Brevet FR2723803A1 — publié le 19960223

TETE D'EMISSION OPTIQUE AVEC LASER ET MODULATEUR L'invention concerne la transmission de signaux analogiques sur fibre optique et plus particulièrement l'association d'un laser à un modulateur optique pour réaliser celle-ci. Cette association est généralement préférée à l'utilisation de lasers à modulation directe. En effet, concernant ce type de laser, la variation de courant générant la modulation d'amplitude influence la longueur crd'onde d'émission et cette variation, même légère, liée à la dispersion chromatique de la fibre optique, dégrade les performances de la transmission. L'association d'un laser à un modulateur optique externe peut cependant présenter un autre inconvénient d au bruit basse fréquence, appelé bruit de relaxation, généré par certains lasers, en particulier ceux utilisés dans les transmissions pour fibre optique. Ce bruit se traduit par une fluctuation de la puissance émise de l'ordre de quelques pourcents et correspond à un spectre étroit en bande basse. C'est ainsi le cas pour les lasers de type Verre-Erbium pour lesquels la fréquence centrale de ce spectre est voisine de 200 Khz. Ce bruit, représenté en figure l1a, est perturbant de la manière suivante: L'entrée de modulation du modulateur optique reçoit un signal constitué crd'une ou plusieurs porteuses, par exemple modulées en amplitude. Un exemple de ce signal, représenté en figure lb, est constitué d'une porteuse audio et vidéo, le spectre de fréquence de la porteuse vidéo correspondant à une modulation en amplitude à bande latérale résiduelle appelée MA-BLR. Ces 2 porteuses modulées représentent un canal dans le domaine de transmissions de signaux de télévision, et le signal de modulation transmis au modulateur optique peut être constitué d'un ensemble de canaux adjacents pour constituer un multiplex fréquentiel multicanaux de signaux de télévision modulés en amplitude à bande latérale résiduelle. La multiplication du signal optique avec ce signal de modulation RF transpose le bruit du laser autour des porteuses du signal RF comme représenté en figure 1 c. Ce bruit se retrouve dans les bandes de fréquence latérales si celles-ci ont une largeur supérieure à quelques dizaines de kilohertz comme c'est le cas pour le signal vidéo de modulation. Après démodulation, le signal vidéo en bande de base se trouve en présence de bruit de puissance double puisque les deux "raies" de bruit autour de la porteuse vidéo sont corrélées alors que le spectre du signal vidéo est à bande latérale réduite. Ce niveau de bruit dépasse alors le seuil de visibilité du signal vidéo sur l'écran d'une valeur pouvant atteindre 10 ou 12 dB, créant ainsi un effet de "crayonnage" sur l'image. Une solution à ce problème, appelée "Feed Forward" par les Anglo-saxons, est connue. Il s'agit d'insérer, entre le laser et le modulateur externe, un dispositif de régulation de la puissance émise. Ce dispositif est représenté en figure 2. Un coupleur 2 prélève une partie de la puissance en sortie du laser I pour la transmettre à un récepteur optique 3 avec amplificateur intégré qui convertit ce signal optique en un signal électrique qui va commander un premier modulateur optique externe 4 qui joue le rôle de régulateur. Un choix adapté des valeurs de couplage et de gain du récepteur optique permet de réduire efficacement le bruit du laser avant que le faisceau ne soit transmis au second modulateur optique externe 5 recevant les signaux RF de modulation. Un premier inconvénient à cette solution concerne les pertes d'insertion du coupleur et du modulateur optique de régulation qui réduisent fortement la puissance optique utilisable du laser, le modulateur optique, de par son principe, divisant la puissance par deux. D'autre part, sans tenir compte de ces pertes d'insertion, la puissance de sortie disponible de par le principe de régulation est au plus égale à la valeur minimum de la puissance fluctuante délivrée par le laser. Un autre inconvénient concerne la mise au point du dispositif, le gain de la chaîne de régulation symbolisée par le récepteur optique 3 devant