EP4544709A1 - Procédé et dispositif de filtrage optique à réponse impulsionnelle finie et équipements optiques correspondants - Google Patents

Procédé et dispositif de filtrage optique à réponse impulsionnelle finie et équipements optiques correspondants

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Publication number
EP4544709A1
EP4544709A1 EP23735020.2A EP23735020A EP4544709A1 EP 4544709 A1 EP4544709 A1 EP 4544709A1 EP 23735020 A EP23735020 A EP 23735020A EP 4544709 A1 EP4544709 A1 EP 4544709A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
channels
filtering device
guides
photodiode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23735020.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Gael Simon
Philippe Chanclou
Jeremy POTET
Fabienne SALIOU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Orange SA
Original Assignee
Orange SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Orange SA filed Critical Orange SA
Publication of EP4544709A1 publication Critical patent/EP4544709A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/27—Arrangements for networking
    • H04B10/272—Star-type networks or tree-type networks
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2861—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using fibre optic delay lines and optical elements associated with them, e.g. for use in signal processing, e.g. filtering
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/25—Arrangements specific to fibre transmission
    • H04B10/2507—Arrangements specific to fibre transmission for the reduction or elimination of distortion or dispersion

Definitions

  • the field of the invention is that of telecommunications by optical fibers, for example in the context of passive optical networks (PON for “Passive Optical Network” in English) allowing high transmission rates. More precisely, the invention relates to an optical filter with finite impulse response capable of being used in such a network, or more generally in the field of optical telecommunications.
  • PON Passive Optical Network
  • the invention relates to an optical filter with finite impulse response capable of being used in such a network, or more generally in the field of optical telecommunications.
  • the finite impulse response filter known by the acronym FIR filter (for English “Finite Impulse Response”), is commonly used in signal processing for the equalization of signals, that is to say to compensate the distortions introduced into the frequency domain by the different elements of the signal transmission chain. It is particularly used more and more in optical access networks.
  • An FIR filter is a filter whose impulse response is of finite duration.
  • the input signal x[n] is separated into several channels, to each of which a delay z -1 is applied, as well as an attenuation or amplification whose amplitude is given by a coefficient bi , which corresponds to a coefficient of the transfer function of the filter.
  • the different signals which encounter fixed delays z -1 and different amplifications/attenuations of coefficient b i are then recombined at each stage of the filter.
  • the signal y[n] obtained at the output of such an FIR filter is the result of the weighted sum of the different signals passing through the different channels of the filter, and is expressed in the form:
  • N-1 designates the order of the filter
  • the coefficients b i designate the coefficients of the transfer function of the filter.
  • the above equation expresses a discrete convolution between the input signal x[n] and a function represented by the values b i , these thus describing the impulse response of the filter.
  • the filter thus performs equalization on the input signal x[n] by recombining with this same signal different delayed and amplified or attenuated versions of itself.
  • This type of filter is already widely produced and used in the electrical field to equalize electrical signals, both in the world of electronics and in the world of photonics, particularly for telecommunications.
  • An all-optical filtering method could significantly improve the signal processing performance when the signal to be processed is at high speed.
  • the schematic diagram of such an optical FIR filter is illustrated in , in the simple example of a two-stage FIR filter (or taps).
  • the input optical signal 10 passes through an optical coupler 11, which separates it: on a first channel 12, the optical signal does not suffer a delay, but is attenuated or amplified by means of a variable optical attenuator 122 (or VOA for English “Variable Optical Attenuator”) or an optical amplifier; on a second channel 13, the optical signal undergoes a delay ⁇ 131 and an attenuation/amplification 132.
  • VOA variable optical attenuator
  • an optical amplifier on a second channel 13
  • These two signals are then recombined, before being detected by a photodiode 14, which delivers an electrical signal at its output.
  • such an optical FIR filter therefore corresponds to a Mach-Zehnder interferometer.
  • optical intensity detected by the photodiode 14 can be expressed in the form:
  • I 1 designates the intensity of the signal traveling through the first channel 12
  • I 2 designates the intensity of the signal traveling through the second channel 13
  • the complementary term of the equation corresponds to the interference term of the two signals traveling through the two channels, which is graphically transcribed by the pulsations represented on the upper part of the graph of the , within the envelopes of the two optical signals.
  • the invention responds to this need by proposing an optical filtering device with a finite impulse response, comprising: - at least one 1 to N optical coupler, where N is a natural integer greater than or equal to 2, configured to separate an incident optical signal into N optical signals transmitted respectively at the input of N optical channels, - N optical channels each comprising an optical guide capable of propagating an optical signal transmitted on said channel, a module configured to attenuate or amplify said optical signal propagated by said optical guide and a delay module capable of delaying a propagation of said optical signal by said optical guide, - P photodiodes, where P is a natural number greater than or equal to 1, respectively arranged at the output of a set of N/P of said N optical channels and configured so that optical signals delivered by said optical guides of said set of N/P optical channels are incident on a detection surface of said photodiode disposed at the output of said set of N/P optical channels.
  • the invention is based on a completely new and inventive approach to an all-optical FIR filter architecture.
  • the claimed architecture does not recombine the optical signals of the N optical channels before projection onto the photodiode(s) placed at the output of the device.
  • N spatially separated optical beams are projected, at the output of N optical guides, onto the detection surface of P photodiodes. This eliminates the interference phenomenon which could result from the recombination of the N optical signals before their detection by the photodiode.
