Brevet FR2739507A1 — publié le 19970404

La présente invention concerne le domaine des dispositifs de modulation en ligne pour système de transmission optique. On s'oriente de plus en plus pour les télécommunications longues distances, vers les techniques de transmission par fibres optiques, qui permettent des communications fiables à des débits de transmission de données élevées. Cependant, quel que soit leur type de modulation (solitons ou modulation Rz par exemple), les impulsions véhiculées dans les fibres, subissent des déformations au cours de leur propagation. Pour résoudre ce problème, les systèmes de télécommunications longues distances par fibres optiques comportent des dispositifs de répétition en ligne qui effectuent une resynchronisation et une remise en forme des impulsions transmises. Ces dispositirs de répétition sont répartis régulièrement sur les lignes de fibres optiques, par exemple tous les 50km. On a par ailleurs déjà proposé différentes dispositions de contrôle actif dans une ligne de transmission optique, pour augmenter la portée, le débit ou l'espacement entre répéteurs des systèmes de communication par fibre optique. Une méthode efficace consiste à insérer, sur la ligne, un modulateur dont le signal de commande varie périodiquement à la fréquence base du rythme des données (par exemple 20 GHz pour 20 Gb/s). Associé à un filtrage spectral, la modulation en ligne remet enforme les impulsions, notamment de type soliton, diminue leur gigue et réduit le bruit. Une telle modulation en ligne s'applique en particulier aux systyèmes sous-marins ou terrestres à longue portée. On a par exemple proposé dès le début de 1986, dans le document JP-A62189830, un dispositif de répétition optique du type illustré sur la figure 1 annexée, comprenant un amplificateur optique d'entrée 10, un isolateur 11, et un laser semi-conducteur bistable 12 montés en cascade sur la ligne, ainsi qu'une résistance 13 de détection des changements du courant injecté dans l'amplificateur d'entrée 10, sous l'influence de la lumière appliquée à l'entrée de cet amplificateur, et un circuit extracteur d'horloge 14, sensible à la tension présente aux bornes de ladite résistance 13, et dont le signal de sortie est appliqué à une électrode du laser 12. Ce dispositif ne donne cependant pas totalement satisfaction. En particulier il est limité en fréquence et présente un bruit de fond important. Il a donc été abandonné au profit de dispositions du type illustré sur la figure 2 comprenant un coupleur 20 pour prélever en entrée une partie du signal optique, une photodiode rapide 22 pour détecter ce signal, et un extracteur d'horloge 24 pour amplifier et traiter le signal détecté avant son application sur un modulateur 26 avec un retard réglable pour la synchronisation. L'intérêt de la modulation en ligne a été démontré par Nahazawa et al. sur une transmission de type soliton à 10Gb/s sur une distance illimitée: [1] M. Nakazawa, E. Yamada, H. Kubota, K. Suzuki, lOGb/s soliton data transmission over one million kilometers", Electron. Lett., vol. 27, p. 1270, 1991. Nakazawa a réalisé sa démonstration avec un modulateur en ligne de type interféromètre Mach-Zehnder sur substrat [iNbO3. Il a été démontré qu'avec ce type de configuration, l'espacement entre amplificateurs pouvait être augmenté d'un facteur 2 (soit par exemple de 50 à 100km): [2] G. Aubin, T. Montalant, J. Moulu, B. Nortier, F. Pirio, J.B. Thomine, "Record amplifier span of 105km in a soliton data demonstration experiment at 10 Gb/s over one million kilometer", Electron. Letter, vol. 3, p. 217, 1995. Cela doit permettre en théorie une réduction substantielle du coût d'un système tansocéanique. Toutefois, l'utilisation en ligne de ce type de modulateur n'est pas très réaliste car la transmission optique d'un modulateur LiNbO3 dépend fortement de l'état de la polarisation de la lumière. En outre, les modulateurs LINbO3 nécessitent une forte tension de commande et entrainent une dérive lente du point de fonctionnement (d'o une dégradation de la transmission). Pour tenter de remédier au problème de sensibilité à l'état de polarisation de la lumière, il a été proposé d'utiliser deux modulateurs sur substrat LiNbO3 en configuration orthogonale: [3] M. Nakazawa, K. Suzuki, H. Kubota, E. Yamada, Y. Kimura, "20Gb/s-3000 km straight line soliton transmission beyond Gordon-Hauss limit", optoelectronics conference (OEC'94), postdeadline proceedings, p. 6. Plus récemment, il a été proposé, pour éliminer les inconvénients précités des modulateurs LiNbO3, d'utiliser un modulateur électroabsorbant pour assurer la modulation en ligne du signal: [4] G. Aubin, E Jeannery, T. Montalant, J. Moulu, F. Pirio, J.B. Thomine, F. Devaux, '20 Gb/s soliton transmission over transoceanic distances with a 105 km amplifier span", Electron. Lett., vol. 31, n 13, p. 1079, 1995. Cependant, les