Brevet FR2717330A1 — publié le 19950915

Modulateur semiconducteur électro-optique et liaison optiaue incluant ce modulateur La présente invention concerne notamment les liaisons à fibres optiques aptes à transmettre des débits d'information importants tels que 10 Gbit/s à k= 1,5pm. La réalisation économique d'une telle liaison nécessite l'emploi de fibres optiques du type dit G652 qui présentent une dispersion chromatique nulle à k= 1,3pm et qui ont l'avantage d'être relativement peu coûteuses mais10 aussi l'inconvénient de présenter une dispersion chromatique relativement importante telle que 17 pS/pm à k= 1,55 pm. Lorsque la liaison présente une longueur supérieure à 100 Km environ cette dispersion chromatique impose aux signaux transmis une distorsion telle que le taux d'erreurs à la15 réception augmente de manière gênante. Pour limiter cette augmentation du taux d'erreurs il est connu d'appliquer, à des signaux impulsionels portés par une modulation d'amplitude d'une onde optique, une variation de phase optique appelée prédistorsion de phase et réalisée sur20 chaque impulsion. Les liaisons optiques connues ne permettent cependant pas de concilier l'emploi de fibres présentant une dispersions chromatique gênante à la longueur d'onde de la liaison telles que les fibres G652, une distance de25 transmission importante, un débit d'information élevé, et une prédistorsion de phase s'opposant autant qu'il conviendrait à l'augmentation du taux d'erreurs de la liaison résultant de la dispersion chromatique des fibres employées.30 La présente invention a notamment pour but de concilier ces divers éléments pour diminuer le taux d'erreurs d'une liaison optique à grand débit d'information. Elle a également pour but de réaliser de manière simple un modulateur permettant de moduler l'amplitude et la phase d'une onde optique à un rythme élevé. Dans ces buts elle a notamment pour objet un modulateur semiconducteur électro-optique, caractérisé par le fait qu'il comporte: - deux segments successifs appliquant chacun à la fois une atténuation et un déphasage à une onde lumineuse, - et un générateur de commande élaborant des composantes alternatives de deux tensions de commande de ces deux segments respectivement sous la forme de deux combinaisons différentes d'une atténuation de consigne et d'un déphasage10 de consigne à appliquer à cette onde. Il a été trouvé selon cette invention qu'il était possible de choisir, pour les deux segments d'atténuation et de déphasage, des structures semiconductrices et des composantes continues des tensions de commande telles que15 les composantes alternatives constituées par les deux dites combinaisons différentes appliquent effectivement à l'onde lumineuse une atténuation et un déphasage respectivement égaux à l'atténuation et au déphasage de consigne. Un tel choix est autorisé par l'utilisation de structures semiconductrices à puits quantiques multiples. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment la présente invention peut être mise en oeuvre. Lorsqu'un même élément est représenté sur25 plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue d'un modulateur selon cette invention avec coupe longitudinale d'une plaquette semiconductrice de ce modulateur.30 La figure 2 représente des diagrammes de variations d'une atténuation et d'un déphasage appliqués à une onde optique par la plaquette de la figure 1, les tensions appliquées à cette plaquette pour réaliser cette atténuation et ce déphasage étant portées en abscisses.35 La figure 3 représente une vue d'une liaison optique incluant le modulateur de la figure 1. Le modulateur semiconducteur électro-optique donné en exemple comporte les élements connus suivants: - Un guide de lumière 2 apte à guider une onde lumineuse selon une direction longitudinale et à la laisser sortir en extrémité de ce guide sous la forme d'une onde de sortie 12. Dans le cas donné en exemple o ce guide est formé dans une plaquette semiconductrice 3 et o son extrémité en question est formée par une face extrême de cette plaquette, cette face extrême est oblique et/ou porte un revêtement10 antiréfléchissant pour permettre la sortie de l'onde lumineuse. Le guide 2 présente un effet électro-optique apte à moduler l'onde de sortie. - Des électrodes EA, ED, EM disposées en regard de ce guide. - Enfin un générateur de commande 4 apte à recevoir un signal d'entrée T