Brevet FR3002654A1 — publié le 20140829

MODULATEUR OPTIQUE AVEC CORRECTION DE POLARISATION AUTOMATIQUE Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un modulateur optique selon le principe de l'interféromètre de 5 Mach-Zehnder, et plus particulièrement à la stabilisation du point de fonctionnement du modulateur par rapport à la variation de divers paramètres externes. État de la technique La figure 1 représente schématiquement un exemple de modulateur optique de type interféromètre de Mach-Zehnder, souvent désigné modulateur MZI. Une onde optique 10 de puissance PO arrive par un guide d'onde sur un module de séparation optique Si, ici un séparateur en « Y ». L'onde initiale est séparée en deux ondes de puissance moitié, guidées respectivement dans deux branches parallèles, supérieure et inférieure. Chaque branche comprend, en succession, une diode de modulation de phase optique rapide HSPM (« High Speed Phase Modulator ») et une diode de réglage de phase optique 15 lente PINPM. Chacune des diodes HSPM et PINPM provoque un retard de phase réglable de l'onde optique traversant la diode par la production de charges électriques dans le trajet optique. La diode HSPM fonctionne en polarisation électrique inverse ; des charges sont tirées depuis la jonction vers le trajet optique par un phénomène de déplétion de la 20 jonction, la jonction étant excentrée par rapport au trajet optique. La diode PINPM fonctionne en polarisation électrique directe ; elle comprend une jonction P-I-N, dont la zone intrinsèque est située dans le trajet optique et reçoit des charges par un phénomène d' inj ecti on. La diode PINPM réagit lentement aux variations de sa polarisation, mais possède une 25 grande plage de réglage du retard de phase - elle est utilisée pour ajuster le retard de phase optimal au repos dans la branche. Ainsi, les diodes PINPM des deux branches (PINPM1 et PINPM2) reçoivent des courants de polarisation respectifs constants en fonction des retards de phase au repos à obtenir dans les deux branches. La diode HSPM réagit rapidement, mais possède une faible amplitude de modulation de 30 phase - elle est utilisée pour moduler le retard de phase avec le signal numérique à transmettre autour du retard de phase au repos établi par la diode PINPM. Ainsi, les diodes HSPM des deux branches (HSPM1 et HSPM2) reçoivent des signaux de tension modulés en fonction du signal numérique à transmettre entre 0 et une valeur positive Vb . Les signaux de tension appliqués sur les diodes HSPM1 et HSPM2 sont complémentaires de sorte à produire un effet différentiel dans les deux branches. Les deux branches parviennent à un module de jonction optique J1, ici un coupleur directionnel. Les ondes optiques parvenant sur les deux canaux du coupleur J1 sont 5 déphasées de 180° au repos, d'où il résulte, dans le cas d'un coupleur symétrique, que la puissance optique Pl, P2 en sortie de chaque canal du coupleur J1 est à 50 % de la puissance PO en entrée du modulateur, aux pertes d'absorption près subies dans les branches. Les diodes PINPM1 et PINPM2 sont polarisées par des courants différents. Par exemple, la diode PINPM2 est polarisée par un courant nul, introduisant 10 théoriquement un retard de phase nul, et la diode PINPM1 est polarisée par un courant lb choisi pour introduire un retard de phase de 180°. La figure 2 est un diagramme illustrant la variation du taux de transmission Pl/PO du modulateur, mesuré à la sortie du canal supérieur du coupleur J1, en fonction du déphasage entre les ondes à l'entrée du coupleur J1. Le taux de transmission P2/P0, non 15 représenté, à la sortie du canal inférieur, varie en sens inverse. Le déphasage initial de 180° introduit par les diodes PINPM place le point de repos du modulateur au point d'inflexion d'une sinusoïde, dans une zone où la linéarité est la meilleure et la pente la plus raide. La diode HSPM1 fait varier la phase dans une plage au-dessus de 180°, tandis que la diode HSPM2 fait varier la phase de manière 20 symétrique dans une plage en dessous de 180°. En limitant l'amplitude de ces plages, la variation correspondante du taux de transmission peut être quasi-linéaire. Pour de la transmission de signaux numériques, la linéarité est moins importante, mais il est préférable que le comportement du modulateur reste symétrique, ce qui est le cas dans les conditions de la figure 2. 