Brevet FR2859795A1 — publié le 20050318

Convertisseur électro-optique et dispositif de connexion de type bidirectionnel comportant un tel convertisseur La présente invention à pour objet un convertisseur électro-optique et un dispositif de connexion bidirectionnel comportant un tel convertisseur. Le dispositif de connexion est du type de ceux utilisés dans le domaine des transmissions par fibres optiques, notamment mais pas seulement pour raccorder une extrémité d'une fibre optique à un circuit électronique de détection ou d'émission de rayons lumineux. Une fibre optique est utilisée essentiellement comme moyen de transport d'information, sous la forme de signaux lumineux, normalement numérisés. Ce moyen de transport présente l'avantage de résister efficacement aux bruits, notamment électromagnétiques, et de permettre par ailleurs des débits d'information très élevés. De tels débits sont requis d'une part dans les transmissions longues distances, mais depuis quelques temps, dans des transmissions entre des tiroirs superposés ou accolés d'une même armoire électronique. Par exemple des débits de 10 Gigabits par seconde, sur des distances de l'ordre ou inférieures à un mètre peuvent être mieux assurés par une liaison optique. Toutefois, le traitement dans les dispositifs informatiques actuels étant de type électronique, il importe de faire une conversion optoélectronique des signaux lumineux à traiter, à l'entrée et à la sortie de la fibre optique. En outre, les fibres optiques pouvant être aboutées les unes aux autres, il importe de pouvoir les connecter avec efficacité. Diverses solutions ont été imaginées pour résoudre ces problèmes de conversion et ou de connexion. Dans certaines solutions, il a été imaginé de fabriquer des harnais. Dans ces harnais, la fibre optique ou une nappe de fibres optiques est munie à ses deux extrémités (ou au moins à une de ses extrémités), d'une manière fixe, d'un dispositif de conversion optoélectronique. Dans ce cas, la fibre optique délivre à une extrémité, ou aux deux, des signaux électriques ou électroniques alors qu'elle peut délivrer à une autre extrémité des signaux optiques. L'inconvénient présenté par ce type de solution est d'une part le coût engendré par cette intégration de moyens. D'autre part la maniabilité de la fibre en est fortement réduite. En effet, on comprend aisément que la longueur de la fibre ne peut pas être ajustée aussi facilement qu'on le voudrait, a fortiori si elle est munie de part et d'autre de circuits électroniques de conversion sertis aux bouts des fibres. Dans ce cas, il n'est pas du tout possible de la rallonger ou de la raccourcir. II ne reste qu'à l'échanger contre un autre harnais de taille différente, mais de coût élevé lui aussi. Par ailleurs la présence du circuit électronique de conversion amène à réaliser à l'extrémité de la fibre optique un embout dont l'encombrement est gênant s'il faut enfiler la fibre dans des orifices étroits pour conduire les signaux d'un endroit à un autre. Pour résoudre ce problème, on peut prévoir des dispositifs de connexion et de conversion optoélectronique, c'est-à-dire ayant des ports d'entrée sortie optiques d'une part et des ports de sortie et d'entrée électriques (électroniques) d'autre part. Ces dispositifs de connexion et ou de conversion sont connectés d'une part à des fibres optiques. D'autre part, ils sont connectés à des circuits électroniques. Par ailleurs, le mode de transmission dans les fibres optiques peut dépendre de la nature monomode ou multimode de la fibre et ou du dispositif d'injection des rayons lumineux dans la fibre. Ensuite, lors de l'injection ou de l'extraction des rayons lumineux d'une fibre optique, il importe de concentrer ces rayons au maximum sur le coeur de la fibre, dont le diamètre est de l'ordre de dix micromètres pour une fibre monomode (alors qu'ils sont de l'ordre de 50 ou de 62,5 micromètres pour des fibres multimodes). En pratique, on assiste alors à une déperdition volumique, les rayons lumineux se dispersant dans un cône d'ouverture large, typiquement de l'ordre de vingt degrés. Seuls les rayons lumineux situés dans un angle solide sous lequel, depuis le coeur d'une fibre optique on voit une zone sensible d'un