et à fournir en réponse à ces électrodes une tension de commande variable créant un champ électrique dans le guide 2 pour moduler l'onde de sortie 12. Selon la présente invention le guide 2 comporte deux segments s'étendant et se succédant selon la direction longitudinale, à savoir un segment d'atténuation SA et un segment de déphasage SD. Chacun de ces deux segments présente d'une part une sensibilité électrique d'atténuation dCA/dVl égale au rapport d'une variation dCA du coefficient d'absorption moyen CA de ce segment à une variation dVl de25 la tension de commande Vi ayant entrainé cette variation de ce coefficient. Il présente d'autre part une sensibilité électrique de déphasage de/dV2 égale au rapport de la variation dV d'un angle de déphasage W à une variation dV2 de la tension de commande V2 ayant entrainé cette variation30 de cet angle. Cet angle V est fonction de l'indice de réfraction moyen de ce segment. La relation entre la sensibilité électrique d'attenuation à la sensibilité électrique de déphasage de chaque segment est exprimée par un facteur de couplage phase35 amplitude a défini par l'équation de a 1 dCA dt 2 CA dt t représentant le temps. Le facteur a est propre à ce segment. Il est plus petit dans le segment d'atténuation SA que dans le segment de déphasage SD. Lesdites électrodes constituent des électrodes d'atténuation EA et EM disposées en regard du segment d'atténuation SA et des électrodes de déphasage ED et EM disposées en regard du segment de déphasage SD. Elles10 permettent ainsi d'appliquer à ces deux segments deux tensions de commande différentes constituant respectivement une tension de commande de segment d'atténuation et une tension de commande de segment de déphasage. Chacune de ces tensions a une composante continue et une composante15 alternative. Le générateur de commande 4 reçoit un signal d'entrée T définissant d'une part une atténuation de consigne A représentative d'une variation d'atténuation à appliquer à ladite onde de sortie, d'autre part un déphasage de consigne20 D représentatif d'une variation de déphasage optique à appliquer à cette onde. Il fournit en réponse la composante alternative de la tension de commande du segment d'atténuation MA sous la forme d'une première combinaison par exemple linéaire:25 MA= klA+k2D de l'atténuation de consigne et du déphasage de consigne. Il fournit d'autre part la composante alternative de la tension de commande du segment de déphasage MD sous la forme d'une deuxième combinaison:30 MD= k3A+k4D de l'atténuation de consigne et du déphasage de consigne. Cette deuxième combinaison est elle aussi par exemple linéaire mais elle est différente de la première. Les coefficients kl, k2, k3 et k4 sont constants. Le rapport35 kl/k2 est différent du rapport k3/k4. Le générateur 4 fournit enfin les composantes continues VA, VD des tensions de commande des segments d'atténuation et de déphasage. Selon une disposition préférée les segments d'atténuation SA et de déphasage SD sont constitués par des structures semiconductrices à puits quantiques multiples. Il a en effet été trouvé, dans le cadre de la présente invention, que de telles structures permettaient d'obtenir que la différence entre les deux facteurs de couplage phase10 amplitude ai et a2 des deux segments d'atténuation et de déphasage soit suffisante pour la réalisation pratique et économique d'un modulateur convenant pour une liaison optique à longue distance telle que celle qui sera décrite plus loin. Il doit cependant être compris que d'autres types15 de structures à effet électro-optique pourraient éventuellement convenir. Le guide de lumière 2 est typiquement formé dans une plaquette semiconductrice monocristalline 3 entre deux couches de confinement 6, 8 présentant des types de20 conductivité opposés p et n. Il peut alors avantageusement comporter en outre un segment d'amplification SG inclus dans une cavité optique résonante et constitué par un matériau apte à devenir optiquement amplificateur sous l'action d'un courant d'injection IG circulant dans un sens direct entre25 ces deux couches de confinement. Cette cavité résonante est constituée par un réflecteur de Bragg distribué 15 couplé au guide 2. Des électrodes d'amplification EG et EM sont disposées en regard du segment d'amplification SG et alimentées par une source électrique d'amplification 10 pour faire passer le courant