  • the module configured to attenuate or amplify the optical signal propagating on each of the channels is for example a variable optical attenuator (VOA) or an optical amplifier, or more generally any type of optical or mechanical device making it possible to attenuate or amplify the light.
  • VOA variable optical attenuator
  • optical amplifier or more generally any type of optical or mechanical device making it possible to attenuate or amplify the light.
  • the device comprises a photodiode arranged at the output of the N optical channels and configured so that N optical signals delivered by the N optical guides are incident on a detection surface of the photodiode.
  • This embodiment corresponds to the simplest case, in which all the optical beams coming from the different channels of the filter are projected onto the same photodiode.
  • This embodiment has the advantage of being the least expensive.
  • photodiodes can be provided, for example two photodiodes each receiving on their surface half of the optical beams generated at the output of the N channels of the filter, or three photodiodes each receiving on their surface a third of the optical beams generated in output of the N channels of the filter. It should be noted that increasing the number of photodiodes leads to an increase in the cost of the device. However, when the number N of optical channels is large, it may be necessary to provide several photodiodes, in order to ensure spatial separation of the optical beams incident on the detection surface of the photodiode.
  • the optical guides are optical fibers.
  • the claimed optical FIR filter can be produced on optical fiber with a photodiode having a sufficiently large detection surface in relation to the minimum spacing constraints between the two fiber cores.
  • the optical guides are made using integrated photonics.
  • An integrated photonics implementation (on silicon for example) makes it possible to improve the stability and precision of the device.
  • the delay module of one of said N optical channels belongs to the group comprising: - an optical loop of a length L i imposing a delay t i on the optical signal propagated on said optical channel; - an optical ring resonator configured to produce an adjustable optical delay line.
  • Such an optical ring resonator is for example described in the article by G. Rostami and A. Rostami, “Tunable optical delay line using two port ring resonator,” in 2006 Asia-Pacific Microwave Conference , Dec. 2006, pp. 1308–1312.
  • the delay modules are configured to introduce different delays t i on each of the N optical channels.
  • the taps are spaced temporally, by means of delay lines, by a multiple of T or T/2, where T designates the symbol time.
  • the optical guides and the photodiodes are configured so that a spatial overlap of the beams of the optical signals incident on the detection surface of one of the photodiodes is less than a determined overlap threshold.
  • This configuration corresponds to an intermediate case, which appears when the beams partially overlap on the detection surface of the photodiode.
  • a recovery threshold not to be exceeded, below which the claimed device can continue to operate effectively. Note that when the overlap of the beams is significant or total (i.e. greater than the determined overlap threshold), the interference between the beams becomes dominant and the FIR filter becomes ineffective.
  • the invention also relates to an optical network unit (ONU) of an optical communication network comprising an optical filtering device as described above.
  • ONU optical network unit
  • the invention finally relates to an optical filtering method with finite impulse response, comprising: - a separation of an incident optical signal into N optical signals transmitted respectively at the input of N optical channels each comprising an optical guide, where N is a natural number greater than or equal to 2, - on each of the N optical channels, an attenuation or amplification of an optical signal propagated by the optical guide and an application of a propagation delay to the optical signal, - for each set of N/P optical channels, where P is a natural number greater than or equal to 1, a projection of the optical signals delivered by the optical guides of said set of N/P optical channels onto a detection surface of a photodiode arranged at the output of the set of N/P optical channels, so that a spatial overlap of the beams of the optical signals projected onto the detection surface is less than a determined overlap threshold.
  • optical filtering method with finite impulse response the optical line terminal (OLT) and the optical network unit (ONU) have at least the same advantages as those conferred by the optical filtering device according to the present invention.
  • the general principle of the invention is based on an architecture of optical filtering device with finite impulse response coupled to a detection method making it possible to detect the optical signal at the output of the filter on a photodiode without the use of components canceling the effects of interference between the optical waves at the output.
  • the incident optical signal x[n] 10 is separated in two by an optical coupler 11.
  • the signal meets an element 122 making it possible to attenuate or amplify the signal, for example a variable optical attenuator or VOA or an optical amplifier (semiconductor for example), making it possible to apply a multiplicative coefficient b 0 to the optical signal circulating in the optical guide 12.
  • the signal encounters a delay 131 with respect to the optical path of the arm as well as an attenuation/amplification element 132.
  • the delay element 131 is for example produced by means of a delay loop lengthening the path of the optical signal.
  • the attenuation/amplification element 132 is for example a variable optical attenuator or VOA or an optical amplifier, making it possible to apply a multiplicative coefficient b 1 to the optical signal circulating in the optical guide 13.
  • the optical beams circulating in the optical guides 12 and 13 are then projected, at the output of the filter, onto the surface of a photodiode 14.
  • the signals resulting from the two arms 12, 13 of the filter are thus detected on the surface of the photodiode 14, which outputs an electrical signal y[n]. These signals are not recombined in the same optical guide before projection on the surface of photodiode 14.
  • Figures 5A to 5C illustrate the different illumination configurations of the detection surface 141 of the photodiode 14.
  • the incident optical beams coming from the optical guides referenced 12 and 13 are projected into two completely separate zones, referenced 1 and 2.
  • the detection surface 141 is thus sufficiently large so that there is no has no overlap between the projections of the two beams; likewise, the orientation and spacing of the two optical guides 12, 13 make it possible to guarantee this absence of coverage on the surface of the photodiode 14.
  • the filter of the can be produced on optical fiber with a photodiode having a sufficiently large detection surface for operation in the optimal case of the .
