Brevet FR2955003A1 — publié le 20110708

Récepteur de signal optique L'invention se rapporte au domaine des systèmes de communication optique, en porhculierd des dispositifs permettant les communications à travers des 5 guides d'ondes multimodes. Une expérience de communication à travers un guide d'onde rnulfirnodeesf relatée dans « Fondornantals and Challenges of Optical Molfip\e'1npot Multiple-[}ufput Multimode Fiber Links », par A. Tarighat et al., 1EEE Communications Magazine, mai 2007. Toutefois, la distance de transmission est restée très modeste. 10 Des développements sont encore nécessaires pour appliquer des guides d'ondes rnul6nnodemddes transmissions de longue portée et/ou de capacité élevée. Selon un mode de réalisation, l'invention fournît un récepteur de signal optique comportant : une entrée destinée à être reliée à un guide d'onde multimode pour recevoir un l5 signal optique entrant modulé avec des données numériques, ledit signal optique entrant comportant une pluralité de modes spatiaux, une source optique pour produire un signal d'oscillateur local, une pluralité de détecteurs optiques cohérents, chacun desdits détecteurs optiques cohérents comportant un mélangeur cohérent pour produire un signal d'interférence 20 entre ledit signal d'oscillateur local et un signal optique à détecter provenant de ladite entrée, et des détecteurs photoélectriques pour produire des signaux de détection, correspondant par exemple à une composante en phase et une composante en quadrature du signa d'interférence, un ou plusieurs modules de traitement numérique pour traiter lesdits signaux de 25 détection de manière à retrouver les données numériques portées par le signal o. of/'que entrant, et un module de démultiplexage de modes agencé entre ladite entrée es détecteurs optiques cohérents, ledit module de démultiplexage de modes comportant une pluralité de filtres sélecteurs de mode associés respectivement auxdits détecteurs 30 optiques cohérents, chacun desdits filtres sélecteurs de mode étant apte à fournir au mélangeur cohérent du détecteur optique cohérent associé un signal optique à détecter correspondant essentiellornenfh un mode spofiol respectif dudit signal optique entrant. 2 Selon d'autres modes de réalisation avantageux, un tel récepteur de signal optique peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - un diviseur de faisceau est prévu distribuer edit signa optique entrant vers lesdits filtres sélecteurs de mode. ' Un ou chacun desdits filtres sélecteurs de mode comporte un guide d'onde monomode relié au mélangeur cohérent associé et un dispositif optique apte à coupler le mode spatial fondamental dudit guide d'onde monomode avec essentiellement un mode spatial choisi dudit signal optique entrant. ' Le récepteur peut comporter un guide d'onde monomode reliant ladite source lO optique au mélangeur cohérent d'un ou de chacun desdits détecteurs optiques cohérents. Ainsi la superposition des signaux dans le mélangeur cohérent peut être effectuée essentiellement dans un mode spatial fondamental, ce qui assure une bonne efficacité de la superposition cohérente, produisant un signal d'interférence d'amplitude satisfaisante. En outre, un mélangeur cohérent 15 fonctionnant avec des signaux dans le mode fondamental est le plus simple à réaliser, ce qui présente un avantage en termes de coûts et de fiabilité. - le diviseur de faisceau peut être multimode. Dans un autre mode de réalisat on, e diviseur de faisceau et les filtres sélecteurs de mode peuvent être réalisés sous orme d'un composant intégré réalisant conjointement la division du signal 20 entrant et la sélection des modes respectifs. - les filtres sélecteurs de mode sélectionnent plusieurs modes respectifs du signal optique entrant, lesdits modes respectifs comportant un mode fondamenta et un mode supérieur. . les filtres sélecteurs de mode sélectionnent plusieurs modes respectifs du signal 25 optique entrant, lesdits modes respectifs comportant plusieurs modes supérieurs. - le ou les modes supérieurs appartiennent au groupe consistant en LP02, LPll, LP21 *fLP83. - le signal optique entrant résulte de la propagation à travers ledit guide d'onde multimode d'une pluralité de composantes modales superposées, chacune 30 desdites composantes modales ayant ' modulée avec un sous-ensemble