25 En pratique, les courants de polarisation des diodes PINPM sont ajustés individuellement pour obtenir les conditions de repos souhaitées. On constate néanmoins une dérive de ces conditions de repos, notamment en fonction de la température. Résumé de l'invention 30 Ainsi, on souhaiterait pouvoir compenser la dérive des conditions de repos d'un modulateur MZI. On souhaite également éviter d'avoir à ajuster individuellement les courants de polarisations des modulateurs dans un environnement de production. On tend à satisfaire ce besoin à l'aide d'un comparateur de phase optoélectronique fournissant sous forme de signal électrique une mesure du déphasage entre deux ondes optiques. Le comparateur de phase comprend un coupleur directionnel optique ayant deux canaux couplés définissant respectivement deux entrées optiques pour recevoir les deux ondes optiques à comparer ; deux photodiodes configurées pour recevoir respectivement les puissances optiques en sortie des deux canaux du coupleur directionnel ; et un circuit électrique agencé pour fournir, comme mesure du déphasage optique, un signal électrique proportionnel à la différence des signaux électriques produits par les deux photodiodes. Ce comparateur de phase optoélectronique est particulièrement bien adapté à un modulateur optique de type interféromètre de Mach-Zehnder. Le modulateur comprend un module de séparation d'une onde optique entrante en une première et une seconde onde optique ; une première et une seconde diode de réglage de phase optique disposées respectivement dans les chemins des première et seconde ondes optiques ; et un premier et un deuxième coupleur directionnel ayant chacun un premier et un second canal couplé, les premiers canaux étant disposés respectivement dans les chemins des première et seconde ondes optiques. Le comparateur de phase optoélectronique a ses entrées optiques reliées respectivement aux seconds canaux des premier et deuxième coupleurs directionnels. Un circuit de polarisation électrique des diodes de réglage de phase est connecté dans une boucle de régulation avec le comparateur de phase optoélectronique. Selon un mode de réalisation, le modulateur comprend, entre l'une des entrées optiques du comparateur de phase et le deuxième canal correspondant du premier ou deuxième coupleur directionnel, un coupleur directionnel intermédiaire de manière que la différence de phase entre les deux ondes optiques parvenant sur les entrées du comparateur de phase soit égale à 180°. Selon un mode de réalisation, le modulateur comprend un module de jonction d'ondes optiques ayant deux entrées reliées respectivement aux sorties des premiers canaux des premier et deuxième coupleurs directionnels ; et une première et une seconde diode de modulation de phase optique disposées respectivement dans les liaisons entre le module de jonction et les premier et deuxième coupleurs directionnels. Selon un mode de réalisation, le module de séparation et le module de jonction sont des coupleurs directionnels, et les première et seconde diodes de réglage de phase sont polarisées pour que l'une applique un retard de phase de 90° par rapport à l'autre. Selon un mode de réalisation, le module de séparation est un coupleur directionnel, le module de jonction est un combineur en « Y », et les première et seconde diodes de réglage de phase sont polarisées pour appliquer le même retard de phase. Description sommaire des dessins Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1, précédemment décrite, représente schématiquement un exemple de modulateur optique de type interféromètre de Mach-Zehnder (MZI) ; - la figure 2 est un graphe illustrant le taux de transmission du modulateur de la figure 1 en fonction du déphasage entre les ondes optiques des deux branches ; - les figures 3A à 3D représentent différentes configurations de modulateur MZI combinant différents types de modules de séparation et de jonction optiques ; - la figure 4 représente un mode de réalisation de circuit de régulation optoélectronique adapté à une première configuration de modulateur MZI ; - la figure 5 représente une variante de réalisation du circuit de régulation optoélectronique adaptée à une autre configuration de modulateur MZI ; et - la figure 6 représente un exemple détaillé de circuit de régulation optoélectronique. Description d'un mode de