détecteur optoélectronique, ou réciproquement, sont utilisés. Cette partition dans l'angle solide réduit la puissance injectée ou prélevée. Des pertes considérables sont ainsi rencontrées lors de la conversion optoélectronique, voire lors de la connexion de plusieurs fibres optiques aboutées les unes aux autres. Pour résoudre ces problèmes, il est connu, notamment dans le document USA-5 168 537, de placer des lentilles focalisantes sur le trajet des rayons lumineux de manière à en concentrer l'énergie sur les zones utiles: le coeur de la fibre ou la zone sensible du détecteur. La mise en place de ces lentilles focalisantes est cependant, industriellement, un inconvénient car elle nécessite des manipulations d'objets microscopiques pour lesquels, par ailleurs, la mise en place doit être rigoureuse compte tenu des tolérances évoquées ci-dessus. De ce fait, les dispositifs présentés dans ce document ne sont utilisables qu'en laboratoire, pas à grande échelle. D'une manière générale, la qualité de l'injection et de la conversion optoélectronique conditionne le débit des signaux transmissibles par les fibres optiques. Un problème provient du fait que la fibre optique utilisée est soit une fibre de type monomode soit de type multimode. En effet, si le type d'injection lumineuse est de type multimode, bon marché, plusieurs modes de propagation sont présents simultanément dans la fibre. Or ces modes, différents, présentent des vitesses de propagation ou des rotations de phases telles que, selon la distance qui sépare le lieu de prélèvement du lieu de l'injection, des interférences destructrices peuvent se présenter. Il en résulte qu'un signal de type numérique, de type tout ou rien, avec des transitions brutales, sera transmis sous la forme d'un signal avec un temps de montée bien plus long que le temps de montée du signal optique d'excitation. En effet, certaines composantes spectrales subissent ces interférences. De ce fait, la bande passante de transmission de la fibre optique, en terme de Gigabits par seconde, peut être réduite du fait des déficits d'injection ou de transmission optique. Le but de l'invention est de résoudre ces problèmes de débit en adoptant une solution ne faisant notamment pas appel à des montages microscopiques qui mécaniquement demandent une précision trop grande pour pouvoir être mis en oeuvre industriellement à moindre coût. Selon l'invention, en émission on utilise une double injection optique. En pratique le signal électronique à émettre est converti par un premier transducteur électrooptique, par exemple une diode du type VCSEL, en un signal optique. Le signal optique ainsi produit est alors amplifié, optiquement, par la production d'un autre signal optique, continu, puissant, qui est aussi injecté dans la fibre optique d'émission. Les deux signaux optiques sont couplés par un coupleur optique, dans un exemple un circulateur. Un tel circulateur permet de moduler le signal optique continu puissant par le signal optique modulé émis par le premier transducteur. En agissant ainsi, on dispose d'un signal optique résultant bien mieux formaté, qui possède des qualités de forme bien supérieures. Ces qualités de forme bien supérieures permettent par exemple d'assurer un débit requis tout en choisissant des fibres optiques de qualité moindre, par exemple de type multimodes. Ou bien, une telle disposition permet de se satisfaire d'un couplage optique, de la fibre de transmission insérée dans le convertisseur, qui soit de moins bonne qualité. Ou bien l'invention permet d'allonger des distances entre des répéteurs. Dans l'état de la technique, la qualité de forme du signal optique est normalement augmentée en augmentant la tension de polarisation des transducteurs. Cette augmentation de tension de polarisation conduit à solliciter plus fortement ces transducteurs, et à en réduire corrélativement la durée de vie. Avec l'invention, le transducteur modulant n'est pas sollicité aussi fortement, sa durée de vie est bien augmentée. L'invention a donc pour objet un convertisseur électro-optique comportant un premier transducteur électro-optique recevant en entrée un signal électrique modulant et produisant en sortie un signal optique modulé par le signal électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième transducteur électro-optique, produisant en sortie un signal optique continu, et un circulateur optique recevant sur une première entrée la sortie optique du premier transducteur et sur une deuxième entrée la sortie optique du deuxième transducteur, et délivrant sur une sortie optique le signal optique modulé par le signal électrique. L'invention a encore pour objet un dispositif de connexion électrooptique de type bidirectionnel comportant un convertisseur comme ci dessus, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un transducteur optoélectronique recevant en entrée un signal optique modulé et produisant en sortie un signal électrique modulé. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent: - Figure 1: une représentation d'un convertisseur muni d'un dispositif de couplage optique selon l'invention; - Figure 2: une représentation d'une réalisation pratique d'un tel convertisseur ou d'un tel dispositif; - Figure 3: une représentation d'une réalisation pratique d'un dispositif selon l'invention complet pour montage sur un circuit imprimé. La figure 1 montre un convertisseur électro-optique 1 selon l'invention. Ce convertisseur électro-optique 1 comporte un premier transducteur électrooptique 2 recevant en entrée 3 un signal électrique, électronique, modulant. Le premier transducteur 2 produit en sortie 4 un signal optique modulé par le signal électrique. Normalement, ce signal disponible à la sortie 4 est prélevé par une terminaison 5 d'une fibre optique 6 et est acheminé vers sa destination finale. Dans l'invention, le convertisseur comporte un deuxième transducteur électro-optique 7 qui n'est pas modulé. Le transducteur électro- optique 7 produit à sa sortie 8 un signal optique continu. Le transducteur 7 est dit transducteur électro-optique parce que, dans la pratique, il est alimenté électriquement, d'une manière ou d'une autre, pour produire le signal optique continu. Comme pour le premier transducteur 2, une fibre optique 9 prélève par sa terminaison 10 le signal optique continu. Selon l'invention, les deux fibres 6 et 9 sont connectées en entrée d'un circulateur optique 11, sur des entrées respectivement 12 et 13. Le circulateur 11 est un circulateur classique, dans un exemple un circulateur à trois voies, de type rotateur de Faraday ou' circulateur à plateaux de retard, ou comportant un séparateur de faisceau par polarisation, un cristal biréfringent, un prisme, un miroir ou une lentille. Le circulateur 11 possède ainsi deux entrées 14 et 15 en relation avec les ports 12 et 13, et une sortie 16 en relation avec un port de sortie 17. Le fonctionnement d'un circulateur est tel que l'onde optique ne peut s'y propager que dans un sens, par exemple celui montré par la flèche 18. Le sens 18 conduit en particulier l'onde continue transmise par la fibre optique 9 à être modulée optiquement par l'onde optique modulée transmise par la fibre 6. De cette façon, sur la sortie 16 et le port 17, on retrouve une onde optique modulée plus puissante. Le fonctionnement du circulateur est aussi également tel que la modulation produite par le transducteur 2 ne perturbe pas le fonctionnement du transducteur 7 à onde optique continue. Au besoin, un isolateur optique 19 est placé sur le cheminement optique entre deux brins de la fibre optique 9. Cet isolateur 19 m'autorise la propagation de l'onde optique que du port de sortie 8 vers le port d'entrée 13 du circulateur 11. Dans un exemple, l'isolateur 19 est réalisé par une cellule à réseaux de Bragg. Le fonctionnement des circulateurs peut être mieux compris à la lecture de l'article: Effect of Relatively Strong Light Injection on the Chirpto Power ratio and the 3 db Bandwidth of Directly Modulated Semiconductor lasers de Gnitabouré Yabre, IEEE Journal of Lightwave Technology, volume 14, numéro 10, octobre 1996, pages 2367 et suivantes. Son intérêt peut aussi être déduit de l'article Reduction Of Nonlinear Distortion in Directly Modulated Semiconductor Lasers by Coherent Light Injection dû à Gnitabouré Yabre et Jean Le Bihan, IEEE Journal of Quantum Electronics, volume 33, numéro 7, de juillet 1997, pages 1132 et suivantes. Enfin l'amélioration