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REGFNERATION OPTI~UF POUR DF-~ SYSTFI~F.~; QF TRANSMISSION A
FIBI?F OPTlnUE A SIGNAUX SOI ITONS
La présente invention a pour obiet un regénerateur optique pour un
5 système de transmission à impulsions sotitons, et plus particulierement un
régénérateur optique dans lequel le signal ~ orlo~e est obtenu par verrouillage
de mode d'un laser à cavité.
L'invention concerne aussi un procédé de regeneration optique
d'impulsions solitons. Enfin, elle cG"ce,l,e un système de lldns",i~sion
o comprenant un tel regénérateur.
La transmission d'impulsions solitons ou solitons est un phenomène connu.
Ces impulsions sont des impulsions RZ de iargeur temporelle (FWHM) faible par
rapport au temps bit, qui présentent une relation déterrninee entre la puissance,
la largeur spectrale et la largeur temporelle, et qui se propagent généralement
15 dans la partie à dispersion ano""ale d'une fibre optique. L'évolution de
l'enveloppe d'une telle impulsion soliton dans une fibre monomode peut être
modélisée par l'équation de Schrudinger non lineaire; la ~ropAg~lion repose sur
un équilibre entre la dispersion de la fibre et sa non-linéarité.
Divers effets limitent la t~dnsmission de telles impulsions, comme la gigue
~o induite par l'interaction des solitons avec le bruit présent dans le système de
transmission, decrite par exemple dans l'article de J. P. Gordon et H. A. Haus,
Optical Letters, vol. 11 n~ 10 pages 665-667. Cet effet, appelé effet Gordon-
Haus. impose une limite théorique a la qualité ou au débit des transmissions parsolitons. Pour arriver à dep~sser cette limite, il est possible d'utiliser une
2s modulation synchrone des signaux solitons, par un signal d'horloge ou horloge,
pour corriger leur gigue temporelle, comme expliqué par exemple dans un articie
de H. Kubota, IEEE Joumal of Quantum Electronics, vol. 29 n~ 7 (1994), p. 2189
et s., pour ce qui est de la modulation d'intensité, et dans un article de N. J.Smith et N. J. Doran, Optical Fiber Technology, 1, p. 218 (1995), pour ce qui est
30 de la modulation de phase.
Un telle modulation implique une récupération d'horloge, à partir du signal
solitons reçu. Cette récuperation d'l,orloye consis~e d'une part à récupérer un
signal à une fréquence donnee, et d'autre part à synchroniser la phase de ce
signal avec la phase des sol,tur,s reçu. Diverses solutions ont déià été
35 proposées pour assurer cette récupération d'l,GrlGye On peut nota",l,len~
effectuer une conversion optoélect,onique, une récupération de phase par des
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moyens electronique, par ex~ ple a l'aide d'une boucle à verrouillage de phase,
puis effectuer une reconversion electronique-optique du signal obtenu pour
moduler les solitons. Cette solution Jimite intrinsèquement le debit de la liaison
solitons, du fait de la limite supérieure de la bande passante des dispositifs semi-
conducteurs utilisés. Cette solution est en outre co""~li4uée et coûteuse pour
des débits élevés.
Une autre solution connue consiste à récupérer l'horloge par blocage de
modes d'un laser a fibre en anneau, et d'appliquer l'horloge ainsi récuperée à un
modulateur synchrone. Un article de W. A. Pender et al., Electronics Letters, vol.
31 n~ 18 (31.08.95) décrit un dispositH de récupération d'horloge par blocage demodes d'un laser à fibres en anneau. Cet article propose d'envoyer la moitié du
signal incident dans un laser à fibre dopée à l'erbium en anneau, de sorte à
assurer un verrouillage de mode du laser à la fréquence du signal incident. Le
signal d'horloge est extrait du laser en anneau par un coupleur, et est utilise
s dans une porte Kerr faisant fonction de modulateur. Pour assurer la
synchronisation des phases de l'horloge et du signal a regenérer, cet article
propose d'utiliser un système d'élongation mécanique de la fibre en sortie du
laser en anneau.
