FR2656752A1 - Systeme de transmission optique, et reseau comportant un tel systeme. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne les systèmes de transmission optique. Elle consiste, dans un système où le codage sur la ligne de transmission est réalisé en émission par un interféromètre déséquilibré (101) et en réception par un interféromètre déséquilibré (111) dont le déséquilibre est identique à celui d'émission, à utiliser pour exciter l'interféromètre d'émission une source lumineuse (137) de faible longueur de cohérence, de préférence inférieure à 1 mm, et à réaliser les interféromètres en optique intégrée. Elle permet de réaliser un réseau optique pour transmettre des données multiplexées, notamment numériques.

Description

SYSTEME DE TRANSMISSION OPTIQUE, ET RESEAU
COMPORTANT UN TEL SYSTEME
La présente invention se rapporte aux systèmes de transmission optique qui permettent de transmettre d'un point à un autre des signaux divers, tels que des données numériques, en utilisant une ligne de transmission, telle qu'une fibre optique, sur laquelle circulent des signaux optiques. Elle concerne également les réseaux qui comportent un tel système et qui permettent de relier un ensemble d'émetteurs à un ensemble de récepteurs.

On a proposé dans un article intitulé "Cohérence
Multiplexing of Fiber-Optic Interferometric Sensors", publié par Janet L. Brooks et al dans la revue Journal of Lightwave
Technology, volume LT-3 NO.5, Oct. 1985, d'utiliser pour faire une liaison d'un point à un autre par voie optique un modulateur formé d'un interféromètre du type Mach-Zehnder dans lequel les deux chemins optiques sont constitués de deux fibres optiques réunies par des coupleurs. L'une des fibres est nettement plus longue, 21m par exemple, que l'autre de manière à ce que la différence des chemins optiques dans les deux bras de l'interféromètre soit supérieur à la distance de cohérence de la source optique continue, une diode laser par exemple, qui excite l'interféromètre.Un dispositif de modulation placé sur l'un des bras, le plus long par exemple, de l'interféromètre permet de faire varier légèrement le chemin optique sur ce bras et d'introduire une modulation sur les signaux lumineux sortant du modulateur. Cette modulation ne se traduit pas par des variations d'amplitude du signal lumineux et n'est pas directement accessible. Le modulateur est relié à un récepteur par une fibre optique dont la longueur peut être très grande si son atténuation est suffisamment faible. Le récepteur est un interféromètre identique à émetteur et la différence de chemin optique ainsi obtenu permet de remettre en cohérence les signaux reçus par le récepteur, ce qui fait alors apparaître la modulation sous forme de variations d'amplitude du signal lumineux.En sortie du récepteur ces variations d'intensité provenant de la modulation appliquée à l'émetteur permettent d'exciter une diode détectrice qui délivre sur un circuit électrique le signal ainsi transmis.

En mettant plusieurs modulateurs en série et plusieurs démodulateurs en série, ces démodulateurs étant accordés chacun à un modulateur, on peut ainsi recevoir sur chaque démodulateur le signal de modulation appliqué au modulateur correspondant à l'autre extrémité de la liaison. Tous ces signaux sont transmis sur une fibre unique, ce qui correspond à un multiplexage sur cette fibre.

L'utilisation de fibres optiques pour faire un tel interféromètre pose des problèmes technologiques redoutables, en particulier quant à l'adaptation de la longueur des fibres entre l'émetteur et le récepteur.

On sait par ailleurs fabriquer différents appareils, tels que des interféromètres Mach-Zehnder ou des commutateurs optiques en utilisant les techniques connues de l'optique intégrée dans des substrats électrooptiques.

Toutefois à ce jour il n'est pas possible, ni même envisageable, de réaliser des chemins optiques intégrés de plusieurs dizaines de mètres de longueur tels que ceux requis dans les dispositifs décrits ci-dessus.

Pour pallier ces inconvénients l'invention propose un système selon la revendication 1.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées qui représentent - la figure 1, le schéma d'un premier réseau selon l'invention; - la figure 2, le schéma d'une variante d'un récepteur du réseau de la figure 1 - la figure 3, le schéma d'un autre réseau selon l'invention; - la figure 4, le schéma d'une variante d'un réseau selon la figure 1 - les figures 5 et 6, des schéma de variantes des émetteurs et récepteurs du réseau de la figure 1 ; et - la figure 7, le schéma du réseau de la figure 1 muni de variantes des émetteurs et récepteurs.