  • Integrated photonics on silicon for example is also possible, to improve the stability and precision of the device.
  • Such an all-optical FIR filter makes it possible to perform all-optical signal processing and equalization functions, without having to resort to conversion of the optical signal to the electrical world.
  • it makes it possible to implement all-optical equalization to compensate for distortions and various transmission problems in optical telecommunications systems. It can advantageously be integrated into any optical network equipment in which signal equalization is useful, such as OLT type line termination equipment or an ONU type optical network unit.
  • the incident optical signal x[n] 10 is separated into N by an optical coupler.
  • the delay element of the optical channel, or arm, of index i makes it possible to apply a delay t i to the optical signal.
  • the delays of the different channels follow each other.
  • the delay applied on channel 1 is then T, the delay applied on channel 2, of 2T, the delay applied to channel 3, of 3T, and the delay applied to channel i is therefore i*T, etc.
  • the attenuation/amplification element of the optical channel, or arm, of index i makes it possible to apply a multiplicative coefficient b i to the optical signal circulating on channel i.
  • the optical beams circulating in the optical guides of indices 0, 1 and 2 are projected, at the output of the filter, onto the surface of a photodiode 14 1 ; the optical beams circulating in the optical guides of index 3, 4 and 5 (not shown) are projected, at the output of the filter, onto the surface of a photodiode 14 2, and so on, up to the optical beams circulating in the optical guides of index N-3, N-2 and N-1, which are projected, at the output of the filter, onto the surface of a photodiode 14 P.
  • the output signals of photodiodes 14 1 to 14 P are added to reconstitute the resulting electrical signal y[n].
  • the choice of the number N of filter stages and the number P of photodiodes depends on different criteria, the precision sought for the FIR optical filter and the intended application.
  • the speed of the charge carriers, and therefore the bandwidth of a photodiode is directly linked to its active surface.
  • the diameter D typically, for 20 GHz bandwidth, the diameter D
  • the FIR optical filtering device in the form of a fiber component, it is also necessary to take into account the characteristics of single-mode optical cables and fibers, as described for example in standard G. 652 (11/16 approved on November 13, 2016) of the ITU (International Telecommunications Union).

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Abstract

L'invention concerne un dispositif optique de filtrage à réponse impulsionnelle finie, comprenant : - au moins un coupleur (11) optique 1 vers N, configuré pour séparer un signal optique incident (10) en N signaux optiques transmis respectivement en entrée de N voies optiques, - N voies optiques comprenant chacune un guide optique (12, 13) apte à propager un signal optique transmis sur la voie, un module (122, 132) configuré pour atténuer ou amplifier le signal optique propagé par le guide optique et un module de retard (131) apte à retarder une propagation du signal optique par le guide optique, - P photodiodes (14) respectivement disposées en sortie d'un ensemble de N/P des N voies optiques et configurées pour que des signaux optiques délivrés par les guides optiques (12, 13) de l'ensemble de N/P voies optiques soient incidents sur une surface de détection de la photodiode disposée en sortie de l'ensemble de N/P voies optiques.

Description

    Procédé et dispositif de filtrage optique à réponse impulsionnelle finie et équipements optiques correspondants
  • Le domaine de l'invention est celui des télécommunications par fibres optiques, par exemple dans le cadre de réseaux optiques passifs (PON pour « Passive Optical Network » en anglais) permettant des débits de transmission élevés. Plus précisément, l'invention concerne un filtre optique à réponse impulsionnelle finie susceptible d’être utilisé dans un tel réseau, ou plus généralement dans le domaine des télécommunications optiques.
    •  Art antérieur
  • Le filtre à réponse impulsionnelle finie, connu sous l’acronyme de filtre FIR (pour l’anglais « Finite Impulse Response »), est couramment utilisé en traitement du signal pour l’égalisation des signaux, c’est-à-dire pour compenser les distorsions introduites dans le domaine fréquentiel par les différents éléments de la chaîne de transmission du signal. Il est notamment de plus en plus utilisé dans les réseaux d’accès optiques. Un filtre FIR est un filtre dont la réponse impulsionnelle est de durée finie.
  • Le principe général d’un tel filtre à réponse impulsionnelle finie est illustré sur la .
  • Dans le cas d’un filtre FIR analogique, le signal d’entrée x[n] est séparé en plusieurs voies, sur chacune desquelles on applique un retard z-1, ainsi qu’une atténuation ou une amplification dont l’amplitude est donnée par un coefficient bi, qui correspond à un coefficient de la fonction de transfert du filtre. Les différents signaux qui rencontrent des retards z-1 fixes et des amplifications/atténuations différentes de coefficient bi, sont ensuite recombinés à chaque étage du filtre. Le signal y[n] obtenu en sortie d’un tel filtre FIR est le résultat de la somme pondérée des différents signaux parcourant les différentes voies du filtre, et s’exprime sous la forme :
  • Soit
  • Où N-1 désigne l’ordre du filtre, et où les coefficients bi désignent les coefficients de la fonction de transfert du filtre. L’équation ci-dessus exprime une convolution discrète entre le signal d’entrée x[n] et une fonction représentée par les valeurs bi, celles-ci décrivant ainsi la réponse impulsionnelle du filtre.
  • Le filtre réalise ainsi une égalisation sur le signal d’entrée x[n] en recombinant avec ce même signal différentes versions retardées et amplifiées ou atténuées de lui-même.
