FR2500972A1

FR2500972A1 - Opto-electronic transmission system for AM analogue signal - uses separate transmission and reception channels for positive and negative half waves and symmetrically mounted avalanche photodiodes at re

Info

Publication number: FR2500972A1
Application number: FR8103905A
Authority: FR
Inventors: Marcel Blanchet; Maurice Cantaloube
Original assignee: Etat Francais
Current assignee: Etat Francais
Priority date: 1981-02-27
Filing date: 1981-02-27
Publication date: 1982-09-03
Also published as: FR2500972B1

Abstract

An analogue signal is applied to a transformer (3) with a centre tapped secondary winding. The positive and negative half waves pass through decoupling capacitors (4,5) to the bases of transistors with LED's (1,2) in their collector circuits. The LED's radiate light along separate fibres (6,7) in an optical monomode monofibre cable. At the receiving end of the cable the signals are received by avalanche photodiodes powered by identical and constant polarising currents. The detected signals are applied to a centre tapped primary winding on a transformer of which second drives an amplifier with a predetermined gain to provide the output signal. This signal is symmetrical and independent of optical losses on the two channels. The reduction in diode polarising current reduces transmitted noise of the Schottky type, the principle noise source in such an optical communication system.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TRANSMISSION DE SIGNAUX
ANALOGIQUES RAPIDES SUK FIBRES OPTIQUES
Le secteur technique de la présente invention est celui des procédés et des dispositifs pour la transmission de signaux analogiques au moyen de fibres optiques.METHOD AND DEVICE FOR TRANSMITTING SIGNALS
QUICK ANALOGS SUK FIBER OPTIC
The technical field of the present invention is that of methods and devices for transmitting analog signals by means of optical fibers.

Il est connu dans ce secteur d'utiliser pour des liaisons à large bande (100 MHz) et à moyenne distance, des systèmes à modulation d'amplitude, c'est-à-dire à modulation d'intensité lumineuse. Ainsi, le système de transmission est construit autour d'une source de lumière (diode électroluminescente ou diode laser), modulée en intensité autour d'un point de repos et fonctionnant en classe A, et d'une photodiode à avalanche assurant la conversion optoélectronique du signal lumineux transmis par la fibre optique. It is known in this sector to use, for broadband (100 MHz) and medium-range links, amplitude modulation systems, that is to say, modulation of light intensity. Thus, the transmission system is constructed around a light source (light-emitting diode or laser diode), modulated in intensity around a rest point and operating in class A, and an avalanche photodiode for optoelectronic conversion. the light signal transmitted by the optical fiber.

Ces dispositifs souffrent généralement d'un niveau de bruit élevé du notamment au bruit Schottky de la photodiode à avalanche et au bruit thermique dans l'impédance d'entrée de l'amplificateur de tension du récepteur modifié par son facteur de bruit dont on rappelle les formules pour mémoire bruit Schottky i 2 , 2e lo M 2,3 bruit thermique .2 - 4 K T . f, f formules dans lesquelles
2 R les différents paramètres sont
M le gain d'avalanche de la photodiode,
R la résistance de charge de la photodiode, #f la largeur de bande, e la charge d'un électron, Io le courant de photodiode dû au faisceau lumineux,
K la constante de Boltzmann,
On peut remarquer que le bruit apporté par la photodiode dépend du niveau du signal lumineux reçu, le courant Io étant relié au flux lumineux # incident de la formule par la relation Io = e # # avec h # rendement quantique du détecteur h constante de Planck 9 fréquence du rayonnement
Dans une telle transmission en classe A le rapport signal sur bruit s'écrit

