Brevet FR2708389A1 — publié le 19950203

Dispositif d'asservissement de la tension de polarisation d'une source optique. L'invention concerne la régulation du fonctionnement d'une source optique dont la puissance d'émission est modulée par une tension de commande qui est la somme d'une tension continue dite de polarisation et d'une tension dite de modulation, pouvant prendre au moins deux valeurs discrètes et représentant une suite de valeurs numériques ayant un rythme fixé. L'invention concerne plus10 particulièrement les sources dont la caractéristique (puissance d'émission en fonction de la tension de commande) est utilisée dans une zone o elle présente un centre de symétrie pour une valeur dite optimale de la tension de polarisation, et qui correspond à une tension de commande15 variant dans une plage de valeurs centrée sur cette valeur optimale. Deux types de source peuvent avoir une telle caractéristique: - des sources à modulation interne, tel qu'un laser à semi-conducteur, dont la puissance d'émission est modulée en faisant varier le courant électrique injecté dans ce laser; - ou des sources à modulation externe, telle qu'un laser, à émission continue, associé à un modulateur d'amplitude, commandable électriquement. Le modulateur peut25 être par exemple du type interféromètre Mach-Zehnder, ou du type à électroabsorption. La figure 1 représente le schéma synoptique d'une source optique à modulation externe. Elle comprend: un laser à semi-conducteur, 1; un modulateur 2, du type Mach-30 Zehnder; et un additionneur analogique 3. Le laser 1 émet un faisceau lumineux de puissance constante P0, qui est appliqué à une entrée du modulateur 2. Le modulateur 2 reçoit sur une entrée de commande électrique une tension Vc fournie par la sortie de l'additionneur 3. Une sortie35 optique du modulateur 2 fournit un faisceau lumineux modulé en amplitude, ayant une puissance variable P. L'additionneur 3 fait la somme d'une tension continue de polarisation Vb et d'une tension de modulation Vm représentant une suite de données binaires. La figure 2 représente la caractéristique de cette source, c'est-à-dire le graphe de la puissance de sortie P en fonction de la tension de commande Vc. Le graphe P(Vc) d'un modulateur de type Mach-Zehnder parfait est une sinusoïde de période 2Vp, o la valeur de la demi-période Vp est inhérente à la structure du modulateur. Pour réaliser la10 modulation, le graphe est exploité sur une portion de sinusoïde ayant une pente de signe constant, par exemple la région AB, en plaçant le point de fonctionnement sur un point d'inflexion C de la sinusoïde. Cette caractéristique est susceptible de dériver, notamment sous l'influence de la15 température, en se déplaçant parallèlement à l'axe des abscisses. Par conséquent, la portion de sinusoïde ACB se déplace par rapport à la tension de polarisation, considérée comme fixe. Pour une transmission de signal numérique, comportant par exemple deux ou trois niveaux discrets, la linéarité de modulation n'est pas absolument nécessaire. Il est donc possible d'exploiter toute la région AB, de façon à avoir un taux de modulation maximal. La puissance de sortie P varie alors entre 0 et P'0 qui est la puissance maximale fournie25 par le modulateur lorsqu'on lui applique la puissance P0 en entrée. Un procédé pour obtenir une telle modulation consiste à appliquer à l'entrée de commande du modulateur une tension de commande Vc centrée sur une valeur V0, correspondant au point d'inflexion C qui est le centre de symétrie de la région AB, et ayant une amplitude + Vp Il faut alors 2 appliquer à une entrée de l'additionneurs 3 une tension de polarisation Vb=Vo, et sur l'autre entrée une tension de modulation Vm centrée sur une tension nulle, et d'amplitude Vp Dans l'exemple représenté sur la figure 2, la tension V0, qui est la tension de polarisation optimale, a une certaine valeur positive. En pratique, la tension V0 n'est pas constante. Elle dérive, notamment en fonction de la température du modulateur 2. L'ensemble de la caractéristique P(Vc) se déplace parallèlement à l'axe des abscisses Vc. Si la tension de polarisation Vb est fixée,10 elle ne peut pas coïncider avec la tension V0 optimale lorsque celle-ci dérive. La conséquence est une déformation du signal optique