Brevet FR2797331A1 — publié le 20010209

DIFFERENCIATEUR OPTIQUE Domaine de l'invention L'invention se situe dans le domaine des dispositifs destinés à créer un signal de différence entre deux signaux optiques. L'invention est applicable en particulier à un dispositif de reconstitution d'un signal optique de transmission de données, en particulier un signal de type rectangulaire, par exemple un signal codé sans retour à zéro. L'invention est applicable également pour la génération d'un signal d'horloge à une fréquence double de la fréquence d'horloge d'un premier signal. Arrière plan technologique Un article de H. K. LEE et al intitulé "All fibre optic clock recovery from non return to zero format data" paru dans le journal "Electronics letters" vol 34 n 5 de mars 1998, (document 1) décrit un dispositif de reconstitution d'un signal d'horloge à partir d'un signal optique de transmission de données codées dans un code ne comportant pas de retour à zéro (code NRZ). Une partie amont du dispositif décrit dans cet article est un différentiateur à fibre optique permettant de générer à partir du signal au code NRZ, un signal avec pseudo retour à zéro, (PRZ). Le signal PRZ ainsi constitué à partir du signal NRZ est utilisé ensuite de façon connue pour verrouiller des moyens auto oscillants. Dans le cas décrit dans l'article il s'agit d'une cavité fibre laser en mode verrouillé comportant une boucle optique à miroir non linéaire (non linear optical loop mirror; NOLM). Le dispositif différentiateur amont comporte une structure interférométrique asymétrique de Mach Zehnder ayant deux bras, l'un comportant un retard T de 300 ps sous forme d'une longueur additionnelle de fibre de 6 cm. Le signal NRZ est introduit dans chacun des bras de la structure interférométrique asymétrique de Mach Zehnder au moyen d'un coupleur 3 dB recevant le signal NRZ. Il convient de préciser pour la suite de l'exposé que dans le dispositif expérimental décrit dans cet article le signal NRZ était généré sur place au moyen d'une diode laser accordable dont l'onde continue de sortie était modulée dans un modulateur recevant un signal de modulation NRZ délivré par un générateur d'un tel signal. Il convient encore de rappeler pour une bonne compréhension de la suite de l'exposé que le retard t représente comme expliqué dans l'article en colonne 1 de ia page 479, la largeur à 3dB des impulsion constituant le signal différentiel de sortie. Pour que la condition destructive des signaux présents dans chacun des bras de la structure interférométrique asymétrique de Mach Zehnder soit remplie, il faut que ce retard T soit égal à un nombre impair de demi périodes de l'onde porteuse continue. Pour obtenir ce résultat, il faut comme expliqué dans l'article en haut de la colonne 2 de la page 479, soit faire varier la longueur d'onde de cette porteuse jusqu'à obtenir la condition de destruction, soit faire varier la longueur de fibre provoquant le retard entre les signaux se propageant dans chacun des bras. Pour des raisons évidentes de simplicité de réalisation les auteurs ont choisi une diode de génération de l'onde continue, accordable avec une résolution suffisante pour obtenir un réglage de longueur d'onde permettant d'obtenir un déphasage remplissant la condition de destruction. Le dispositif expérimental décrit dans cet article a permis d'obtenir un signal PRZ à partir d'un signal NRZ au taux de 1,5 gigabits par seconde. Ce signal PRZ est ensuite utilisé pour verrouiller un signal d'horloge reconstituant le signal d'horloge du signal NRZ. On remarque que dans le dispositif expérimental décrit dans cet article, la longueur d'onde de l'onde porteuse du signal est disponible sur place, et que donc il est facile d'agir sur elle pour la régler et obtenir ainsi la condition destructive supposant un déphasage de (2k +1)n entre les signaux circulant dans chacun des bras de l'interféromètre. Le dispositif décrit dans cet article est difficilement susceptible d'application industrielle car, en pratique, on veut reconstituer le signal d'horloge au niveau d'un régénérateur à partir d'une onde porteuse d'un signal NRZ dont la longueur d'onde est à priori inconnue. De plus, la stabilité de l'onde porteuse est susceptible d'être insuffisante pour