These devices generally suffer from a high level of noise, in particular due to the Schottky noise of the avalanche photodiode and to the thermal noise in the input impedance of the receiver voltage amplifier modified by its noise factor, the characteristics of which are recalled. Schottky noise formulas i 2, 2nd lo M 2.3 thermal noise .2 - 4 KT. f, f formulas in which
2 R the different parameters are
M the avalanche gain of the photodiode,
R the charge resistance of the photodiode, #f the bandwidth, e the charge of an electron, Io the photodiode current due to the light beam,
K the Boltzmann constant,
It may be noted that the noise provided by the photodiode depends on the level of the received light signal, the current Io being connected to the incident light flux of the formula by the relation Io = e # # with h # quantum efficiency of the constant detector Planck 9 frequency of radiation
In such a transmission in class A the signal-to-noise ratio is written

<tb> S <SEP> m <SEP> Iç <SEP> M2 <SEP> ( <SEP> Puissance <SEP> max.du <SEP> signal)
<tb> B <SEP> puissance <SEP> 2 <SEP> hfeN2s3 <SEP> + <SEP> 2K <SEP> T <SEP> F)(puissance <SEP> efficace
<tb> <SEP> R <SEP> puissance <SEP> ' <SEP> 2 <SEP> hfl(elL > ' <SEP> - <SEP> R <SEP> - <SEP> lo <SEP> de <SEP> bruit)
<tb>
avec m : taux de modulation de la diode LED utilisée
F : facteur de bruit de l'amplificateur.<tb> S <SEP> m <SEP> I <SEP> M2 <SEP>(<SEP> Power <SEP> max.of <SEP> signal)
<tb> B <SEP> power <SEP> 2 <SEP> hfeN2s3 <SEP> + <SEP> 2K <SEP> T <SEP> F) (power <SEP> effective
<tb><SEP> R <SEP> power <SEP>'<SEP> 2 <SEP> hfl (elL>'<SEP> - <SEP> R <SEP> - <SEP> lo <SEP> of <SEP> noise)
<Tb>
with m: modulation rate of the LED diode used
F: noise factor of the amplifier.

Ainsi dans le cas d'une chaîne de transmission à large bande passante de
caractéristiques h : 100 MHz
o o : 4 $ W optique
Io : 2 F A courant moyen de photodiode
M : 100,valeur du gain qui rend optimum le rapport S/B précité
m : 0,6
F : 2,29 soit 3,6 dB pour amplificateur large bande on obtient un rapport signal /bruit de 37 dB
Un moyen pour améliorer le rapport signal / bruit des
dispositifs de transmission pourrait consister à travailler en modulation
de fréquence ce qui, sur un plan théorique,devrait permettre un gain de 15
dB environ.sur le rapport S/B.Thus, in the case of a broadband transmission chain of
characteristics h: 100 MHz
oo: 4 $ W optical
Io: 2 FA average photodiode current
M: 100, gain value that makes the above S / N ratio optimum
m: 0.6
F: 2.29 or 3.6 dB for broadband amplifier gives a signal-to-noise ratio of 37 dB
A means for improving the signal-to-noise ratio of
transmission devices could consist of working in modulation
of frequency which, on a theoretical level, should allow a gain of 15
dB about the S / N ratio.

Toutefois, la réalisation pratique paraît très difficile
dans 11 état actuel de la technique puisqu'elle nécessiterait la mise au point
d'éléments de haute technicité, notamment de diodes laser modulables entre
100 N Hz et 700 MHz(pour un indice de modulation égal à 3) avec asservis
sement optique en fonction de la température, d'un modulateur FN avec grande
excursion en frequence et à haute fréquence (GHz) d'un discriminateur fonc
tionnant dans le domaine du gigahertz. Ainsi un tel mode d'amélioration du
rapport signal /bruit des transmissions optoélectroniques semble actuellement
exclu.However, the practical realization seems very difficult
in the present state of the art since it would require the development
high-tech elements, in particular modular laser diodes between
100 N Hz and 700 MHz (for a modulation index equal to 3) with slaving
optically based on temperature, an FN modulator with large
frequency and high frequency (GHz) excursion of a dark discriminator
in the gigahertz domain. So such a way of improving the
signal-to-noise ratio of optoelectronic transmissions
excluded.

