FR2674079A1

FR2674079A1 - Improvement to coherent optical telecommunications

Info

Publication number: FR2674079A1
Application number: FR9103192A
Authority: FR
Inventors: Morvan Michel; Doare Philippe; Mace Lucien
Original assignee: France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1991-03-15
Filing date: 1991-03-15
Publication date: 1992-09-18
Anticipated expiration: 2011-03-15
Also published as: FR2674079B1

Abstract

Coherent optical telecommunications device comprising a first transmitting laser (LS) supplying a first incident wave, at the angular frequency omega S, means (100) for modulating the incident wave by a signal to be transmitted, an optical transmission line (110), a second detection laser (LL) supplying a second detection wave, at the angular frequency omega L, an optical coupler (130) for the said first and second waves, an optical detector (150) supplying an output signal at the angular frequency ¦ omega S- omega L¦, and means (170) for demodulating the output signal in order to reproduce the signal to be transmitted. According to the invention, the said first (LS) and second (LL) lasers are lasers which are absolutely and independently stabilised in frequency on a reference wavelength. Application to coherent optical telecommunications, especially to semiconductor lasers.

Description

La présente invention concerne un dispositif de télécommunication optique cohérente, comprenant un premier laser, dit laser d'émission, fournissant une première onde, dite onde incidente, à la pulsation w5, des moyens de modulation de l'onde incidente par un signal à transmettre, une ligne de transmission optique, un deuxième laser, dit laser de détection, fournissant une deuxième onde, dite onde de détection, à la pulsation WL, un coupleur optique desdites première et deuxième ondes, un détecteur optique fournissant un signal de sortie à la pulsation w W wL , et des moyens de démodulation du signal de sortie pour restituer le signal à transmettre. The present invention relates to a coherent optical telecommunication device, comprising a first laser, called emission laser, supplying a first wave, called incident wave, at the pulsation w5, means for modulating the incident wave by a signal to be transmitted. , an optical transmission line, a second laser, called the detection laser, providing a second wave, called the detection wave, at the pulsation WL, an optical coupler of the said first and second waves, an optical detector providing an output signal to the pulsation w W wL, and means for demodulating the output signal to restore the signal to be transmitted.

L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des télécommunications optiques cohérentes, notamment à lasers semi-conducteurs. The invention finds a particularly advantageous application in the field of coherent optical telecommunications, in particular with semiconductor lasers.

Le principe de la détection cohérente consiste à mélanger, lors de la détection, l'onde incidente de pulsation w5 modulée en amplitude, phase ou fréquence par le signal à transmettre, avec l'onde émise par un oscillateur local à la pulsation #L. La détection est dite hétérodyne si wL est différente deys. Le détecteur livre dans ce cas un signal de battement à la fréquence différence des deux ondes. Si les pulsations des deux ondes sont égales, on parle de détection homodyne et le signal de sortie est reçu en bande de base. The principle of coherent detection consists in mixing, during detection, the incident wave of pulsation w5 modulated in amplitude, phase or frequency by the signal to be transmitted, with the wave emitted by a local oscillator at pulsation #L. The detection is said to be heterodyne if wL is different from deys. The detector delivers in this case a beat signal at the frequency difference of the two waves. If the pulses of the two waves are equal, we speak of homodyne detection and the output signal is received in baseband.

Ce principe utilisé en télécommunications sur fibre optique unimodale (dans ce cas, les fréquences mises en jeu sont des fréquences optiques) permet une amélioration sensible du seuil de détection par rapport à la technique classique de détection directe. Toutefois, la détection cohérente exige une bonne stabilité de la différence W 5-W , ce qui se traduit, dans le domaine de l'optique, par l'utilisation en réception de dispositifs complexes d'asservissement, en fréquence et/ou en phase optiques, de l'onde locale de détection, émise par le laser de détection, sur l'onde incidente émise par le laser d'émission. This principle used in telecommunications on unimodal optical fiber (in this case, the frequencies involved are optical frequencies) allows a significant improvement in the detection threshold compared to the conventional direct detection technique. However, coherent detection requires good stability of the difference W 5-W, which results, in the field of optics, by the use in reception of complex control devices, in frequency and / or in phase. optical, of the local detection wave, emitted by the detection laser, on the incident wave emitted by the emission laser.

Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de réaliser un dispositif de télécommunication optique cohérente conforme au préambule qui fournirait une différence de pulsations |&commat; sont au moins aussi stable qu'avec les dispositifs connus, mais qui nécessiterait des moyens de mise en oeuvre beaucoup simples que les techniques d'asservissement actuellement utilisées. Also, the technical problem to be solved by the object of the present invention is to produce a coherent optical telecommunication device in accordance with the preamble which would provide a difference in pulses | &commat; are at least as stable as with known devices, but which would require much simpler means of implementation than the control techniques currently used.

La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que lesdits premier et deuxième lasers sont des lasers stabilisés en fréquence de manière absolue et indépendante. The solution to the technical problem posed consists, according to the present invention, in that said first and second lasers are lasers stabilized in frequency absolutely and independently.

Ainsi, la fréquence d'émission de chaque laser est asservie de manière indépendante et absolue, ce qui assure une stabilité suffisante de la fréquence de battement des deux lasers pour que l'on puisse se dispenser d'asservissement. Cette suppression simplifie la structure de réception du dispositif et améliore le seuil de détection du fait qu'aucun signal électrique n'est prélevé pour réaliser l'asservissement. Thus, the emission frequency of each laser is controlled in an independent and absolute manner, which ensures sufficient stability of the beat frequency of the two lasers so that one can dispense with control. This removal simplifies the reception structure of the device and improves the detection threshold because no electrical signal is taken to achieve the control.

De manière avantageuse, les premier et deuxième lasers sont respectivement stabilisés en fréquence sur une raie d'absorption, moléculaire par exemple. Advantageously, the first and second lasers are respectively stabilized in frequency on an absorption line, molecular for example.

En particulier, si les premier et deuxième lasers sont stabilisés en fréquence sur une même raie d'absorption, on se retrouve dans le cas de la détection homodyne avec tous ses avantages : meilleure sensibilité, signal détecté directement en bande de base. In particular, if the first and second lasers are frequency stabilized on the same absorption line, we find ourselves in the case of homodyne detection with all its advantages: better sensitivity, signal detected directly in baseband.

La description qui va suivre en regard des dessins connexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. The description which follows with regard to the related drawings, given by way of nonlimiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can be implemented.

La figure 1 est un schéma d'un dispositif de télécommunication optique cohérente conforme à l'invention. Figure 1 is a diagram of a coherent optical telecommunication device according to the invention.

La figure 2 est le schéma d'un laser à cavité étendue du type de ceux utilisés dans le dispositif de la figure 1. FIG. 2 is the diagram of an extended cavity laser of the type of those used in the device of FIG. 1.

La figure 3 est un schéma d'un système de stabilisation en fréquence des lasers de la figure 2 mis en oeuvre dans le dispositif de la figure 1. FIG. 3 is a diagram of a system for stabilizing the frequencies of the lasers of FIG. 2 implemented in the device of FIG. 1.

La figure 4 est un diagramme donnant les variations au cours du temps de la fréquence de battement des premier et deuxième lasers de la figure 1. FIG. 4 is a diagram giving the variations over time of the beat frequency of the first and second lasers of FIG. 1.

Le schéma de la figure 1 montre un dispositif de télécommunication optique cohérente comprenant un premier laser LS, dit laser d'émission, fournissant une première onde, dite onde incidente à la pulsation us. A titre d'exemple, ledit laser d'émission est une diode laser à semi-conducteur, InGaAsP notamment, fonctionnant autour de 1,5 pm, dans une fenêtre de transmission de la silice, matériau constitutif des fibres optiques utilisées. The diagram of FIG. 1 shows a coherent optical telecommunication device comprising a first laser LS, said emission laser, supplying a first wave, said incident wave at the pulsation us. By way of example, said emission laser is a semiconductor laser diode, InGaAsP in particular, operating around 1.5 μm, in a transmission window of silica, material constituting the optical fibers used.