  • Ce type de filtre est déjà largement réalisé et utilisé dans le domaine électrique pour égaliser des signaux électriques, tant dans le monde de l’électronique que dans le monde de la photonique, notamment pour les télécommunications.
  • Des travaux portant sur la réalisation de tels filtres FIR qui réaliseraient l’égalisation de signaux, non pas dans le domaine électrique, mais dans le domaine optique, ont été reportés.
  • En effet, depuis de nombreuses années, on s'intéresse de près à la possibilité de réaliser des filtres FIR entièrement optiques afin d'utiliser la large bande passante de l'optique. Une méthode de filtrage tout optique pourrait améliorer de manière significative les performances de traitement du signal lorsque le signal à traiter est à grande vitesse.
  • Ainsi, des travaux ont été menés en espace libre, en utilisant les propriétés de polarisation de la lumière, comme exposé dans l’article de Y. Zhou, G. Zeng, F. Yu, et H. S. Kwok, “Study on optical finite impulse response filter,” Opt. Eng., vol. 42, no. 8, p. 2318, 2003. Cependant, un inconvénient de ces derniers est que l’optique en espace libre ne se prête pas bien au domaine des télécommunications optiques, principalement par son encombrement, mais également par la difficulté de réaliser et maintenir des alignements optiques compliqués.
  • D’autres travaux ont été réalisés en photonique intégrée sur silicium sur isolant, en utilisant des propriétés des cristaux photoniques, présentés par exemple dans l’article de M. Gay et al., “Silicon-on-Insulator RF Filter Based on Photonic Crystal Functions for Channel Equalization,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 28, no. 23, pp. 2756–2759, Dec. 2016.
  • Le schéma de principe d’un tel filtre FIR optique est illustré en , dans l’exemple simple d’un filtre FIR à deux étages (ou taps). Le signal optique d’entrée 10 traverse un coupleur optique 11, qui le sépare : sur une première voie 12, le signal optique ne subit pas de retard, mais est atténué ou amplifié au moyen d’un atténuateur optique variable 122 (ou VOA pour l’anglais « Variable Optical Attenuator ») ou d’un amplificateur optique ; sur une deuxième voie 13, le signal optique subit un retard τ 131 et une atténuation/amplification 132. Ces deux signaux sont alors recombinés, avant d’être détectés par une photodiode 14, qui délivre à sa sortie un signal électrique. Dans son principe, un tel filtre FIR optique correspond donc à un interféromètre de Mach-Zehnder.
  • Cependant, la réalisation d’un filtre FIR en optique guidée pose un problème au niveau de la détection du signal à la sortie. En effet, lorsque plusieurs ondes optiques ne parcourant pas le même chemin sont combinées, elles interfèrent, et ce phénomène d’interférence peut aller jusqu’à produire l’extinction du signal de sortie, en cas d’interférence destructive.
  • Ce phénomène est illustré par la représentation schématique de la , qui n’est pas à l’échelle. L’intensité optique détectée par la photodiode 14 peut s’exprimer sous la forme :
  • Où I1 désigné l’intensité du signal parcourant la première voie 12, I2 désigne l’intensité du signal parcourant la deuxième voie 13, et où le terme complémentaire de l’équation correspond au terme d’interférence des deux signaux parcourant les deux voies, qui se transcrit graphiquement par les pulsations représentées sur la partie supérieure du graphique de la , au sein des enveloppes des deux signaux optiques.
  • Pour un fonctionnement optimum d’un filtre FIR optique, il convient de réussir à ne détecter que l’amplitude des deux signaux, soit :
    , ce qui correspond à la partie inférieure du graphique de la .
  • Il est donc nécessaire de mettre en place une solution de détection des faisceaux optiques en sortie du filtre ne permettant pas à ces derniers d’interférer l’un avec l’autre. Des travaux antérieurs ont montré que l’utilisation d’interféromètres multimodes permet d’annuler cet effet. Cependant, de tels interféromètres multimodes sont coûteux.
  • A ce jour, il n’existe pas de filtre FIR tout optique permettant une détection directe du signal en sortie sans utiliser de composant empêchant les interférences entre les signaux recombinés des différentes voies.
  • Il existe donc un besoin d'une architecture de filtre FIR optique ne présentant pas ces différents inconvénients de l’art antérieur. Notamment, il existe un besoin d’une telle architecture de filtre FIR optique sur fibre optique couplée à une méthode de détection permettant de détecter le signal en sortie du filtre sur une photodiode, sans utilisation de composant annulant les effets d’interférence entre les ondes en sortie.
    •
  • L'invention répond à ce besoin en proposant un dispositif optique de filtrage à réponse impulsionnelle finie, comprenant :
    - au moins un coupleur optique 1 vers N, où N est un entier naturel supérieur ou égal à 2, configuré pour séparer un signal optique incident en N signaux optiques transmis respectivement en entrée de N voies optiques,
    - N voies optiques comprenant chacune un guide optique apte à propager un signal optique transmis sur ladite voie, un module configuré pour atténuer ou amplifier ledit signal optique propagé par ledit guide optique et un module de retard apte à retarder une propagation dudit signal optique par ledit guide optique,
    - P photodiodes, où P est un entier naturel supérieur ou égal à 1, respectivement disposées en sortie d’un ensemble de N/P desdites N voies optiques et configurées pour que des signaux optiques délivrés par lesdits guides optiques dudit ensemble de N/P voies optiques soient incidents sur une surface de détection de ladite photodiode disposée en sortie dudit ensemble de N/P voies optiques.