L'invention a donc pour but de permettre I'amélioration
du rapport signal/bruit d'une transmission optoélectronique au moyen d'un
dispositif de réalisation simple permettant un gain de 10 à 15 dB.The object of the invention is therefore to enable the improvement
the signal-to-noise ratio of an optoelectronic transmission by means of a
simple realization device allowing a gain of 10 to 15 dB.

Pour ce. faire l'invention a pour objet un procédé de
transmission d'un signal analogique rapide selon lequel
- on sépare le signal en deux parties, une première partie comportant au
moins l'alternance positive du signal et une seconde partie comportant au
moins l'alternance négative ;
- on applique chacune des parties du signal aux bornes d'un transducteur
électro-optique chaque transducteur ayant sa sortie couplée à uné extrémité
d'une fibre optique
- on détecte, à l'autre extrémité de chaque fibre optique l'énergie lumineuse
transmise au moyen de deux photodiodes à avalanche polarisées montées symétriquement, - et on reforme le signal transmis par combinaison des deux signaux de sortie pris aux bornes de chacune des photodiodes a avalanche.For this. object of the invention is a method of
transmission of a fast analog signal according to which
the signal is divided into two parts, a first part comprising
minus the positive half of the signal and a second part
minus the negative alternation;
each part of the signal is applied to the terminals of a transducer
electro-optical each transducer having its output coupled to one end
an optical fiber
the light energy is detected at the other end of each optical fiber
transmitted by means of two symmetrically mounted polarized avalanche photodiodes, and the transmitted signal is reformed by combining the two output signals taken across each of the avalanche photodiodes.

L'invention a également pour objet un dispositif de transmission a faible niveau de bruit qui comprend en combinaison; - un émetteur a deux sources electroluminescentes travaillant en classe Ab et montées symetriquement ; - deux fiores optiques couplees chacune à la sortie de chaque source electroluminescente - un recepteur a deux photodiodes a avalanche montees symetriquement recevant l'énergie lumineuse a l'extrémité des fibres optiques, le courant de sortie des pnotodiodes étant envoye aux bornes d'un transformateur d point milieu, ou de tout autre dispositif assurant la même fonction (montage symétrique actif, a;;plificateur symétrique
Selon l'invention, les sources electroluminescentes peuvent être constituées, soit par des diodes electroluminescentes, soit des diodes laser, travaillant en classe AB, c'est-a-dire a faille courant de polarisation.The invention also relates to a low noise transmission device which comprises in combination; - a transmitter has two electroluminescent sources working in class Ab and mounted symmetrically; two optical fiores each coupled to the output of each electroluminescent source; a receiver having two symmetrically mounted avalanche photodiodes receiving the light energy at the end of the optical fibers, the output current of the pnotodiodes being sent to the terminals of a transformer; d middle point, or any other device providing the same function (symmetrical active mounting, a ;; symmetrical
According to the invention, the electroluminescent sources may consist of either light-emitting diodes or laser diodes working in class AB, that is to say a bias current bias.

Selon une autre caractéristique de l'invention, les photodiodes de detection du recepteur sont alimentées par un morne courant de polarisation de valeur constante. According to another characteristic of the invention, the detection photodiodes of the receiver are fed by a dull polarization current of constant value.

L'invention apparaitra plus clairement et d'autres caractéristiques seront explicitées dans la description qui va suivre, donnee a titre d'exemple non limitatif et accompagnée de dessins parmi lesquels: - la figure 1 représente un mode de réalisation de l'émetteur du dispositif de transmission selon l'invention, - la figure 2 représente un recepteur conforme a l'invention, - la figure 3 montre les courbes caractéristiques d'un type de diodes electro- luminescentes pouvant etre utilisé dans le dispositif selon l'invention. The invention will appear more clearly and other characteristics will be explained in the description which follows, given by way of non-limiting example and accompanied by drawings among which: FIG. 1 represents an embodiment of the transmitter of the device According to the invention, FIG. 2 shows the characteristic curves of a type of electroluminescent diode that can be used in the device according to the invention.

