Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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DIFFERENCIATEUR OPTIQUE
Domaine de l~invention
L'invention se situe dans le domaine des
dispositifs destinés à créer un signal de différence
entre deux signaux optiques. L'invention est applicable
en particulier à un dispositif de reconstitution d'un
signal optique de transmission de données, en
particulier un signal de type rectangulaire, par
exemple un signal codé sans retour à zéro. L'invention
est applicable également pour la génération d'un signal
d'horloge à une fréquence double de la fréquence
d'horloge d'un premier signal.
Arrière plan technologique
Un article de H. K. LEE et al intitulé "Al1
fibre optic clock recovery from non return to zero
format data" paru dans le journal "Electronics letters"
vol 34 n° 5 de mars 1998, (document 1) décrit un
dispositif de reconstitution d'un signal d'horloge à
partir d'un signal optique de transmission de données
codées dans un code ne comportant pas de retour à zéro
(code NRZ).
Une partie amont du dispositif décrit dans cet
article est un différentiateur à fibre optique
permettant de générer à partir du signal au code NRZ,
un signal avec pseudo retour à zéro, (PRZ). Le signal
PRZ ainsi constitué à partir du signal NRZ est utilisé
ensuite de façon connue pour verrouiller des moyens
auto oscillants. Dans le cas décrit dans l'article il
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s'agit d'une cavité fibre laser en mode verrouillé
comportant une boucle optique à miroir non linéaire
(non linear optical loop mirror ; NOLM).
Le dispositif différentiateur amont comporte
une structure interférométrique asymétrique de Mach
Zehnder ayant deux bras, l'un comportant un retard ~ de
300 ps sous forme d'une longueur additionnelle de fibre
de 6 cm. Le signal NRZ est introduit dans chacun des
bras de la structure interférométrique asymétrique de
Mach Zehnder au moyen d'un coupleur 3 dB recevant le
signal NRZ. I1 convient de préciser pour la suite de
l~exposé que dans le dispositif expérimental décrit
dans cet article le signal NRZ était généré sur place
au moyen d'une diode laser accordable dont l'onde
continue de sortie était modulée dans un modulateur
recevant un signal de modulation NRZ délivré par un
générateur d'un tel signal. Il convient encore de
rappeler pour une bonne compréhension de la suite de
l'exposé que le retard ~ représente comme expliqué dans
l'article en colonne 1 de la page 479, la largeur à 3dB
des impulsions constituant le signal différentiel de
sortie. Pour que la condition destructive des signaux
présents dans chacun des bras de la structure
interférométrique asymétrique de Mach Zehnder soit
remplie, il faut que ce retard T soit égal à un nombre
impair de demi périodes de l'onde porteuse continue.
Pour obtenir ce résultat, il faut comme expliqué dans
l'article en haut de la colonne 2 de la page 479, soit
faire varier la longueur d'onde de cette porteuse
jusqu'à obtenir la condition de destruction, soit faire
varier la longueur de fibre provoquant le retard entre
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les signaux se propageant dans chacun des bras. Pour
des raisons évidentes de simplicité de réalisation les
..auteurs ont choisi une diode de génération de l'onde
continue, accordable avec une résolution suffisante
pour obtenir un réglage de longueur d'onde permettant
d'obtenir un déphasage remplissant la condition de
destruction.
Le dispositif expérimental décrit dans cet
article a permis d'obtenir un signal PRZ à partir d'un
signal NRZ au taux de 1,5 gigabits par seconde. Ce
signal PRZ est ensuite utilisé pour verrouiller un
signal d'horloge reconstituant le signal d'horloge du
signal NRZ.
On remarque que dans le dispositif expérimental
décrit dans cet article, la longueur d'onde de l'onde
porteuse du signal est disponible sur place, et que
donc il est facile d'agir sur elle pour la régler et
obtenir ainsi la condition destructive supposant un
déphasage de (2k +1)n entre les signaux circulant dans
chacun des bras de l'interféromètre.