La figure 2 montre un mode de réalisation particulier d'un tel laser à semi-conducteur, dit à cavité étendue, comportant la diode laser 200 proprement dite dont une face est traitée anti-reflet, un objectif 210 de couplage de 8 mm de distance focale, et un réseau de diffraction 220 de 1200 traits/mm fonctionnant à l'ordre 0, utilisé comme sélecteur spectral. FIG. 2 shows a particular embodiment of such a semiconductor laser, called an extended cavity laser, comprising the laser diode 200 proper, one face of which is treated with anti-reflection, a coupling objective 210 of 8 mm in distance focal length, and a diffraction grating 220 of 1200 lines / mm operating at order 0, used as a spectral selector.

La longueur optique de la cavité ainsi obtenue est d'environ 40 mm. Un élément piézo-électrique, non représenté, permet un mouvement de translation/rotation du réseau 220, de façon à accorder la longueur d'onde oscillant dans la cavité.The optical length of the cavity thus obtained is approximately 40 mm. A piezoelectric element, not shown, allows a translational / rotational movement of the network 220, so as to tune the wavelength oscillating in the cavity.

L'étude spectrale de ce laser a montré qu'il était possible d'atteindre n'importe quelle longueur d'onde dans une plage de 100 nm autour de la longueur d'onde centrale tout en restant monomode. D'autre part, la largeur de raie est d'environ 60 kHz. The spectral study of this laser has shown that it is possible to reach any wavelength in a range of 100 nm around the central wavelength while remaining single mode. On the other hand, the line width is around 60 kHz.

Le laser de la figure 2 est stabilisé en fréquence à l'aide du système de stabilisation montré à la figure 3. The laser in Figure 2 is frequency stabilized using the stabilization system shown in Figure 3.

Ce système utilise une raie d'absorption moléculaire du gaz ammoniac NH3 qui, dans l'intervalle 1,49 ,um-1,52 um, présente 59 raies d'absorption importantes, et notamment une raie à 1,51399 um qui a été choisie par les Demandeurs pour la stabilisation en fréquence du laser à cavité étendue décrit en regard de la figure 2. This system uses a molecular absorption line of the ammonia gas NH3 which, in the interval 1.49, μm-1.52 μm, has 59 significant absorption lines, and in particular a line at 1.51399 μm which has been chosen by the Applicants for the frequency stabilization of the laser with an extended cavity described with reference to FIG. 2.

L'onde émise par le laser, noté L d'une façon générale, est divisée en deux faisceaux par une lame séparatrice 300. Un premier faisceau est atténué par une densité optique 310 avant d'atteindre un premier détecteur 320, tandis qu'un second faisceau traverse une cuve 330 contenant de l'ammoniac, selon un trajet multiple déterminé par un jeu de miroirs 340, 350, 360. Un deuxième détecteur 370 mesure l'intensité du deuxième faisceau après absorption par l'ammoniac. Le niveau du flux absorbé dépend de la position de la longueur d'onde émise par le laser L dans la raie d'absorption choisie. Toute instabilité de la longueur d'onde laser se traduit par une variation relative du flux mesuré par le deuxième détecteur 370 par rapport à celui mesuré par le premier détecteur 320. The wave emitted by the laser, generally denoted L, is divided into two beams by a separating blade 300. A first beam is attenuated by an optical density 310 before reaching a first detector 320, while a second beam passes through a tank 330 containing ammonia, along a multiple path determined by a set of mirrors 340, 350, 360. A second detector 370 measures the intensity of the second beam after absorption by the ammonia. The level of the absorbed flux depends on the position of the wavelength emitted by the laser L in the chosen absorption line. Any instability of the laser wavelength results in a relative variation of the flux measured by the second detector 370 compared to that measured by the first detector 320.