réalisation préféré de l'invention Une diode P-I-N d'un modulateur MZI, même si son courant de polarisation est nul, provoque un retard de phase optique non nul, un déphasage résiduel. Ce déphasage résiduel dépend des caractéristiques obtenues après fabrication, comme le dopage et les dimensions. Si les deux diodes P-I-N du modulateur pouvaient être appariées, elles fourniraient le même déphasage résiduel, lequel déphasage résiduel serait compensé par la structure différentielle du modulateur. Or les diodes PINPM, qui sont réalisées dans des guides d'ondes optiques, sont grandes par rapport à des diodes servant à des fonctions purement électroniques, et éloignées l'une de l'autre à l'échelle d'une puce en matériau semi-conducteur. Il en résulte qu'il est plus difficile d'apparier ces diodes « optiques », et qu'on observe généralement des écarts peu prévisibles et trop importants pour être négligés entre les déphasages résiduels des deux diodes PINPM. Malgré un ajustement précis des courants de polarisation, même dans des configurations de modulateur où les deux diodes PINPM peuvent avoir le même réglage de phase, on constate une dérive des conditions de repos avec la température. On peut expliquer cette dérive par le fait que le taux de variation du retard de phase en fonction de la température dépend des conditions de fonctionnement de la diode PINPM - ces conditions de fonctionnement n'étant généralement pas identiques au départ pour les deux diodes, les retards de phase des deux diodes divergent lorsque la température varie. Les diodes HSPM sont également objet de difficultés d'appariement, mais leur structure 10 est par nature moins sensible à la variabilité des procédés de fabrication - on constate que l'écart entre les déphasages résiduels des deux diodes HSPM, même après une dérive thermique, reste dans des limites acceptables pour être négligé. Les figures 3A à 3D représentent des configurations de modulateur MZI différant par les combinaisons des modules de séparation et de jonction, nécessitant différentes 15 conditions de polarisation pour les diodes PINPM. Les structures des deux branches des modulateurs sont inchangées par rapport à la figure 1. La figure 3A correspond à la configuration de la figure 1, déjà décrite. Le module de séparation Si est un séparateur en « Y » et le module de jonction J1 est un coupleur directionnel symétrique. Le séparateur S1 conserve la phase de l'onde optique d'entrée 20 sur ses deux sorties, tandis que le coupleur J1 demande un écart de phase de 180° pour être au milieu de sa dynamique, situation souhaitée au repos. Ainsi, les diodes PINPM1 et PINPM2 sont polarisées pour introduire un écart de phase au repos de 180° entre les entrées du coupleur J1. Les deux ondes sortant du coupleur J1 sont en quadrature de phase, mais leur écart de 25 phase par rapport aux ondes entrantes est variable en fonction des caractéristiques des ondes entrantes. Dans la figure 3B, le coupleur directionnel J1 de sortie a été remplacé par un combineur en « Y » J2. Un tel combineur transmet 50 % de la puissance optique lorsque les ondes sur ses deux entrées sont en quadrature de phase. Les deux ondes arrivant aux diodes 30 PINPM étant en phase au repos, les diodes PINPM sont polarisées pour introduire l'écart de phase de 90° requis entre les deux ondes. Par exemple, la diode PINPM1 est polarisée pour introduire un retard de phase de 90° et la diode PINPM2 reçoit un courant nul, correspondant en théorie à un retard de phase nul. En pratique, la diode PINPM2 introduit un retard de phase résiduel à courant de polarisation nul, peu prédictible, par exemple 1°. Alors, la diode PINPM1 est polarisée pour introduire un retard de phase de 90 + 1 = 91°. La configuration de la figure 3B pourrait être préférée à celle de la figure 3A, car la diode PINPM1 entraîne moins de pertes par absorption que dans la figure 3A. En effet, un retard de phase plus important dans la figure 3A est obtenu en injectant plus de charges dans la diode PINPM1, et les pertes par absorption augmentent avec le nombre de charges. Dans la figure 3C, le séparateur en « Y » Si de la figure 3A a été remplacé par un coupleur directionnel symétrique S2. L'onde optique d'entrée est appliquée à l'un des canaux du coupleur, par exemple celui du bas. Alors, l'onde sortant par le canal supérieur du coupleur est retardée