être ajusté précisément, le signal de correction devant être parfaitement en phase avec le bruit à corriger. Enfin, le modulateur optique nécessaire à la régulation de puissance est d'un coût non négligeable. L'invention a pour but de pallier les inconvénients précités. Elle a pour objet une tête d'émission optique composée d'un laser émettant un signal de puissance lumineuse moyenne Po et de puissance instantanée Po (1+e), e étant la puissance de bruit superposée au signal et rapportée à la puissance moyenne Po, et d'un modulateur optique externe pour moduler le signal optique provenant du laser à partir d'un signal électrique de modulation M, caractérisée en ce que le signal de modulation M appliqué directement au modulateur optique est un signal électrique proportionnel à M(1-e). s La présente invention permet de s'affranchir des inconvénients dus à la variation de la longueur d'onde du laser, par l'utilisation d'un modulateur optique externe au laser. Elle permet également de limiter les pertes d'insertion, comparée à un dispositif de régulation de puissance de type "Feed-Forward". De plus, son coût de réalisation et de mise en oeuvre est plus réduit. Le signal de modulation effectif M est produit à partir d'un modulateur électrique recevant un signal de modulation d'origine M et un signal de commande de modulation C. Le modulateur électrique peut fournir soit un signal proportionnel à CM, soit un signal de la forme K2CM + K3M K2 et K3 étant des constantes. Dans le premier cas le signal C doit être proportionnel à (1 - e); dans le second cas le signal C peut être proportionnel à e. Pour produire le signal C on prélève une partie de la puissance optique instantanée soit directement à la sortie du laser, soit à la sortie du modulateur optique. Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante, donnée à titre d'exemple et en référence aux figures annexées o: - la figure la représente la puissance de bruit d'un laser de type Verre-Erbium. - la figure lb représente le spectre de fréquence d'un signal RF de modulation. - la figure lc représente le spectre de fréquence en sortie du modulateur optique. - la figure 2 représente un dispositif de contrôle automatique de la puissance laser transmise, selon l'art antérieur. - la figure 3 représente un dispositif de réduction de bruit d'un modulateur optique selon l'invention. - la figure 4 représente une variante de ce dispositif. - la figure 5 représente une réalisation pratique du dispositif. Le dispositif selon l'invention est représenté à la figure 3 et décrit ci-après. Un laser 6, par exemple de type Verre-Erbium, est relié, par sa sortie, à un coupleur optique 7 permettant de prélever une faible proportion de la puissance optique émise par le laser. La sortie correspondant à la voie principale de ce coupleur est transmise directement, par l'intermédiaire d'une fibre optique, à l'entrée d'un modulateur optique 8 dont la fonction est de recevoir un signal électrique radiofréquence pour moduler la puissance optique en fonction de ce signal électrique. Dans ce qui suit on considérera qu'on souhaite obtenir en sortie du modulateur optique 8 une puissance optique Po(1/2 + M) sur une première sortie et Po (1/2 - M) sur une deuxième sortie; M représente le taux de modulation désiré, compris entre - 1/2 et + 1/2. Ce taux de modulation est représenté par les variations d'un signal radiofréquence appliqué au dispositif, signal qu'on désignera également par M. La sortie correspondant à la voie couplée est reliée, toujours par l'intermédiaire d'une fibre optique, à un récepteur optique 9 qui transforme les signaux optiques en signaux électriques. Le signal électrique disponible en sortie du récepteur 9 est proportionnel à la puissance émise du laser Pi. Si Po est la puissance moyenne émise par le laser et e la puissance de bruit relative à cette puissance moyenne, la puissance Pi émise par le laser est de la forme Po (1 +e). Ainsi le signal électrique en sortie du récepteur optique est égal à K Po (1+e), K étant une constante fonction du coefficient de couplage du coupleur optique 7, des pertes