de la bande passante modulée peut être comprise par l'article Enhanced Modulation Bandwidth in Injection- Locked Semiconductor Lasers dû à Simpson T.B. et Liu J.M. et paru dans IEEE Photonics Technology Letters, volume 9, numéro 10, octobre 1997. Le circulateur optique 11 reçoit donc sur sa première entrée 12 la sortie optique du premier transducteur 2 et sur sa deuxième entrée 13 la sortie optique du deuxième transducteur 7. Le circulateur 11 délivre sur sa sortie optique 17 le signal optique modulé par le signal électrique. Une fibre optique de transmission 20 avec ses terminaisons 21 et 22, est plus particulièrement utilisée pour acheminer le signal optique ainsi amplifié d'un convertisseur électro-optique à un autre convertisseur situé dans un autre équipement (par exemple distant de quelque mètres) mais le type inverse, optoélectronique. A cet égard, la figure 1 montre un dispositif complet comportant d'une part la voie d'émission qui vient d'être décrite jusqu'ici, et d'autre part une voie de réception. La voie de réception comporte à l'instar du port optique de sortie 17, un port optique d'entrée 23 dans lequel est connectée une terminaison 24 d'une fibre optique de réception 25. Le port optique de réception 23 est un port de réception d'un troisième transducteur 26, ici de type optoélectronique produisant sur une sortie électrique 27 un signal électrique de réception. On constate donc bien que, à l'endroit de l'injection optique, il y a un doublement de l'injection optique et une combinaison dans le circulateur 11 des ondes optiques injectées. La figure 2 montre une représentation pratique du dispositif de 35 connexion électro-optique montré sur la figure 1. Dans un exemple préféré, ce dispositif comporte deux ensembles disjoint mais associés. Un premier ensemble comporte un circuit électronique 28 plan muni essentiellement du premier et du deuxième transducteur électro-optique 2 et 7, ainsi que du troisième transducteur optoélectronique 26. Ces transducteurs 2, 7 et 26 sont par exemple connectés et déposés sur le circuit 28 par une technologie précise de montage en surface, notamment dans laquelle les transducteurs sont montés par des connexions par boules de soudure. Au moment de la refusion de ces boules de soudure, les transducteurs occupent sur le circuit 28 une place très précisément désignée et correspondant à une sérigraphie de ce circuit 28. Le dispositif comporte par ailleurs un deuxième ensemble 29 qui est une structure optique, optiquement connectée au circuit 28. Par exemple, cette connexion optique est obtenue par une mise en regard précise, notamment aussi par boules de soudure telles que 30 et 31, des ports d'entrée 12 et 13 du circulateur 11 avec les transducteurs 2 et 7. La structure optique 29 comporte donc à cet égard trois tronçons de fibre optique, 30 à 32, reliant respectivement le port 12 à l'entrée 14, le port 13 à l'entrée 15 et la sortie 16 au port 17. La structure 29 comporte également un autre tronçons 33 de fibre, 20 optique reliant un port d'entrée 34 à un port de sortie 35, ce dernier place précisément en regard du transducteur optoélectronique 26. La structure 29 peut être réalisé de différente façon. Par exemple une embase en verre ou en un autre matériau transparent peut être rainurée à l'endroit des tronçons 30 à 33 et recevoir dans une cavité intermédiaire le circulateur 11. Ce dernier, notamment s'il comporte un réseau de Bragg est de type passif. Il ne necessite pas d'alimentation électrique. L'embase peut être par ailleurs recouverte d'une autre structure transparente permettant ainsi de former les tronçons 30 à 33. Ces tronçons sont éventuellement remplis d'un matériau transparent, d'indice de réfraction adapté pour bien jouer le rôle de fibre optique. D'une part, la structure 29 comporte donc les ports 12, 13 et 35 en regard du circuit 28, et d'autre part elle comporte les ports 17 et 34 en regard de deux terminaisons 36 et 37 de deux fibres optiques 38 et 39 d'émission et de réception respectivement. La structure 29, notamment par la présence des tronçons 30 à 33 permet d'adapter l'écartement normalisé devant exister entre les terminaisons 36 et 37 de fibre optique à des écartements bien plus fins