desdites données numériques au niveau d'une extrémité dudit guide d'onde multimode distante du récepteur. ' le module de traitement numérique met en oeuvre un calcul matriciel tendant à inverser les couplages survenus entre lesdits modes spatiaux respectifs au cours de la propagation dans ledit guide d'onde multimode. - Le guide d'onde peut être faiblement multimode, par exemple avec moins de 0 ~ modes à la longueur d'onde considérée. Selon un mode de réalisation, l'invention fournit également un système de communication optique comportant un récepteur susmentionné, un guide d'onde multimode relié à l'entrée dudit récepteur et un transmetteur optique relié à une extrémité dudit guide d'onde multimode distante du récepteur, ledit transmetteur optique étant apte à transmettre dans ledit guide d'onde multimode la superposition d'une pluralité de composantes modales, chacune desdites composantes modales étant modulée avec un sous-ensemble desdites données numériques. []na idée à 1a base de l'invention est que l'utilisation de fibres optiques ou autres guides d'ondes présentant une section efficace relativement élevée dans un système de communication optique est susceptible de réduire effets non-linéaires affectant es signaux transmis, ce qui pourrait favoriser l'élévation du niveau de puissance des signaux optiques pour accroître la distance de transmission. Certains aspects de l'invention partent du constat qu'une telle fibre optique est susceptible de rendre la transmission multimodale, et donc de causer des interférences inter- symboles devant être compensées du côté du récepteur pour retrouver les données. D'autres aspects de l'invention sont fondés sur l'idée de séparer un signal reçu à travers un guide d'onde multimode en une pluralité de composantes modales et de traiter des signaux de détection correspondant à ces composantes modales respectives de manière à inverser les effets de propagation. Encore d'autres aspects de l'invention sont fondés sur l'idée de réaliser une adaptation de mode entre un signal d'oscillateur local et des composantes d'un signal multimodal pour produire une détection cohérente efficace de ces composantes. Encore d'autres aspects de l'invention sont fondés sur l'idée d'utiliser un multiplexage de modes spatiaux à une longueur d'onde donnée pour obtenir une capacité de transmission totale égale à la somme des capacités d'une pluralité de modes spatiaux. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront p us clairement au cours de la description suivante 4 de plusieurs modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés. Sur ces dessins : La figure 1 est une représentation schématique fonctionnelle d'un système de transmission optique selon un mode de réalisation, 5 La figure 2 représente un mode de réalisation d'un dérnolfiplexeur de modes, pouvant notamment être utilisé dans le système de la figure 1, La figure 3 représente un mode de réalisation d'un convertisseur de o e, pouvant notamment être utilisé dans le démultiplexeur de la figure 2, La figure 4 représente un mode de réalisation d'un récepteur cohérent, 10 pouvant notamment être utilisé dans le système de la figure 1. La figure 5 représente un mode de réalisation d'un dispositif de réception optique, pouvant notamment être utilisé dans le système de la figure 1. En référence à la figure 1, un système de communication optique est schématiquement représenté. Ce système comporte un dispositif de transmission 15 optique 10, un dispositif de réception optique 30 et une ligne de transmission 20 capable de conduire des signaux optiques depuis le dispositif de transmission optique 0 jusqu'au dispositif de réception optique 30. La ligne de transmission 20 comporte une fibre optique multimode 21. La ligne de transmission peut aussi comporter bien d'autres éléments optiques nnonomodæsou multimodes non représentés ici, tels que 20 amplificateurs optiques, dispositifs de compensation de la dispersion chromatique, connecteurs, multiplexeurs à insertion-extraction, dispositifs de commutation transparents, fibres optiques de différents types et autres. Il n'est pas nécessaire id de décrire plus en détails de tels éléments communément utilisés dans les réseaux de communication optiques. 