L'ide-mre de l'invention provient de la constatation que, dans un dispositif travaillant en modulation d'amplitude en ciasse A, la principale source de Druit provient du bruit SCOTTKY approximativement trente foissssuperieur au bruit thermique de l'amplificateur de tension du dispositif et que ce bruit Scnottky dépend du courant moyen de polarisation continue. The idea of the invention comes from the observation that, in a device working in amplitude modulation in class A, the main source of Druit comes from the noise SCOTTKY approximately thirty times higher than the thermal noise of the voltage amplifier of the device and that Scnottky noise depends on the average current of continuous polarization.

La diminution du courant de polarisatioii de la diode permet donc une réduction du niveau de bruit de la transmission, le procede consistant d choisir un point de repos Io n fois plus faible (classe Ab) qu'en classe A. La distorsion de forme innérente pour les signaux faibles en fonctionnement en classe AB et la Dipolarite des signaux d transmettre conduisent à utiliser deux voies d'émission, de transport et de reception symétriques. The reduction of the bias current of the diode thus allows a reduction of the noise level of the transmission, the method of choosing a rest point Io n times lower (class Ab) than class A. The distortion of inertial form for the weak signals in class AB operation and the Dipolarite signals to transmit lead to use two symmetrical transmit, transmit and receive channels.

L'émetteur est donc constitué par deux diodes électroluminescentes 1 et 2 disposées entre une référence de tension continue (+15 v)
et le collecteur de deux transistors dont les bases reçoivent les signaux a transmettre des deux points extrêmes du secondaire d'un transformateur à point milieu 3 au travers de condensateurs de découplage 4 et 5. Le signal d'entrée est donc séparé en deux parties, l'une comportant au moins l'alter- nance positive et l'autre l'alternance négative, avec un éventuel recouvre ment d'une partie de la première partie du signal sur l'autre.The emitter is therefore constituted by two light-emitting diodes 1 and 2 arranged between a DC voltage reference (+15 v)
and the collector of two transistors whose bases receive the signals to be transmitted from the two extreme points of the secondary of a midpoint transformer 3 through decoupling capacitors 4 and 5. The input signal is therefore separated into two parts, one having at least the positive alternation and the other the negative alternation, with a possible overlap of part of the first part of the signal on the other.

Les diodes 1 et 2 émettent donc en direction de deux fibres optiques 6 et 7 des rayonnements proportionnels à leurs deux signaux d'entrée. The diodes 1 and 2 thus emit in the direction of two optical fibers 6 and 7 radiation proportional to their two input signals.

Selon l'-invention, on choisit un point de repos 10 des diodes 1 et 2 (voir figure 3), très faible et positionne sur le point de meilleur raccordement des caractéristiques j (I) de chaque diode c1est-à-dire en général entre 3 et 20 m A. Ainsi pour des diodes électroluminescentes RCA type C 30133, on choisira un point de repos Io de 10 mA. De cette façon, si le point de repos a été choisi n fois plus faible qu'en classe A, le niveau de bruit moyen en l'absence de signal modulant sera également n fois plus faible. En outre le rapport signal bruit sera le même quelque soit le niveau du signal modulant, ce qui n'est pas le cas en modulation d'amplitude. According to the invention, a resting point 10 of the diodes 1 and 2 (see FIG. 3) is chosen which is very weak and positions on the point of best connection of the characteristics j (I) of each diode, ie in general between 3 and 20 m A. Thus for RCA type 30133 light-emitting diodes, a 10 mA rest point Io will be chosen. In this way, if the rest point has been chosen n times lower than in class A, the average noise level in the absence of a modulating signal will also be n times smaller. In addition the signal to noise ratio will be the same whatever the level of the modulating signal, which is not the case in amplitude modulation.