d'injection dans le sens direct entre ces deux couches de confinement. Ce segment d'amplification constitue alors un laser DFB intégré dans le modulateur pour engendrer une onde lumineuse dans le guide 2.35 Le générateur de commande 4 fournit les composantes continues VA, VD des tensions de commande des segments d'atténuation et de déphasage de manière à empêcher le passage d'un courant entre les deux couches de confinement 6 et 8. Le passage d'un tel courant est empêché soit si une telle tension de commande a un sens inverse opposé audit5 sens direct, soit si cette tension a le sens direct mais une valeur inférieure à une limite dépendant des dopages des couches. Selon une disposition facilitant la réalisation du modulateur les deux segments d'atténuation SA et de déphasage SD présentent des constitutions identiques. Cette identité de constitution leur confère des sensibilités électriques égales lorsqu'ils sont soumis à des tensions de commande variables restant mutuellement égales. Cependant, compte tenu du choix de la structure semiconductrice commune15 à ces deux segments, ces sensibilités dépendent fortement des composantes continues VA et VD de ces tensions de commande. Le générateur de commande 4 donne alors à ces deux composantes continues VA, VD deux valeurs différentes pour donner au facteur de couplage phase amplitude une valeur20 sensiblement plus petite dans le segment d'atténuation SA que dans le segment de déphasage SD. Plus particulièrement les électrodes précédemment mentionnées constituent une électrode commune EM s'étendant sur toute la longueur du guide 2, et des électrodes25 spécifiques d'atténuation EA, de déphasage ED et d'amplification EG, respectivement. Les composantes continues VA et VD des tensions de commande des segments d'atténuation et de déphasage sont fournies aux électrodes EA et ED par une source de30 polarisation continue 14 à travers un diviseur résistif 16 et des inductances de séparation 18 et 20. Les composantes alternatives MA et MD de ces tensions de commande sont respectivement fournies à ces mêmes électrodes EA et ED, à travers des condensateurs de séparation 22 et 24, par un circuit de modulation 26 recevant un signal d'entrée T définissant directement l'atténuation de consigne A. Ce circuit réalise diverses opérations représentées aux figures par des composants internes symboliques. Un premier tel composant symbolique est un générateur de déphasage 28 qui forme le déphasage de5 consigne D à partir du signal d'entrée T. Un deuxième tel composant symbolique est un circuit de combinaison 30 qui forme les deux combinaisons linéaires précédemment mentionnées pour constituer ainsi les deux composantes alternatives MA et MD.10 En pratique dans un cas simple o le modulateur est utilisé dans une liaison optique qui sera décrite plus loin, ces deux composantes présentent des variations ayant constamment des sens opposés et ayant des amplitudes dans un rapport constant choisi après essais.15 Le choix des composantes continues VA et VD apparaît sur la figure 2 sur laquelle les diagrammes LA et LD représentent respectivement les variations du coefficient d'absorption CA et du facteur de couplage phase-amplitude a, ce facteur définissant le déphasage, en fonction dans chaque20 cas de la tension appliquée entre l'électrode spécifique correspondante EA ou ED et l'électrode commune EM. Ces tensions sont représentées comme négatives parce qu'elles polarisent en inverse la diode formée par les couches de confinement 6 et 8. La tension VA procure une sensibilité25 électrique d'atténuation plus grande et une sensibilité électrique de déphasage plus petite que la tension VD. Ces diagrammes correspondent aux choix précédemment décrits dans un cas o la lumière sélectionnée par le réflecteur de Bragg 15 présentait une longueur d'onde de30 1550 nm. La présente invention a également pour objet une liaison optique comportant les éléments connus suivants: - Une source de lumière 50 pour émettre une onde lumineuse. - Un moyen de modulation 52 recevant un signal d'entrée T porteur d'une information à transmettre et modulant cette onde lumineuse en amplitude en réponse à ce signal. - Une ligne de transmission à fibre optique 54 recevant et guidant cette onde lumineuse modulée tout en présentant une dispersion chromatique propre à provoquer une distorsion de cette onde.5 - Enfin un récepteur 56 recevant