25 La fibre optique multimode 21 est une fibre optique don structure permet, à une longueur d'onde utilisée pour la communication, la propagation de plusieurs modes propres transverses. Un mode propre transverse est une distribution spatiale du champ électromagnétique dans un plan orthogonal à la direction de propagation qui reste sensiblement identique au cours de la propagation, moyennant un facteur 30 de phase longitudinal et un facteur d'atténuation longitudinal. Les modes propres transverses d'un guide d'onde, qui seront appelés modes spatiaux par mesure de concision, sont classiquement désignés par le symbole LP (pour linéairement polarisé) suivi de deux nombres entiers. Dans ce formalisme, le premier nombre représente la variation de phase du champ électromagnétique e long d'un cercle centré sur l'axe longitudinal de la fibre optique, l'unité de mesure étant 2n ; et le deuxième nombre représente la variation de phase du champ électromagnétique le long d'un rayon de la fibre optique, l'unité de mesure étant 5 La fibre multimode 2 peut supporter entre deux et plus de cent modes, selon sa conception. De préférence, la fibre optique multimode 21 est faiblement multimodale, le nombre de modes spatiaux ne dépassant pas 10, voire 3. Une telle fibre optique peut notamment présenter une section efficace relativement étendue, notamment supérieure à 300p par exemple de 400 ou 500pm2. La section 10 efficace considérée ici peut être une section efficace par mode ou une section efficace équivalente se rapportant à 10 tolérance en puissance optique totale injectée vis à vis des effets non-linéaires d'ensemble pour la propagation de plusieurs modes spatiaux. Le dispositif de transmission optique 10 engendre un ou plusieurs signaux 15 optiques modulés avec des données et injecte co ou ces signaux dans la ligne de transmission 20 qui les transporte 'usqu'ou dispositif de réception 30. Pour la simplicité de l'exposé, on considère dans on premier temps la transmission d'un signal monochromatique sur un canal de longueur d'onde donné. De même, on considère dans un premier temps un signa émis, propagé et reçu sur une seule 20 polarisation. Du fait de la structure multimodale de la fibre optique 21, le signal optique qui atteint le dispositif de réception 30 comporte plusieurs modes spatiaux à ~m longueur d'onde utilisée. Ces modes spatiaux se propagent à des vitesses de groupe différentes, ce qui entraine l'apparition de brouillages, notamment des interférences intersymboles, au cours de la propagation. Par ailleurs, des couplages 25 entre modes sont possibles au cours de la propagation, notamment au niveau des multiples soudures de fibres, accentuant le brouillage. Le dispositif de réception 30 met en oeuvre une détection optique cohérente et un traitement numérique des signaux de détection pour compenser notamment la dispersion multimodale et retrouver les données transmises. Pour cela, le dispositif de réception 30 comporte un démultiplexeur de modes 3l dont une entrée 32 est reliée à la fibre optique 21 pour recevoir le signal multimodal transporté. Le démultiplexeur de modes 31 sépare le signal entrant en p~o»ieors signaux modaux respectifs qui sont dirigés via des sorties respectives 33 6 vers des détecteurs cohérents 34 respectifs. Aux sorties 33 du démultiplexeur de modes 31, chaque signal modal correspond essentiellement à un mode spatial respectif du signal entrant. En d'autres termes, l'énergie d'un signal modal obtenu à une sortie du dénnultiplexeurde modes 31 provient à plus de 50% d'un mode spatial 5 donné du signal entrant dans le démultiplexeur de modes 31. En toute rigueur, ces modes spatiaux n'existent que dans la fibre multimodale 21. En dehors de la fibre multimodale, c'est la distribution de champ électromagnétique correspondant à un tel mode qui est aussi désignée par l'expression « mode spatial ». Un détecteur cohérent 34 reçoit à chaque fois un signal modal à détecter 10 depuis le dérnulfiplexeurde modes 31, à travers par exemple une fibre ou un guide d'onde 36, et un signal d'oscillateur local depuis un oscillateur local 37, à travers par exemple une fibre ou un guide d'onde 38. Le signal d'oscillateur local est accordé à la même longueur d'onde que celle utilisée pour transporter les données. De préférence, les fibres ou guides 36 et 38 sont rnonomnod*sd cette longueur d'onde, 15 ce qui permet d'employer un mélangeur