Dans le cas où, au lieu de diodes électroluminescentes, on utilise des diodes lasers, on choisira un courant de polarisation compris entre 200 et 500 mA. In the case where, instead of light-emitting diodes, laser diodes are used, a polarization current of between 200 and 500 mA will be chosen.

Le récepteur est constituée de deux photodiodes à avalanche 8 et -9 montées symétriquement. The receiver consists of two avalanche photodiodes 8 and 9 mounted symmetrically.

Celles-ci reçoivent des fibres 6 et 7 les flux Q 1 et # 2 et les convertissement en courants I = 1o1 (1+ m) = en M1 Q oi (1+ m) et
I2 = lo2 (1+m) = e nM2 j o2 (1+ m) avec M 1 et M 2 les gains d'avalanche des deux photodiodes 8 et 9,
m la profondeur de modulation et j o le flux de polarisation continue.These receive from the fibers 6 and 7 the flows Q 1 and # 2 and the currents I = 1o1 (1 + m) = in M1 Q oi (1+ m) and
I2 = lo2 (1 + m) = e nM2 j o2 (1 + m) with M 1 and M 2 the avalanche gains of the two photodiodes 8 and 9,
m the modulation depth and jo the continuous polarization flux.

Ces courants sont amenés aux deux borne du primaire 10 d'un transformateur à point milieu transformateur dont une borne il du secondaire est reliée à la masse et sur la seconde borne duquel on prélève la tension de sortie Vs au travers d'un amplificateur de sortie 12 de gain G. These currents are fed to the two terminals of the primary 10 of a transforming center-point transformer of which a terminal 11 of the secondary is connected to ground and on the second terminal of which the output voltage Vs is taken through an output amplifier. 12 G gain.

Le signal recueilli en sortie est donc
Vs = Z G (I I - I s Z G (1 + m ) ( Io1 - Io2) cette tension étant nulle à l'équilibre, lorsque les courants de polarisation sont égaux et en présence d'une variation dynamique de flux dû au signal modu lant.The signal collected at the output is therefore
Vs = ZG (II - I sZG (1 + m) (Io1 - Io2) this voltage being zero at equilibrium, when the polarization currents are equal and in the presence of a dynamic variation of flux due to the modulating signal .

Les composantes positive et négative du signal transmis au moyen du dispositif selon l'invention sont donc
Signal = m Io1 ZG
t signal = m 102 ZG
A l'équilibre, le signal de sortie est symétrique et indépendant de la dispersion des pertes optiques sur les deux voies.The positive and negative components of the signal transmitted by means of the device according to the invention are therefore
Signal = m Io1 ZG
t signal = m 102 ZG
At equilibrium, the output signal is symmetrical and independent of the dispersion of optical losses on both channels.

Cette alimentation des photodiodes à même courant constant compense parfaitement I'atténuation et la dispersion des pertes sur chaque fibre ainsi que les variations de sensibilité de chaque photodétecteur en température et est réalisable en faisant varier les gains d'avalanche
M 1 et M 2 de chaque détecteur pour maintenir constant le produit M do (M 1 ; 01 s M 2 d 02)
L'emploi d'un montage symétrique à la réception tel que décrit plus haut améliore légèrement le rapport signal/bruit. En effet conformément à la théorie des bruits stationnaires gaussiens, les signaux s' ajoutent alors que le bruit se compose quadratiquement
Un tel montage améliore le rapport S/B de 3 db aux petits signaux.Aux grands signaux cette amélioration théorique décroît et s'annule par suite du mode de fonctionnement asymétrique qui tend à s'établir dans le transformateur.This supply of photodiodes with the same constant current perfectly compensates the attenuation and the dispersion of the losses on each fiber as well as the variations of sensitivity of each photodetector in temperature and is feasible by varying the avalanche gains
M 1 and M 2 of each detector to keep constant the product M do (M 1; 01 s M 2 d 02)
The use of a symmetrical mounting on reception as described above slightly improves the signal / noise ratio. Indeed according to the Gaussian stationary noise theory, the signals are added while the noise is quadratically composed.
Such an arrangement improves the S / N ratio by 3 dB at small signals. At large signals this theoretical improvement decreases and vanishes due to the asymmetrical operating mode which tends to be established in the transformer.

