FR2735637A1 - Dispositif tout optique pour la regeneration d'un signal optique module selon un format rz - Google Patents
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Abstract
Le dispositif comporte une première porte opto-optique (POO2) de resynchronisation et une deuxième porte opto-optique (POO3) de régénération d'amplitude, cette deuxième porte recevant en entrée de commande le signal en sortie de la première porte. Il comporte également une porte opto-optique de régénération de contraste (POO1) qui reçoit un signal à régénérer à la fois en entrée source et en entrée de commande. La porte opto-optique est un interféromètre de Mach-Zehnder à trois entrées, dont les deux branches comportent chacune un amplificateur optique à semi-conducteurs.
Description
La présente invention est relative à un dispositif tout optique pour la
régénération d'un signal optique
modulé en intensité selon un format RZ (retour à zéro).
Le dispositif de l'invention est avantageusement utilisé dans le domaine des télécommunications pour des transmissions par fibres optiques utilisant une modulation
numérique à deux états.
Il permet, à l'aide de techniques purement optiques, de supprimer la gigue temporelle ainsi que les distorsions apportées au signal par la fibre de
transmission et de réduire le bruit d'amplitude.
Il est en effet bien connu que dans un système de transmission par fibre optique fonctionnant à un haut débit d'informations par porteuse (10 Gbit/s et plus), le signal subit certaines dégradations susceptibles de limiter sérieusement la portée du système: - atténuation, - distorsions dues à la dispersion chromatique et à la dispersion de polarisation, ainsi que, dans une
moindre mesure, à des effets non-linéaires (auto-
modulation de phase, etc...). On trouvera une description
de tous ces phénomènes par exemple dans: [1] G.P. AGRAWAL: "Non-linear Fiber Optics",
Academic Press, 1989.
Les distorsions se traduisent généralement par un élargissement temporel simple des impulsions, et aussi dans certains cas, par une gigue de position temporelle des impulsions. Ceci peut entraîner une dégradation de
qualité de liaison.
Pour lutter contre l'atténuation seule, on utilise aujourd'hui des amplificateurs optiques à fibre dopée à l'erbium. Pour lutter contre les distorsions susmentionnées, plusieurs techniques font actuellement l'objet d'études en laboratoire: - la régénération optoélectronique consistant à détecter le signal optique, à le régénérer par des circuits électroniques, puis à moduler une porteuse optique avec le signal régénéré; cette technique est très efficace, mais également très complexe, et donc d'une fiabilité plus délicate, à mesure que le débit augmente; les résultats les plus récents font état de circuits fonctionnant à 20 Gbit/s en laboratoire; - la transmission par solitons, impulsions lumineuses ne se déformant pas au cours de leur propagation dans la fibre, du fait d'un équilibre entre la dispersion chromatique et l'automodulation de phase induite par l'effet Kerr; il semble que cette technique soit très prometteuse pour des applications en transmissions sous-marines à très longue distance, mais plus difficile à mettre en oeuvre pour les applications en transmission terrestre à des débits supérieurs à Gbit/s; la régénération "'tout- optique", ne faisant pas appel à l'électronique pour le traitement du signal. Cette technique est a priori plus simple que la technique optoélectronique. La régénération tout-optique utilise des
dispositifs tout-optique Répéteur Régénérateur Re-
synchronisateur ("3R"), qui en plus de leur fonction d'amplification optique, régénèrent la forme des signaux initiaux et suppriment tout effet de gigue de position
temporelle des impulsions.
Pour une description du principe général de ces
dispositifs, on pourra avantageusement se référer à l'article suivant: [2] M. JINNO: "All-optical signal regularizing/regeneration using a nonlinear fiber Sagnac interferometer switch with signal-clock walk-off", Journal
of Lightwave Technology, Vol. 12, N 9, 1994, pp. 1648-
1659. Le principe d'un tel dispositif a été illustré sur
la figure 1.
Le signal incident y est scindé en entrée. Une partie de ce signal est envoyé sur un étage 1 dit de
récupération d'horloge.
Cet étage 1 est destiné à restituer la fréquence rythme et la phase du signal distordu reçu. Il produit un train d'impulsions brèves en parfait synchronisme avec la
fréquence de base du signal.
L'autre partie du signal est amplifiée par un amplificateur 3, par exemple à fibre dopée en Erbium, et est envoyée sur l'entrée dite de commande d'un étage 2 régénérateur constitué par une porte opto-optique POO dont l'autre entrée, dite entrée source, reçoit le signal en
sortie de l'étage 1.
L'ouverture de la porte opto-optique POO est commandée directement et de manière non-linéaire en puissance par une impulsion distordue correspondant au
symbole "1", arrivant sur l'entrée de commande.
Si la durée d'une ouverture est nettement supérieure à celle d'une impulsion d'horloge se présentant à "l'entrée source" du régénérateur 2, celle-ci aura une grande probabilité de passer sans perturbation, à condition que la gigue temporelle des "1" ne soit pas excessive. Le régénérateur 2 aura donc produit une impulsion "1" régénérée, sortant par la voie "sortie source" de la
porte POO.