de 90° par rapport à l'onde sortant du canal inférieur. Le coupleur de sortie J1 demandant un écart de phase de 180° pour travailler dans les conditions de repos souhaitées, il suffit que la diode PINPM1 introduise un retard de phase de 90° qui vient s'ajouter au retard de 90° introduit par le canal supérieur du coupleur d'entrée S2. Les pertes par absorption de la configuration de la figure 3C sont comparables à celles de la figure 3B. Dans la figure 3D, le coupleur directionnel de sortie J1 de la figure 3C a été remplacé par un combineur en « Y » J2. La quadrature de phase, souhaitée au repos, entre les ondes d'entrée du combineur J2 est produite par le coupleur d'entrée S2. Ainsi, les diodes PINPM n'ont à introduire aucun retard de phase supplémentaire. Pour cela, les deux diodes PINPM peuvent, en théorie, être polarisées à courant nul. Cette configuration offre donc les meilleures performances en termes de pertes par absorption. Du fait que les deux diodes PINPM fonctionnent dans des conditions proches, cette configuration offre également les meilleures performances en termes de dérive thermique. En pratique, la diode PINPM ayant le plus fort déphasage résiduel peut être polarisée à courant nul, et l'autre diode PINPM être polarisée avec un courant permettant d'égaliser ce déphasage résiduel. Comme on ne sait pas à l'avance quelle diode PINPM a le plus fort déphasage résiduel, on préfère classiquement polariser les deux diodes avec des courants non-nuls, l'un fixe, et l'autre ajustable. La figure 4 représente un mode de réalisation de circuit optoélectronique de régulation des conditions de repos d'un modulateur MZI. Le modulateur MZI a ici une configuration semblable à celle de la figure 3D. Par rapport aux figures 3A à 3D, les diodes PINPM ont été interverties avec les diodes HSPM, de sorte que les diodes PINPM sont les premiers éléments des deux branches du modulateur, et font partie d'une boucle de régulation. Les diodes HSPM ne sont pas intégrées dans la boucle de régulation - comme cela a été évoqué, les dérives des diodes HSPM restent négligeables. Le circuit de régulation optoélectronique, dont le principe pourra être appliqué aux différentes configurations de modulateur MZI, telles qu'illustrées aux figures 3A à 3D, mesure la différence de phase optique entre les ondes des deux branches du modulateur, et fournit l'écart par rapport à la valeur souhaitée sous forme de puissance optique captée par des photodiodes PD1, PD2. Les signaux électriques fournis par les photodiodes sont exploités pour faire varier les courants de polarisation des diodes PINPM dans un sens tendant à réduire l'écart. La mesure de la différence de phase est faite à l'aide d'un coupleur directionnel optique symétrique DCO recevant sur ses deux canaux des ondes optiques dérivées des deux branches du modulateur. Le chemin des ondes optiques dérivées est configuré pour que la différence de phase aux entrées du coupleur DCO soit égale à 180° lorsque la différence de phase entre les ondes optiques dérivées correspond à celle souhaitée aux entrées du module de jonction. Dans ces conditions, le coupleur DCO fournit en sortie de chacun de ses canaux 50 % de la puissance optique totale reçue. Si la différence de phase n'est pas égale à 180°, l'un des canaux fournit plus de 50 % de la puissance, tandis que l'autre canal fournit le complément. Les ondes optiques en sortie des deux canaux du coupleur sont fournies à deux photodiodes respectives PD1, PD2. Ainsi, la différence des signaux électriques générés par les photodiodes représente l'erreur de phase optique. A la figure 4, plus spécifiquement, les sorties optiques des diodes PINPM1 et PINPM2 sont fournies aux premiers canaux de deux coupleurs directionnels asymétriques 30 respectifs DC1 et DC2. Les sorties de ces premiers canaux sont fournies respectivement aux diodes HSPM1 et HSPM2. Les coupleurs DC1 et DC2 sont asymétriques en ce que la puissance optique reçue dans le premier canal est répartie de façon asymétrique en sortie des premier et second canaux, par exemple 98 % en sortie du premier canal et 2 % en sortie du second canal. Il suffit que la fraction de puissance en sortie du second canal soit détectable par une photodiode dans de bonnes conditions. Les ondes optiques en sortie des seconds canaux des coupleurs DC1 et DC2 ont des retards de phase respectifs