Le dispositif décrit dans cet article est
difficilement susceptible d'application industrielle
car, en pratique, on veut reconstituer le signal
d'horloge au niveau d'un régénérateur à partir d'une
onde porteuse d'un signal NRZ dont la longueur d'onde
est à priori inconnue. De plus, la stabilité de l'onde
porteuse est susceptible d'être insuffisante pour
garantir, sur le long terme, la condition de
destruction. C'est pourquoi il existe un besoin pour un
dispositif permettant de différencier deux signaux dont
l'un est retardé par rapport à l'autre, c'est à dire un
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dispositif dans lequel le retard entre les deux signaux
puisse être contrôlé pour maintenir une différence de
marche qui soit en permanence égale ou proche de
(2k +1)n.
Brève description de 1~invention.
Selon l'invention le problème de l'ajustement
de phase entre un premier signal et un second signal
retardé par rapport au premier, pour obtenir la
condition d'interférence destructive est résolu par un
dispositif dans lequel on dispose d'un moyen de
création d'une onde continue. Cette onde continue est
envoyée dans une première voie comportant un milieu
dont l'indice de réfraction n, est variable en fonction
d'une caractéristique du _ signal, par exemple la
fréquence ou la puissance optique traversant le milieu.
Ce même milieu dont l'indice de réfraction n, est
variable en fonction â-'une caractéristique du signal,
par exemple la fréquence ou la puissance optique le
traversant reçoit le premier signal en sorte que
l'indice n du milieu est modulé par les niveaux haut et
bas de la caractéristique du premier signal. Cette onde
continue est également envoyée dans une seconde voie
comportant un milieu dont l'indice de réfraction n, est
variable dans les mêmes conditions. Ce même milieu de
la seconde voie reçoit le second signal en sorte que
l'indice n du milieu est modulé par les niveaux haut et
bas du second signal. En modifiant, par exemple, le
niveau de puissance du premier et/ou du second signal,
on modifie l'indice n du premier et/ou du second
milieu, et donc le temps de traversée de ce milieu par
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l' onde optique continue qui les traverse. On peut donc
de la sorte ajuster le retard d'une des voies par
rapport â l'autre pour obtenir un battement destructif
entre le premier et le second signal. Lorsque l'on fait
5 interférer l'onde continue ayant suivi la première voie
et l'onde continue ayant suivi la seconde voie, ces
deux ondes ayant entre elles un déphasage de n, on fait
la différence entre une onde modulée par le premier
signal et une onde modulée par le second signal. On
obtient donc un signal représentatif de la différence
entre le premier et le second signal.
En résumé l'invention est relative à un
dispositif optique de différentiation de deux signaux
optiques un premier et un second, le second signal
étant le premier signal retardé par rapport au premier
d'un retard ~ comprenant .
- deux voies, une première et une seconde, la première
voie comportant un moyen de retard retardant de 2 le
premier signal introduit dans cette voie, le signal
retardé constituant le second signal,
- des moyens de génération d'une onde continue,
- dispositif caractérisé en ce qu'il comporte .
- un premier milieu et un second milieu dont les
indices optiques de propagation sont variables avec
une caractéristique du signal optique traversant
ledit milieu, disposé sur la première et la seconde
voie respectivement,
- des moyens pour introduire dans le premier milieu
d'une part le premier ou le second signal et d'autre
part l'onde optique continue, et pour introduire dans
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le second milieu d'une part le premier signal et
d'autre part l'onde optique continue,
- des moyens pour faire interférer les premier et
second signaux issus du premier et du second milieu
respectivement, un signal présent en sortie de ces
moyens d'interférence constituant le signal de
différence entre le premier et le second signal.
Dans le dispositif selon l'invention, le
déphasage entre le premier et le second signal est
indépendant de la longueur d'onde de l'onde porteuse du
signal.
Les moyens de retard retardant de ~ le premier
signal peuvent être placés indifféremment en amont ou
en aval du milieu optique à indice variable. Etant
donné la convention de vocabulaire retenue, lorsque le
retard ~ est en amont du premier milieu, c'est le
second signal qui est introduit dans le premier milieu,
par contre si le retard ~ est en aval du premier
milieu, c'est le premier signal qui est introduit dans
le premier milieu.
Les moyens d'introduction du premier signal sur
les première et seconde voies peuvent être tout moyen
de multiplexer un signal arrivant sur une voie et le
répartissant entre deux voies, par exemple un coupleur
3 dB ou encore une structure interférométrique
multimode, il en va de même pour la structure
interférométrique de sortie, située en aval des premier
et second milieu.