cohérent monomode dont la conception est relativement simple. Un module de traitement numérique 35 reçoit de chaque détecteur cohérent 34 un signal électrique de détection 1 représentant une composante en phase et un signal électrique de détection Q représentant une composante en quadrature du 20 signal modal détecté par ce détecteur cohérent Le module de traitement 35 échantillonne ces signaux et applique un traitement à l'ensemble des signaux de détection reçus à un instant donné pour inverser les effets de propagation et retrouver les donnés initialement modulées. Pour faire cela, des algorithmes adaptatifs couramment utilisés dans le domaine de la détection cohérente peuvent être modifiés 25 de manière appropriée. Notamment, il est possible d'utiliser à cette fin des filtres adaptatifs du type connu pour compenser la dispersion de mode de polarisation. La profondeur temporelle du filtre pourra être adaptée au décalage temporel maximum existant entre les modes spatiaux considérés. Un diviseur de faisceau 40 est employé sur la figure 1 pour distribuer le 30 signal d'oscillateur local à chaque détecteur cohérent 34 à partir de l'unique oscillateur local 37. En variante, plusieurs oscillateurs locaux respectifs pourraient être reliés aux différents détecteurs cohérents 34. 7 En référence à la figure 4, un détecteur cohérent 60, qui peut être utilisé dans le dispositif de réception 30 de la figure 1, comporte un mélangeur cohérent 61 formé communément d'une combinaison de lames semi-réfléchissantes et de lentilles convergentes, des détecteurs photoélectriques 62 et des combineurs de signaux 63. 5 Le mélangeur cohérent 61 forme des signaux d'interférence à partir de signaux optiques reçus sur ses deux entrées 64. Les détecteurs photoélectriques 62 convertissent ces signaux d'interférence en signaux électriques. Les combineurs de signaux 63 combinent ces signaux électriques pour former le signal de détection en phase 1 et le signal de détection en quadrature Q. 10 En référence à la figure 2, un démultiplexeur de modes 7~, qui peut être utilisé dans le dispositif de réception 30 de la figure 1, comporte un élément d'entrée 71, par exemple une longueur de fibre rnultinnmde, pour recevoir un signal optique multimode 78 à démultiplexer, un diviseur de faisceau multimode 72 pour distribuer le signal optique multimode vers plusieurs filtres sélecteurs de mode 73, et des éléments de sortie 74 pour conduire à chaque fois un signal modal 79 sélectionné par le filtre sélecteur de mode 73 associé. Chaque filtre sélecteur de mode 73 sélectionne un mode spatial respectif du signal entrant, à savoir les modes LP02, Lpll et LP01 dans l'exemple représenté. En d'autres termes, un filtre sélecteur de mode 73 laisse passer dans l'élément de sortie 74 un signal optique dont l'énergie 20 provient d plus de 50%, de préférence à plus de 66%, du mode spatial indiqué. Le diviseur de faisceau multimode 72 peut être réalisé à partir de lentilles et de lames semi-transparentes. En référence à la figure 3, dans un mode de réalisation préféré, le filtre sélecteur de mode 73 et l'élément de sortie 74 sont réalisés sous la forme d'une 25 combinaison d'un convertisseur de mode 80 et d'un guide d'onde monomode 81. Le convertisseur de mode 80 reçoit le signal rnulfirnodeà filtrer depuis un guide d'onde multimode 82 et il convertit un mode spatial donné de ce signal, par exemple le mode LPO2, en un mode spatial fondamental LP0l, qu'il transmet vers le guide d'onde monomode 81. Du fait de sa structure, le guide d'onde monomode 81 30 laisse passer que le mode spatial fondamental, ce qui permet d'éliminer d'éventuelles composantes spatiales d'ordre supérieur. Un convertisseur de mode 80 peut être réalisé conformément à en ignement du document US-A-6377726, avec des lentilles 83 et 84 et des masques de phase 85 et 86. La composante modale qui est convertie vers le mode fondamental dépend de la configuration précise des masques de phase 85 et 86. Différents convertisseurs de mode peuvent être réalisés sur ce modèle pour sélectionner différents modes d'ordre supérieur du signa entrant, par exemple LP02, ~ Lpll, LP21 efLP03. Pour sélectionner le mode fondamental LPOI du signal entrant, ce dispositif ou un dispositif plus simple peut être employé, par exemple une lentille convergente. Lorsque le filtre