émis, soit du côté du point A, soit du point B, sur le graphe P(Vc). La figure 3 illustre ce phénomène de déformation en représentant, par des traits continus, la puissance de sortie P(t) en fonction du temps t, pour un signal binaire prenant les valeurs 101, lorsque la dérive de la caractéristique provoque un déplacement du point de fonctionnement vers le point A de la caractéristique. Le20 signal de sortie a alors un niveau bas de puissance, Pi, qui n'est pas nul>et un niveau haut de puissance qui passe deux fois par la valeur P'0 mais qui comporte un minimum relatif entre ces deux maximums. Il y a une déformation du signal transmis, puisque le niveau haut n'a plus une puissance constante. En outre, la variation de puissance P'0-P1 est plus faible que dans le cas o le point de fonctionnement serait resté parfaitement en coïncidence avec le centre de symétrie C de la caractéristique. La figure 3 représente en pointillés la30 forme du signal de sortie dans ce dernier cas. Cette dérive de la caractéristique provoque une certaine fermeture du diagramme de l'oeil, et donc une augmentation du taux d'erreurs de transmission. C'est pourquoi il est nécessaire d'asservir la tension de polarisation Vb sur les variations de la tension V0 correspondant au centre de symétrie. On connaît deux méthodes d'asservissement de la tension de polarisation Vb sur la valeur optimale V0. Une première méthode d'asservissement est décrite dans l'article "Novel automatic bias voltage control for travelling-wave electrode optical modulators", Electronics Letters, vol.27, 23 mai 1991 de Kataoka et al. Selon cette méthode, un second flux lumineux traverse le modulateur dans10 le sens opposé à celui du flux lumineux modulé par les données à transmettre. Ce second flux est également modulé et l'observation de sa modulation permet d'asservir la tension de polarisation. Le principal inconvénient de cette méthode est l'emploi d'une source optique supplémentaire et de deux coupleurs à maintien de polarisation, dont la connexion au modulateur est délicate à réaliser. Il s'ensuit des problèmes de fiabilité du dispositif. De plus, un tel dispositif pose des problèmes d'encombrement et de perte,20 dus à l'insertion des deux coupleurs optiques; et son coût est important. Une deuxième méthode d'asservissement est décrite dans l'article "Automatic bias control circuit for Mach-Zehnder modulator", IEICE, Spring National Convention Record, B-976,25 1990 de Kuwata et al. Un émetteur laser émet un flux lumineux de puissance constante appliqué à un modulateur Mach-Zehnder. Un signal représentant des données binaires à haute fréquence est appliqué à un modulateur haute-fréquence recevant par ailleurs un signal sinusoïdal de basse30 fréquence et de faible amplitude. Le signal haute-fréquence modulé par le signal basse- fréquence est appliqué au modulateur Mach-Zehnder. Une fraction du signal optique de sortie du modulateur est prélevée par un coupleur optique, puis est appliqué à une diode de détection, suivie d'un35 comparateur de phase. Le comparateur de phase compare la phase du signal détecté avec celle du signal à basse- fréquence. Un filtre passe-bas filtre le signal fourni par le comparateur de phase. Le signal filtré représente la différence de tension existant entre la tension de polarisation appliquée au modulateur Mach-Zehnder, et la 5 tension pour laquelle la modulation est optimale, c'est-à- dire la tension continue V0. Cette différence de tension permet de modifier la tension de polarisation. Ainsi, selon cette deuxième méthode, l'amplitude crête à crête du signal de modulation est modulée autour de sa valeur moyenne par un signal sinusoïdal de faible amplitude et de fréquence basse. Cette modulation du signal de modulation induit une modulation sinusoïdale de la puissance optique moyenne, à basse fréquence. Le déphasage de cette modulation sinusoïdale par rapport au signal sinusoïdal15 appliqué au modulateur à haute fréquence a le même signe que Vb-V0. L'extraction de ce déphasage permet de réaliser l'asservissement de Vb sur V0. Cependant, la mise en oeuvre de cette méthode implique l'utilisation d'un modulateur Mach-Zehnder dont le gain est modulé par le signal basse-fréquence. Cette modulation basse-fréquence se comporte comme un bruit