C'est pourquoi un amplificateur différentiel 380 est utilisé en combinaison avec une électronique d'asservissement 390 pour commander l'élément piézo-électrique agissant sur le réseau 220 du laser à cavité étendue de la figure 2 de manière à ramener la longueur d'onde émise par le laser L à sa valeur nominale et annuler ainsi le signal d'erreur issu de l'amplificateur différentiel 380.This is why a differential amplifier 380 is used in combination with servo electronics 390 to control the piezoelectric element acting on the network 220 of the extended-cavity laser of FIG. 2 so as to reduce the wavelength emitted by the laser L at its nominal value and thus cancel the error signal from the differential amplifier 380.

Deux méthodes d'asservissement peuvent être utilisées
- une méthode d'asservissement à flanc de raie d'absorption,
- une méthode d'asservissement au sommet de la raie qui donne de meilleurs résultats sur le plan de la stabilité à long terme.Two control methods can be used
- a control method on the absorption line flank,
- a servo method at the top of the line which gives better results in terms of long-term stability.

Toutefois, cette méthode exige une modulation de fréquence pour détecter le maximum d'absorption.However, this method requires frequency modulation to detect the maximum absorption.

Il est bien entendu que l'asservissement de la fréquence laser sur la raie d'absorption choisie peut être effectué sur tout autre paramètre que la position du réseau de diffraction, à condition que ce paramètre permette de faire varier la longueur d'onde du laser dans la gamme requise. It is understood that the servo-control of the laser frequency on the chosen absorption line can be carried out on any other parameter than the position of the diffraction grating, provided that this parameter makes it possible to vary the wavelength of the laser within the required range.

D'une manière générale, parmi les grandeurs susceptibles d'être utilisées à cet effet, on peut citer, à titre d'exemple, le courant d'alimentation du laser ou encore la température dont les variations modifient l'indice du semi-conducteur et donc la longueur optique de la cavité.In general, among the quantities that can be used for this purpose, there may be mentioned, by way of example, the laser supply current or even the temperature, the variations of which modify the semiconductor index. and therefore the optical length of the cavity.

Comme le montre la figure 1, le laser d'émission LS précédemment décrit est muni de moyens 100 de modulation de l'onde incidente par un signal S(t) à transmettre. Ce signal S(t) peut être un signal numérique binaire et les moyens 100 de modulation un modulateur de phase utilisant l'effet Kerr ou l'effet Pockels des matériaux électro-optiques. Le signal binaire S(t) à transmettre est donc transformé en une variation entre
O et n de la phase (t) de l'onde incidente émise par le laser d'émission Ls. L'avantage de la modulation de phase est qu'elle apporte un seuil de détection plus bas que les autres types de modulation, ce qui est particulièrement important lorsque le signal S(t) doit être transmis sur de grandes distances.As shown in FIG. 1, the emission laser LS previously described is provided with means 100 for modulating the incident wave by a signal S (t) to be transmitted. This signal S (t) can be a binary digital signal and the modulation means 100 a phase modulator using the Kerr effect or the Pockels effect of electro-optical materials. The binary signal S (t) to be transmitted is therefore transformed into a variation between
O and n of the phase (t) of the incident wave emitted by the emission laser Ls. The advantage of phase modulation is that it provides a lower detection threshold than other types of modulation, which is particularly important when the signal S (t) must be transmitted over long distances.

Après modulation, l'onde incidente se propage le long d'une ligne de transmission optique à fibres de silice unimodales. After modulation, the incident wave propagates along an optical transmission line with unimodal silica fibers.