T. Ono et al., OFC '94 Technical Digest, ThM3, p. 233 et s. propose un
~o circuit de récuperation d'horloge utiiisant une diode laser Fabry-Perot, qui est
verrouillée en mode latéral par le signal incident pour fournir une horloge. Ce
dispositif implique une fréquence bit cor,espondant exactement a la fréquence
du mode latéral du laser.
K. Smith et al., Electronics Letters, vol. 28 n~ 19, p. 1814 et s., propose un
~5 autre circuit de récupération d'horloge, dans lequel la fibre de transmission et un
laser a cavité partagent un modulateur optique non-linéaire, de sorte que le
signal de la fibre de transmission module la lumière de ia cavité laser, par
transmodulation de phase (XPM ou "cross phase modul~tion"). La cavité laser
subit un verrouillage de mode à la frequence des solitons; un coupleur extrait de
30 la cavité un signal d'horloge.
D. M. Patrick et al., Elect,onics Letters, vol. 30 n~ 2 décrit un circuit de
recupération d'horloge du même genre, dans lequel le signal incident module la
lumière d'un laser en anneau a fibre dopée à l'erbium dans un amplir,cdleur à
semi-conducteur à ondes progressives (~W-SCA). Le signal d'horloge est extrait
35 de la cavité par un coupleur.
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Ces trois articles ne mentionnent pas de méthode particulière pour assurer
la modulation du signal par l'horloge récuperée.
Le problème de ces differents circuits tout-optiques de récupération
d'horloge est que la synchronisation des phases de l'horloge et des solitons en
5 ligne est difficile à réaliser en tout-optiqtJe au~,~",e"l que par des lignes à retard
mécaniques, comme dans le montage de W. A. Pender et al.
La présente invention propose une solution originale et simple au problème
de 1~ récupération d'horloge et de la modulation synchrone des solitons. Elle
permet d'éviter le problème de synchronisation des phases de l'horloge et du
o signal à moduler, qui se pose dans l'art antérieur: de fait, I'invention combine en
un dispositif unique le modulateur synchrone et la récupération d'horloge.
L'invention présente en outre l'avantage d'une grande compacite.
Plus précisément, I'invention propose un regénérateur pour système de
transmissions à impulsions solitons, comprenant un laser à cavité dans lequel
est inseré un modulateur, des moyens pour coupler le signal d'entrée à
régénérer en entrée du modulateur de sorte à assurer un blocage de mode du
laser, et des moyens pour coupier en sortie du modulateur le signal régénéré.
Le laser est avantageusement un laser à cavité Fabry Perot ou un laser à
fibre en anneau. On peut prevoir dans le laser des moyens dispersifs, tels un
o tronçon de fibre dispersive.
Le modulateur peut être un modulateur de phase ou un modulateur
d'intensité. Il peut par exemple comprendre un miroir non linéaire en boucle, ouun amplificateur à semi-conducteur, de préférence à ondes progressives.
Le modulateur peut comprendre un tronçon de fibre dispersive assurant
une modulation par effet Kerr.
Dans un mode de réalisation, le régénérateur cG,t".rel)d un amplificateur
du signal d'entrée à regénérer, en amont du modulateur.
Avantageusement, le régénérateur présente un fiitre filtrant le signal
régenéré.
Dans le cas d'un laser à cavité, le miroir d'entrée de la cavité Fabry Perot
est de préférence sélectif en longueur d'onde, de sorte à séparer le signal
régéneré du signal laser.
L'invention a aussi pour objet un systeme optique de trans",ission,
comprenant au moins un tel régénérateur.
Elle concerne enfin un procedé de régénération d'un signal solitons,
comprenant:
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- la cl~alion d'une horloge par btocage de mode d'un laser à cavité dans
lequel est inséré un modulateur, en modulant le signal laser par le signal solitons
à régenérer;
- I'extraction en sortie de ce modulateur du signal solitons régénéré par
modulation par l'horloge.
Le signal solitons peut effectuer dans le modulateur une modulation de
phase du signal taser, eVou une modulation d'intensite du signal laser.