dans la fibre optique reliée au récepteur optique et du coefficient de transformation de la puissance optique en tension électrique du récepteur optique. Dans la suite on supposera que le récepteur fournit effectivement une tension et K est alors exprimé en volts/watts. On pourrait faire un raisonnement analogue si le récepteur fournissant un courant. Ce signal est transmis à un amplificateur 10 de gain Co/KPo, Co étant une constante qu'on expliquera plus loin, puis à une première entrée d'un soustracteur 11, entrée soustraite à une tension appliquée sur la deuxième entrée et qui a pour valeur Vref = 2Co. L'ensemble du récepteur optique 9 et de l'amplificateur 10 a une bande passante telle qu'on conserve les fréquences de variations de puissance instantanée (quelques centaine de kHz par exemple). Le signal obtenu en sortie du soustracteur prend ainsi la valeur: Co C=- Cox K Po(+e)+2Co = (1-e)Co KPPo La soustracteur 11 est aisément réalisé par application d'une tension d'offset à l'amplificateur 10. Le signal C alimente l'entrée de modulation d'un modulateur électrique 12 de type multiplieur dont le signal à moduler M est transmis sur une deuxième entrée. Ce signal M est par exemple constitué de signaux radiofréquence RF de télévision multiplexés fréquentiellement, du type décrit à la figure lb. Ce modulateur électrique réalise une modulation en amplitude du signal RF par le signal C = Co (1 - e) pour fournir un signal modulé M' de la forme: 1S5 M'=M(1-e) Co est la valeur du signal C lorsque la puissance instantanée Pi est égale à la puissance moyenne Po et dans ce cas le signal de modulation effectif M' est égal au signal M représentant la modulation désirée. Ce signal M est transmis au modulateur optique 8 sur son entrée de modulation. Ce modulateur possède généralement 2 sorties optiques complérmentaires, P+ et P-, chacune de puissance moitié de la puissance d'entrée pour une modulation nulle. En négligeant les pertes de couplage et de transmission sur la voie principale du coupleur 7, les sorties P+ et P- ont pour valeur, en présence d'un signal de modulation M: P+ = P (-+M') 2 P- =P -M') et, en négligeant les termes du second ordre pour le bruit e petit devant l'unité: P+ =P. (+e)[ +M(l-e)] - P.( 2 l +e - P- _=P ( M) Il n'y a plus de terme en M.e qui correspondent à un bruit dans la bande utile du signal de modulation. Seul le bruit basse fréquence P . e est présent en sortie, mais il est non perturbant vis à vis des porteuses RF puisqu'en dehors du spectre s utile du signal de modulation. Le signal modulé n'est ainsi pratiquement plus affecté par le bruit du laser. Ce dispositif suppose cependant que la puissance moyenne Po est fixe, le gain de l'amplificateur 10 étant calculé en fonction de Po. Dans le cas o cette valeur fluctue dans le temps, par exemple en fonction de la température ou du vieillissement du laser, une amélioration du dispositif consiste à mesurer cette puissance moyenne Po à partir d'un filtre passe- bas, éliminant les fluctuation de puissance instantanée, pour commander le gain de l'amplificateur 10 en fonction de cette valeur. Cette amélioration est représentée en pointillés sur la figure 3 et consiste à prélever le signal en sortie du récepteur optique 9 pour le faire traverser un filtre passe-bas 13, de fréquence de coupure par exemple de l'ordre du kiloherz pour éliminer le spectre du bruit, puis commander le gain de l'amplificateur 10 en reliant la sortie de ce filtre à l'entrée de commande de gain de l'amplificateur 10. Le modulateur 12 fournit ici un signal M' = MC/Co. Dans le cas plus général o le modulateur est du type fournissant un signal M' = K2CM + K3M, K2 et K3 étant des constantes représentant l'une l'efficacité du modulateur et l'autre ses pertes d'insertion, on peut montrer qu'il faut donner au gain de l'amplificateur 10 une valeur G = et à la tension K2KPo de référence Vref une valeur Vref = (2 - K3) / K2, pour que M' soit égal à M (1 - e). Dans ce qui précède on a utilisé un soustracteur par suite de ce que le signal présent en sortie de l'amplificateur 10 est proportionnel à (1 + e). On pourrait