  • Ainsi, l’invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive d’une architecture de filtre FIR tout optique. En effet, contrairement aux solutions de l’art antérieur selon lesquelles les signaux optiques issus des différentes voies du filtre étaient recombinés dans un même guide optique, disposé en sortie du filtre, avant projection du faisceau optique résultant sur une photodiode, l’architecture revendiquée ne recombine pas les signaux optiques des N voies optiques avant projection sur la ou les photodiodes disposées en sortie du dispositif. Ainsi, N faisceaux optiques spatialement séparés sont projetés, en sortie de N guides optiques, sur la surface de détection de P photodiodes. On s’affranchit ainsi du phénomène d’interférence qui pourrait résulter de la recombinaison des N signaux optiques en amont de leur détection par la photodiode.
  • Le module configuré pour atténuer ou amplifier le signal optique se propageant sur chacune des voies est par exemple un atténuateur optique variable (VOA) ou un amplificateur optique, ou plus généralement tout type de dispositif optique ou mécanique permettant d’atténuer ou d’amplifier la lumière.
  • Selon un mode de réalisation, P=1, et le dispositif comprend une photodiode disposée en sortie des N voies optiques et configurée pour que N signaux optiques délivrés par les N guides optiques soient incidents sur une surface de détection de la photodiode.
  • Ce mode de réalisation correspond au cas le plus simple, dans lequel tous les faisceaux optiques issus des différentes voies du filtre sont projetés sur une même photodiode. Ce mode de réalisation a pour avantage d’être le moins coûteux.
  • Dans d’autres implémentations, on peut prévoir plusieurs photodiodes, par exemple deux photodiodes recevant chacune à leur surface la moitié des faisceaux optiques générés en sortie des N voies du filtre, ou trois photodiodes recevant chacune à leur surface le tiers des faisceaux optiques générés en sortie des N voies du filtre. On notera que l’augmentation du nombre de photodiodes entraîne l’augmentation du coût du dispositif. Cependant, quand le nombre N de voies optiques est important, il peut être nécessaire de prévoir plusieurs photodiodes, afin d’assurer une séparation spatiale des faisceaux optiques incidents sur la surface de détection de la photodiode.
  • Dans un cas extrême, on peut choisir de disposer une photodiode en sortie de chacune des voies, donc de prévoir N photodiodes, et de procéder à la recombinaison des signaux dans le domaine électrique.
  • Selon une caractéristique, les guides optiques sont des fibres optiques. Ainsi, le filtre FIR optique revendiqué peut être réalisé sur fibre optique avec une photodiode présentant une surface de détection suffisamment large par rapport aux contraintes d’espacement minimal entre les deux cœurs de fibre.
  • Selon une autre caractéristique, les guides optiques sont réalisés en photonique intégrée.
  • Une réalisation en photonique intégrée (sur silicium par exemple) permet d’améliorer la stabilité et la précision du dispositif.
  • Selon un aspect, le module de retard d’une desdites N voies optiques appartient au groupe comprenant :
    - une boucle optique d’une longueur Li imposant un retard ti au signal optique propagé sur ladite voie optique ;
    - un résonateur optique en anneau configuré pour réaliser une ligne à retard optique ajustable.
  • Un tel résonateur optique en anneau est par exemple décrit dans l’article de G. Rostami et A. Rostami, “Tunable optical delay line using two port ring resonator,” in 2006 Asia-Pacific Microwave Conference, Dec. 2006, pp. 1308–1312.
  • On notera que, dans un mode de réalisation, le signal se propageant sur l’une des N voies optiques ne subit pas de retard, de sorte que le module de retard lui impose un retard ti=0.
  • Plus généralement, les modules de retard sont configurés pour introduire des retards ti différents sur chacune des N voies optiques. Dans un mode de réalisation, les taps sont espacés temporellement, au moyen de lignes à retard, d’un multiple de T ou de T/2, où T désigne le temps symbole.
  • Selon un autre aspect, les guides optiques et les photodiodes sont configurés pour que des faisceaux des signaux optiques incidents sur la surface de détection de l’une des photodiodes soient séparés spatialement.
  • En effet, si l’on peut détecter les différents faisceaux optiques séparés spatialement sur la surface de la photodiode en évitant d’utiliser un coupleur optique qui aurait pour effet de faire interférer les signaux, alors seules les amplitudes des différents faisceaux sont détectées par la photodiode, et les interférences sont évitées. Cela permet l’implémentation d’un tel dispositif dans une architecture fibrée en évitant l’utilisation de composants optiques originaux. Le cas optimal est celui où les N faisceaux optiques sont complètement séparés spatialement. Une telle décorrélation spatiale des signaux optiques permet en effet de ne détecter que leurs amplitudes, ou les enveloppes des signaux, et non les battements, ou oscillations, correspondant aux termes d’interférence des signaux entre eux.
  • Cette configuration est obtenue en réalisant un compromis optimal entre la taille de la surface de détection de la ou les photodiode(s) et l’espacement entre les différents guides optiques de chacune des voies, en sortie du filtre. Ce compromis dépend bien sûr de la technologie utilisée, et des composants choisis pour la réalisation du dispositif optique de filtrage revendiqué.