de 180° et 90° par rapport à l'onde optique en entrée du 5 modulateur (chacun des coupleurs DC1 et DC2 introduit un retard de phase de 90° au passage de l'onde du premier canal vers le second). Le déphasage entre ces ondes est ainsi de 90° alors que le coupleur/comparateur DCO demande 180°. Un coupleur directionnel symétrique DC3 est prévu pour ajouter les 90° de retard de phase requis à l'onde optique de 180°. Le coupleur DC3 reçoit sur son premier canal l'onde de 180° et 10 fournit par son second canal une onde de 270° au canal supérieur du coupleur/comparateur DCO. Un coupleur directionnel DC4 est prévu pour égaliser les chemins optiques menant sur le coupleur/comparateur DCO. Son premier canal relie le coupleur DC2 au canal inférieur du coupleur DCO, sans introduire de retard de phase. 15 Les sorties des premier et second canaux du coupleur/comparateur DCO sont captées respectivement par les photodiodes PD1 et PD2. Ces photodiodes font partie d'un circuit de régulation électrique 10 qui ajuste les courants de polarisation des diodes PINPM en fonction de la différence des puissances optiques captées. Dans cette configuration de modulateur, les courants de polarisation sont sensiblement les mêmes, 20 puisque les diodes PINPM sont prévues pour introduire le même retard de phase (aussi proche de 0° que possible). Le circuit de régulation de la figure 4 est utilisable tel quel dans la configuration de la figure 3B. La figure 5 représente une variante du circuit de régulation optoélectronique, intégré à 25 un modulateur MZI du type de la figure 3C. Des mêmes éléments qu'à la figure 4 sont désignés par des mêmes références. La diode PINPM1 est ici polarisée pour introduire un retard de phase de 90°, de sorte que la sortie du second canal du coupleur DC1 fournit une onde optique retardée de 270°. La sortie du second canal du coupleur DC2 fournit toujours une onde retardée de 90°. Le déphasage entre ces ondes est de 180°, de 30 sorte que ces deux ondes peuvent être directement appliquées aux entrées du coupleur/comparateur DCO. La configuration de la figure 5 est plus simple que celle de la figure 4 en ce qu'elle requiert deux coupleurs directionnels en moins. Le circuit de régulation de la figure 5 est utilisable tel quel dans la configuration de la figure 3A. La figure 6 représente un exemple détaillé de la partie électronique du circuit de régulation optoélectronique 10. Les photodiodes PD1 et PD2 sont polarisées en inverse 5 par deux résistances R1 et R2. Les cathodes des diodes PD1 et PD2 sont reliées respectivement aux entrées non-inverseuse et inverseuse d'un amplificateur à transconductance différentiel 20. Les diodes PINPM1 et PINPM2 sont polarisées en direct respectivement par deux sources de courant constant Ibl et 1b2. Les anodes des diodes PINPM1 et PINPM2 sont reliées respectivement aux sorties directe et inverse de 10 l'amplificateur 20. Les courants Ibl et 1b2 sont réglés par conception aux valeurs typiques requises pour introduire le déphasage au repos correspondant à la configuration du modulateur (180° pour la figure 3A, 90° pour les figures 3B et 3C, et 0° pour la figure 3D). En théorie, l'un des courants (1b2) peut être nul. En pratique, les deux courants seront non-nuls, de 15 sorte que chacun dispose d'une marge de réglage. Le courant 1b2 est par exemple choisi pour introduire un retard de phase de 5°. Alors, le courant Ibl est choisi pour introduire un retard de phase de 185° dans la figure 3A, 95° dans les figures 3B et 3C, et 5° dans la figure 3D. Lorsque le déphasage entre les ondes d'entrée du coupleur/comparateur DCO est égal à 20 180°, chacune des photodiodes PD1 et PD2 reçoit la même puissance optique, 50 % de la puissance reçue par le coupleur/comparateur DCO. Si les photodiodes sont appariées, ce qui est plus facile à réaliser que pour les diodes PINPM, leurs potentiels de cathode s'établissent à des valeurs identiques. Ainsi, l'amplificateur 20 voit une tension d'entrée nulle et n'affecte pas les courants de polarisation des diodes PINPM. 