sélecteur de mode 73 de la figure 2 est réalisé sous la forme d'un convertisseur de mode comme celui de la figure 3, le signal modal sélectionné 10 est fourni au détecteur cohérent sous la forme du mode fondamental d'un guide d'onde monomode. Dans ce cas, la superposition du signal modal à détecter avec le signal d'oscillateur local dans le mélangeur cohérent du récepteur peut être effectuée avec un très bonne efficacité, grâce à l'accord de mode entre le signal modal à détecter et le signai d'oscillateur local. C'est pourquoi il est préférable de transporter 15 le signal d'oscillateur local éQo}enmonfÜ travers un guide d'onde monomode dans ce cas. []n autre avantage résultant de cette configuration est la possibilité d'utiliser, dans chacun des détecteurs cohérents ~4, un mélangeur cohérent conventionnel disponible à un faible coût dans le commerce. Dans un mode de réalisation, la onction de distribution du signal optique 20 multimode peut être réalisée de manière combinée avec la fonction de sélection des modes spatiaux à détecter. Selon la configuration des dispositifs de transmission et de réception 10 et 30, le système de communication optique représenté sur la figure 1 peut être utilisé de plusieurs manières. Dans une première application, dite SISO (Single ~npot-Single 25 Output ou SIMO (Single Input Multiple Output, le caractère multimodal de la propagation est envisagé comme la réplication d'un même signal de données sur différents chemins de propagation. Pour une telle application, le dispositif de transmission 10 est conçu de manière à in'ecfer le signal optique modulé avec le signal de données dans une extrémité de la ligne 20, de manière que ce signal se 30 couple avec un ou plusieurs des modes spatiaux de la fibre multimode 21. A l'autre extrémité de la ligne 20, le module de traitement numérique 35 traite le ou les différents signaux de détection comme autant de combinaisons linéaires différentes des multiples répliques décalées dans le temps de ce signal de données à retrouver. Dans une deuxième application, dite MIMO Multiple Input Multiple Output), ~ecorocférm multimodal de la propagation est envisagé comme une démultiplication des canaux de transmission, permettant d'augmenter la capacité du système de communication en transmettant plusieurs flux de données respectifs à travers ~ plusieurs modes spatiaux ou ensembles de modes spatiaux respectifs. Pour une telle application, en référence à la figure 1, le dispositif de transmission 10 peut comporter plusieurs modulateurs de signaux II agencés pour moduler des signaux optiques avec les flux de données respectifs [)l, [}2, ..., Dk et un multiplexeur de modes 12 agencé pour coupler chaque signal optique modulé S1, S2,... Sk avec un 10 mode spatial respectif de la fibre multimode 21 ou un ensemble de tels modes. Pour réaliser ce couplage sélectif d'un signal modulé avec un mode spatial particulier de la fibre 21, le multiplexeur de modes 12 peut comporter des convertisseurs de mode similaires à celui décrit en référence à la figure 3, le sens de conversion étant alors inversé. Dans cette application, à l'autre extrémité de la ligne 20, le module de traitement numérique 35 traite les différents signaux de détection comme des mélanges de signaux de données à retrouver, compte-tenu des couplages entre modes intervenus au cours de la propagation. Ces couplages intermodaux peuvent être inversés par des méthodes numériques pour autant qu'un nombre suffisant de 20 signaux de détection distincts soient fournis au module de traitement numérique 3 Comme chaque détecteur cohérent ~4 sert à capturer essentiellement les informations relatives d un mode spatial donné, il est prévu de préférence au moins autant de détecteurs cohérents 34 que de modulateurs de signaux 11 et le dAmnulhplexeurde modes 31 sélectionne les modes spatiaux respectifs avec esquels 25 les signaux optiques Si, S2 ... Sk transmis initialement ont été respectivement couplés. Dans }'hypothèse d'un multiplexage de modes à 'émission, si les modes ne se mélangent pas dans la fibre multimode, il est aussi possible de réaliser le traitement des signaux détectés mode par mode, par exemple en prévoyant un 30 module de traitement numérique séparé pour chaque mode spatial détecté. [)uns les modes de réalisation ci-dessus, la mise en oeuvre d'une communication optique à travers une ligne de transmission multimodale a été décrite en utilisant une seule longueur d'onde porteuse. Le multiplexage de modes permet 10 d'envisager un accroissement de la capacité d'un canal de longueur d'onde. Pour réaliser un système de communication de plus grande capacité, les méthodes décrites ci-dessus peuvent être combinées avec des techniques de multiplexage de longueurs d'onde et/ou des techniques de multiplexage de polarisation. 