dispositifs précités ne donnent pas entièrement satisfaction. En particulier, l'ensemble de ces dispositifs connus nécessitent un environnement complexe.. La présente invention a maintenant pour but de perfectionner les dispositifs connus de modulation en ligne pour système de transmission optique. Ce but est atteint selon l'invention grâce à un dispositif de modulation en ligne comprenant: - des moyens de détection aptes à détecter une partie du signal transmis sur la ligne, - des moyens de modulation, et - un circuit de commande réglable pour la synchronisation, qui assure une extraction d'horloge à partir du signal issu des moyens de détection, et génère, sur la base de cette horloge, et applique aux moyens de modulation, un signal de commande de modulation, caractérisé par le fait que les moyens de détection et les moyens de modulation sont constitués respectivement de la section d'entrée et de la section de sortie d'un modulateur électroabsorbant formé d'un composant intégré à deux sections, de sorte que lesdits moyens de détection et de modulation puissent être placés sur la ligne sous forme d'une insertion unique. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels: - les figures 1 et 2 précédemment décrites représentent deux dispositifs conformes-à l'état de la technique, - la figure 3 représente une vue générale d'un système de transmission optique conforme à la présente invention, - la figure 4 représente une vue schématique d'undispositif de modulation en ligne conforme à la présente invention, - les figures 5, 6, 7 et 8 illustrent schématiquement quatre variantes de réalisation de modulateur électroabsorbant conforme à la présente invention, et - les figures 9, 10 et 11 représentent schématiquement trois variantes de réalisation de circuit de commande conforme à la présente invention. Le système de trapsmission optique conforme à la présente invention, représenté sur la figure 3 annexée, comprend en entrée des moyens 30 pour la génération de trains d'impulsions optiques modulées, un circuit de fibres optiques 40 pour la propagation des impulsions précitées, de moyens 50 pour la détection et le décodage de ces impulsions en sortie du circuit de fibres 40, et au moins un dispositif de modulation en ligne 60, pour la remise en forme des trains d'impulsions optiques, de préférence plusieurs de tels dispositifs 60, régulièrement disposer sur la ligne 40. Les moyens générateurs 30 comprennent de préférence une source laser 32 et un modulateur 34 commandé par une unité de gestion 36. Les moyens détecteurs 50 comprennent par exemple une photodiode 52 qui convertit le signal optique qu'elle reçoit en un train d'impulsions électrique, le signal est envoyé d'une part sur un circuit de récupération d'horloge 54 et d'autre part, avec le signal d'horloge récupéré, sur une unité de traitement 56 pour le décodage du signal transmis. Le dispositif de modulation 60 conforme à la présente invention comprend essentiellement un modulateur électroabsorbant 70 et un circuit de commande 80. Les modulateurs électroabsorbants sont formés de guides d'ondes dont le matériau de coeur présente une abosorption qui est commandable en fonction de la tension qu'on lui applique. Plus précisément dans le cadre de la présente invention, le modulatur. électroabsorbant 70 est un modulateur à deux sections 71, 79: une première section 71 qui reçoit en entrée les trains d'impulsions optiques véhiculés sur la ligne 40 et assure la détection d'une partie du signal ainsi transmis, et une seconde section 79 qui assure la modulation de ces impulsions. Le circuit de commande 80 comprend un module 82 qui assure une extraction d'horloge à partir du signal issu de la première section 71, et un module d'amplification et de retard ajustable pour générer un signal de commande de modulation appliqué à la section section 79, afin de moduler le signal optique non absorbé par la première section 71. La structure de base du modulateur 70 est similaire à celle d'un modulateur électroabsorbant,classique suivant l'état de l'art. Le matériau actif 73 est inséré dans le coeur d'un guide d'onde, entre un substrat 72 d'un premier type (par exemple n) et une couche de confinement 74 d'un second type (par exemple p). Des dopants sont ajoutés dans les différentes couches de matériaux semi-conducteurs afin de constituer une diode p-i- n. L'isolation électrique se fait au niveau des régions i et p (respectivement n) pour un substrat 72 de type (respectivement p). L'invention permet de regrouper les fonctionnalités du coupleur en fibre optique 20 et de la photodiode rapide 22 conforme à l'état de la technique, sous forme de la première section 71, avec le modulateur électroabsorbant 79, sur un même substrat 72. La première section 71 du modulateur 70 est utilisée comme photodiode à prélèvement ajustable (50% par exemple). Le taux de prélèvement