vis-à-vis du signal transmis, et dégrade donc le rapport signal sur bruit. Par ailleurs, la réalisation d'un modulateur électronique à haute fréquence, pour moduler l'amplitude du signal haute fréquence par un signal basse-fréquence, est très délicate lorsque le rythme des valeurs numériques transmises est très élevé. Le but de l'invention est de proposer un dispositif d'asservissement qui n'ait pas les inconvénients des dispositifs connus. L'objet de l'invention est un dispositif d'asservissement de la tension de polarisation d'une source optique dont la puissance d'émission est modulée par une tension de commande qui est la somme d'une tension continue35 dite de polarisation et d'une tension dite de modulation, centrée sur une tension nulle; cette tension de modulation pouvant prendre au moins deux valeurs discrètes pour représenter une suite de valeurs numériques ayant un rythme fixé; la puissance émise par cette source étant une fonction au moins approximativement symétrique de la tension de 5 commande par rapport à une valeur, dite optimale, de la tension de polarisation, quand la tension de commande varie dans une plage de valeurs centrée sur cette valeur optimale de la tension de polarisation; et cette valeur optimale étant susceptible de dériver; ce dispositif comportant: - des moyens pour prélèver une fraction du signal optique émis par la source, et la convertir en un signal électrique appelé signal prélevé; - des moyens pour détecter un éventuel écart à corriger, entre la valeur de la tension de polarisation et sa valeur optimale; - et des moyens pour déduire une nouvelle valeur de la tension de polarisation, plus proche de la valeur optimale, s'il y a un écart à corriger; caractérisé en ce que les moyens pour détecter un éventuel écart à corriger comportent: - des moyens pour déterminer, dans le signal prélevé, l'amplitude d'une raie spectrale centrée sur une fréquence égale au rythme des valeurs numériques; - des moyens pour déterminer s'il y a ou non un écart à corriger, en fonction de l'amplitude de cette raie. Le dispositif d'asservissement ainsi caractérisé est particulièrement simple à réaliser. Il suffit d'intercaler un seul coupleur, à la sortie de la source optique, pour prélever une fraction du signal optique émis. Les autres30 moyens nécessaires à la réalisation de l'invention sont des moyens électroniques simples. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci- dessous d'un exemple de réalisation et des figures35 l'accompagnant: - les figures 1 à 3, qui ont été décrites précédemment, illustrent l'art antérieur; - la figure 4 représente le schéma synoptique d'un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 5 représente un graphe illustrant le fonctionnement de cet exemple de réalisation; - et la figure 6 représente un organigramme des opérations réalisées successivement au cours de son fonctionnement.10 Cet exemple de réalisation comporte: - une source optique 14 constituée d'un laser à semiconducteur, 11, d'un modulateur 13 de type Mach-Zehnder, et d'un additionneur analogique 12; le laser 11 fournissant un flux lumineux d'amplitude constante à une entrée optique15 du modulateur 13, ce dernier étant commandé par une tension de commande Vc fournie par une sortie de l'additionneur 12, et restituant un flux optique modulé en amplitude; l'additionneur 12 ayant une première entrée 10 recevant un signal de modulation constitué par une tension Vm prenant soit la valeur +Vp soit la valeur _Vp; et une entrée 2 2 recevant une tension de polarisation Vb; un convertisseur numérique-analogique 15 qui fournit sous forme analogique la tension Vb à la source 14; - un microprocesseur 16 comportant une mémoire de programme non représentée; ce microprocesseur ayant une sortie couplée à une entrée du convertisseur numérique- analogique 15 pour lui fournir un mot binaire représentant la valeur de la tension Vb, qu'il détermine en exécutant le programme stocké dans cette mémoire;30 - un convertisseur analogique-numérique 17 ayant une sortie couplée à une entrée du microprocesseur 16 et lui fournissant un mot binaire; - un coupleur optique 18 ayant: une entrée optique reliée à la sortie de la source 14, cette sortie étant constituée par la sortie du modulateur 13; une première sortie 25 du