L'horloge peut effectuer dans le modulateur une modulation de phase du
signal solitons, eVou une modulation d'intensité du signal solitons.
o Dans un mode de mise en oeuvre, le procédé comprend l'étaJement du
signal d'horloge dans le laser à cavité.
On peut aussi prévoir un filtrage du signal extrait en sortie du modulateur,
de sorte à separer le signal régénéré de l'horloge.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la
lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnée à
titre d'exemple et en reférence aux dessins annexés qui montrent:
- figure 1 une représentation schématique de principe d'un régénérateur
selon l'invention;
- figure 2, en bas l'allure du signal soliton a régénérer, et en haut, I'allure du
~o signal d'horloge dans le laser à cavite;
- figure 3 une replésentalion schématique d'un régénérateur selon un
premier mode de réalisation de l'invention;
- figure 4 une représentation schématique d'un regénerateur selon un
deuxième mode de ré~lis~tion de l'invention;
'75 - figure 5 une représentation schématique d'un régénérateur selon un
troisième mode de ré~lisation de l'invention;
- figure 6 une représentation schématique d'un régénerateur selon un
quatrième mode de ré~lis~tion de l'invention;
- figure 7 une représentation schématique d'un régénérateur selon un
cinquième mode de réalisation de l'invention.
L'invention propose d'associer dans un même circuit la fonction de
récupération d'horloge, par blocage de modes d'un laser, et la fonction de
modulation. A cet effet, elle repose sur la cGnstaldlion surp~nal-te que l
modulateur utilisé pour assurer le blocage de mode du laser par le signal soliton
à régénérer effectue en même temps la modulation de ce signal soliton par la
lumière du laser. Dans un circuit formé d'un laser à cavite dans lequel est inséré
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un modulateur, et de moyens pour coupler le signal d'entree à régénerer en
entrée du modulateur. I'invention propose donc de prevoir, non pas des moyens
pour extraire un signal d'horloge constitué par la lumiere du laser, mais des
moyens pour extraire, en sortie du mod~ t~ur, le signal régenéré.
Comme dans les dispositifs connus de l'art antérieur, le signal soliton à
régenérer est couplé dans le modulateur inséré dans le laser à cavité, de sorte à
assurer un blocage actif des modes du laser, au rythme des bits du signal reçu.
Ceci permet de générer dans le laser en anneau un signal d'horloge à la
fréquence bit du signal soliton à régénerer.
o Mais ce signal d'horloge circuie dans la cavité du laser, et donc dans lemodulateur qui y est inséré, et interagit dans le modulateur avec le signal soliton
incident pour le moduler au rythme de l'horloge. Il est manifeste que la
synchronisation du signal d'horloge et du signal soliton à moduler est assurée
automatiquement par la structure même du régénérateur de l'invention, sans
, qu'il soit nécess~ire de prévoir des mécanismes tels des lignes à retard ou
autres.
On règle de façon connue en soi la longueur la longueur de la cavite pour
assurer que l'intervalle spectral libre de la cavité est un sous-multiple entier de la
fréquence bit du signal soliton.
L'invention propose donc d'extraire en sortie du modulateur le signal soliton
ayant servi au blocage de modes du laser, qui constitue un signal régénéré.
La figure 1 montre une représentation schématique de principe d'un
regénérateur selon l'invention, fonctionnant selon ce principe. Le régenérateur
de la figure 1 comprend un laser à cavité, en l'espèce un laser à fibre en anneau,
'5 comprenant une fibre 1, formant un anneau; sur la fibre sont disposés un
isolateur 2, un filtre 3, et des moyens 4 d'amplification optique du signal. La
flèche du modulateur montre le sens de circulation de la lumière dans la cavité.Dans la cavité est inséré un modulateur 5, qui reçoit en entrée non seulement lesignal provenant de la hbre 1, sur une entrée 6, mais aussi, sur une entrée 7, le
30 signal soliton à régénérer. En sortie, le modulateur est relié à la fibre 1, sur une
sortie 8, de sorte à permettre un blocage de mode actif du laser par le signal
soliton. Le modulateur fournit en outre sur une sortie 9 le signal soliton régénéré.