est réglé par la tension de polarisation. Les deux sections 71, 79 étant intégrées dans un même composant, le signal haute fréquence appliqué sur la section modulation 79 est partiellement induit au niveau de la première section 71, servant à la détection. Ce signal pourrait intégrer avec le courant détecté et provoquer une oscillation auto-entretenue de l'ensemble. Pour pallier les risques de diaphonie, diverses approches sont proposées tant au niveau du composant 70 formant modulateur, qu'au niveau de circuit de commande 80. Selon une première variante schématisée sur la figure 5, l'isolation entre les deux sections 71, 79 peut être réalisée par implantation ionique puis recuit dans une zone courte 75 du guide, par exemple d'environ 10[m, dans la couche de confinement 74 et une partie des couches de matériau actif 73 formant le coeur. Le matériau ainsi traité présente une résistivité élevée. Selon une seconde variante schématisée sur la figure 6, l'isolation entre les deux sections 71, 79 peut être obtenue par attaque d'une zone courte du guide et remplissage de celle-ci à l'aide d'un matériau électriquement isolant 76 (semi-conducteur non dopé, semi-isolant, diélectrique, etc...). Selon d'autres variantes schématisées sur les figures 7 et 8, l'isolation entre les deux seçtions 71 et 79 est obtenue par séparation spatiale des deux sections. La diaphonie est ainsi diminuée en augmentant la distance entre les deux sections 71 et 79 par insertion d'un guide d'onde optique. Plus précisément, selon la variante illustrée sur la figure 7, on peut prévoir une section centrale 77 délimitée par deux isolations électriques 770, entre les deux sections 71, 79. L'injection d'un courant dans la section centrale 77 permet de disposer d'un milieu faiblement absorbant ou présentant un gain entre les deux sections 71, 79. Selon la variante illustrée sur la figure 8, une large portion du guide d'onde est gravée entre les deux sections 71, 79 et les matériaux constituant un guide d'onde à faibles pertes 78 sont repris par une deuxième épitaxie, dans cette zone gravée. La première section 71, qui joue le rôle de photodiode, convertit partiellement le signal optique recu en entrée, en un signal électrique. Le module 82 a pour fonction d'extraire, à partir de ce signal véhiculant de l'information à une fréquence rythme f, un signal de commande de même fréquence f. Celui-ci est ensuite amplifié et retardé pour être en phase aves les impulsions optiques transmises de la première section 71 vers la seconde section, au moment o elles passent dans la section modulateur 79. Ce retard peut être préréglé ou ajustable. Un asservissement du retard peut également être réalisé conformément aux enseignements du document FR-A-2706710. Pour cela la phase du signal de commande issu du module 84 est contrôlée de telle sorte que la moyenne du photocourant issu du modulateur 79 lorsqu'il est dans son état absorbant et qu'il reçoit une impulsion optique, soit minimale. Le circuit d'extraction d'horloge 82 peut prendre différentes formes. Le plus simple est le filtrage à la fréquence fondamentale f, dans un filtre 820, suivi d'une amplification et d'un retard ajustable, dans des cellules 840, 841 prévues à cet effet dans le module de traitement 84, comme schématisé sur la figure 9. Cependant, cette méthode n'est utilisable qu'avec un composant optoélectronique de très faibe diaphonie. Ainsi, selon une première variante schématisée sur la figure 10, le module 82 extrait, à l'aide d'un filtre 821, le signal disponible au voisinage d'un sous-multiple f/m de la fréquence fondamentale (n est un entier, par exemple égal à 2), puis élevé la fréquence du signal extrait, à la puissance n, dans une cellule 822, avant de procéder à son filtrage dans un filtre 823 centré sur la fréquence fondamentale f. Le signal obtenu est ensuite soumis à une amplification 841 et à un retard réglable 842 dans le module 84. Selon la seconde variante schématisée sur la figure 11, au contraire le module 82 extrait le signal disponible au niveau d'une harmonique, par exemple l'ordre 2, à l'aide d'un filtre nxf 824 (n est un entier) puis divise la fréquence du signal extrait, par le facteur n, dans une cellule 825, avant de procéder à son filtrage dans un filtre 826 centrés sur la fréquence fondamentale f. Le signal ainsi obtenu est également soumis à une amplification 841 à un retard réglable 842, dans le module 84, pour fournir le signal de commande appliqué à la seconde section 79 du modulateur 70. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. L'utilisation d'un modulateur électroabsorbant 70 en ligne, comme proposé dans le cadre de la présente invention, présente plusieurs avantages par rapport aux dispositifs de la technique antérieure, et notamment: très grande bande passante, faible tension de commande, faible sensibilité à la polarisation de la lumière et pas de dérive lente de la transmission optique. En outre, la présente invention permet une modulation synchronisée au rythme des données, à partir d'une seule insertion sur la ligne. La présente invention peut trouver application dans tous les systèmes de communication à fibres optiques longue distance et de très haut débit. Par rapport aux dispositifs antérieurs connus, elle permet de réduire le nombre de composants requis, tout en augmentant la performance de la qualité de transmission d'une liaison à fibres optiques haut débit, ce qui permet d'accroître l'espacement entre amplificateurs (typiquement > 100km) sans dégradation de la transmission du signal, d'o une réduction du coût des liaisons de longue portée, notamment des liaisons transocéaniques. REVENDICATIONS 1. Dispositif de modulation en ligne, pour système de transmission optique, comprenant: - des moyens de détection (71) aptes à détecter une partie du signal transmis sur la ligne (40), - des moyens de modulation (79), et - un circuit de commande (80) réglable pour la synchronisation, qui assure une extraction d'horloge à partir du signal issu des moyens de détection (71), et génère, sur la base de cette horloge, et applique aux moyens de modulation (79), un signal de commande de modulation, caractérisé par le fait que les moyens de détection (71) et les moyens de modulation (79) sont constitués respectivement de la section d'entrée et de la section de sortie d'un modulateur électroabsorbant (70) formé d'un composant intégré à deux sections, de sorte que lesdits moyens de détection (71) et de modulation (79) puissent être placés sur la ligne (40) sous forme d'une insertion unique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le modulateur électroabsorbant (70) comprend des moyens (75; 76; 78) limitant la diaphonie. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le modulateur électroabsorbant (70) comprend une zone d'implantation ionique (75) entre les deux sections (71, 79). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le modulateur électroabsorbant (70) comprend une zone de matériau isolant (76) entre les deux sections (71, 79). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le matériau (76) est choisi dans le groupe comprenant: un semi- conducteur non dopé, un semi-isolant ou un diélectrique. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le modulateur électroabsorbant (70) comprend une section centrale (77) délimitée par deux isolations électriques (770), entre les deux sections (71, 79). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens aptes à injecter un courant dans la section centrale (77). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé S par le fait que le modulateur électroabsorbant (70) comprend, entre les deux sections (71, 79), une zone (78) de matériau constituant un guide d'onde à faibles pertes, réalisée par une deuxième épitaxie, après gravure, dans le modulateur. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le circuit de commande (80) comprend des moyens (820) adaptés pour extraire une partie du signal à la fréquence fondamentale (f). 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le circuit de commande (80) comprend des moyens (821; 825) limitant la diaphonie. 11. Dispositif selon l'une des revendications i à 8 et 10, caractérisé par le fait que le circuit de commande (80) comprend des moyens (821) adaptés pour extraire une partie du signal à une fréquence (f/n) sous multiple de la fondamentale (f) et des moyens (822) aptes à élever à la puissance n la fréquence du signal extrait. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 et 10, caractérisé par le fait que le circuit de commande (80) comprend des moyens (824) adaptés pour extraire une partie du signal à une fréquence (nxf) harmonique de la fondamentale (f) et des moyens (825) aptes à diviser la fréquence du signal extrait pour obtenr la fondamentale (f). 13. Dispositif selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé par le fait que le circuit de commande (80) comprend en outre un filtre (823, 826) à la fréquence fondamentale (f) en sortie des moyens d'extraction d'horloge (82). 14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que le circuit de commande (80) comprend une cellule d'amplification (840) et une cellule de retard réglable (841). 15. Système de télécommunications longues distances par fibres optiques comportant: - des moyens (30) pour la génération de trains d'impulsions optiques modulées, - des moyens (50) pour la détection et le décodage de ces impulsions, - un circuit (40) de fibres optiques pour la propagation des impulsions entre les moyens de génération (30) et les moyens (50) de récupération et de décodage, et - au moins un dispositif (60) de modulation en ligne selon l'une des revendications 1 à 14, pour la remise en forme en ligne des trains d'impulsions.