  • Selon encore un autre aspect, les guides optiques et les photodiodes sont configurés pour qu’un recouvrement spatial des faisceaux des signaux optiques incidents sur la surface de détection de l’une des photodiodes soit inférieur à un seuil de recouvrement déterminé. Cette configuration correspond à un cas intermédiaire, qui apparaît lorsque les faisceaux se recouvrent partiellement sur la surface de détection de la photodiode. On fixe un seuil de recouvrement à ne pas dépasser, en dessous duquel le dispositif revendiqué peut continuer à fonctionner efficacement. On notera que lorsque le recouvrement des faisceaux est important ou total (i.e. supérieure au seuil de recouvrement déterminé), les interférences entre les faisceaux deviennent dominantes et le filtre FIR devient inefficace.
  • L’invention concerne également un terminal de ligne optique (OLT) d’un réseau de communication optique comprenant un dispositif optique de filtrage tel que décrit précédemment.
  • L’invention concerne encore une unité de réseau optique (ONU) d’un réseau de communication optique comprenant un dispositif optique de filtrage tel que décrit précédemment.
  • L’invention concerne enfin un procédé optique de filtrage à réponse impulsionnelle finie, comprenant :
    - une séparation d’un signal optique incident en N signaux optiques transmis respectivement en entrée de N voies optiques comprenant chacune un guide optique, où N est un entier naturel supérieur ou égal à 2,
    - sur chacune des N voies optiques, une atténuation ou amplification d’un signal optique propagé par le guide optique et une application d’un retard de propagation au signal optique,
    - pour chaque ensemble de N/P voies optiques, où P est un entier naturel supérieur ou égal à 1, une projection des signaux optiques délivrés par les guides optiques dudit ensemble de N/P voies optiques sur une surface de détection d’une photodiode disposée en sortie de l’ensemble de N/P voies optiques, de façon qu’un recouvrement spatial des faisceaux des signaux optiques projetés sur la surface de détection soit inférieur à un seuil de recouvrement déterminé.
  • Le procédé optique de filtrage à réponse impulsionnelle finie, le terminal de ligne optique (OLT) et l’unité de réseau optique (ONU) précités présentent au moins les mêmes avantages que ceux conférés par le dispositif optique de filtrage selon la présente invention.
    •  Présentation des figures
  • D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre de simple exemple illustratif, et non limitatif, en relation avec les figures, parmi lesquelles :
  • présente le principe général d’un filtre à réponse impulsionnelle finie de l’art antérieur ;
  • illustre le principe d’un filtre optique à réponse impulsionnelle finie en photonique intégrée selon l’art antérieur ;
  • décrit sous forme graphique le phénomène d’interférence qui se produit avec un filtre optique selon la  ;
  • présente l’architecture d’un dispositif optique de filtrage à réponse impulsionnelle finie selon un mode de réalisation de l’invention, dans l’exemple simple d’un filtre à deux étages ;
  •  : ces trois figures illustrent sous forme schématique les différentes configurations des projections des signaux optiques sur la surface de détection de la photodiode de  ;
  • présente l’architecture générale d’un dispositif de filtrage optique à réponse impulsionnelle finie dans un mode de réalisation à N voies optiques et P photodiodes.
  • Description détaillée de modes de réalisation de l'invention
  • Le principe général de l'invention repose sur une architecture de dispositif optique de filtrage à réponse impulsionnelle finie couplée à une méthode de détection permettant de détecter le signal optique en sortie du filtre sur une photodiode sans utilisation de composants annulant les effets d’interférences entre les ondes optiques en sortie.
  • Ce principe général est illustré, dans un mode de réalisation simple dans lequel le filtre comprend N=2 voies optiques et P=1 photodiode, par l’architecture de . L’Homme du Métier étendra sans difficulté cet enseignement à d’autres valeurs de N et de P.
  • Ainsi, la présente le schéma de principe d’un filtre FIR optique d’ordre 1, i.e. présentant uniquement deux étages (« taps »), ou N=2 voies optiques.
  • Le signal optique incident x[n] 10 est séparé en deux par un coupleur optique 11. Sur le bras supérieur, le signal rencontre un élément 122 permettant d’atténuer ou d’amplifier le signal, par exemple un atténuateur optique variable ou VOA ou un amplificateur optique (à semiconducteur par exemple), permettant d’appliquer un coefficient multiplicatif b0 au signal optique circulant dans le guide optique 12. Sur le bras inférieur, le signal rencontre un retard 131 par rapport au trajet optique du bras ainsi qu’un élément d’atténuation/d’amplification 132. L’élément de retard 131 est par exemple réalisé au moyen d’une boucle de retard allongeant le trajet du signal optique. L’élément d’atténuation/amplification 132 est par exemple un atténuateur optique variable ou VOA ou un amplificateur optique, permettant d’appliquer un coefficient multiplicatif b1 au signal optique circulant dans le guide optique 13. Les faisceaux optiques circulant dans les guides optiques 12 et 13 sont ensuite projetés, en sortie du filtre, à la surface d’une photodiode 14. Les signaux résultant des deux bras 12 ,13 du filtre sont ainsi détectés sur la surface de la photodiode 14, qui délivre en sortie un signal électrique y[n]. Ces signaux ne sont pas recombinés dans un même guide optique avant projection à la surface de la photodiode 14.
  • Les figures 5A à 5C illustrent les différentes configurations d’illumination de la surface de détection 141 de la photodiode 14.