cette onde en sortie de cette liaison et fournissant en réponse un signal de sortie S, ce signal de sortie restituant l'information à transmettre avec un taux d'erreurs accru par distorsion de la ligne 54.10 Selon la présente invention la source de lumière 50 et le moyen de modulation 52 sont respectivement constitués par le segment d'amplification SG et par l'ensemble des segments d'atténuation SA et de déphasage SD du modulateur précédemment décrit. L'atténuation de consigne A est15 directement définie par le signal à transmettre. Le générateur de commande élabore le déphasage de consigne D à partir du signal à transmettre T de manière à appliquer à l'onde lumineuse sortant du modulateur un déphasage de prédistorsion compensant par avance au moins partiellement20 la dispersion chromatique de la ligne. Ce déphasage est choisi pour diminuer autant que possible le taux d'erreur. REVENDICATIONS 1/ Modulateur semiconducteur électro-optique, caractérisé par le fait qu'il comporte: - deux segments successifs (SA, SD) appliquant chacun à la fois une atténuation et un déphasage à une onde lumineuse (12), - et un générateur de commande (4) élaborant des composantes alternatives de deux tensions de commande (MA, MD) de ces deux segments respectivement sous la forme de deux10 combinaisons différentes d'une atténuation de consigne (A) et d'un déphasage de consigne (D) à appliquer à cette onde. 2/ Modulateur semiconducteur électro-optique selon la revendication 1, ce modulateur comportant: - un guide de lumière (2) apte à guider une onde lumineuse selon une direction longitudinale et à la laisser sortir en extrémité de ce guide sous la forme d'une onde de sortie (12), ce guide présentant un effet électro-optique apte à moduler cette onde de sortie, des électrodes (EA, ED, EM) disposées en regard de ce guide, - et un générateur de commande (4) apte à recevoir un signal d'entrée (T) et à fournir en réponse à ces électrodes une tension de commande variable créant un champ électrique dans ledit guide pour moduler ladite onde de sortie,25 - ce modulateur étant caractérisé par le fait que ledit guide (2) comporte deux segments s'étendant et se succédant selon ladite direction longitudinale et constituant un segment d'atténuation (SA) et un segment de déphasage (SD), chacun de ces deux segments présentant d'une30 part une sensibilité électrique d'atténuation (dCA/dVl) égale au rapport d'une variation (dCA) du coefficient d'absorption moyen (CA) de ce segment à une variation (dVl) de la tension de commande (Vl) ayant entraîné cette variation de ce coefficient, chacun de ces deux segments35 présentant d'autre part une sensibilité électrique de déphasage (de/dV2) égale au rapport de la variation (do) d'un angle de déphasage (y) fonction de l'indice de réfraction moyen de ce segment à une variation (dV2) de la tension de commande (V2) ayant entrainé cette variation de cet angle, la relation entre cette sensibilité électrique 5 d'attenuation et cette sensibilité électrique de déphasage étant exprimée par un facteur de couplage phase amplitude a défini par l'équation dç a 1 dCA dt 2 CA dt t représentant le temps, ce facteur de couplage étant plus petit dans ledit segment d'atténuation (SA) que dans ledit segment de déphasage (SD), lesdites électrodes constituant des électrodes d'atténuation (EA, EM) disposées en regard dudit segment d'atténuation (SA) et des électrodes de déphasage (ED, EM)15 disposées en regard dudit segment de déphasage (SD) pour permettre d'appliquer à ces deux segments deux tensions de commande différentes constituant respectivement une tension de commande de segment d'atténuation et une tension de commande de segment de déphasage et ayant chacune une20 composante continue et une composante alternative, - ledit générateur de commande (4) étant apte à recevoir un signal d'entrée (T) définissant d'une part une atténuation de consigne (A) représentative d'une variation d'atténuation à appliquer à ladite onde de sortie, d'autre part un déphasage de consigne (D) représentatif d'une variation de déphasage optique à appliquer à cette onde, ce générateur étant apte à fournir en réponse d'une part ladite composante alternative de la tension de commande de segment d'atténuation (MA) sous la forme d'une première combinaison30 (MA= klA+k2D) de ladite atténuation de consigne et dudit déphasage de consigne, d'autre part ladite composante alternative de la tension de commande de segment de déphasage (MD) sous la forme d'une deuxième combinaison (MD= k3A+k4D) de ladite atténuation de consigne et dudit déphasage de consigne, ces deux combinaisons étant mutuellement différentes, ledit générateur de commande (4) fournissant en outre lesdites composantes continues (VA, VD) des tensions de commande des segments d'atténuation et de déphasage.5 3/ Modulateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits segments d'atténuation (SA) et de déphasage (SD) sont constitués par des structures semiconductrices à puits quantiques multiples. 