On peut prévoir sur la fibre 1 des moyens dispersifs 10, qui permettent de
contrôler la largeur des impulsions du signal d'horloge dans la fibre, et
35 notamment d'élargir les impulsions d'horloge. On ameliore ainsi la co"~tion de
la gigue temporelle du signal soliton par la modulation par le signal d'horloge. On
. .
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peut utiliser comme moyens de dispersion une fibre à fort coefficient de
dispersion, ou encore un reseau de Bragg.
Le modulateur 5 de la figure 1 peut être un modulateur de phase, un
modulateur d'intensité, ou un modulateur de phase et d'intensité combinees,
comme expliqué dans les divers modes de re~lis~tion des figures 3 à 6.
La figure 2 montre, en bas, l'allure des signaux solitons reçus sur l'entrée 7
du modutateur 5, et en haut l'allure du signal d'horloge correspondant obtenu
lorsque le modulateur est un amplificateur à semi-conducteur comme dans le
mode de réalisation de la figure ~; ce signal circule dans le laser à cavité. Onconstate que le blocage de mode actif du laser permet de récupérer un signal
d'horloge de qualité.
La figure 3 montre une representation schématique du modulateur d'un
régénérateur selon un premier mode de réalisation de l'invention. On n'a pas
représenté sur la figure 3, I'anneau de fibre 1,1'isolateur 2, le filtre 3, les moyens
15 4 d'amplification optique du signal, ni les moyens dispersifs 10. Dans le mode de
réalisation de la figure 3, le modulateur 5 est formé d'un miroir non linéaire en
boucle ~NOLM). Celui-ci est formé d'une longueur de fibre fortement dispersive
20, par exemple une longueur de l'ordre de 10km. Les deux extrémités de la
fibre 20 sont couplées à travers un coupleur 2/2 21, et sont reliés à la fibre 1 de
~o sorte à former l'entrée 6 et la sortie 8 du modulateur. Sur la boucle de fibre 20
sont prévus deux coupleurs 2/2 22 et 23, disposés symétriquement par rapport
au coupleur 21, et dans des sens opposés. Le coupleur 22 couple dans le NOLM
le signal soliton a régénérer, et constitue l'entrée 7 du modulateur. Le coupleur
23 extrait du modulateur le signal soliton régéneré et l'horloge. En aval du
25 coupleur 23 est prévu un filtre 24 passe bas qui bloque l'horloge. La sortie du
filtre 24 constitue la sortie 9 du modulateur 5.
Le fonctionnement du NOLM de la figure 3 est le suivant. Le signal soliton
induit un blocage de mode du laser, par modulation d'intensité et de phase sur le
signal circulant dans la fibre du NOLM. Le signal provenant de la fibre 1 est
30 couplé dans le NOLM par le coupleur 21, où il est sépare en deux signaux se
propageant en sens inverse, comme indiqué par les flèches 26 et 27. Il est
recombiné au niveau du coupleur 21, et est réfléchi en sortie 6 Le signal se
propageant dans le sens de la flèche 26 est modulé en intensite par le signal
soliton incident introduit dans le NOLM par le coupleur 22. On o~tient en sortie3~ du coupleur 23 le signal soliton régénéré et le signal d'horloge. Le filtre 24 coupe
le signal d'horloge. Par ailleurs, le signal d'horloge assure une modulation
r
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synchrone de phase du signal soliton incident, et assure ainsi la correction de sa
gigue temporelle. Pour plus de precisions sur le fonctionnement du NOLM
comme modulateur, on pourra se reporter à l'article de S. Bigo et al.. Electronics
Letters, vol. 31 n~ 21 (1995).
Dans le montage de la figure 3 peut en outre être prevu, en amont du
coupleur 22, un amplificateur 25 pour les signaux solitons incidents.