correspondant à la position des transducteurs 2, 7 et 26. La figure 3 montre une réalisation plus complète du dispositif de connexion bidirectionnel de la figure 2. Dans celui-ci, l'ensemble 29 et le circuit 28 sont associés d'une part entre eux, et d'autre part à un circuit électronique de connexion (et aussi de traitement) 40. Le circuit 40 présent sous forme d'une plaquette est placé à angle droit du circuit 28. Le circuit 40 est plan et est surmonté d'un radiateur 41. Une sole 42 radiante thermiquement est reliée d'une part au radiateur 41 et d'autre part au circuit 40 et au circuit 28. La sole sert à collecter efficacement l'énergie thermique produite par les transducteurs 2,7 et 26 montés sur le circuit 28. Le dispositif de la figure 3 est destiné à être monté, par exemple par une technologie de montage en surface ou par une technologie de connexion par fil (wire bonding) sur un circuit imprimé récepteur, parallèle au plan du circuit 40. Le montage ainsi préconisé est particulièrement intéressant parce que, du fait du doublement de l'émission, notamment par la présence du transducteur 26 à émission optique continue, la chaleur dissipée peut être plus importante. On montre ainsi que, dans le cas présent, la chaleur dissipée est importante sans par ailleurs augmenter la tension de polarisation du transducteur modulant 2. Elle est seulement augmentée du fait de la présence du deuxième transducteur optique 7. Les tensions de polarisation de ces deux transducteurs peuvent être plus faible. Leur tenue dans le temps est mieux assurée, sous réserve d'une dissipation efficace de la chaleur produite. 9 REVENDICATIONS 1 - Convertisseur électro-optique comportant un premier transducteur électro-optique recevant en entrée un signal électrique modulant et produisant en sortie un signal optique modulé par le signal électrique, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième transducteur électro-optique, produisant en sortie un signal optique continu, et un circulateur optique recevant sur une première entrée la sortie optique du premier transducteur et sur une deuxième entrée la sortie optique du deuxième transducteur, et délivrant sur une sortie optique le signal optique modulé par le signal électrique. 2 - Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circulateur comporte un isolateur optique directionnel placé entre le 15 deuxième transducteur et un circulateur à trois voies. 3 - Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le circulateur comporte un rotateur de Faraday, un circulateur à plateaux de retard, un séparateur de faisceaux par polarisation, un cristal biréfringent, un prisme, un miroir ou une lentille. 4 - Dispositif de connexion électro-optique de type bidirectionnel comportant un convertisseur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un transducteur optoélectronique recevant en entrée un signal optique modulé et produisant en sortie un signal électrique modulé. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte, en deux ensembles disjoints mais associés, - un premier circuit électronique muni d'un premier et d'un deuxième transducteurs électro-optiques et d'un troisième transducteur optoélectronique, et - une structure optique connectée à ce circuit comportant, d'une part, un premier et un deuxième ports de sortie pour recevoir un signal optique provenant du premier et du deuxième transducteurs électro-optiques et un port d'entrée pour injecter un signal optique dans le troisième transducteur optoélectronique, et d'autre part une terminaison de sortie de fibre optique et une terminaison d'entrée de fibre optique, les deux ports de sortie et la terminaison de sortie étant optiquement reliés au circulateur, le port d'entrée et la terminaison d'entrée étant directement reliés l'un à l'autre. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 4 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un premier circuit électronique à angle droit par rapport à un deuxième circuit électronique, le deuxième circuit électronique étant plat et étant surmonté d'un radiateur, une sole radiante thermiquement reliée au radiateur pour dissiper l'énergie thermique et le deuxième circuit étant destiné à être monté sur un circuit imprimé.