Un deuxième laser LL, dit laser de détection, fournit une deuxième onde, dite onde de détection à la pulsation w L. Ce laser LL, qui peut être analogue au premier laser L d'émission, est également stabilisé en fréquence d'une manière indépendante du laser d'émission. De façon pratique, la stabilisation en fréquence du deuxième laser L L sera effectuée sur une raie d'absorption identique ou différente de celle sur laquelle est stabilisé le laser d'émission LS. Ce deuxième laser joue donc le rôle de l'oscillateur local dans une détection optique cohérente homodyne ou hétérodyne. A second laser LL, called the detection laser, provides a second wave, called the pulse detection wave w L. This laser LL, which can be analogous to the first emission laser L, is also frequency stabilized in a way independent of the emission laser. In practical terms, the frequency stabilization of the second laser L L will be carried out on an absorption line identical or different from that on which the emission laser LS is stabilized. This second laser therefore plays the role of the local oscillator in a homodyne or heterodyne coherent optical detection.

L'onde de détection à la pulsation WL est soumise à l'action d'un dispositif 120 de contrôle de polarisation dans le but d'amener sa polarisation P, PL en coïncidence avec la polarisation PS de l'onde incidente lorsque les deux ondes sont mélangées par un coupleur optique 130. Les variations de la polarisation PL sont obtenues par tout moyen mécanique, électrique et magnétique connu, susceptible de produire une rotation du plan de polarisation de la lumière. L'asservissement de la polarisation est effectué sur le niveau du signal détecté par le détecteur 150. The pulse detection wave WL is subjected to the action of a polarization control device 120 in order to bring its polarization P, PL in coincidence with the polarization PS of the incident wave when the two waves are mixed by an optical coupler 130. The variations in the polarization PL are obtained by any known mechanical, electrical and magnetic means capable of producing a rotation of the plane of polarization of the light. The polarization control is performed on the level of the signal detected by the detector 150.

Le mélange physique des deux ondes est réalisé en sortie du coupleur optique 130 par le détecteur optique 150 qui fournit un signal électrique de sortie à la pulsation |&commat; S-toLt qui est, de préférence, nulle ou voisine de zéro. Le diagramme de la figure 4 montre la dérive au cours du temps de la fréquence de battement des deux ondes en fonction du temps t. The physical mixing of the two waves is carried out at the output of the optical coupler 130 by the optical detector 150 which provides an electrical output signal at the pulsation | &commat; S-toLt which is preferably zero or close to zero. The diagram in FIG. 4 shows the drift over time of the beat frequency of the two waves as a function of time t.

On notera que cette dérive est complètement négligeable.Note that this drift is completely negligible.

Le signal délivré par le détecteur 150 est amplifié par un amplificateur 160 puis traité par un transcodeur 170 de façon à restituer le signal numérique S(t) à transmettre. En effet, dans le cas de la modulation de phase envisagée ici, la démodulation est différentielle car il n'existe pas de référence de phase absolue, seuls les sauts de phase sont détectés. The signal delivered by the detector 150 is amplified by an amplifier 160 and then processed by a transcoder 170 so as to restore the digital signal S (t) to be transmitted. Indeed, in the case of the phase modulation envisaged here, the demodulation is differential because there is no absolute phase reference, only the phase jumps are detected.

Claims

w wi, #L | and means (170) for demodulating the output signal to restore the signal to be transmitted, characterized in that said first (LS) and second (LL) lasers are lasers stabilized in frequency absolutely and independently.

I. A coherent optical telecommunication device, comprising a first laser (lys), called emission laser, supplying a first wave, called incident wave, at the pulsation w S, means (100) for modulating the incident wave by a signal to be transmitted, an optical transmission line (110), a second laser (LL), said detection laser, supplying a second wave, said detection wave, at pulsation uL, an optical coupler (130) of said first and second waves, an optical detector (150) providing an output signal at the pulsation

2. Device according to claim 1, characterized in that the pulsations w S and L are substantially equal.

3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the first (LS) and second (LL) lasers are respectively stabilized in frequency on an absorption line.

4. Device according to claims 2 and 3, characterized in that the first (read) and second (LL) lasers are frequency stabilized on the same absorption line.