aussi filtrer le signal fourni par le récepteur optique (en amont ou en aval de l'amplificateur 10) pour éliminer la composante continue KPo et ne garder que la composante de bruit K Po e. Cette composante de bruit peut être appliquée au modulateur électrique 12 pour fournir un signal M' = M(1 - e), en choisissant le gain de l'amplificateur 10 en fonction des coefficients K2 et K3 comme on montrera que c'est possible à propos de la figure 4. D'autre part, l'ajustement de phase nécessaire entre le signal de bruit e contenu dans le signal laser à moduler et celui du signal de modulation M est ici réalisé par adaptation de la longueur des fibres optiques; mais un circuit déphaseur pourrait également être utilisé. Ces dispositifs décrits nécessitent que la polarisation de l'onde optique soit maintenue entre le laser et le modulateur optique, les performances de ce dernier dépendant de ce maintien. En conséquence, le coupleur en sortie du laser et la fibre optique entre le coupleur et le modulateur doivent généralement être à maintien de polarisation. Une variante des dispositifs décrits ci-dessus permet de s'affranchir de ce coupleur spécifique qui est crd'un coût élevé. Elle permet également d'avoir une fibre optique entre laser et modulateur optique aussi courte que possible. Elle est décrite à la figure 4. Un laser 14 est relié par fibre optique à un modulateur optique 15. Sur l'une des sorties P+ ou P- de ce modulateur est branché un coupleur optique 16 qui récupère une petite partie du signal optique pour le transmettre, via une fibre optique branchée sur sa sortie couplée, à un récepteur optique 17 constitué d'un transducteur optoélectronique. Un amplificateur 18 relié en sa sortie amplifie et filtre le signal électrique. Cet amplificateur est relié à un déphaseur 19 dont la sortie fournit un signal de modulation C à un modulateur électrique 20. Ce modulateur 20 reçoit sur une deudxième entrée le signal M à moduler et fournit en sa sortie le signal modulé M qui est envoyé sur l'entrée de modulation du modulateur optique 15. L'amplificateur 18 extrait le bruit du laser e qui se trouve dans les fréquences basses et qui traverse le modulateur optique, pour moduler le signal M et fournir un nouveau signal de modulation M' de la forme M(1-e), un tel signal limitant la dégradation du signal modulant M par le bruit du laser comme indiqué précédemment. Pour ce faire, les éléments constitutifs du dispositif satisfont les conditions calculées ci-après. Le signal P- en sortie du modulateur optique est de la forme: i P- =Po(I+ e) ( - M') Si K1 est le coefficient de couplage du coupleur 16, ql le rendement ou coefficient de réponse en ampèreslwatt du récepteur optique 17 et RT la résistance de transfert calculée de l'amplificateur 18, la tension de sortie S de l'amplificateur a pour valeur: S=K, RTr P- =K, 1RT Po(1+e) (2- M') (On suppose que le récepteur 17 fournit un courant mais le s raisonnement serait analogue s'il fournissait une tension). En fait la bande passante de l'amplificateur est telle que les signaux continus et les signaux à la fréquence de modulation sont éliminés, ce filtrage pouvant également être effectué par un filtre séparé. Le terme continu Ki1iRTPo/2 disparaît; le terme proportionnel à M' représentant un signal radiofréquence disparaît également. En tenant compte de ce filtrage la sortie S de l'amplificateur 18 prend donc pour valeur: _K S= KI RT P. ie Le modulateur électrique 20 fournit, quant à lui, un signal M' à partir crd'un signal M à moduler et crd'un signal de modulation C qui, crd'une manière générale, peut être mis sous la forme: M'=K2 CM+K3M o K2 représente l'efficacité du modulateur 20 et K3 est lié aux pertes cd'insertion du modulateur. Si le signal C modulant le signal M est la tension S, alors le signal de modulation M' du modulateur optique 15 prend la valeur: M'=K2 CM + K3M = K1 K2 RT Po qleM+K3 M Pour que ce signal M' soit proportionnel à M (1e) et plus particulièrement K3M (1 - e), les différents coefficients satisfont la relation: K1 K2 RT Po i = -2K3 K1K2 = 2 K3 RTPO1 Pour s'affranchir d'éventuelles variations