garantir, sur le long terme, la condition de destruction. C'est pourquoi il existe un besoin pour un dispositif permettant de différencier deux signaux dont l'un est retardé par rapport à l'autre, c'est à dire un dispositif dans lequel le retard entre les deux signaux puisse être contrôlé pour maintenir une différence de marche qui soit en permanence égale ou proche de (2k +1)z. Brève description de l'invention. Selon l'invention le problème de l'ajustement de phase entre un premier signal et un second signal retardé par rapport au premier, pour obtenir la condition d'interférence destructive est résolu par un dispositif dans lequel on dispose d'un moyen de création d'une onde continue. Cette onde continue est envoyée dans une première voie comportant un milieu dont l'indice de réfraction n, est variable en fonction d'une caractéristique du signal, par exemple la fréquence ou la puissance optique traversant le milieu. Ce même milieu dont l'indice de réfraction n, est variable en fonction d'une caractéristique du signal, par exemple la fréquence ou la puissance optique le traversant reçoit le premier signal en sorte que l'indice n du milieu est modulé par les niveaux haut et bas de la caractéristique du premier signal. Cette onde continue est également envoyée dans une seconde voie comportant un milieu dont l'indice de réfraction n, est variable dans les mêmes conditions. Ce même milieu de la seconde voie reçoit le second signal en sorte que l'indice n du milieu est modulé par les niveaux haut et bas du second signal. En modifiant, par exemple, le niveau de puissance du premier et/ou du second signal, on modifie l'indice n du premier et/ou du second milieu, et donc le temps de traversée de ce milieu par l'onde optique continue qui les traverse. On peut donc de la sorte ajuster le retard d'une des voies par rapport à l'autre pour obtenir un battement destructif entre le premier et le second signal. Lorsque l'on fait interférer l'onde continue ayant suivi la première voie et l'onde continue ayant suivi la seconde voie, ces deux ondes ayant entre elles un déphasage de a, on fait la différence entre une onde modulée par le premier signal et une onde modulée par le second signal. On obtient donc un signal représentatif de la différence entre le premier et le second signal. En résumé l'invention est relative à un dispositif optique de différentiation de deux signaux optiques un premier et un second, le second signal étant le premier signal retardé par rapport au premier d'un retard T comprenant: - deux voies, une première et une seconde, la première voie comportant un moyen de retard retardant de T le premier signal introduit dans cette voie, le signal retardé constituant le second signal, - des moyens de génération d'une onde continue, - dispositif caractérisé en ce qu'il comporte: - un premier milieu et un second milieu dont les indices optiques de propagation sont variables avec une caractéristique du signal optique traversant ledit milieu, disposé sur la première et la seconde voie respectivement, - des moyens pour introduire dans le premier milieu d'une part le premier ou le second signal et d'autre part l'onde optique continue, et pour introduire dans le second milieu d'une part le premier signal et d'autre part l'onde optique continue, - des moyens pour faire interférer les premier et second signaux issus du premier et du second milieu respectivement, un signal présent en sortie de ces moyens d'interférence constituant le signal de différence entre le premier et le second signal. Dans le dispositif selon l'invention, le déphasage entre le premier et le second signal est indépendant de la longueur d'onde de l'onde porteuse du signal. Les moyens de retard retardant de T le premier signal peuvent être placés indifféremment en amont ou en aval du milieu optique à indice variable. Etant donné la convention de vocabulaire retenue, lorsque le retard T est en amont du premier milieu, c'est le second signal qui est introduit dans le premier milieu, par contre si le retard t est en aval du premier milieu, c'est le premier signal qui est introduit dans le premier milieu. Les moyens d'introduction du premier signal sur les première et seconde voies peuvent être tout moyen de multiplexer un signal arrivant sur une