Dans le mode préféré de réalisation les premier
et second milieux sont à indice variable en fonction de
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la puissance optique qui les traverse et sont des
amplificateurs optiques à semi-conducteur. Un réglage
du retard de phase est obtenu par réglage du courant de
polarisation de l'amplificateur, modifiant le gain de
l'amplificateur et donc le niveau de puissance
traversant le milieu optique. La variation de la
puissance traversant le milieu optique entraîne la
variation de l'indice de ce milieu. On voit ainsi que
le réglage du gain entraîne une variation du temps de
propagation. Dans ce mode de réalisation le contrôle du
retard de phase est de préférence effectué en boucle
fermée de façon à minimiser le niveau moyen du signal
de différence.
Hrève description des dessins.
D'autres avantages de l'invention apparaîtront
lors de la description d'un mode préféré de réalisation
et de variantes qui sera effectuée ci après en regard
des dessins annexés dans lesquels .
- la figure 1 représente .
en partie A un exemple de forme d'un premier
signal,
en partie B le signal de la partie A retardée,
en partie C le signal de différence entre les
signaux des parties A et B,
en partie D un signal d'horloge reconstitué à
partir du pseudo signal d'horloge représenté en partie
C ;
- la figure 2 est une vue schématique d'un
dispositif selon l'invention ;
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- la figure 3 est une vue schématique d'un
dispositif selon l'invention dans lequel des
interféromètres multimode servent de structure d'entrée
et de sortie respectivement dans et hors des première
et seconde voies ;
- la figure 4 est un exemple de dispositif de
reconstitution d'un signal d'horloge par exemple d'un
signal de transmission NRZ.
Description détaillée de modes de réalisation
de l'invention.
La figure 1 est destinée â expliquer ce que
représente un signal de différence entre un premier
signal et le même signal retardé. Les parties A et B de
la figure 1 représentent respectivement l'enveloppe
d'un signal et du même signal retardé. I1 peut s'agir
par exemple d'un signal de transmission NRZ. Ces
signaux sont portées par une onde porteuse optique non
représentée dont la longueur d'onde est très petite par
rapport à la période du signal porté. Lorsque le retard
entre le premier et le second signal est inférieur à la
période du signal porté, le signal de différence
présente comme dessiné en partie C, une impulsion dont
la durée est égale au retard, chaque fois que le signal
de la partie A présente un front montant ou un front
descendant, c'est à dire, pour un signal numérique,
chaque fois que l'on passe de 0 à 1 ôu de 1 à 0. Les
impulsions du signal de différence représenté en partie
C représentent dans ce cas des tops d'horloge du signal
NRZ. Ces tops peuvent être utilisés pour verrouiller un
dispositif auto oscillant par exemple une cavité fibre
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laser en mode verrouillé, comme décrit dans le document
cité plus haut ou encore une diode auto oscillante.
La figure 2 représente un exemple de dispositif
1 selon l'invention. Le dispositif comporte deux voies
5 et 6. Une onde optique continue générée par un
générateur d'onde continue 2, par exemple une diode
laser, est couplée par l'intermédiaire d'un moyen de
couplage 4 , par exemple un coupleur 3 dB à chacune des
voies 5 et 6 respectivement. Le premier signal porté
par exemple par une fibre optique est également couplé
par l'intermédiaire d'un moyen de couplage 3, par
exemple un coupleur 3 dB à chacune des voies 5 et 6
respectivement. La première voie 5 comporte, disposé en
série, un moyen de retard 7 et un milieu 10 dont
l'indice de propagation n est variable en fonction de
la puissance optique qui le traverse. La seconde voie 6
comporte un milieu 11 dont l'indice de propagation n
est variable en fonction de la puissance optique qui le
traverse. Dans le mode préféré de réalisation les
milieux 10 et 11 sont constitués par des amplificateurs
optiques à semi-conducteur. Dans ce mode préféré de
réalisation le retard 7 et l'amplificateur optique à
semi-conducteur 10 de la première voie 5 étaient
réalisés sur un seul et même composant. Dans le
dispositif expérimental réalisé en laboratoire, il a
été utilisé un composant du Heinrich Hertz Institute
(HHI) (BERLIN-DE) comportant un interféromètre
asymétrique de Mach Zehneder comportant deux
amplificateurs optiques à semi-conducteur, quatre
guides d'entrée et quatre guides de sortie. Seules les
entrées et sorties utilisées sont représentées sur la
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figure 2. Ce dispositif génère un retard de 7
picosecondes qui s'est révélé suffisant pour obtenir un
signal de différence, par exemple à partir d'un signal
de transmission à 2,5 gigabits ayant une période de bit
5 de 400 picosecondes ou d'un signal de transmission à 10
gigabits ayant une période de bit de 100 picosecondes.