Quant au symbole "0" du signal incident distordu, son énergie n'est pas suffisante pour ouvrir la porte, et l'impulsion d'horloge synchrone envoyée par l'étage 1 se
trouve bloquée. On a donc restitué un "0".
En pratique, il faut que la transmission de cette porte POO dépende peu des fluctuations d'énergie du signal incident distordu et que cette transmission retourne rapidement à une valeur très faible après le passage de
l'impulsion distordue.
Parmi les nombreuses publications qui décrivent des dispositifs de régénération tout-optique de type "3R", on pourra avantageusement se référer aux différentes publications suivantes: - [3] H. AVRAMOPOULOS and N.A. WHITAKER: "Optical signal regenerator for all-optical repeater for communication system", ainsi qu'à la demande de brevet EP 571 134 correspondante; - [4] J. K. LUCEK and K. SMITH: "All-optical signal regenerator", Optics Letters, vol. 18, N 15, 1993, pp. 1226-1228, qui concernent toutes deux des répéteurs régénérateurs complets, incluant une récupération d'horloge, dont l'étage de régénération des signaux utilise une porte opto-optique basée sur un miroir non-linéaire, dont la non-linéarité est due à l'effet Kerr dans une fibre optique de très grande longueur; - [5] M. EISELT, W. PIEPER, and H.G. WEBER: "Decision gate for all-optical data retiming using a semiconductor laser amplifier in a loop mirror configuration", Electronics Letters, vol. 29, N 1, 1993, pp. 107-109, qui décrit une expérimentation de régénération mettant en oeuvre une porte opto-optique appelée "SLALOM" constituée d'un miroir non-linéaire à fibre optique qui est une
boucle optique incluant un amplificateur optique à semi-
conducteurs (SOA); - [6] L. BILLES, I. VALIENTE and J.C. SIMON:
"Modelling of a semiconductor optical amplifier based non-
linear optical loop mirror", COST 240 workshop on Non-
linear effects in semiconductor photonic components, ZURICH, SWITZERLAND, 16 jan. 1995, qui présente une analyse d'un étage de régénération similaire à celui de la publication précédente, mais dont l'agencement de la commande et de la source est différent; - [7] M. JINNO and T. MATSUMOTO: "Non-linear operations of 1.55 pm wavelength multielectrode distributed feedback laser diodes and their applications for optical signal processing", Journal of Lightwave Technology, Vol. 10, N 4, 1992, pp. 448-457, qui décrit un répéteur régénérateur utilisant des lasers
bistables à semi-conducteurs.
Les régénérateurs de l'art antérieur présentent
toutefois de nombreux inconvénients.
Les dispositifs utilisant la non-linéarité optique due à l'effet Kerr dans les fibres optiques présentent le défaut de nécessiter une longueur de fibre de plusieurs kilomètres, ce qui les rend encombrants et exclut toute possibilité d'intégration monolithique. La stabilité et le coût en sont donc pénalisés. Par ailleurs, le contraste en
sortie peut être limité intrinsèquement.
Les dispositifs à semi-conducteurs ne souffrent pas de ces défauts, et pourraient donc être intégrés, ce
qui les rendraient beaucoup plus facilement utilisables.
Mais compte tenu du temps relativement long de retour a l'équilibre de la non-linéarité (15 à 100 picosecondes, selon le type de fonctionnement et la structure de l'amplificateur) en comparaison avec l'effet Kerr dans les fibres, il est très difficile, ainsi que cela a été montré dans la référence [6], lorsque le débit numérique dépasse la moitié de l'inverse du temps de récupération de la non-linéarité, de réaliser la régénération avec une réduction satisfaisante du bruit d'amplitude. Il y a donc un compromis nécessaire, avec les dispositifs à base de semi-conducteurs de l'art antérieur, entre la réduction de gigue temporelle et la réduction du
bruit d'amplitude.
On notera en outre que ces différents dispositifs de l'art antérieur sont susceptibles de générer des impulsions "1" à la place des 4"0" du signal distordu qui
ne sont pas complètement éteints.
Le dispositif objet de la présente invention permet de diminuer ou de supprimer les inconvénients cités. Il propose une structure constituée d'une cascade de portes opto-optiques permettant de corriger à la fois les défauts de gigue et de bruit d'amplitude, d'une façon
améliorée par rapport à ce que permettent les portes opto-
optiques à fibres non-linéaires ou à amplificateurs optiques à semiconducteurs utilisées à ce jour comme régénérateurs. Plus particulièrement, le dispositif de régénération optique proposé par l'invention permet de corriger les défauts suivants du signal incident: impulsions temporellement larges, - gigue temporelle,
- bruit d'amplitude.
La solution selon l'invention consiste en un dispositif tout optique pour la régénération d'un signal optique modulé selon un format RZ comportant une porte opto-optique dont l'entrée de commande reçoit un signal optique correspondant au signal à régénérer et dont l'entrée source reçoit un signal optique d'horloge synchronisé sur le signal à régénérer, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une deuxième porte opto-optique recevant en entrée de commande le signal en sortie de la première porte opto-optique et en entrée source le signal optique d'horloge, la première porte étant une porte de resynchronisation, la deuxième porte étant une porte de
régénération d'amplitude.