voie et le répartissant entre deux voies, par exemple un coupleur 3 dB ou encore une structure interférométrique multimode, il en va de même pour la structure interférométrique de sortie, située en aval des premier et second milieu. Dans le mode préféré de réalisation les premier et second milieux sont à indice variable en fonction de la puissance optique qui les traverse et sont des amplificateurs optiques à semi-conducteur. Un réglage du retard de phase est obtenu par réglage du courant de polarisation de l'amplificateur, modifiant le gain de l'amplificateur et donc le niveau de puissance traversant le milieu optique. La variation de la puissance traversant le milieu optique entraîne la variation de l'indice de ce milieu. On voit ainsi que le réglage du gain entraine une variation du temps de propagation. Dans ce mode de réalisation le contrôle du retard de phase est de préférence effectué en boucle fermée de façon à minimiser le niveau moyen du signal de différence. Brève description des dessins. D'autres avantages de l'invention apparaîtront lors de la description d'un mode préféré de réalisation et de variantes qui sera effectuée ci après en regard des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente: en partie A un exemple de forme d'un premier signal, en partie B le signal de la partie A retardée, en partie C le signal de différence entre les signaux des parties A et B, en partie D un signal d'horloge reconstitué à partir du pseudo signal d'horloge représenté en partie C; - la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif selon l'invention; - la figure 3 est une vue schématique d'un dispositif selon l'invention dans lequel des interféromètres multimode servent de structure d'entrée et de sortie respectivement dans et hors des première et seconde voies; - la figure 4 est un exemple de dispositif de reconstitution d'un signal d'horloge par exemple d'un signal de transmission NRZ. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention. La figure 1 est destinée à expliquer ce que représente un signal de différence entre un premier signal et le même signal retardé. Les parties A et B de la figure 1 représentent respectivement l'enveloppe d'un signal et du même signal retardé. Il peut s'agir par exemple d'un signal de transmission NRZ. Ces signaux sont portées par une onde porteuse optique non représentée dont la longueur d'onde est très petite par rapport à la période du signal porté. Lorsque le retard entre le premier et le second signal est inférieur à la période du signal porté, le signal de différence présente comme dessiné en partie C, une impulsion dont la durée est égale au retard, chaque fois que le signal de la partie A présente un front montant ou un front descendant, c'est à dire, pour un signal numérique, chaque fois que l'on passe de 0 à 1 ou de 1 à 0. Les impulsions du signal de différence représenté en partie C représentent dans ce cas des tops d'horloge du signal NRZ. Ces tops peuvent être utilisés pour verrouiller un dispositif auto oscillant par exemple une cavité fibre laser en mode verrouillé, comme décrit dans le document cité plus haut ou encore une diode auto oscillante. La figure 2 représente un exemple de dispositif 1 selon l'invention. Le dispositif comporte deux voies 5 et 6. Une onde optique continue générée par un générateur d'onde continue 2, par exemple une diode laser, est couplée par l'intermédiaire d'un moyen de couplage 4, par exemple un coupleur 3 dB à chacune des voies 5 et 6 respectivement. Le premier signal porté par exemple par une fibre optique est également couplé par l'intermédiaire d'un moyen de couplage 3, par exemple un coupleur 3 dB à chacune des voies 5 et 6 respectivement. La première voie 5 comporte, disposé en série, un moyen de retard 7 et un milieu 10 dont l'indice de propagation n est variable en fonction de la puissance optique qui le traverse. La seconde voie 6 comporte un milieu 11 dont l'indice de propagation n est variable en fonction de la puissance optique qui le traverse. Dans le mode préféré de réalisation les milieux 10 et 11 sont constitués par des amplificateurs optiques à semi-conducteur. Dans ce mode préféré de réalisation le retard 7 et l'amplificateur optique à semiconducteur 10 de la première voie 5 