  • La illustre le cas optimal de fonctionnement du filtre optique FIR de la . Dans cette configuration, les faisceaux optiques incidents en provenance des guides optiques référencés 12 et 13 se projettent en deux zones totalement disjointes, référencées 1 et 2. Dans cette configuration, la surface de détection 141 est ainsi suffisamment grande pour qu’il n’y ait pas de recouvrement entre les projections des deux faisceaux ; de même, l’orientation et l’espacement des deux guides optiques 12, 13 permettent de garantir cet absence de recouvrement en surface de la photodiode 14.
  • La illustre un cas acceptable de fonctionnement du filtre optique FIR de la . Dans cette configuration, les faisceaux optiques incidents en provenance des guides optiques référencés 12 et 13 se projettent en deux zones qui se recouvrent partiellement, référencées 1 et 2. Ce recouvrement partiel 15 est néanmoins suffisamment faible pour permettre une détection des intensités I1 et I2 des signaux optiques projetés respectivement par les guides optiques 12 et 13.
  • La en revanche illustre une configuration dans laquelle la projection des faisceaux optiques issus des guides optiques 12 et 13 se produit sur une même zone 16 : le recouvrement est total. Lorsque le recouvrement des faisceaux est important ou total, les interférences entre les faisceaux deviennent dominantes et le filtre FIR devient inefficace.
  • Le filtre de la peut être réalisé sur fibre optique avec une photodiode présentant une surface de détection suffisamment large pour un fonctionnement dans le cas optimal de la . Une réalisation en photonique intégrée (sur silicium par exemple) est également possible, pour améliorer la stabilité et la précision du dispositif.
  • Un tel filtre FIR tout optique permet de réaliser des fonctions de traitement du signal et d’égalisation tout optique, sans avoir recours à une conversion du signal optique vers le monde électrique. Il permet notamment d’implémenter de l’égalisation tout optique pour compenser les distorsions et les différents problèmes de transmission dans les systèmes de télécommunications optiques. Il peut avantageusement être intégré dans tout équipement d’un réseau optique dans lequel une égalisation du signal est utile, tel qu’un équipement de terminaison de ligne de type OLT ou une unité de réseau optique de type ONU.
  • La présente l’architecture plus générale d’un dispositif de filtrage optique à réponse impulsionnelle finie d’ordre N-1 dans un mode de réalisation à N voies optiques et P photodiodes.
  • Le signal optique incident x[n] 10 est séparé en N par un coupleur optique. Sur chacun des N bras, le signal rencontre un élément de type VOA ou amplificateur optique permettant d’atténuer ou d’amplifier le signal, et un retard (éventuellement nul sur la voie i=0) par rapport au trajet optique du bras. L’élément de retard de la voie optique, ou bras, d’indice i permet d’appliquer un retard ti au signal optique. Dans un mode de réalisation, les retards des différentes voies se suivent. Par exemple, en désignant par T le temps symbole (i.e. l’inverse du débit), on peut construire un dispositif dans lequel les taps sont espacés de T : le retard appliqué sur la voie 1 est alors de T, le retard appliqué sur la voie 2, de 2T, le retard appliqué sur la voie 3, de 3T, et le retard appliqué sur la voie i est donc de i*T, etc. L’élément d’atténuation/amplification de la voie optique, ou bras, d’indice i, permet d’appliquer un coefficient multiplicatif bi au signal optique circulant sur la voie i.
  • Dans cet exemple, on choisit à titre illustratif de grouper les voies optiques par trois : ainsi, les faisceaux optiques circulant dans les guides optiques d’indice 0, 1 et 2 sont projetés, en sortie du filtre, à la surface d’une photodiode 141 ; les faisceaux optiques circulant dans les guides optiques d’indice 3, 4 et 5 (non représentés) sont projetés, en sortie du filtre, à la surface d’une photodiode 142,et ainsi de suite, jusqu’aux faisceaux optiques circulant dans les guides optiques d’indice N-3, N-2 et N-1, qui sont projetés, en sortie du filtre, à la surface d’une photodiode 14P. Les signaux de sortie des photodiodes 141 à 14P sont additionnés pour reconstituer le signal électrique résultant y[n].
  • Le choix du nombre N d’étages du filtre et du nombre P de photodiodes dépend de différents critères, de la précision recherchée pour le filtre optique FIR et de l’application envisagée.
  • En effet, la vitesse des porteurs de charge, et donc la bande passante d’une photodiode, est reliée directement à sa surface active. Typiquement, pour une bande passante de 20 GHz, le diamètre D
  • de la surface active d’une photodiode est de l’ordre de D ≥ 10 µm. Cet ordre de grandeur est tiré des spécifications des fabricants de composants. Plus la surface active de la photodiode est grande, et plus la photodiode est lente. Il est donc nécessaire de viser des surfaces de photodiode suffisamment petites pour des applications à haut débit. En revanche, on comprend que plus la surface de la photodiode est grande, et plus grand sera le nombre de faisceaux optiques qui pourront être projetés sur cette surface sans recouvrement ( ), ou avec un recouvrement acceptable ( ).
  • Dans le cas d’une implémentation du dispositif de filtrage optique FIR sous forme de composant fibré, il convient également de prendre en compte les caractéristiques des câbles et fibres optiques monomodes, telles que décrites par exemple dans la norme G. 652 (11/16 approuvée le 13 novembre 2016) de l’UIT (Union Internationale des Télécommunications). Notamment, la norme prévoit que le diamètre du cœur de la fibre monomode SSMF 28 (utilisée dans les réseaux) est D = 9 µm ; l’espacement minimal entre deux cœurs de fibre est e ≥ 30 µm. Cet espacement minimum conditionne la proximité des différents bras optiques de sortie du filtre FIR optique, et donc, en conséquence, le nombre de faisceaux optiques distincts qui peuvent être projetés, depuis ces différents bras optiques, sur la surface active d’une même photodiode.