coupleur fournissant 90 % de la puissance restituée par le modulateur 13; et une seconde sortie fournissant 10 % de la puissance restituée par le modulateur 13; - une photodiode 19 dont l'entrée optique est reliée à la seconde sortie du coupleur 18; - un amplificateur électronique 20 ayant une entrée reliée à une sortie de la photodiode 19, pour amplifier un signal électrique fourni par la photodiode 19 et10 représentant le signal optique prélevé par le coupleur 18; - un filtre passe-bande 21 accordé sur le rythme des données binaires transmises par la source 14, et ayant une bande passante très étroite; - un amplificateur électronique 22 ayant une entrée reliée à une sortie du filtre 21, et amplifiant le signal filtré par ce filtre; - un détecteur d'amplitude 23, ayant une entrée reliée à la sortie de l'amplificateur 22, et fournissant un signal électrique analogique représentant l'amplitude du signal restitué par le filtre 21, avec une constante de temps très supérieure à la période des données binaires, pour éliminer les fluctuations d'amplitude dues aux changements de valeur de ces données binaires; - un amplificateur 24 ayant une entrée reliée à la sortie du détecteur d'amplitude 23; une sortie de l'amplificateur 24 fournissant un signal analogique constitué d'une tension H, à une entrée du convertisseur analogique-numérique 17. Cette même entrée du convertisseur analogique numérique 17 reçoit alternativement la tension de polarisation Vb. Le microprocesseur 16 commande des portes analogiques, non représentées, pour appliquer alternativement la tension H et la tension Vb à l'entrée du convertisseur 17. Ainsi ce convertisseur est commun pour35 convertir deux tensions Vb et H. Par exemple, si le rythme des données binaires est de Gb/s, le filtre 21 est accordé sur la fréquence de 5 GHz, et son coefficient de qualité est égal à 1000. La tension H représente l'amplitude de la raie spectrale centrée sur la5 fréquence 5GHz. Cette raie a une amplitude nulle lorsque les paliers de niveau bas et les paliers de niveau haut, correspondant à des bits transmis, ont la même durée, dans ce signal optique prélevé par le coupleur 18. Dans le signal de modulation10 appliqué à l'entrée 10, les paliers de niveau haut et les paliers de niveau bas ont la même durée, car tous les bits ont la même durée, par hypothèse. Pour que cette caractéristique soit maintenue dans le signal optique modulé restitué par le modulateur 13, il faut et il suffit que le15 point de fonctionnement soit centré sur le centre de symétrie C représenté sur la figure 2. La non-linéarité de la caractéristique étant la même au voisinage des points A et B, en première approximation, la durée des paliers hauts et la durée des paliers bas sont identiques.20 Par contre, si le point de fonctionnement n'est pas situé au point C, la durée des paliers hauts et la durée des paliers bas sont affectées de manières différentes. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, il apparaît que la durée des paliers hauts, T'i, est supérieure à la durée T125 qu'ils auraient s'il n'y avait pas déformation au voisinage du point A de la caractéristique. Le palier bas, quant à lui conserve sa durée T0=T1. Dès lors que les paliers hauts et les paliers bas n'ont pas la même durée, il apparaît, dans le spectre du signal extrait du flux lumineux modulé, une raie à la fréquence correspondant au rythme des données binaires. Lorsque cette raie a une amplitude supérieure à une valeur de seuil fixée, choisie à un niveau suffisant pour la distinguer du bruit, et correspondant à une déformation non35 négligeable de la forme du signal modulé, le microprocesseur 16 détermine une nouvelle valeur de la tension de polarisation Vb, en modifiant la valeur courante dans un sens tendant à réduire l'amplitude de la raie. Il réitère le choix d'une nouvelle valeur de Vb jusqu'à ce que l'amplitude de la raie soit devenue inférieure à la valeur de seuil. 