Comme on l'aura compris, les portes opto-optiques de cette structure en cascade peuvent être du type à
fibres non-linéaires ou à amplificateurs optiques à semi-
conducteurs. La structure en cascade améliore nettement la correction d'amplitude et de gigue dans le cas de portes
opto-optiques à amplificateurs optiques à semi-
conducteurs. Dans le cas de portes opto-optiques à fibres non linéaires, la structure en cascade améliore également
fortement le contraste du signal.
Avec un tel dispositif de régénération, on obtient en sortie un train d'impulsions de durée élémentaire égale à celle des impulsions d'horloge (ou plus si nécessaire), portant le message du signal incident, sans gigue
temporelle, avec un bruit d'amplitude réduit.
Un autre but indépendant de l'invention est de proposer un dispositif permettant d'améliorer le contraste du signal incident et en particulier de corriger ses
défauts de contraste fini.
Dans tout le présent texte, on définit le contraste d'un signal comme étant égal à 10 loglo(P1/Po) o P1 est la moyenne des puissances crêtes des impulsions correspondant au symbole "1" et o P0 est la moyenne des puissances crêtes des impulsions correspondant au symbole O. Ce contraste est fini si, en début de transmission, le dispositif de modulation du signal optique (modulateur électro-optique, par exemple) est imparfait. La solution proposée par l'invention pour améliorer le contraste du signal incident est un dispositif caractérisé en ce qu'il comporte une porte opto-optique qui reçoit un signal optique à régénérer à la fois en entrée source et en entrée de commande, ladite
porte étant une porte de régénération de contraste.
Selon un autre aspect indépendant encore, l'invention propose une structure de porte opto-optique qui remplace avantageusement les structures de portes optiques classiquement utilisées dans l'art antérieur pour
la régénération RZ.
Les portes opto-optiques à interféromètre Sagnac et amplificateur optique à semi-conducteurs telles que décrites dans [6] présentent en effet l'inconvénient de ne pouvoir être utilisées qu'avec des débits limités à 1/(DT + Tr), o DT est la durée de la fenêtre de transmission et o Tr est le temps de récupération de la non-linéarité de l'amplificateur. Plus particulièrement, l'invention propose un dispositif caractérisé en ce qu'il est constitué par une
porte opto-optique qui comporte un interféromètre de Mach-
Zehnder à trois entrées, les deux branches de cet interféromètre comportant chacune un amplificateur optique à semi-conducteurs, le signal source étant envoyé sur une première entrée de l'interféromètre et étant scindé par le coupleur de cette entrée en deux portions parcourant l'une et l'autre des deux branches de l'interféromètre, le signal de commande étant envoyé sur deux lignes optiques reliées l'une à la deuxième et l'autre à la troisième entrée de l'interféromètre, la ligne reliée à la troisième entrée comportant un atténuateur et présentant un retard optique par rapport à la ligne reliée à la deuxième entrée, les portions du signal de commande envoyées sur les deuxième et troisième entrées traversant respectivement l'un et l'autre des deux amplificateurs optiques à semi-conducteurs de façon que les impulsions de la première portion ouvrent la porte opto-optique et que
les impulsions de la deuxième ferment ladite porte.
D'autres caractéristiques et avantages de
l'invention ressortiront encore de la description qui
suit. Cette description est purement illustrative et non
limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, qui a déjà été analysée, est une représentation schématique illustrant le principe des répéteurs régénérateurs tout- optique de type 3R de l'art antérieur; - la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de régénération tout-optique proposé par l'invention; - la figure 3 est une représentation schématique d'une structure de porte opto-optique proposée par l'invention et particulièrement avantageuse pour la régénération d'impulsions modulées en intensité selon un format RZ; les figures 4a à 4d illustrent les diagrammes de l'oeil du signal incident sur le dispositif de la figure 2 et du signal en sortie des premier, deuxième et troisième blocs de ce dispositif; - les figures 5a et 5b illustrent les diagrammes de l'oeil du signal en sortie des deuxième et du troisième blocs du dispositif de la figure 2, en l'absence du
premier bloc.
Le principe de l'invention a été illustré sur la figure 2. Le dispositif conforme à l'invention comporte trois blocs référencés de 11 à 13, utilisant chacun une porte opto-optique POOl, P002 ou P003. Chacun de ces blocs 11 à 13 est dédié à une fonction particulière: - le premier bloc ou bloc 11 effectue la régénération du contraste du signal incident, - le bloc intermédiaire 12 réalise la fonction de resynchronisation, - le dernier bloc 13 permet la régénération d'amplitude. La structure de ces différents blocs 11 à 13 va
maintenant être décrite.
Le bloc 11 comporte un coupleur optique 14 à une voie d'entrée et deux voies de sorties, ainsi que deux lignes à fibres optiques 15 et 16 qui relient les sorties de ce coupleur 14 d'une part à l'entrée de commande Ec1 de
la porte POOl et d'autre part à son entrée source Esl.
Le signal incident Si est reçu par un amplificateur 17 à fibre dopée en Erbium, qui amplifie le
signal en amont du coupleur 14.