étaient réalisés sur un seul et même composant. Dans le dispositif expérimental réalisé en laboratoire, il a été utilisé un composant du Heinrich Hertz Institute (HHI) (BERLIN-DE) comportant un interféromètre asymétrique de Mach Zehneder comportant deux amplificateurs optiques à semi-conducteur, quatre guides d'entrée et quatre guides de sortie. Seules les entrées et sorties utilisées sont représentées sur la figure 2. Ce dispositif génère un retard de 7 picosecondes qui s'est révélé suffisant pour obtenir un signal de différence, par exemple à partir d'un signal de transmission à 2,5 gigabits ayant une période de bit de 400 picosecondes ou d'un signal de transmission à 10 gigabits ayant une période de bit de 100 picosecondes. Le moyen de retard 7 peut aussi être réalisé à partir d'une longueur supplémentaire de fibre sur la première voie. Dans ce cas la fibre transportant le signal sur la première voie 5 est plus longue que la fibre transportant le signal sur la seconde voie 6. Cette longueur supérieure est mesurée entre les sorties respectives du coupleur 3 et l'entrée d'une structure interférométrique 8 recevant les signaux en aval des milieux 10 et 11. Le retard 7 peut aussi prendre la forme d'un composant spécifique 7 et dans ce cas il peut être placé sur la première voie 5 en aval du milieu 10 ou comme représenté en pointillés en amont du milieu 10, tout en étant en aval du point d'entrée sur cette voie, de l'onde continue en provenance du générateur d'onde continue 2. Il peut aussi comme également représenté en pointillés être en amont de ce point d'entrée de l'onde continue en provenance du générateur d'onde continue 2. Des moyens 9 de réglage d'un courant de polarisation permettent de régler le niveau d'amplification de l'amplificateur optique 10, et partant le temps de traversée d'un milieu optique présent de façon connue dans cet amplificateur. Dans le mode préféré de réalisation le réglage est effectué de façon constante et automatique grâce à une régulation il en boucle fermée tendant à minimiser la valeur moyenne d'un signal optique représentant le signal de différence directement à la sortie de la structure interférométrique 8 ou de préférence encore en aval d'un filtre 23 centré sur la longueur d'onde de l'onde continue en provenance du générateur d'onde continue 2. La boucle comporte un détecteur 22 de la puissance optique en sortie du filtre 23. Ce détecteur 22 peut être par exemple une photodiode suivie d'un circuit intégrateur. Un autre mode de réalisation sera maintenant décrit en référence à la figure 3. Le mode de réalisation représenté sur cette figure diffère du précédent par les moyens d'entrée du premier signal et de l'onde continue sur les voies 5 et 6. Un interféromètre multimode 13, par exemple de Fabry Pérot a deux entrées, une première 14 et une seconde 15. La première entrée 14 reçoit le signal. La seconde entrée reçoit l'onde continue en provenance du générateur d'onde continue 2. Deux sorties une première 16 et une seconde 17 de l'interféromètre multimode 13 reçoivent chacune l'onde continue en provenance du générateur d'onde continue 2, et le signal. Ces première 16 et seconde 17 sorties sont couplées respectivement à la première 5 et à la seconde 6 voie. Le retard 7 est placé en amont ou en aval du milieu 10 sur la voie 5. De même la sortie 19 de la voie 5 et la sortie 20 de la voie 6 sont couplées à une première 19 et à une seconde entrée d'un interféromètre multimode de sortie 18. Les entrées de cet interféromètre portent les mêmes références 19, 20 que les sorties des voies 5 et 6 car les sorties des voies 5 et 6 constituent aussi les entrées de l'interféromètre multimode 13. On notera que dans les modes de réalisation représentés figure 3 et 4, la première et la seconde voie comportent respectivement le premier milieu 10 et le second milieu 11. Elle peut aussi selon les variantes de réalisation comporter ou non le retard 7. Lorsque les voies 5 et 6 ne comportent pas le retard 7, les voies 5 et 6 et la structure interférométrique 8 ou 18, forment ensemble une structure interférométrique de Mach Zenhder symétrique, la structure est asymétrique lorsque le retard 7 est présent sur la voie 5, en aval des entrées du signal et de l'onde continue sur cette voie. Le