5 La figure 5 représente un graphe de la tension H fournie par l'amplificateur 24 et représentant l'amplitude de la raie, en fonction de la tension de polarisation Vb. Ce graphe a approximativement la forme d'une parabole dont l'axe de symétrie est parallèle à l'axe des ordonnées H, et10 dont le minimum est situé à l'abscisse V0 qui est la tension de polarisation optimale à l'instant considéré. L'ensemble du graphe est translaté parallèlement à l'axe des abscisses Vb lorsque la caractéristique de fonctionnement du modulateur 13 est elle-même translatée à cause d'une dérive.15 Une tension de seuil S définissant la valeur de seuil fixée pour la raie est supérieure à la valeur de H correspondant à la tension de polarisation optimale V0. La droite d'équation H=S coupe le graphe en deux points, E et F. Quand la valeur de H est située sur la partie EF du graphe, qui est inférieure au seuil S, la tension de polarisation est considérée comme satisfaisante et le microprocesseur 16 ne cherche pas à la modifier. Lorsque la valeur de H est située sur la branche DE du graphe, qui est la branche ayant une pente négative, le25 microprocesseur 16 augmente la valeur algébrique de la tension de polarisation Vb de façon à ramener la valeur de H dans la partie EF du graphe. Lorsque la valeur de H est située sur la branche FG du graphe, qui est la branche ayant une pente positive, le microprocesseur 16 réduit la valeur30 algébrique de la tension de polarisation Vb jusqu'à ce que la valeur de H soit ramenée dans la partie EF du graphe. La figure 6 représente l'organigramme des opérations effectuées par le microprocesseur 16 pour appliquer ce procédé d'asservissement. Cet organigramme débute par une35 lecture 30 de la valeur algébrique courante Vb de la tension de polarisation. Il compare la valeur absolue de Vb à une là valeur limite Vlim, par l'opération 31. Si la valeur limite est atteinte ou dépassée, il déclenche une alarme par l'opération 32. Si la valeur limite n'est pas atteinte ou dépassée, le microprocesseur détermine le signe de la valeur Vb. Si le signe est positif ou si Vb est nulle, il réalise des opérations 34 à 43. Si le signe est négatif, il réalise les opérations 34' à 43'. L'opération 34 consiste en une mesure de la valeur H1 de la tension H représentant l'amplitude de la raie à 5 Ghz. L'opération 35 consiste à comparer la valeur Hi à la valeur de seuil fixée S. Si la valeur Hi est inférieure à la valeur de seuil fixée S, le microprocesseur 16 décide de ne pas modifier la valeur courante Vb de la tension de15 polarisation, et il recommence les opérations à partir du début de l'organigramme, c'est-à-dire la lecture 30 de la valeur Vb de la tension de polarisation fournie par la sortie du convertisseur numérique-analogique 15. Si la valeur Hi est supérieure ou égale à la valeur S, le microprocesseur 16 décide de décrémenter d'une unité la valeur Vb, par l'opération 36. Il mesure ensuite, par l'opération 37, la nouvelle valeur H2 de la tension fournie par la sortie de l'amplificateur 24. Il compare, par l'opération 38, la valeur H2 à la valeur de seuil S. Si la25 valeur H2 est inférieure à la valeur de seuil S, le microprocesseur 16 décide de ne plus modifier la valeur Vb de la tension de polarisation, et réitère l'opération 30 située au début de l'organigramme. Si la valeur H2 est supérieure ou égale à la valeur de seuil S, le microprocesseur 16 compare la valeur H2 avec la valeur Hi, par l'opération 39. Si la valeur H2 est inférieure à la valeur Hi, c'est-à-dire si l'amplitude de la raie a été diminuée, le microprocesseur 16 décide de réduire encore la valeur algébrique Vb de la tension de35 polarisation, en réitérant l'opération 36. Dans le cas contraire, l'opération 36 n'ayant pas été un succès, le microprocesseur décide d'incrémenter d'une unité la valeur Vb par l'opération 40. Il mesure ensuite, par l'opération 41, une nouvelle valeur H3 de la tension fournie par la sortie de l'amplificateur 24. Puis il compare la valeur H3 à la valeur de seuil S, par l'opération 42. Si la valeur H3 est inférieure à la valeur de seuil S, le microprocesseur 16 décide de ne pas modifier la valeur algébrique courante Vb de la tension de polarisation, et il réitère l'opération 30 située au début de l'organigramme.10 si la valeur H3 est supérieure ou égale à la valeur de seuil S, le microprocesseur 16 doit modifier encore la tension de polarisation, mais pour savoir dans quel sens, il compare la valeur H3 et la valeur H2 par l'opération 43. Si H3 est supérieure ou égale à H2, cela signifie que la15 dernière incrémentation de la valeur Vb, par l'opération 40, n'a pas été un