25 Si le déphasage entre les ondes d'entrée du coupleur/comparateur DCO diminue en dessous de 180°, c'est que le retard introduit par la diode PINPM1 diminue ou que le retard introduit par la diode PINPM2 augmente. La puissance optique reçue par la photodiode PD1 augmente, et la puissance optique reçue par la photodiode PD2 diminue. La tension de cathode de la photodiode PD1 augmente et celle de la 30 photodiode PD2 diminue. L'amplificateur 20 voit sont entrée différentielle devenir positive - il injecte un courant proportionnel dans la diode PINPM1 et soustrait un courant proportionnel de la diode PINPM2. La diode PINPM1 augmente son retard de phase tandis que la diode PINPM2 diminue son retard de phase. Un comportement symétrique est obtenu lorsque le déphasage entre les ondes devient supérieur à 180°. On obtient ainsi une correction automatique des erreurs de phase au repos du modulateur. Cette correction est indépendante de la nature de l'erreur - l'erreur peut être due à une dérive en température, à un mauvais appariement des diodes PINPM, un mauvais choix initial des courants de polarisation, ou tout autre cause. La précision de la correction dépend du gain en boucle ouverte du circuit de régulation, qui peut être facilement réglé à l'aide de l'amplificateur 20. La précision dépend également du décalage parasite ramené à l'entrée de l'amplificateur, provoqué par un mauvais appariement des photodiodes ou d'un manque de précision dans le coefficient de couplage des coupleurs DCO, DC1 et DC2. Un tel décalage peut être compensé électriquement par des techniques connues du domaine des amplificateurs différentiels. REVENDICATIONS1. Comparateur de phase optoélectronique fournissant sous forme de signal électrique une mesure du déphasage entre deux ondes optiques, comprenant : - un coupleur directionnel optique (DCO) ayant deux canaux couplés définissant respectivement deux entrées optiques pour recevoir les deux ondes optiques à comparer ; - deux photodiodes (PD1, PD2) configurées pour recevoir respectivement les puissances optiques en sortie des deux canaux du coupleur directionnel ; et - un circuit électrique (10) agencé pour fournir, comme mesure du déphasage optique, un signal électrique proportionnel à la différence des signaux électriques produits par les deux photodiodes. 2. Modulateur optique de type interféromètre de Mach-Zehnder comprenant : - un module de séparation (Si, S2) d'une onde optique entrante en une première et une seconde onde optique ; - une première et une seconde diode de réglage de phase optique (PINPM1, PINPM2) disposées respectivement dans les chemins des première et seconde ondes optiques ; - un premier et un deuxième coupleur directionnel (DC1, DC2) ayant chacun un premier et un second canal couplé, les premiers canaux étant disposés respectivement dans les chemins des première et seconde ondes optiques ; - un comparateur de phase optoélectronique selon la revendication 1 ayant ses entrées optiques reliées respectivement aux seconds canaux des premier et deuxième coupleurs directionnels ; et - un circuit de polarisation électrique des diodes de réglage de phase, connecté dans une boucle de régulation avec le comparateur de phase optoélectronique. 3. Modulateur optique selon la revendication 2, comprenant, entre l'une des entrées optiques du comparateur de phase et le deuxième canal correspondant du premier ou deuxième coupleur directionnel (DC1, DC2), un coupleur directionnel intermédiaire (DC3) de manière que la différence de phase entre les deux ondes optiques parvenant sur les entrées du comparateur de phase soit égale à 180°. 4. Modulateur optique selon la revendication 2, comprenant : - un module de jonction (J1, J2) d'ondes optiques ayant deux entrées reliées respectivement aux sorties des premiers canaux des premier et deuxième coupleurs directionnels (DC1, DC2) ; et - une première et une seconde diode de modulation de phase optique (HSPM1, HSPM2) disposées respectivement dans les liaisons entre le module de jonction et les premier et deuxième coupleurs directionnels. 5. Modulateur optique selon la revendication 4, dans lequel le module de séparation (S2) et le module de jonction (J1) sont des coupleurs directionnels, et les première et seconde diodes de réglage de phase (PINPM1, PINPM2) sont polarisées pour que l'une applique un retard de phase de 90° par rapport à l'autre. 6. Modulateur optique selon la revendication 4, dans lequel le module de séparation (S2) est un coupleur directionnel, le module de jonction (J2) est un combineur en « Y », et les première et seconde diodes de réglage de phase (PINPM1, PINPM2) sont polarisées pour appliquer le même retard de phase.