fonctionnement du dispositif a déjà été expliqué plus haut. Le milieu 10 dont l'indice de propagation n, est variable en fonction de la puissance optique le traversant reçoit l'onde continue et le premier ou le second signal en sorte que l'indice n du milieu 10 est modulé par les niveaux haut et bas du premier signal. L'onde continue est également envoyée dans le milieu 11 dont l'indice de propagation n, est variable en fonction de la puissance optique traversant le milieu. Ce même milieu 11 de la seconde voie reçoit le premier signal en sorte que l'indice n du milieu est modulé par les niveaux haut et bas du premier signal. En modifiant le niveau de puissance du signal traversant le premier milieu 10, on modifie l'indice n du premier milieu 10, et donc le temps de traversée de ce milieu 10 par l'onde optique continue qui le traverse. On peut donc de la sorte ajuster le déphasage d'une des voies par rapport à l'autre pour obtenir un battement destructif entre le premier et le second signal. Lorsque l'on fait interférer l'onde continue ayant suivi la première voie et l'onde continue ayant suivi la seconde voie, ces deux ondes ayant entre elles un déphasage de n chaque fois que le niveau de puissance est identique dans les deux milieux 10 et 11, on fait la différence entre une onde modulée par le premier signal et une onde modulée par le second signal. On obtient donc en sortie de la structure interférométrique 8 ou 18 un signal représentatif de la différence -entre le premier et le second signal. Ce signal de préférence après filtrage par le filtre 23 peut être utilisé pour créer un signal de période constante tel qu'un signal d'horloge. Un tel dispositif 30, de création d'un signal d'horloge à partir d'un dispositif optique de différentiation 1 tel que représenté figure 2 ou 3 est représenté figure 4. Le dispositif de création d'un signal d'horloge 30 comporte un dispositif 1 selon l'une des formes de réalisation de l'invention. Le signal de différence présent en sortie de ce dispositif 1 est reçu par des moyens auto oscillants 31. Il pourra s'agir par exemple d'une cavité fibre laser en mode verrouillé, ou d'une diode auto oscillante. Dans le mode de réalisation expérimental, il a été utilisé une diode auto oscillante de HHI. Lorsque le signal à l'entrée du dispositif 1 selon l'invention est un signal de transmission NRZ, le signal de différence présent en sortie du dispositif 1 est un pseudo signal avec retour à 0 (PRZ). Lorsque ce signal PRZ est introduit dans le dispositif auto oscillant 31, on obtient de façon connue en sortie du dispositif auto oscillant 31 le signal d'horloge du signal NRZ. Lorsque le signal à l'entrée du dispositif 1 selon l'invention est un signal d'horloge, le signal de différence présent en sortie du dispositif 1 selon l'invention est un signal d'horloge ayant une fréquence double de celle du signal d'horloge d'entrée, puisqu'on a une impulsion de sortie pour chaque front montant ou descendant du signal d'entrée. La largeur de chaque impulsion d'horloge est une fonction croissante du retard t entre les deux ondes. On note que lorsque le signal d'entrée est un signal d'horloge on obtient directement sans dispositif autoscillant 31 un signal d'horloge à fréquence double. Ainsi, le dispositif 1 selon l'invention peut être utilisé pour obtenir un signal d'horloge ayant une fréquence double d'un signal d'entrée constitué par un premier signal d'horloge. REVENDICATIONS 1. Dispositif (1) optique de différentiation de deux signaux optiques un premier et un second, le second signal étant le premier signal retardé par rapport au premier d'un retard T, dispositif comprenant: - deux voies (5,6), une première (5) et une seconde (6), - des moyens (2) de génération d'une onde optique continue, - un moyen (7) de retard ', disposé sur la première voie (5), - des moyens (8) pour faire interférer les signaux issus des première (5) et seconde (6) voies respectivement, un signal présent en sortie de ces moyens (8) d'interférence constituant le signal de différence entre le premier et le second signal, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte en outre: - un premier (10) et un second (11) milieu dont les indices optiques sont variables avec une caractéristique du signal