de la puissance Po du laser, ramplificateur 18 pourra être' réalisé de manière à ce que sa résistance de transfert RT soit inversement proportionnelle à Po. Le signal C correspond en fait au signal S après déphasage. Le circuit de déphasage 19 permet de maintenir la condition de phase entre le signal de correction C transmis au modulateur électrique et le signal à corriger, c'esti-dire un déphasage nul entre le signal de bruit e contenu dans le signal P- et le signal de correction C; le déphaseur réalise s un déphasage qui, associé à une inversion de phase dans le récepteur optique et au déphasage dû à la boucle, entraîne un déphasage de 360- au voisinage de la fréquence du pic du spectre de bruit de relaxation qui est un spectre étroit autour de 200 KHz dans le cas crd'un laser de type Verre- Erbium. Le temps de retard dans la boudcle est de l'ordre de 150 ns, ce qui correspond à un déphasage d'une dizaine de degrés pour un signal à la fréquence de 200 KHz. Ainsi le déphasage réalisé par le déphaseur 19 est de l'ordre de 170 . Concernant le modulateur électrique 20, ce dernier doit être apériodique vis à vis du signal de modulation, c'est à dire que son action sur le signal RF ne doit pas dépendre de la fréquence RF. De même qu'on l'a expliqué à propos de la figue 3 on pourrait utiliser dans la figure 4 un soustracteur si l'amplificateur 18 fournit un signal proportionnel à 1 + e, c'est-i-dire sans filtrer la composante continue et en ne filtrant que les fréquences du signal de modulation M'. D'autre part et d'une manière plus générale, le choix d'un modulateur optique avec deux sorties complémentaires n'est pas indispensable pour la réalisation de l'invention, bien qu'il permette d'alimenter simultanément par exemple deux séries d'abonnés à un réseau de transmission optique par câble par l'exploitation simultanée de ces deux sorties. Le couplage permettant d'alimenter le récepteur optique et le modulateur électrique peut, bien évidemment, être réalisé indifféremment sur l'une de ces deux sorties. Un schéma pratique de la boudcle de contre-réaction agissant sur le modulateur électrique du dispositif de la figure 4 est représenté en figure 5. Elle est constituée successivement d'un récepteur optique + amplificateur recevant le signal optique provenant du coupleur optique et comportant une photodiode et un amplificateur avec résistance variable pour le réglage du gain de la boucle, d'un déphaseur comportant un circuit inverseur suivi de 2 circuits à transistors complémentaires avec résistance ajustable pour le réglage du déphasage souhaité puis d'un modulateur électrique constitué d'un transistor FET à arséniure de gallium agissant comme résistance variable. Le signal de modulation d'origine est transmis sur rentrée RF et la sortie RF est reliée à l'entrée du modulateur optique. REVENDICATIONS I - Tête d'émission optique composée d'un laser (6,14) émettant un signal de puissance lumineuse moyenne Po et de puissance instantanée Po (1+e), e étant la puissance de bruit superposée au signal, rapportée à la puissance moyenne Po, et d'un modulateur optique externe (8,15) pour moduler le signal optique provenant du laser à partir d'un signal électrique de modulation M, caractérisée en ce que le signal de modulation M' appliqué directement au modulateur optique (8,15) est un signal électrique proportionnel à M (1-e). 2 - Tête d'émission optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le signal de modulation M traverse, pour fournir le signal M', un modulateur électrique (12,20) dont l'entrée de modulation est alimentée par un signal électrique C réalisé à partir du signal optique et dont la sortie modulée M est proportionnelle à CM. 3 - Tête d'émission optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le signal de modulation M traverse, pour fournir le signal M', un modulateur électrique (12,20) dont l'entrée de modulation est alimentée par un signal électrique C réalisé à partir du signal optique et dont la sortie modulée M' est de la forme M' = K2 CM+K3 M, K2 et K3 étant des constantes. 