succès. Par conséquent, le microprocesseur 16 décide de décrémenter la valeur Vb par l'opération 36. Si la valeur H3 est inférieure à la valeur H2, cela signifie que l'incrémentation de la valeur Vb par l'opération 40 a été un20 succès. Par conséquent, le microprocesseur 16 décide de réitérer l'opération 40. Les opérations 34' à 43' sont identiques respectivement aux opérations 34 à 43, sauf que la décrémentation 36 est remplacée par une incrémentation 36'25 de la valeur Vb, et que l'incrémentation 40 est remplacée par une décrémentation 40' de la valeur Vb, pour tenir compte du fait que la valeur algébrique de Vb n'a pas le même signe pendant les opérations 34' à 43'. Il est à remarquer que le dispositif d'asservissement selon l'invention compense aussi les dérives éventuelles de la source de tension de polarisation, et des zéros des convertisseurs 15 et 17. Il est à la portée de l'homme de l'art de réaliser différemment ces moyens d'asservissement, notamment en employant un circuit logique câblé au lieu d'un microprocesseur, ou bien en utilisant des circuits purement analogiques. Il est possible aussi d'exploiter différemment l'amplitude de la raie, par exemple en la comprant à deux valeurs de seuil pour introduire une hystérésis dans le processus de décision d'un changement de la tension de polarisation. L'invention est applicable à tout autre signal de modulation numérique comportant des niveaux discrets symétriques par rapport à une valeur nulle, notamment un signal comportant trois niveaux: O, +Vp, Vp quel que soit 2 2 le type de codage. REVENDICATIONS 1) Dispositif d'asservissement de la tension de polarisation d'une source optique (14) dont la puissance d'émission est modulée par une tension de commande (Vc) qui5 est la somme d'une tension continue (Vb) dite de polarisation et d'une tension (Vm) dite de modulation, centrée sur une tension nulle; cette tension de modulation pouvant prendre au moins deux valeurs discrètes pour représenter une suite de valeurs numériques ayant un rythme10 fixé; la puissance émise par cette source étant une fonction au moins approximativement symétrique de la tension de commande par rapport à une valeur (Vo), dite optimale, de la tension de polarisation, quand la tension de commande varie dans une plage de valeurs centrée sur cette valeur optimale15 (V0) de la tension de polarisation; et cette valeur optimale étant susceptible de dériver; ce dispositif comportant: - des moyens pour prélèver une fraction du signal optique émis par la source (14), et la convertir en un signal électrique appelé signal prélevé; - des moyens pour détecter un éventuel écart à corriger, entre la valeur (Vb) de la tension de polarisation et sa valeur optimale (V0); - et des moyens pour déduire une nouvelle valeur (Vb) de la tension de polarisation, plus proche de la valeur optimale, s'il y a un écart à corriger; caractérisé ce que les moyens pour détecter un éventuel écart, comportent: - des moyens (21 à 24) pour déterminer, dans le signal prélevé, l'amplitude d'une raie spectrale centrée sur une fréquence égale au rythme des valeurs numériques; - des moyens (16) pour déterminer s'il y a ou non un écart à corrigeren fonction de l'amplitude de cette raie. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour détecter un éventuel écart à corriger, entre la valeur (Vb) de la tension de polarisation et sa valeur optimale (V0), comportent: - un filtre passe-bande (21) accordé sur le rythme des valeurs numériques, pour filtrer le signal prélevé; - un détecteur d'amplitude (23) ayant une constante de temps très supérieure à la période des valeurs numériques, pour déterminer l'amplitude du signal filtré, cette amplitude représentant l'amplitude de la raie-centrée sur la fréquence égale au rythme des valeurs numériques.10 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour déduire une nouvelle valeur (Vb) de la tension de polarisation comportent: - des moyens (40 à 43, 36' à 39') pour incrémenter la valeur (Vb) de la tension de polarisation, et vérifier si une telle incrémentation réduit l'amplitude (H) du signal filtré; - des moyens (36 à 39, 40' à 43') pour décrémenter la valeur (Vb) de la tension de polarisation, et vérifier si une telle décrémentaion réduit l'amplitude (H) du signal20 filtré.