optique traversant lesdits milieux, disposé sur la première (5) et la seconde (6) voie respectivement, le moyen de retard ', étant disposé sur la première voie (5) en série avec le premier milieu (10), - des moyens (3,4,13) pour introduire sur la première voie (5) en amont du premier milieu, le premier ou le second signal et l'onde continue respectivement, - des moyens (3,4,13) pour introduire sur la seconde voie (6) en amont du second milieu, le premier signal et l'onde continue respectivement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que une sortie des moyens (4,13) d'introduction de l'onde continue sur la première voie est située en aval du moyen (7) de retard T. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que une sortie des moyens (4,13) d'introduction de l'onde continue sur la première voie est située en amont du moyen (7) de retard T. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'entrée du premier signal sur la première et la seconde voie respectivement comporte une structure (13) interférométrique multimode d'entrée ayant deux entrées (14,15) une première (14) et une seconde (15) et deux sorties (16,17) une première (16) et une seconde (17) la première entrée (14) recevant le premier signal, la seconde entrée (15) recevant l'onde continue, la première sortie (16) étant couplée à la première voie (5), la seconde sortie (17) étant couplée à la seconde voie (6). 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens (8) pour faire interférer les signaux issus des première (5) et seconde (6) voies respectivement, comportent une structure interférométrique multimode (18) de sortie ayant deux entrées (19,20) une première (19) et une seconde (20) et une sortie (21), la première entrée (19) étant couplée à la première voie (5), la seconde entrée (20) étant couplée à la seconde voie (6) la sortie de cette structure interférométrique multimode (18) de sortie constituant la sortie (21) portant le signal de différence. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (9) de réglage de l'indice optique de propagation d'un milieu d'indice variable avec la puissance optique du signal optique traversant ledit milieu, lesdits moyens agissant sur le milieu (10,11) d'indice variable de l'une au moins des voies (5,6). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les premier (10) et second (11) milieu dont l'indice optique de réfraction est variable en fonction de la puissance optique le traversant sont des amplificateurs optiques à semi-conducteur, le moyen de réglage (9) de l'indice optique étant constitué par des moyens de réglage de la valeur d'un courant de polarisation de l'un au moins, desdits amplificateurs (10,11). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre en aval de la sortie (21) portant le signal de différence des moyens de détection (22) de la puissance optique du signal de différence, un signal électrique présent en sortie de ces moyens étant couplé en retour sur les moyens de réglage (9) du courant de polarisation de l'un au moins des amplificateurs optique (10,11) de façon à minimiser la valeur de ce signal électrique. 9. Dispositif (30) de reconstitution d'un signal d'horloge d'un signal optique de transmission de données caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif optique (1) de différentiation de deux signaux optiques selon l'une des revendications 1 à 8, et des moyens (31) optiques auto oscillants déclenchés disposés en aval du dispositif (1) optique de différentiation de deux signaux optiques, ces moyens optiques auto oscillants recevant le signal de différence en provenance du dispositif optique de différentiation de deux signaux optiques, et délivrant le signal d'horloge reconstitué, le premier signal étant dans ce cas le signal optique de transmission. 10. Dispositif (30) de reconstitution d'un signal d'horloge d'un signal optique de transmission de données selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens (31) optiques auto oscillants comportent une diode laser auto oscillante. 11. Utilisation d'un dispositif (1) optique de différentiation de deux signaux optiques selon l'une des revendications 1 à 8, pour la création d'un signal d'horloge ayant une fréquence double de la fréquence d'un premier signal d'horloge.