Dans l'exemple de réalisation d'un réseau selon l'invention représenté sur la figure 1, deux émetteurs 101 et 102 sont reliés à quatre récepteurs 111, 112, 121 et 122 par l'intermédiaire d'un coupleur en étoile 131 et de deux commutateurs optiques 132 et 133.

Un ensemble de fibres optiques telles que 134 relie ces différents organes entre eux de manière à obtenir le réseau en étoile représenté sur cette figure 1.

Les émetteurs 101 et 102 sont des interféromètres du type Mach-Zehnder déséquilibré réalisés en optique intégrée sur un substrat électrooptique, par exemple en Niobate de Lithium.

L'énergie lumineuse appliquée à l'entrée de ces modulateurs se divise entre deux bras 135 et 136 qui se rejoignent ensuite à la sortie du modulateur pour exciter la fibre 134 de liaison au coupleur en étoile 131.

Les longueurs de ces deux bras sont différentes, de telle manière que la différence de retard optique en sortie de l'interféromètre entre les signaux s'étant propagés sur les deux bras soit nettement supérieure à la longueur de cohérence de l'énergie lumineuse appliquée à l'entrée de celui-ci.

De cette manière, les deux signaux ainsi recombinés n'interfèrent plus entre eux, et une différence de phase se produisant entre les deux bras n'amène pas à une modulation d'intensité du signal en sortie.

Chaque émetteur est déséquilibré différemment c'est-à-dire que la différence entre les longueurs des deux bras de chaque interféromètre est différente.

Selon l'invention, la source lumineuse 137 qui excite le modulateur présente une longueur de cohérence très courte, typiquement inférieure à lmm, suffisamment courte pour que la différence de chemin optique à obtenir entre les deux bras de l'interféromètre pour éviter les interférences puisse être réalisée dans un dispositif en optique intégrée, dans lequel les longueurs des trajets des signaux lumineux sont nécessairement limités en raison des dimensions du substrat.

Cette source lumineuse est par exemple une diode du type superluminescente, dont la longueur de cohérence peut être aussi courte que 50 micromètres à une longueur d'onde de 0,8 micromètres.

La diode 137 émettant de préférence en continu, la modulation est obtenue en utilisant une paire d'électrodes 138 situées de part et d'autre de l'un des bras de l'interféromètres constituant le modulateur et alimentée par la source de signal
S1(t). Le substrat dans lequel est intégré le modulateur est du type électrooptique et dans ces conditions le signal S1(t) entraîne, par l'intermédiaire des électrodes 138, une variation d'indice localisée au niveau du bras, qui entraîne elle-même une variation de la longueur optique de ce bras et une modification du signal de sortie qui ne se traduit pas par une variation d'intensité de celui-ci comme on l'a expliqué plus haut.

Les différentes fibres optiques provenant des modulateurs arrivent sur le coupleur en étoile 131 et un ensemble de fibres optiques repart de ce coupleur vers les endroits où sont localisés les récepteurs.

A chacun de ces endroits, on trouve au moins un récepteur accordé avec l'un des émetteurs, et de préférence un ensemble de récepteurs accordés respectivement aux émetteurs.

Ainsi sur la figure 1 on trouve au même endroit deux récepteurs 111 et 112 accordés respectivement aux émetteurs 101 et 102, et à un autre endroit 2 récepteurs 121 et 122 accordés respectivement aux émetteurs 101 et 102.

Pour une réalisation à deux abonnés on utilise pour alimenter les récepteurs, des commutateurs optiques 132 et 133 dont les entrées sont reliées chacune à la fibre optique desservant le lieu de réception et dont les sorties sont reliées par des tronçons de fibres optiques aux récepteurs. Ces commutateurs optiques sont de préférence réalisés en optique intégrée selon une technique connue.

Chaque récepteur est formé d'un interféromètre tout à fait identique à l'interféromètre émetteur auquel il est accordé, à l'exception des électrodes de commande qui peuvent ne pas exister. Toutefois, il est tout à fait possible d'utiliser un interféromètre strictement identique à l'interféromètre émetteur, ctest-à-dire comportant des électrodes de commande, aux fins de standardiser pour abaisser les coûts de réalisation. Dans ce cas le plus simple est de ne pas utiliser l'électrode de commande, mais on a aussi la possibilité, à titre de perfectionnement de l'invention, de relier cette électrode de commande à une source de tension continue ajustable qui permet de compenser les variations de bras provenant des dispersions lors de la fabrication et des dérives éventuelles dans le temps.