Un atténuateur 18 est prévu sur la ligne optique 16 entre le coupleur 14 et l'entrée source Esl. Cette ligne 16 présente en outre un retard optique par rapport à la ligne 15 entre le coupleur 14 et l'entrée de commande Ecl-
Ce bloc 11 est destiné à porter le contraste au-
dessus d'un seuil de typiquement 15 dB. Il n'est nécessaire que si le contraste du signal incident Si est
inférieur à cette valeur typique.
Le signal Si en sortie de ce bloc 11 correspond donc au signal incident Si et présente un contraste amélioré. La position de ce bloc 11 en amont des blocs 12 et 13 est importante, car elle augmente l'efficacité des
blocs 12 et 13.
La régénération proprement dite est réalisée par
la structure en cascade des blocs 12 et 13.
Cette structure permet de dissocier les deux aspects de resynchronisation et de régénération d'amplitude pour répartir ces deux fonctions entre deux
blocs 12 et 13.
Chacun de ces blocs 12 et 13 comporte une porte
opto-optique P002, P003.
Ces portes opto-optiques reçoivent chacune en entrée source Es2 et Es3 un signal issu d'une même horloge optique H. Le signal optique émis par l'horloge H est un signal de rythme récupéré de façon connue en soi par l'Homme du Métier sur le signal incident Si Les deux voies entre l'horloge H et les entrées sources Es2 et Es3 ont été respectivement référencées par
19 et 20.
Le signal S1 en sortie de la porte POOl est amplifié par un amplificateur à fibre à Erbium 17, puis
envoyé sur l'entrée de commande EC2 de la porte P002.
Le signal en sortie du bloc 12 est un train
d'impulsions courtes sans gigue temporelle.
Il est également amplifié par un amplificateur à fibre à Erbium 17 et est envoyé sur l'entrée de commande
EC3 de la porte P003.
A la sortie du bloc 13, on trouve donc un signal optique de caractéristiques temporelles identiques à celles de la sortie du bloc 12, mais avec un bruit
d'amplitude nettement réduit.
Enfin, un filtre optique F est éventuellement prévu à la sortie du régénérateur constitué par la cascade des trois blocs 11 à 13 pour régler, si nécessaire, la
durée des impulsions du signal final.
Le fonctionnement de cette structure en cascade va
maintenant être décrit.
Une impulsion lumineuse du signal incident Si arrivant sur l'entrée du bloc 11 est scindée par le
coupleur optique 14.
L'impulsion envoyée sur la voie Ecl commande la porte opto-optique POOl et ouvre une fenêtre temporelle de transmission. L'impulsion envoyée sur l'entrée source Esl de la porte POOl est atténuée par l'élément 18 de façon à se comporter essentiellement de manière linéaire dans la
porte POOl.
Le retard de la voie 16 par rapport à la voie 15 est déterminé de façon qu'une impulsion arrive sur l'entrée source Esl en un instant qui correspond au milieu de la fenêtre temporelle ouverte par la même impulsion sur la voie de commande Ecl. On notera que puisque l'on fait interagir deux composantes d'une même impulsion de départ, ce retard est constant d'un bit à l'autre et est indépendant de la gigue temporelle affectant le signal incident. Le signal en sortie correspond au signal source Si
multiplié par le facteur de transmission du bloc 11.
A une impulsion de faible puissance correspondant à un "0" correspond un facteur de transmission To faible, alors qu'une impulsion correspondant à un "1", de plus forte puissance, correspond un facteur de transmission T1
plus élevée.
La valeur moyenne T1 du facteur de transmission de la porte POOl pour les "1" du message correspondant au signal Si est donc supérieure à la valeur moyenne To non
nulle pour les "0" du message.
Si l'on considère un contraste fini C0 = 10 log10 (P1/P0) pour le signal incident, la puissance du signal en sortie est égale à la puissance en entrée multipliée par
le facteur de transmission.
Le contraste en sortie est donc: C1 = 10 log10 (Psoftiel/Psoie0) = C0 + Ct o Ct = 10 log10 (T1/T0) > 0 est le rapport des
transmissions pour les "1" et les "0t".
Le contaste est donc amélioré entre l'entrée et la
sortie de la porte POOl.
En fait, l'écart de puissance entre les "0" et les "1" du signal incident est augmenté par le traitement que
réalise l'étage 11.
On notera qu'une caractéristique classique des portes opto-optiques est qu'elles présentent une fonction de transfert non-linéaire en puissance qui assure un nettoyage au niveau du bruit de fond dans les "0" du
signal de commande.
A la connaissance de la demanderesse, il n'a toutefois jamais été proposé à ce jour d'envoyer une séquence d'impulsions à la fois sur l'entrée source et sur l'entrée de commande d'une porte opto-optique de façon à
régénérer son contraste.
Le bloc 12 a pour fonction la resynchronisation du signal. Les impulsions lumineuses émises par l'horloge H et arrivant sur l'entrée Es2 sont retardées par rapport au signal incident Si, au moyen d'une ligne à retard optique, de façon à arriver théoriquement sur la porte opto-optique P002 au milieu des fenêtres temporelles ouvertes par le
signal Sl.