I1 a été signalé plus haut, en liaison avec la
description de la figure 1, que le retard devait être
inférieur à la période du signal porté, c'est-à-dire
10 dans les deux cas cités immédiatement ci-dessus
inférieurs respectivement à 400 et 100 picosecondes. La
période du temps bit, est 1a durée maximum du retard,
sa durée minimum n'a pas été explorée. La durée du
retard représente la largeur des impulsions résultant
de la différentiation. I1 convient que ces impulsions
soient perceptibles. Compte tenu de ce qui a été
réalisé par 1a demanderesse, on sait maintenant qu'un
retard compris entre environ 7 picosecondes et la durée
du temps bit peut convenir.
Le moyen de retard 7 peut aussi être réalisé à
partir d'une longueur supplémentaire de fibre sur la
première voie. Dans ce cas la fibre transportant le
signal sur la première voie 5 est plus longue que la
fibre transportant le signal sur la seconde voie 6.
Cette longueur supérieure est mesurée entre les sorties
respectives du coupleur 3 et l'entrée d'une structure
interférométrique 8 recevant les signaux en aval des
milieux 10 et 11. Le retard 7 peut aussi prendre la
forme d'un composant spécifique 7 et dans ce cas il
peut être placé sur la première voie 5 en aval du
milieu 10 ou comme représenté en pointillés en amont du
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milieu 10, tout en étant en aval du point d'entrée sur
cette voie, de l'onde continue en provenance du
générateur d'onde continue 2. I1 peut aussi comme
également représenté en pointillés être en amont de ce
point d'entrée de l'onde continue en provenance du
générateur d'onde continue 2.
Des moyens 9 de réglage d'un courant de
polarisation permettent de régler le niveau
d'amplification de l'amplificateur optique 10, et
partant le temps de traversée d'un milieu optique
présent de façon connue dans cet amplificateur_ Dans le
mode préféré de réalisation le réglage est effectué de
façon constante et automatique grâce à une régulation
en boucle fermée tendant à minimiser la valeur moyenne
d'un signal optique représentant le signal de
différence directement à la sortie de la structure
interférométrique 8 ou de préférence encore en aval
d'un filtre 23 centré sur la longueur d'onde de l'onde
continue en provenance du générateur d'onde continue 2.
La boucle comporte un détecteur 22 de la puissance
optique en sortie du filtre 23. Ce détecteur 22 peut
être par exemple une photodiode suivie d'un circuit
intégrateur. Un autre mode de réalisation sera
maintenant décrit en référence à la figure 3. Le mode
de réalisation représenté sur cette figure diffère du
précédent par les moyens d' entrée du premier signal et
de l'onde continue sur les voies 5 et 6. Un
interféromètre multimode 13, par exemple de Fabry Pérot
a deux entrées, une première 14 et une seconde 15. La
première entrée 14 reçoit le signal. La seconde entrée
15 reçoit l'onde continue en provenance du générateur
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d'onde continue 2. Deux sorties une première 16 et une
seconde 17 de l'interféromètre multimode 13 reçoivent
chacune l'onde continue en provenance du générateur
d'onde continue 2, et le signal. Ces première 16 et
seconde 17 sorties sont couplées respectivement à la
première 5 et à la seconde 6. voie. Le retard 7 est
placé en amont ou en aval du milieu 10 sur la voie 5.
De même la sortie 19 de la voie 5 et la sortie 20 de la
voie 6 sont couplées à une première 19 et à une seconde
20 entrée d'un interféromètre multïmode de sortie 18.
Les entrées de cet interféromètre portent les mêmes
références 19, 20 que les sorties des voies 5 et 6 car
les sorties des voies 5 et 6 constituent aussi les
entrées de l'interféromètre multimode 13.