Dans cet interféromètre de réception les signaux sur le bras le plus long prennent du retard sur ceux se propageant sur Ie bras le plus court, ce qui compense exactement le retard imposé dans l'émetteur correspondant. Ainsi les signaux peuvent interférer de nouveau et le retard de phase supplémentaire provenant de l'action du signal à transmettre Sl(t) se traduit à ce moment par une variation d'intensité du signal lumineux en sortie de l'interféromètre de réception 111. Ces variations sont détectés par une photodiode 139 qui délivre un signal électrique de sortie S11(t) qui reproduit le signal électrique d'émission Sl(t) .

Lorsque par contre le commutateur 132 relie le coupleur 131 au récepteur 112, c'est la photodiode 140 qui délivre un signal S12(t) qui reproduit le signal S2(t).

Les phénomènes sont les mêmes pour les récepteurs 121 et 122 qui, lorsqu'ils sont sélectionnés par le commutateur 133, délivrent les signaux S21(t) ou S22(t) reproduisant respectivement les signaux Sl(t) ou S2(t).

A partir de la configuration de base représentée sur la figure 1, on peut réaliser différentes variantes pour améliorer le "budget" en puissance et en conséquence obtenir une capacité plus importante du réseau, exprimée par le produit : nombre d'abonnés x débit abonné.

Une première variante consiste, comme représentée sur la figure 2, à ne pas recombiner dans l'interféromètre de réception 211 les signaux optiques en sortie des deux bras de l'interféromètre, mais à les faire arriver sur deux sorties distinctes de l'interféromètre après propagation sur une longueur suffisante pour obtenir un couplage 250 et exciter deux photodiodes 239 et 249 connectées de manière à additionner leurs signaux de sortie.

En généralisant cette variante, on obtient celle de la figure 3 dans laquelle les deux bras du modulateur d'émission ont des sorties distinctes et alimentent respectivement des fibres optiques 334 et 344. Ces fibres sont réunies respectivement à des coupleurs en étoile 341 et 331 qui alimentent tous deux les interféromètres de réception.

Ces interféromètres de réception, tels que 311, comprennent eux-mêmes deux bras qui sont cette fois-ci totalement distincts, ayant chacun une entrée et une sortie séparée de celle de l'autre bras. L'un des bras est alimenté à partir de la fibre optique 335 par un commutateur optique 332 relié également au deuxième interféromètre de réception. L'autre bras est relié à la fibre 345 par un autre commutateur optique 342.

Les sorties des deux bras distincts du récepteur alimentent, comme dans la première variante, deux photodiodes 339 et 349.

Dans cette configuration, lton a en quelque sorte doublé le système, et on améliore ainsi le bilan énergétique de l'ensemble.

On remarquera qu'on peut toujours réaliser sur un substrat unique un maximum d'éléments optiques intégrés situés en un même endroit. Ainsi on peut très bien intégrer sur un même substrat les récepteurs 311 et 312 et les commutateurs 332 et 342. De même les coupleurs en étoile 341 et 331 qui sont a priori situés en un même endroit, peuvent être réalisés sur un substrat unique.

Dans ce même but, lorsque tous les éléments sont intégrés sur un même substrat, on peut à titre de variante simplifier la réalisation en intégrant de manière plus étroite les organes au lieu de les juxtaposer sur la surface de ce substrat. Ainsi, comme représenté sur la figure 4, le récepteur 311 qui comprend intégrés les deux récepteurs accordés aux émetteurs 401 et 402, ne comprend plus que trois bras d'interféromètre 451, 452, et 453. Le bras 451 est commun pour la réception des émetteurs 401 et 402 alors que le bras 452 correspond à l'émetteur 401 et le bras 453 à l'émetteur 402.

Deux commutateurs optiques intégrés sur le substrat 432 et 442 permettent de sélectionner celui des deux bras 452 ou 453 qui est utilisé pour la réception. On obtient ainsi en sortie sur la diode 439 l"un des signaux S11(t) ou S12(t).