Le montage de la figure 3 est particulièrement avantageux, en ce que le
blocage de mode est assuré par une modulation d'intensité, tandis que la
modulation du signal soliton par l'horloge est assurée par une modulation de
10 phase. On peut de ce fait régler de façon indépendante la profondeur de
modulation du signal laser par le signal soliton, et la profondeur de modulationdu signal soliton par le signal laser. Le réglage de la profondeur de modulationde phase peut être effectué en jouant sur la puissance du signal d'horloge dans
la cavité; le réglage de la profondeur de modulation d'intensité peut être effectué
15 en jouant sur le taux de couplage du coupleur d'entrée, pour une puissance
donnée du signal d'horloge dans la cavité.
Ainsi, on assure le blocage de mode du laser et une bonne régénération
qui ne dégrade pas les solitons.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, on peut utiliser le NOLM dans sa
~o configuration classique en miroir, avec un coupleur dissymétrique. On peut aussi
régler le NOLM en mode "transmetteur", par exemple en utilisant des contrôleurs
de polarisation dans la cavite, ou en utilisant une lame birefringente aux axes
correctement alignes. Ceci permet de rendre le modulateur non bloquant pour
l'hortoge en présence de zéros, de sorte à éviter toute perte de l'horloge lors des
'5 zéros du signal soliton. Dans ce cas on peut utiliser un coupleur d'entrée
symétrique. L'efficacité en puissance est alors maximale.
La figure 4 montre une représentation schématique d'un régénérateur selon
un deuxième mode de réalisation de l'invention; comme pour la figure 3, on n'a
représenté à la figure 4 que le modulateur ~. La modulation, dans le mode de
30 réalisation de la figure 4, est une modulation de phase par effet Kerr dans une
section de fibre à forte dispersion. _ cet effet, le modulateur 5 comprend une
section de fibre 30 à forte dispersion, d'une longueur qui peut être de l'ordre de
10 km, et qui est reliée à la fibre 1 pour former l'anneau du laser, de sorte à
former l'entrée 6 et la sortie 8 du modulateur. une extrémite de la fibre 30, un35 coupleur 31 couple le signal soliton à régénérer dans la fibre; à l'autre extrémité
de la fibre 30, un coupleur 32 couple le signal soliton et l'horloge vers un filtre 33
, . . . .
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Le filtre 33 bloque le signal d'horloge, et la sortie du filtre 33 constitue la sortie 9
du modulateur ~. En amont du coupleur 31, on peut prévoir comme dans le cas
de la figure 3, un amplificateur dont l'entree constitue l'entrée 7 du modulateur.
Le montage de la figure 4 fonctionne de la façon suivante. Le signal soliton
induit un blocage de mode du laser, par modulation de phase par effet Kerr dans
la fibre 30. Le signal d'horloge assure une modulation synchrone de phase du
signal soliton incident. Le filtre 33 bloque le signal d'horloge.
Dans le montage de la figure 4, la modulation du signal soliton, comme le
blocage de mode sont effectuées par le même modulateur. La profondeur de
o modulation est choisie suffisamment importante pour garantir le blocage de
modes du laser en anneau; elle est toutefois maintenue à un niveau tel que la
modulation par la lumière du laser assure une régenération correcte, et ne
dégrade pas les solitons.
La figure 5 montre une représentation schématique d'un regénérateur selon
15 un troisième mode de réalisation de l'invention; comme pour les figure 3 et 4, on
n'a représenté à la figure 5 que le modulateur 5. La modulation, dans le mode deréalisation de la figure 5, est une modulation d'intensité et de phase dans un
amplificateur à semi-conducteur, par exemple un amplificateur à semi-
conducteur à ondes progressives (TW-SCA). Le modulateur de la figure 5
~o comprend donc un amplificateur à semi-conducteur à ondes progressives 40,
dont l'entrée et la sortie sont reliées aux extrémités de la fibre 1. En amont du
TW-SCA 40, un coupleur 41 couple dans la fibre 1 le signal solitons incident. Enaval du TW-SCA 40, un coupleur 42 fournit le signal soliton modulé et le signal
d'horloge. Le coupleur 42 est relié à un filtre 43 qui bloque le signal d'horloge. La
'5 sortie du filtre 43 constitue la sortie 9 du modulateur 5. En amont du coupleur 41,
on peut prévoir comme dans le cas des figures 3 et 4, un amplificateur 44 dont
l'entrée constitue l'entrée 7 du modulateur.