4. Tête d'émission optique selon la revendication 3, caractérisée en ce que le signal électrique C est réalisé au moyen d'un coupleur optique (7) branché en sortie du laser (6) pour prélever un signal optique, d'un récepteur optique (9) pour transformer le signal optique prélevé en un signal électrique de telle manière que le signal obtenu est proportionnel à Po(1 + e), d'un filtre pour éliminer du signal électrique la composante continue, d'un amplificateur (10) de gain inversement proportionnel à Po pour amplifier le signal électrique avant ou après le filtrage. - Tête d'émission optique selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le signal électrique C est réalisé au moyen d'un coupleur optique (7) branché en sortie du laser (6) pour prélever un signal optique, d'un récepteur optique (9) pour transformer le signal optique prélevé en un signal électrique de telle manière que le signal obtenu est proportionnel à Po(1l+e), crd'un amplificateur (10) de gain inversement proportionnel à Po pour amplifier le signal issu du récepteur optique (9) puis d'crun soustracteur (11) pour soustraire ce signal amplifié à une valeur de référence. 6 - Tête d'émission optique selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le signal électrique de modulation C est réalisé au moyen d'un coupleur optique (16) branché en sortie du modulateur optique (15) pour prélever un signal optique, d'un récepteur optique (17) pour transformer le signal optique prélevé en un signal électrique, d'un filtre pour extraire du signal électrique la composante en Po (1 +e) en éliminant les composantes aux fréquences de modulation et au dessus, d'un amplificateur de gain inversement proportionnel à Po pour amplifier ce signal avant ou après le filtrage puis d'un soustracteur pour soustraire ce signal amplifié et filtré à une valeur de référence. 7 - Tête d'émission optique selon la revendication 3, caractérisée en ce que le signal électrique de modulation C est réalisé au moyen d'un coupleur optique (16) branché en sortie du modulateur optique (15) pour prélever un signal optique, d'un récepteur optique (17) pour transformer le signal optique prélevé en un signal électrique, d'un filtre pour éliminer du signal électrique les composantes aux fréquences de modulation et au- dessus et la composante continue, d'un amplificateur de gain inversement proportionnel à Po pour amplifier le signal électrique obtenu avant ou après filtrage. 8 - Tête d'émission optique selon la revendication 4, 5, 6 ou 7 caractérisée, en ce que le gain de l'amplificateur (10) est commandé à partir du signal de sortie d'un filtre passe-bas (13) branché en parallèle sur la sortie du récepteur optique (9) et de. fréquence de coupure telle que les fréquences de bruit correspondant au signal e sont éliminées pour fournir une sortie proportionnelle à la puissance moyenne du laser Po. 9 - Tête d'émission optique selon la revendication 7, caractérisée en ce que le signal électrique de modulation C est réalisé au moyen d'un coupleur optique (16) de coefficient de couplage K1 branché en sortie du modulateur optique (15) pour prélever un signal optique, d'un récepteur s optique (17) de rendement il relié à un amplificateur avec filtrage (18) de résistance de transfert RT pour transformer le signal optique issu de la sortie couplée du coupleur optique (16) en un signal électrique puis l'amplifier et le filtrer de manière à supprimer la composante continue et les composantes aux fréquences de modulation du signal prélevé pour ne conserver que le signal de bruit aux fréquences basses, le coupleur (16), le récepteur optique (17), l'amplificateur (18) et le modulateur électrique (20) satisfaisant à la relation K!K2 _ 2 K3 RTPo 1 - Tête d'émission optique selon les revendications 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caractérisée en ce qu'un déphaseur (19) est interposé entre la sortie du récepteur optique (9,17) et l'entrée de modulation du modulateur électrique (12, 20) pour réaliser un déphasage tel que les composantes bruit du signal de modulation M' et du signal optique en entrée du modulateur optique (15) sont en opposition de phase.