On notera que dans les modes de réalisation
représentés figure 3 et 4, la première et la seconde
voie comportent respectivement le premier milieu 10 et
le second milieu 11. Elle peut aussi selon les
variantes de réalisation comporter ou non le retard 7.
Lorsque les voies 5 et 6 ne comportent pas le retard 7,
les voies 5 et 6 et la structure interférométrique 8 ou
18, forment ensemble une structure interférométrique de
Mach Zenhder symétrique, la structure est asymétrique
lorsque le retard 7 est présent sur la voie 5, en aval
des entrées du signal et de l'onde continue sur cette
voie.
Le fonctionnement du dispositif a déjà été
expliqué plus haut. Le milieu 10 dont l'indice de
propagation n, est variable en fonction de la puissance
optique le traversant reçoit l'onde continue et le
premier ou le second signal en sorte que l'indice n du
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milieu 10 est modulé par les niveaux haut et bas du
premier signal. L'onde continue est également envoyée
dans le milieu 11 dont l'indice de propagation n, est
variable en fonction de la puissance optique traversant
le milieu. Ce même milieu 11 de la seconde voie reçoit
le premier signal en sorte que l'indice n du milieu est
modulé par les niveaux haut et bas du premier signal.
En modifiant le niveau de puissance du signal
traversant le premier milieu 10, on modifie l'indice n
du premier milieu 10, et donc le temps de traversée de
ce milieu 10 par l'onde optique continue qui_ le
traverse. On peut donc de la sorte ajuster le déphasage
d'une des voies par rapport à l'autre pour obtenir un
battement destructif entre le premier et le second
signal. Lorsque l'on fait interférer l'onde continue
ayant suivi la première voie et l'onde continue ayant
suivi la seconde voie, ces deux ondes ayant entre elles
un déphasage de n chaque fois que le niveau de
puissance est identique dans les deux milieux 10 et 11,
on fait la différence entre une onde modulée par le
premier signal et une onde modulée par le second
signal. On obtient donc en sortie de la structure
interférométrique 8 ou 18 un signal représentatif de la
différence entre le premier et le second signal. Ce
signal de préférence après filtrage par le filtre 23
peut être utilisé pour créer un signal de période
constante tel qu'un signal d'horloge.
Un tel dispositif 30, de création d'un signal
d'horloge à partir d'un dispositif optique de
différentiatian 1 t.el que représenté figure 2 ou 3 est
représenté figure 4. Le dispositif de création d'un
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signal d'horloge 30 comporte un dispositif 1 selon
l'une des formes de réalisation de l'invention. Le
signal de différence présent en sortie de ce dispositif
1 est reçu par des moyens auto oscillants 31. I1 pourra
s'agir par exemple d'une cavité fibre laser en mode
verrouillé, ou d'une diode auto ôscillante. Dans le
mode de réalisation expérimental, il a été utilisé une
diode auto oscillante de HHI. Lorsque le signal à
l'entrée du dispositif 1 selon l'invention est un
signal de transmission NRZ, le signal de différence
présent en sortie du dispositif 1 est un pseudo signal
avec retour à 0 (PRZ). Lorsque ce signal PRZ est
introduit dans le dispositif auto oscillant 31, on
obtient de façon connue en sortie du dispositif auto
oscillant 31 le signal d'horloge du signal NRZ.
Lorsque le signal à l'entrée du dispositif 1
selon l'invention est un signal d'horloge, le signal de
différence présent en sortie du dispositif 1 selon
l'invention est un signal d'horloge ayant une fréquence
double de celle du signal d'horloge d'entrée, puisqu'on
a une impulsion de sortie pour chaque front montant ou
descendant du signal d'entrée. La largeur de chaque
impulsion d'horloge est une fonction croissante du
retard ~ entre les deux ondes.
On note que lorsque le signal d'entrée est un
signal d'horloge on obtient directement sans dispositif
autoscillant 31 un signal d'horloge à fréquence
double.
Ainsi, le dispositif 1 selon l'invention peut
être utilisé pour obtenir un signal d'horloge ayant une
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fréquence double d'un signal d'entrée constitué par un
premier signal d'horloge.