5 Pour cela, un combineur de longueurs d'onde, par exemple multiplexeur de longueurs d'onde, peut être prévu au niveau du dispositif de transmission 10 et un séparateur de longueurs d'onde, par exemple démultiplexeur de longueurs d'onde, peut être prévu au niveau du dispositif de réception 30. Dans un mode de réalisation correspondant, es éléments du dispositif de transmission 10 et/ou du dispositif de 10 réception 30 qui ont été décrits ci-dessus en référence à une longueur d'onde peuvent être multipliés en autant d'exemplaires qu'il existe de canaux de longueurs d'onde dhoifec [}e même, pour mettre en oeuvre un multiplexage de polarisation, un ou plusieurs combineurs de polarisations peuvent être prévus au niveau du dispositif de transmission 10 et un ou plusieurs séparateurs de polarisations peuvent être prévus au niveau du dispositif de réception 30. Avec ou sans multiplexage de polarisation au niveau de 'émission, il est de toute manière préférable de réaliser un dispositif de réception à diversité de polarisation, notamment pour pouvoir compenser la dispersion modale de 20 polarisation. Pour cela, diverses possibilités existent. Un mode de réalisation du dispositif de réception à diversité de polarisation est esquissé sur la figure 1. Ici, le signai optique incident passe dans un élément séparateur de polarisation 25 en sortie duquel deux signaux multimodaux ayant des polarisations orthogonales sont séparés. De même, un élément séparateur de 25 polarisation 26 sépare le signal d'oscillateur local en deux composantes polarisées orthogonales. Le bloc 50 représenté sur la figure 1 représente donc la chaîne de détection cohérente pour une composante de polarisation. Un deuxième bloc O identique, non représenté, doit être relié aux autres ports 51 des séparateurs de polarisation 25 et 26 pour détecter l'autre composante de polarisation. Dans ce cas, 30 le module de traitement numérique 35 peut être commun aux deux blocs 5{), pour traiter simultanément les signaux de détection correspondant aux deux composantes de polarisation. Au lieu du séparateur 26, i) peut aussi être prévu un oscillateur local distinct par polarisation. ll Dans un autre mode de réalisation du dispositif de réception à diversité de polarisation, représenté sur la figure 5, la séparation des signaux optiques en deux composantes de polarisation orthogonales se fait en aval de la séparation des modes spatiaux. Pour le reste, les éléments identiques ou analogues à ceux de la figure 1 5 portent le même chiffre de référence augmenté de 100. Certains des éléments représentés, notamment les modules de traitement numérique, peuvent être réalisés sous différentes formes, de manière unitaire ou distribuée, au moyen de composants matériels et/ou logiciels. [}en composants matériels utilisables sont les circuits intégrés spécifiques ASIC, les réseaux logiques l0 programmables FPGA ou les microprocesseurs. Des composants logiciels peuvent être écrits dans différents langages de programmation, par exemple C, C++, Java ou VHDL. Cette liste n'est pas exhaustive. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec p~uoieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle 15 comprend tous s équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. L'usage du verbe « comporter », «comprendre o ou vinclure n et de ses formes conjuguées n'exclut pas la présence d'autres éléments ou d'autres étapes que ceux énoncés dans une revendication. L'usage de l'article indéfini vunu uu « une v 20 pour un élément ou une étape n'exclut pas, sauf mention contraire, la présence d'une pluralité de tels éléments ou étapes. Plusieurs moyens ou modules peuvent être représentés par un même élément matériel. Dans les revendications, tout signe de référence entre parenthèses ne saurait être interprété comme une limitation de la revendication.