Le signal S2 en sortie de la porte P002 correspond aux impulsions du signal d'horloge modulées avec le
message du signal incident Si.
Le bloc 12 réalise le transfert de l'information du signal incident sur des impulsions d'horloge propres, car crées localement et non giguées, et assure par
conséquent la suppression de la gigue temporelle.
Le fait de ne pas avoir à réduire en même temps le bruit d'amplitude permet de travailler avec des fenêtres de transmission très larges et donc d'absorber une gigue
temporelle de valeur plus élevée.
La largeur totale de la fenêtre temporelle est inférieure au temps bit. Elle est par exemple choisie égale à la somme du double de l'amplitude de la gigue attendue et de la largeur des impulsions du signal
incident Si.
Les impulsions du signal S2 sont caractérisées par les paramètres suivants: - pas de gigue temporelle, - largeur correspondant à celle des impulsions d'horloge, - bruit d'amplitude dépendant pour chaque impulsion du point de fonctionnement, c'est à dire de l'instant d'arrivée de l'impulsion d'horloge par rapport à la fenêtre temporelle ouverte par l'impulsion correspondante du signal S1; ce point de fonctionnement n'étant pas constant, il peut y avoir réduction ou légère dégradation des fluctuations d'amplitudes des impulsions
par rapport au signal incident.
Le bloc 13 a pour fonction la régénération d'amplitude. L'entrée de commande Ec3 de sa porte P003 reçoit le signal S2 en sortie du bloc 12; l'entrée source Es3
reçoit le signal d'horloge optique de la voie 20.
Etant donné que le signal de commande S2 ne présente pas de gigue temporelle, les impulsions d'horloge du signal envoyé sur la voie 20 atteignent la porte POO3 toujours au même moment dans les fenêtres temporelles de
transmission ouvertes par les impulsions du signal S2.
Elles traversent donc toutes la porte P003 avec une transmission ne dépendant que de l'énergie des impulsions
de commande S2.
L'énergie moyenne des impulsions arrivant sur l'entrée Ec3 de la porte opto-optique P003 est choisie de façon à privilégier l'aspect nonlinéaire de la réponse en énergie de la porte opto-optique P003. On règle à cet effet cette énergie moyenne (sur l'amplificateur 17 en amont de l'entrée Ec3 ou en jouant sur l'énergie des impulsions d'horloge) pour qu'elle corresponde à une transmission pour ladite porte POO3 présentant une faible
sensibilité par rapport à l'énergie de commande.
Les fenêtres temporelles ouvertes par les différentes impulsions de commande de valeurs "1" présentent alors des transmissions sensiblement identiques quelle que soit la séquence binaire, mais sur
des plages temporelles courtes.
Le décalage temporel entre la ligne 20 et la ligne 19 est ajusté de façon que les impulsions d'horloge de la ligne 20 arrivent sur l'entrée source Es3 de la porte POO3 au milieu de ces plages temporelles Dans le cas de portes opto-optiques à amplificateur optique à semi- conducteurs, on réduit ainsi beaucoup les effets de séquence (patterning en anglais) dus aux contraintes de temps de récupération des
dispositifs semi-conducteurs utilisés dans les portes.
Ceci permet de monter plus haut en débit pour les mêmes caractéristiques du signal régénéré et n'est rendu possible que par le décalage temporel constant entre
impulsions de commande et d'horloge.
Le signal en sortie correspond au signal régénéré sous forme d'impulsions lumineuses émises à la longueur d'onde du signal horloge. Ce signal est caractérisé par les paramètres suivants: - pas de gigue temporelle, bruit d'amplitude réduit par rapport au signal incident, - contraste amélioré par rapport au signal incident, pour peu que celui-ci présente un contraste supérieur à un seuil dépendant de la réalisation des portes, typiquement 15 dB; ceci confirme l'utilité du bloc de régénération du contraste en tant que premier bloc, de manière à franchir ce seuil,
- largeur: celle des impulsions d'horloge.
Les impulsions de commande fournies en sortie du
bloc 13 sont courtes et sans gigue temporelle.
On notera que l'optimisation de la qualité de la régénération conduit à utiliser des impulsions d'horloge assez courtes (de préférence inférieures à 1/10 du temps de bit, par exemple de l'ordre de 1/10 à 1/20 du temps de bit). Si on veut éviter une trop grande occupation spectrale par rapport au débit, il suffit par exemple d'utiliser un filtre optique étroit centré sur la longueur d'onde centrale de l'horloge de manière à réduire le spectre du signal en sortie et obtenir de ce fait des impulsions plus larges. La durée des impulsions d'horloge
n'est donc pas une limitation.
Les portes opto-optiques POOl à P003 peuvent être de tout type connu, par exemple du type de celle décrite
dans la référence [6].
D'autres structures de portes opto-optiques
peuvent toutefois être envisagées.
Les portes décrites dans la référence [6] présentent en effet l'inconvénient, ainsi que cela a déjà été indiqué, de ne pouvoir être utilisées qu'avec des débits limités à 1/(DT + Tr), o DT est la durée de la fenêtre de transmission et o Tr est le temps de
récupération de la non-linéarité de l'amplificateur.