  • Dans le cas d’une implémentation du dispositif de filtrage optique FIR sous forme de composant photonique intégré, il faut également tenir compte des contraintes de conception des guides optiques. Les travaux de Y. Huang, Q. Zhao, L. Kamyab, A. Rostami, F. Capolino, et O. Boyraz dans l’article “Sub-micron silicon nitride waveguide fabrication using conventional optical lithography,” Opt. Express, vol. 23, no. 5, p. 6780, Mar. 2015, rapportent par exemple un ordre de grandeur à l’état de l’art de la taille typique d’un guide optique d ≤ 1 µm. On notera que cette valeur est indicative, car très fortement dépendante des technologies, longueurs d’onde, guidage souhaité… De même, l’espacement minimal entre deux guides est de l’ordre de e ≥ 3-4 µm.
  • Toutes ces valeurs sont indicatives et varient fortement avec les technologies, les méthodes de fabrication, les matériaux ainsi que les paramètres du dispositif photonique final (guidage, longueur d’onde, …). Elles doivent néanmoins être prises en compte pour satisfaire le compromis nécessaire au fonctionnement du dispositif optique de filtrage FIR revendiqué, à savoir le choix de la taille de la surface active de la photodiode d’une part, et le choix du nombre de faisceaux optiques distincts projetés par les guides d’onde de sortie du dispositif sur cette surface active d’autre part, afin de s’assurer que les faisceaux optiques sont spatialement séparés à la surface de la photodiode, ou se recouvrent suffisamment peu pour que le fonctionnement du filtre FIR optique reste acceptable en termes de performances.
    •

Claims (11)

  1. Dispositif optique de filtrage à réponse impulsionnelle finie, comprenant :
    - au moins un coupleur (11) optique 1 vers N, où N est un entier naturel supérieur ou égal à 2, configuré pour séparer un signal optique incident (10) en N signaux optiques transmis respectivement en entrée de N voies optiques,
    - N voies optiques comprenant chacune un guide optique (12, 13) apte à propager un signal optique transmis sur ladite voie, un module (122, 132) configuré pour atténuer ou amplifier ledit signal optique propagé par ledit guide optique et un module de retard (131) apte à retarder une propagation dudit signal optique par ledit guide optique,
    - P photodiodes (14 ; 141-14P), où P est un entier naturel supérieur ou égal à 1, respectivement disposées en sortie d’un ensemble de N/P voies optiques parmi lesdites N voies optiques et configurées pour que des signaux optiques délivrés par lesdits guides optiques dudit ensemble de N/P voies optiques soient incidents sur une surface de détection de ladite photodiode disposée en sortie dudit ensemble de N/P voies optiques.
  2. Dispositif optique de filtrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que P=1, et en ce que ledit dispositif comprend une photodiode (14) disposée en sortie desdites N voies optiques et configurée pour que N signaux optiques délivrés par lesdits N guides optiques soient incidents sur une surface de détection (141) de ladite photodiode.
  3. Dispositif optique de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits guides optiques (12, 13) sont des fibres optiques.
  4. Dispositif optique de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits guides optiques (12, 13) sont réalisés en photonique intégrée.
  5. Dispositif optique de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit module de retard (131) d’une desdites N voies optiques appartient au groupe comprenant :
    - une boucle optique d’une longueur Li imposant un retard ti au signal optique propagé sur ladite voie optique ;
    - un résonateur optique en anneau configuré pour réaliser une ligne à retard optique ajustable.
  6. Dispositif optique de filtrage selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits modules de retard (131) sont configurés pour introduire des retards ti différents sur chacune desdites N voies optiques.
  7. Dispositif optique de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits guides optiques et lesdites photodiodes sont configurés pour que des faisceaux desdits signaux optiques incidents sur ladite surface de détection de l’une desdites photodiodes soient séparés spatialement.
  8. Dispositif optique de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits guides optiques et lesdites photodiodes sont configurés pour qu’un recouvrement spatial (15) des faisceaux desdits signaux optiques incidents sur ladite surface de détection (141) de l’une desdites photodiodes soit inférieur à un seuil de recouvrement déterminé.
  9. Terminal de ligne optique (OLT) d’un réseau de communication optique comprenant un dispositif optique de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
  10. Unité de réseau optique (ONU) d’un réseau de communication optique comprenant un dispositif optique de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
  11. Procédé optique de filtrage à réponse impulsionnelle finie, comprenant :
    - une séparation d’un signal optique incident (10) en N signaux optiques transmis respectivement en entrée de N voies optiques comprenant chacune un guide optique, où N est un entier naturel supérieur ou égal à 2,
    - sur chacune desdites N voies optiques, une atténuation ou amplification d’un signal optique propagé par ledit guide optique et une application d’un retard de propagation audit signal optique,
    - pour chaque ensemble de N/P voies optiques parmi lesdites N voies optiques, où P est un entier naturel supérieur ou égal à 1, une projection des signaux optiques délivrés par lesdits guides optiques dudit ensemble de N/P voies optiques sur une surface de détection d’une photodiode disposée en sortie dudit ensemble de N/P voies optiques, de façon qu’un recouvrement spatial (15) des faisceaux desdits signaux optiques projetés sur ladite surface de détection (141) soit inférieur à un seuil de recouvrement déterminé.
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