deux oscillateurs OSC 1 et OSC 2 délivrant une porteuse20 à 500 M Hz et deux mélangeurs ML 1 et ML 2 Le signal émanant du générateur G 1 est mélangé à la porteuse à 500 M Hz dans le mélangeur ML 1 et le résultat est envoyé sur le laser L 1 pour modulation Le signal élec- trique prélevé aux bornes de L 1 est filtré dans F 125 et amplifié par A 1. Dans le sous-ensemble SE 2, le signal détecté par L 2 est d'abord filtré par F 2, puis amplifié par A 2 et la porteuse à 500 M Hz provenant de OSC 2 est soustraite dans ML 2 dans le signal ainsi filtré et30 amplifié En revanche, la modulation du laser L 2 s'ef- fectue directement par le signal émanant du générateur G 2. Dans la description qui précède, les lasers utilisés comprennent, implicitement, une seule élec- Dans la description qui précède, les lasers utilisés comprennent, implicitement, une seule élec- trode reliée au Té de polarisation Mais on ne sorti- rait pas du cadre de l'invention en utilisant des lasers multiélectrodes, qui sont, en eux-mêmes, des moyens connus La figure 10 montre, par exemple, une liaison utilisant des lasers à deux électrodes, respectivement (EL 1, EL'1) pour le laser L 1 et (EL 2, EL'2) pour le laser L 2 Ces électrodes sont reliées à deux Tés de polarisation, (TP 1, TP'1) pour le laser L 1 et (TP 2, TP'2) pour le laser L 2, ces Tés étant eux-mêmes reliés à deux sources de courant (I 1, I'1) et (I 2, I'2). 1 1 REVENDICATIONS 1 Photorécepteur pour signaux optiques modu- lés en fréquence, comprenant un laser à semiconduc- teur ( 10, 60, L 1, L 2) avec une couche active, un cou- rant de seuil, une source de courant de polarisation ( 12, 66, I 1, I 2) alimentant le laser en courant à une valeur très supérieure au seuil, le laser ( 10, 60, L 1, L 2) fonctionnant alors en oscillateur, des moyens optiques (L 1, A, P, LD, L 2, 76, 78, 86) pour injecter un faisceau lumineux ( 20, 72) ayant une fréquence F modulée dans la couche active du laser ( 10, 60, L 1, L 2), un moyen ( 14, 42, 61, A 1, A 2) pour prélever la tension électrique présente aux bornes du laser, ce photorécepteur étant caractérisé par le fait que le laser ( 60, L 1, L 2) comprend un résonateur de type FABRY-PEROT ( 62, 64) et oscille sur plusieurs modes longitudinaux (Mn) de fréquences différentes (Fn). 2 Liaison optique monodirectionnelle consti- tuée par: un émetteur (SE 1, SEZ) comprenant un laser à semiconducteur (L 1, L 2), des moyens (I 1, I 2) d'alimentation en courant de ce laser (L 1, L 2) et des moyens (G 1, G 2) pour moduler en fréquence le faisceau lumineux émis par le laser (L 1, L 2), et un photorécepteur (SE 2, SE 1) apte à rece- voir le faisceau lumineux émis et à déli- vrer une tension électrique (V) traduisant la modulation de fréquence du faisceau émis par l'émetteur et reçu par le photoré- cepteur, cette liaison étant caractérisée par le fait que le photorécepteur (SE 2, S E 11) est conforme au photorécep- teur de la revendication 1. 3 Laison optique bidirectionnelle constituée par un premier et un second sous-ensembles (SE 1, SE 2) identiques à laser à semiconducteur (L 1, L 2), le pre- mier et le second sous-ensembles étant capables de travailler aussi bien en photoémetteur qu'en photoré- cepteur, caractérisée par le fait que le premier et second sous-ensembles (SE 1, SE 2) sont constitués par les moyens du photorécepteur de la revendication 1, avec, en outre, respectivement des premiers et seconds moyens de modulation en fréquence (G 1, G 2) pour tra- vailler en émission. 4 Liaison optique bidirectionnelle selon la revendication 3, caractérisée par le fait qu'elle comprend, dans chaque sous- ensemble (SE 1, SE 2), un commutateur (SW 1, SW 2) permettant de relier le laser à semiconducteur (L 1, L 2) soit à un générateur de signal à transmettre (G 1, G 2) pour un fonctionnement en émis- sion de ce laser, soit à un amplificateur (A 1, A 2) pour un fonctionnement en réception de ce laser, ces deux commutateurs (SW 1, SW 2) étant commandés en synchro- nisme et en opposition, la liaison fonctionnant ainsi à l'alternat, tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre. 5 Liaison optique bidirectionnelle selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les premiers et seconds moyens de modulation (G 1, G 2) des premier et second sous-ensembles (SE 1, SE 2) travaillent respectivement dans une bande de fréquence haute et dans une bande de fréquence basse, le premier sous- ensemble (SE 1) comprenant en outre un filtre passe bas (F 1) inséré dans les moyens de prélèvement de la tension aux bornes du premier laser (L 1) et le second sous-ensemble (SE 2) comprenant en outre un filtre passe haut (F 2) inséré dans les moyens de prélèvement de La tension aux bornes du second Laser (L 2), La Liaison fonctionnant ainsi simultanément dans Les deux sens. 6 Liaison optique selon L'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée par Le fait que Le Laser (L 1, L 2) de chaque sous-ensemb Le (SE 1, SE 2) est à mu LtiéLectrode.