On peut également réaliser les interféromètres émetteurs et récepteurs selon d'autres techniques que celles de
Mach- Zehnder.

Une variante consiste à réaliser des interféromètres de type Michelson comme représenté sur les figures 5 et 6.

Sur la figure 5, l'émetteur 501 comprend deux bras 535 et 536 qui ne sont couplés que d'un seul côté. Du côté couplé l'un des bras est alimenté par une diode super luminescente 537 et est soumis à l'action des électrodes 538.

L'autre bras alimente la fibre de sortie 534 qui va vers le coupleur. Du côté non couplé un miroir 550 appliqué contre la tranche du substrat permet de renvoyer la lumière dans les guides par où elle arrive, ce qui réalise bien un interféromètre du type Michelson.

Le récepteur 511 est identique et reçoit sur l'un de ses bras du côté couplé le signal lumineux provenant du coupleur en étoile. Il émet sur l'autre bras de ce même côté couplé le signal lumineux servant à exciter la photodiode 539 de sortie.

Un deuxième mode de réalisation de l'interféromètre de
Michelson consiste, comme représenté sur la figure 6 > à accentuer le déséquilibre entre les deux bras en rallongeant l'un de ces bras, de préférence le plus grand, par un tronçon de fibre optique 652 connecté à l'extrémité non couplée de ce bras. Le miroir est alors séparé en deux parties, l'une 650 qui est appliquée contre la bordure du substrat, et l'autre 651 qui est fixée à l'extrémité libre de tronçon de fibre 652. Là aussi le récepteur 611 est réalisé de manière identique.

On peut aussi, comme représenté sur la figure 7, réaliser les interféromètres en mettant à profit la différence des coefficients électrooptiques entre deux polarisations dans un matériau optiquement actif. Ainsi, le signal lumineux émis par la diode super luminescente 737 est injecté dans une fibre optique 735 réalisée en matériau biréfringent. La longueur de la fibre optique est suffisante pour que la différence des vitesses des deux modes de propagation selon les deux polarisations provoque une séparation des signaux qui empêche l'interférence.

Cette fibre optique est appliquée à un modulateur 736 composé d'un simple guide intégré sur un substrat en matériau actif, dans lequel les coefficients électrooptiques sont différents selon la polarisation des ondes lumineuses. Ainsi, les électrodes 738, qui entourent le guide intégré sur le substrat, modifient le retard apporté par la fibre 735 entre les modes. On peut utiliser à titre d'exemple un substrat en Niobate de
Lithium utilisé en coupe Y, avec un axe Z perpendiculaire à la direction de propagation dans le guide intégré. Dans un tel cas le rapport entre les coefficients électrooptiques est sensiblement égal à 3.

Les signaux optiques parcourent ensuite un chemin semblable à celui de la figure 1, comprenant un coupleur en étoile et des commutateurs optiques. La démodulation est ensuite effectuée en utilisant un morceau de fibre optique 745 de même longueur que la fibre 735 dont l'extrémité libre est appliquée sur un analyseur 746 orienté à 450 par rapport aux deux polarisations de l'onde lumineuse. Cette analyseur permet de recombiner ces deux ondes qui ont été remises en phase dans la fibre 745, et le signal lumineux ainsi obtenu est modulé suivant
S1(t). Ce signal lumineux excite alors une photodiode de réception 739 qui délivre le signal Sll(t).

L'invention n'est pas limitée à un réseau en étoile.

Elle s'étend par exemple aux réseaux en anneau sur lesquels on branche les émetteurs et les récepteurs de manière à ce qu'un émetteur situé en un point quelconque puisse être relié à un récepteur situé en un autre point quelconque. Le bilan énergétique de l'ensemble est toutefois dans cette réalisation moins favorable dès que le nombre d'abonnés devient significatif.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Système de transmission optique, et réseau comportant un tel système, du type comprenant au moins une source lumineuse (137) ayant une longueur de cohérence déterminée, au moins un interféromètre d'émission (101) comportant deux premiers chemins optiques (135, 136) dont la différence des longueurs est supérieure à cette longueur de cohérence et des moyens (138) pour modifier par un signal à transmettre (S 1(t)) la longueur de ces chemins, au moins un interféromètre de réception (111) comportant deux deuxièmes chemins optiques dont la différence de longueur est égale à celle des deux premiers chemins, des moyens l131-134) pour relier la sortie de l'interféromètre d'émission à entrée de l'interféromètre de réception, et des moyens pour détecter la variation du signal lumineux en sortie de l'interféromètre de réception et pour délivrer le signal transmis (S11(t)), caractérisé en ce que la longueur de cohérence de la source (137) est faible et que les interféromètres d'émission et de réception (101, 111) comprennent au moins un élément réalisé en optique intégrée.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite longueur de cohérence est inférieure à lmm, et que les deux chemins optiques (135, 136) sont entièrement réalisés en optique intégrée.