Pour pallier cet inconvénient, on pourrait
envisager d'utiliser un absorbant saturable rapide à semi-
conducteur tel que décrit dans: [8] A. HIRANO & al - "10 ps pulse alloptical discrimination using a high-speed saturable absorber optical gate", Electronics Letters, vol. 31, N 9, 1995, pp. 736-737 Toutefois, un tel composant n'est pas encore suffisamment performant à ce jour, car il présente des pertes importantes (environ 10 dB) et nécessite une énergie de commande environ 10 fois plus forte que celle nécessaire pour les portes opto-optiques utilisant des
amplificateurs optiques à semi-conducteurs.
La porte opto-optique proposée par l'invention permet quant à elle d'atteindre un débit supérieur à l'inverse du temps de récupération du gain ou de la phase des SOA qu'elle utilise, ce qui représente un gain d'un facteur de l'ordre de 2 par rapport à une porte du type de
celle de la référence [6].
La porte opto-optique proposée par l'invention est
plus particulièrement illustrée sur la figure 3.
Elle consiste en un interféromètre de Mach-Zehnder à une sortie S et trois entrées E1, E2, E3, dont les deux branches 31a, 31b sont chacune munies d'un
amplificateur optique 32a, 32b à semi-conducteurs (SOA).
Le signal Ss arrivant sur l'entrée E1 est scindé en deux parties quiparcourent chacune l'une des deux branches 31a et 31b. Les signaux arrivant sur les entrées E2 et E3 parcourent respectivement les branches 31a et 31b en traversant les amplificateurs 32a et 32b à contre-courant
du signal scindé par l'entrée E1.
Une structure de ce type a déjà été décrite dans la publication: [9] M. SCHILLING & al: "Wavelength converter based on integrated all-active three-port Mach-Zehnder interferometer", Electronics Letters, vol. 30, N 25, 1994, pp. 2128-2130, à laquelle on pourra avantageusement se référer pour plus de détails sur la réalisation d'une telle structure et
dont l'enseignement est ici inclus par référence.
L'utilisation qui est faite d'une telle structure dans [9] est distincte de celle qui en est faite dans l'invention. On notera en particulier que dans [9] l'une des branches d'entrée, qui est présente pour des raisons
de symétrie, n'est pas utilisée.
L'entrée E1 constitue l'entrée source de la porte opto-optique ainsi constituée. Le signal de commande Sc est envoyé par un coupleur optique 33 sur chacune des deux
entrées E2 et E3.
Le signal en sortie S de l'interféromètre de Mach-
Zehnder est le signal de sortie source. Sur la figure 3, le coupleur 33 et les coupleurs en entrée E1, E2, E3 et en sortie S de l'interféromètre 30
sont des coupleurs diviseurs de puissance (50/50).
En variante, ces coupleurs peuvent être des coupleurs directionnels. Le choix de coupleurs directionnels pour l'interféromètre 30 facilite le réglage
des franges noires et brillantes.
La ligne optique 35 entre le coupleur optique 33 et l'entrée E3 présente un retard optique R par rapport à
la ligne 36 entre le coupleur optique 33 et l'entrée E2.
Un atténuateur optique 34 est également prévu sur la ligne
optique 35.
Les trajets optiques sur les branches 31a et 31b sont tels qu'en l'absence d'impulsion sur les entrées E2 ou E3 de l'interféromètre, celui-ci est équilibré et aucun signal ne sort sur la voie S. L'envoi d'une impulsion de commande sur l'entrée E2 de l'interféromètre 30 le déséquilibre et rend la sortie S passante (ouverture d'une fenêtre temporelle). On ferme cette fenêtre en envoyant plus tard une deuxième impulsion de commande, d'énergie plus faible, sur l'entrée E3. Les gains des amplificateurs 32a et 32b sont ainsi ajustés à l'instant de la fermeture de la porte, ce qui
rééquilibre ainsi l'interféromètre.
On obtient ainsi une porte qui présente une fermeture et une ouverture nettes et qui n'est pas limitée
en durée à l'intérieur du temps bit.
Elle permet d'atteindre des débits de l'ordre de
1/Tr, o Tr est le temps de récupération de la non-
linéarité, et ce indépendamment de la durée de la fenêtre de transmission, ce qui autorise l'absorption d'une gigue
temporelle plus élevée.
Un débit plus important encore va en fait se traduire par un plancher dans la réduction des variations d'amplitude des "1" par effet de séquence (patterning), la transmission de la porte pour un bit dépendant des bits précédents. On notera que ceci n'est pas réalisable avec le miroir non-linéaire présenté dans [6], qui ne possède
qu'un seul amplificateur.
Egalement, il est possible de superposer au signal de commande Sc un faisceau optique continu servant au maintien des amplificateurs optiques de façon à améliorer la dynamique de récupération de gain et de phase ainsi que décrit dans: [10] R.J. MANNING, and G. SHERLOCK: "Recovery of a n-phase shift in 12.5 ps in a semiconductor laser amplifier", Electronics Letters, vol. 31, N 4, 1995, pp.