Le gain global de ce mode de fonctionnement par rapport à la modulation d'amplitude en classe A peut se résumer comme suit
faibles signaux 10 db + 3 db - 13 db max.The overall gain of this mode of operation compared to amplitude modulation in class A can be summarized as follows
weak signals 10 db + 3 db - 13 db max.

forts signaux 10 db + 0 - 10 db max. strong signals 10 db + 0 - 10 db max.

Cette amélioration est légèrement inférieure à celle apportée par la modulation de fréquence pour un taux de modulation de 3 (14 db). This improvement is slightly less than that provided by the frequency modulation for a modulation rate of 3 (14 db).

Néanmoins, à partir des composants actuels et des circuits prévus dans la présente invention, la méthode proposée est immédiatement réalisable. En outre elle est bien moins limitative en bande passante, que celles utilisante la modulation de fréquence. Nevertheless, from the present components and circuits provided in the present invention, the proposed method is immediately achievable. In addition, it is much less limiting in bandwidth than those using frequency modulation.

L'invention s'applique favorablement au liaisons à large bande (100 tEz) et à moyenne distance ainsi qu'aux transmissions numériques à haut débit (code H DB 3 à trois niveaux des équipements M.I.C.) pour augmenter éventuellement l'espace entre répéteurs. The invention applies favorably to broadband (100 tEz) and medium range links as well as to high bit rate digital transmissions (three-level H code H DB 3 of the M.I.C. equipment) to possibly increase the space between repeaters.

Claims

1 - A method of transmitting a fast analog signal by means of optical fibers characterized in that - the signal is divided into two parts, a first part comprising at least the positive half of the signal and a second part comprising at least one negative alternation.

each of the signal portions at the terminals of an electro-optical transducer with a low polarization current is applied to each transducer having an output coupled to an end of an optical fiber.

at the other end of each optical fiber, the light energy transmitted is detected by means of two symmetrically mounted polarized avalanche photodiodes; and the transmitted signal is reformed by combining the two output signals taken at the terminals of each of the photodiodes to avalanche.

2 - Device for transmitting a fast analog signal by means of low noise optical fibers characterized in that it comprises in combination, - a transmitter with two electroluminescent sources working in class AB and mounted symmetrically - two optical fibers each coupled to the output of each electroluminescent source.

a receiver with two symmetrically mounted avalanche photodiodes receiving light energy at the end of the optical fibers, the output current of the photodiodes being sent to the terminals of a mid-point transformer.

3 - Device according to claim 2, characterized in that the electroluminescent sources of the transmitter are constituted by light emitting diodes.

4 - Device according to claim 3 characterized in that the current at the polarization point of the light emitting diodes to a value between 3 m A and 20 mA.

5 - Device according to claim 2, characterized in that the electroluminescent sources are constituted by laser diodes.

6 - Device according to claim 5, characterized in that the current at the polarization point of the laser diodes has a value between 200 mA and 500 mA.

7 - Device according to any one of claims 2 to 6 characterized in that the detection photodiodes of the receiver are fed by the same bias current of constant value.

8 - Device according to any one of claims 2 d 7 characterized in that the optical fibers are multimode monofiores.

9 - Device according to any one of claims 2a 7 characterized in that the optical fibers solit singlemode monofibres.

10 - Device according to any one of claims 2 o 9, characterized in that the receiver comprises an output amplifier.