3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de sources (137) alimentant chacune un interféromètre d'émission (101), et que les moyens de liaison comprennent au moins un coupleur en étoile (131) dont l'entrée est reliée à la sortie des interféromètres d'émission et au moins un commutateur optique (132) dont l'entrée est reliée à la sortie du coupleur en étoile et les sorties à un ensemble d'interféromètre de réception (111, 112).

4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'interféromètre de réception (211) comprend deux chemins optiques distincts ayant une entrée commune et dont les sorties sont séparées, ces sorties alimentant respectivement deux photodiodes (239, 249) ayant une sortie commune.

5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'interféromètre de sortie (411) comprend trois chemins de longueurs distinctes (451-453) et deux commutateurs optiques (432, 442) intégrés sur le même substrat que les chemins et permettant de relier l'un de ces chemins (451) à l'un ou l'autre (452, 453) des deux autres.

6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'un au moins des interféromètres (101) est du type Mach-Zehnder.

7. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un au moins (501) des interféromètres est du type

Michelson, dans lequel l'un des chemins présente une entrée pour recevoir le signal lumineux d'entrée (537) sur l'un des bords du substrat et une sortie sur un autre bord du substrat contre lequel vient s'appuyer un miroir (550) qui permet de renvoyer l'énergie lumineuse du premier chemin dans ce premier chemin, que le deuxième chemin présente une sortie pour délivrer le signal lumineux de sortie de l'interféromètre, et une entrée située sur ledit autre bord du substrat en face dudit miroir (550), les deux chemins étant couplés optiquement du côté de l'entrée du premier et de la sortie du second.

8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un au moins des interféromètres est du type Michelson qui comprend deux chemins dont l'un présente une entrée destinée à recevoir le signal lumineux d'entrée de l'interféromètre et est située sur un bord du substrat sur lequel l'interféromètre est intégré et une sortie située sur un autre bord de ce substrat, un premier miroir (650) venant s'appuyer sur ce dernier bord du substrat pour renvoyer l'énergie lumineuse dans ce premier bras, un deuxième bras présentant sur un des bords du substrat une entrée connectée à un morceau de fibre optique (652) elle-même aboutissant sur un deuxième miroir (651), ce deuxième bras étant optiquement couplé au premier du côté de l'entrée du premier et de la sortie du deuxième, ladite sortie du deuxième permettant de délivrer le signal lumineux de sortie de l'interféromètre.

9. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interféromètre d'émission comprend une fibre optique (735) biréfringente alimentée d'un côté par la source lumineuse (737) et venant alimenter de l'autre côté un modulateur de phase (736) comprenant un chemin optique unique entouré de deux électrodes de commande (738), et que l'interféromètre de réception comprend une fibre optique biréfringente (745) de même longueur que celle de l'interféromètre d'émission alimentée d'un côté par le signal optique transmis et venant alimenter de l'autre un analyseur (746) à polarisation croisée à 450 sur les polarisations de la fibre, la sortie de cet analyseur alimentant une photodiode (739).

10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce l'interféromètre d'émission (301) comprend deux chemins optiques ayant une entrée commune et deux sorties distinctes, que l'interféromètre de lecture (311) comprend deux chemins distincts non reliés entre eux possédant deux entrées et deux sorties, ces deux sorties alimentant deux photodiodes (339, 349) en série , et que les moyens de liaison comprennent deux commutateurs en étoile (341, 331) et au moins deux commutateurs optiques (332, 342) pour relier séparément les sorties des interféromètres d'émission aux entrées des interféromètres de réception.

11. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de liaison comprennent un anneau optique sur lequel sont reliés les interféromètres d'émission et de réception.