307-308
La source et la commande se propageant en sens opposés dans le dispositif, il est, de plus, aisé de travailler à la même longueur d'onde pour la source et la commande, puisque seules les impulsions source sont
présentes sur la sortie S2.
En variante, les faisceaux source et de commande peuvent se propager dans le même sens dans l'interféromètre, un filtre centré sur la longueur d'onde du signal source étant prévu en sortie de la porte pour
supprimer les faisceaux de commande.
Une telle porte est particulièrement bien adaptée aux dispositifs de régénération à structure en cascade proposés par l'invention, mais peut être utilisée de façon plus générale pour tout dispositif de régénération tout
optique.
On notera que l'idée d'envoyer une impulsion de fermeture de porte après une impulsion d'ouverture a déjà été proposée pour des applications de démultiplexage temporel au moyen d'interféromètre de Michelson ou d'interféromètre de Mach-Zehnder à guides optiques non linéaires dans les publications: - [11] N. STORKFELT: "Functional components in advanced optical communication systems", Ph. D. Thesis, Technical University of Denmark, Jan. 1995, LD115, pp.
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- [12] S. NAKAMIURA, K. TAJIMA and Y. SUGIMOTO: "High-repetition operation of a symmetric Mach-Zehnder all-optical switch", Applied Physics Letters, vol 66, N
19, 1995, pp. 2457-2459.
La structure proposée par l'invention est particulièrement adaptée à la régénération d'impulsions de format RZ. Elle est en outre simplifiée par rapport à celle décrite dans les références [11] et [12], puisqu'elle ne nécessite pas de filtre de sortie pour supprimer les impulsions de commande, celles-ci se
propageant en sens contraire du signal à régénérer.
Par ailleurs, il a été proposé dans
[13] K.J. KANG & al: "Demonstration of all-optical Mach-
Zehnder demultiplexer", Electronics Letters, vol. 31, N 9, 1995, pp. 749-750, une porte opto-optique de démultiplexage temporel constituée d'un interféromètre de Mach-Zehnder comprenant deux SOA, utilisé avec une impulsion d'ouverture de porte
et une impulsion retardée de fermeture de porte.
La séparation en deux impulsions vers chacun des deux SOA se fait par l'intermédiaire du coupleur de sortie de l'interféromètre de MachZehnder, ce qui n'autorise pas un réglage indépendant des puissances des impulsions envoyées sur chacun des SOA. Ce point est sans importance pour l'application de démultiplexage proposée dans la référence [13] o il n'y a besoin que d'une fenêtre de transmission étroite. Par contre, cette structure ne pourrait pas être utilisée dans les applications de régénération d'impulsions de format RZ envisagées dans l'invention, qui nécessitent des fenêtres de transmission larges. L'architecture de porte opto-optique proposée par l'invention permet quant à elle un réglage différencié des puissances des impulsions dans chacune des branches, ce réglage différencié assurant l'équilibre entre les deux branches à tout instant après que l'impulsion de fermeture
a atteint l'interféromètre.
Un exemple de la structure en cascade va
maintenant être décrit.
Les paramètres du signal incident sont les suivants: - débit: 10 Gbit/s, largeur d'impulsion à mi-hauteur (FWHM): 20 ps, - contraste: 10 dB, variations relatives d'énergie sur les "1": 7 %,
- gigue temporelle: 8 ps.
Le signal d'horloge est constitué d'impulsions de
durée égale à 4 ps à la fréquence de répétition de 10 GHz.
Les portes opto-optiques POOl à P003 sont du type
de celle décrite en référence à la figure 3.
Leurs seuils d'énergie de commande sont de l'ordre
*du picojoule.
Le débit typique de 10 Gbit/s utilisé correspond à un amplificateur avec un temps de récupération de 100 ps,
ce qui est actuellement disponible.
Toutefois, l'utilisation d'un faisceau optique continu de maintien du type de celui décrit dans la référence [10] permettrait d'obtenir des temps de récupération de phase d'une quinzaine de ps. Un débit de l'ordre de 80 Gbit/s avec la porte à base d'un interféromètre de Mach- Zehnder à entrées multiples de la
figure 3 serait alors envisageable.
Les résultats obtenus sont présentés sur les figures 4a à 4d sous la forme de diagrammes de l'oeil optique du signal en entrée du bloc 11 et du signal en
sortie des différents blocs 11 à 13.
En comparant les figures 4a et 4b, on constate que le signal en sortie du bloc 11 présente un contraste beaucoup plus élevé que le signal incident Si. Le gain est
de 8 dB.
En comparant les figures 4b et 4c, on voit que le signal est resynchronisé dans le bloc 12 (suppression de la gigue temporelle), mais qu'il subsiste en sortie de ce
bloc des variations d'amplitude.
Le bloc 13 réduit ces variations d'amplitude (écart type de 0,6 % en sortie, soit un gain d'un facteur
par rapport au signal incident).
Les figures 5a et 5b montrent les signaux obtenus en sortie des blocs 12 et 13 pour le même signal incident
en l'absence du bloc 11.