4/ Modulateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit dit guide de lumière (2) est formé dans une plaquette semiconductrice monocristalline (3) entre deux couches de confinement (6, 8) présentant des types de conductivité opposés (n, p), ce guide comportant en outre un segment d'amplification (SG)15 inclus dans une cavité optique résonante et constitué par un matériau apte à devenir optiquement amplificateur sous l'action d'un courant d'injection (IG) circulant dans un sens direct entre ces deux couches de confinement, ce modulateur comportant en outre des électrodes20 d'amplification (EG, EM) disposées en regard de ce segment d'amplification et une source électrique d'amplification (10) alimentant ces électrodes d'amplification pour faire passer ledit courant d'injection dans ledit sens direct entre ces deux couches de confinement de manière à engendrer25 une onde lumineuse dans ce guide, ledit générateur de commande (4) fournissant lesdites composantes continues (VA, VD) des tensions de commande des segments d'atténuation et de déphasage avec des valeurs empêchant le passage d'un courant entre les deux dites couches de confinement (6, 8).30 5/ Modulateur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ladite cavité résonante est constituée par un réflecteur de Bragg distribué (15) couplé audit guide (2) dans ledit segment d'amplification (SG) de sorte que ce segment constitue un laser DFB intégré dans ledit35 modulateur. 6/ Modulateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les deux dits segments d'atténuation (SA) et de déphasage (SD) présentent une même constitution leur conférant des sensibilités électriques égales lorsqu'ils 5 sont soumis à des tensions de commande variables restant mutuellement égales, ces sensibilités dépendant de ladite composante continue (VA, VD) de ces tensions de commande, ledit générateur de commande (4) donnant à ces deux composantes continues (VA, VD) deux valeurs différentes pour10 donner audit facteur de couplage atténuation déphasage a une valeur plus petite dans ledit segment d'atténuation (SA) que dans ledit segment de déphasage (SD). 7/ Modulateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdites première et deuxième combinaisons mutuellement différentes sont deux combinaisons linéaires (klA+k2D, k3A+k4D) de ladite atténuation de consigne (A) et dudit déphasage de consigne (D). 8/ Liaison optique comportant: - une source de lumière (50) pour émettre une onde lumineuse, - un moyen de modulation (52) recevant un signal d'entrée (T) porteur d'une information à transmettre et modulant cette onde lumineuse en amplitude en réponse à ce signal, - une ligne de transmission à fibre optique (54) recevant et guidant cette onde lumineuse modulée tout en présentant une dispersion chromatique propre à provoquer une distorsion de cette onde, - et un récepteur (56) recevant cette onde en sortie de cette liaison et fournissant en réponse un signal de sortie (S), ce signal de sortie restituant ladite information à transmettre avec un taux d'erreurs accru par ladite distorsion, cette liaison étant caractérisée par le fait que ladite source de lumière (50) et ledit moyen de modulation (52)35 sont respectivement constitués par ledit segment d'amplification (SG) et par l'ensemble desdits segments d'atténuation (SA) et de déphasage (SD) du modulateur de la revendication 4, ladite atténuation de consigne (A) étant directement définie par ledit signal à transmettre, ledit générateur de commande élaborant ledit déphasage de consigne (D) à partir dudit signal à transmettre (T) de manière à appliquer à ladite onde lumineuse un déphasage de prédistorsion compensant par avance au moins partiellement ladite dispersion chromatique de la ligne pour diminuer ledit taux d'erreur.