Le montage de la figure 5 fonctionne de la façon suivante. Le signal soliton
induit un blocage de mode du laser, par modulation de phase et d'intensité dans
30 le TW-SCA 40. Le signal d'horloge assure quant à lui une modulation synchronede phase et d'intensité du signal soliton incident. Le filtre 43 bloque le signal
d'horloge. On règle la profondeur de modulation comme indiqué à la figure 4.
La figure 6 montre une représentation schématique d'un régénérateur selon
un quatrieme mode de réalisation de l'invention; comme pour les figures
35 precédentes, on n'a représenté à la figure 6 que le modulateur 5. Le dispositif de
la figure 6 correspond à celui de la figure 3, et les mêmes numéros de référence
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sont utilisés. Toutefois, le dispositlf de la figure 6 comprend en outre dans leNOLM un amplificateur à semi-conducteur à ondes progressives 50, entre les
coupleurs 22 et 23. Ce dispositif permet de limiter l'encombrement du NOLM, en
remplaçant la fibre de propagation par un modulateur à semi-conducteurs.
Le fonctionnement du dispositif de la figure 6 est analogue à celui du
dispositif de la figure 3. On peut notamment régler indépendamment les
profondeurs de modulation respectives de l'horloge et du signal soliton.
La figure 7 montre une représentation schématique d'un régénerateur selon
un cinquième mode de re~lis~tion de l'invention. Dans le mode de realisation de
o ia figure 7, on utilise comme cavité non par un anneau, mais une cavité FabryPerot. On insère dans la cavite un modulateur, par exemple un amplificateur à
semi-conducteur, tel qu'un amplificateur à semi-conducteur à ondes
progressives.
Le dispositif de la figure 7 comprend donc un circulateur 55 à trois bornes,
15 qui reçoit sur une entrée sur une première borne d'entrée 56 le signal soliton à
régénérer. Ce signal est fourni en sortie sur une deuxième borne de sortie et
d'entrée 57 et est transmis à une cavité Fabry Perot 58 formée de deux miroirs
59, 60; le premier miroir 59 est un miroir selectif en longueur d'onde. Dans la
cavité 58 est disposé un modulateur 61, typiquernent un amplificateur à semi-
conducteur, de préference à ondes progressives. La troisieme borne 62 du
circulateur 55 est une borne de sortie qui fournit le signal reçu en entrée sur la
deuxième borne 57.
Le fonctionnement du dispositif de la figure 7 est le suivant. Le signal
soliton à régénérer est reçue sur la première borne 56 du sélecteur 55, et est
2~ transmis à travers la deuxième borne 57 à la cavité 58. Le signal soliton penètre
dans la cavité 58, et module en phase et en intensité dans le modulateur 61 la
lumière laser, de sorte à assure un blocage de mode. Le signal d'horloge module
dans le modulateur 61 le signal soliton. Le miroir selectif en longueur d'onde 59
bloque le signal d'horloge et laisse passer le signal soliton modulé. Ce signal
arrive ensuite en entrée sur la deuxième borne 57 du circulateur, et est transmis
en sortie à la troisième borne 58.
Le mode de ré~lis~tion de la figure 7 présente l'avantage d'une extrême
compacite. Comme dans les autres modes de réalisation, on peut prévoir un
amplificateur en amont du circul~teur 55. On pourrait aussi, au lieu du circul~teur
3~ 55, utiliser un coupleur. On pourrait encore dans le mode de réalisation de la
figure 7 prévoir dans la cavité des moyens dispersifs.
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Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et
modes de réalisation décrits et represP"t~s, mais elle est susceptible de
nombreuses variantes accessihles à l'homme de l'art. Par exemple, il est clair
que le montage des figures 3 et 4 est symétrique, et que l'on pourrait inverser la
5 position de la fibre de transmission et de la fibre du laser au niveau des coupleur
31 et 32, ou 41 et 42.