Le contraste n'étant pas assez élevé en entrée des blocs 12 et 13, les fonctions de resynchronisation et de régénération de l'amplification des "1" sont certes remplies mais au détriment d'une dégradation du contraste qui se traduit par la présence de transmissions
importantes au niveau des "0".
Si l'on se réfère à nouveau aux figures 4a à 4d, on voit que le bloc 11 permet de faire passer le contraste du signal incident au-dessus d'un seuil de 15 dB. Les
blocs 12 et 13 l'améliorent encore pour le porter à 30 dB.
En ce qui concerne le bruit, la structure en cascade proposée par l'invention présente l'avantage que seul compte de manière directe le bruit de la dernière
porte opto-optique traversée.
En effet, le bruit apporté par les portes dans les blocs précédents a tendance à être éliminé de proche en proche, entre un bloc et le bloc suivant, par les fonctions de transfert non-linéaires de ces portes. Seule subsiste alors la contribution du bruit de la dernière
porte, due à l'émission spontanée amplifiée des SOA.
Celle-ci donne un facteur de bruit résiduel égal à Ns,e/4Nsp), o Ns,e est le nombre de photons présents par impulsion à l'entrée source de la dernière porte (horloge optique) et Nsp est le paramètre d'émission spontanée de son ou ses SOA. Concrètement, avec les paramètres de l'exemple qui
vient d'être décrit, cette contribution est négligeable.
Le dispositif de régénération améliore le rapport signal à
bruit du signal incident d'un facteur voisin de 20 dB.
Comme on le comprendra aisément, la structure qui vient d'être décrite pour le dispositif de régénération
conforme à l'invention n'est pas limitative.
Des étages de traitement supplémentaires peuvent
être ajoutés sur le principe des blocs 12 et 13.
On peut également mettre en série ces différents blocs avec d'autres portes opto-optiques, selon le principe qui a été décrit dans la demande de brevet français déposée sous le n 94 14639, dont l'enseignement
est ici inclus par référence.
Le signal optique est envoyé sur les entrées commande des différentes portes et la sortie source d'une porte vient attaquer l'entrée source de la suivante. Un tel agencement permet d'améliorer encore le contraste, selon les caractéristiques du signal incident et la qualité désirée en sortie. Dans cet agencement, l'utilisation comme porte opto-optique d'un SOA en régime de saturation croisée du gain est envisageable, la
particularité étant que cette porte est inverseuse.
Claims (10)
1. Dispositif tout optique pour la régénération d'un signal optique (Si) modulé selon un format (RZ), comportant une porte opto-optique (P002) dont l'entrée de commande (Ec2) reçoit un signal optique correspondant au signal à régénérer et dont l'entrée source (Es2) reçoit un signal optique d'horloge (H) synchronisé sur le signal à régénérer, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une deuxième porte opto-optique (P003) recevant en entrée de commande le signal (S2) en sortie de la première porte opto-optique (P002) et en entrée source (Es3) le signal optique d'horloge (H), la première porte (P002) étant une porte de resynchronisation, la deuxième porte (P003) étant
une porte de régénération d'amplitude.
2. Dispositif de régénération selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une porte opto-optique (POOl) qui reçoit un signal optique à régénérer (Si) à la fois en entrée source (Esl) et en entrée de commande (Ecl), ladite porte (POOl) étant une
porte de régénération de contraste.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou
2, caractérisé en ce qu'une porte opto-optique (POOl, P002, P003) comporte un interféromètre de Mach-Zehnder (30) à trois entrées (E1, E2, E3), les deux branches (31a, 31b) de cet interféromètre (30) comportant chacune un amplificateur optique à semi-conducteurs (32a, 32b), le signal source (Ss) étant envoyé sur une première entrée (E1) de l'interféromètre (30) et étant scindé par le coupleur de cette entrée en deux portions parcourant l'une et l'autre des deux branches (31a, 31b) de l'interféromètre, le signal de commande étant envoyé sur deux lignes optiques (35, 36) reliées l'une à la deuxième et l'autre à la troisième entrée (E2, E3) de l'interféromètre, la ligne (35) reliée à la troisième entrée (E3) comportant un atténuateur (34) et présentant un retard optique (R) par rapport à la ligne (36) reliée à la deuxième entrée (E2), les portions du signal de commande envoyées sur les deuxième et troisième entrées (E2, E3) traversant respectivement l'un et l'autre des deux amplificateurs optiques (32a, 32b) à semi- conducteurs de façon que les impulsions de la première portion ouvrent la porte opto-optique et que les impulsions de la deuxième
ferment ladite porte.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la porte (POOl) de régénération de contraste est située en amont des portes (P002, P003) de resynchronisation et de régénération d'amplitude, le signal (S1) en sortie de ladite porte de régénération de contraste (POOl) étant envoyé sur l'entrée de commande
(EC2) de la porte de resynchronisation (PO02).
5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un coupleur (14) qui scinde le signal à régénérer (Si) et envoie deux portions du signal scindé sur deux lignes optiques (15, 16) reliées
l'une à l'entrée de commande (Ecl) de la porte opto-
optique (POOl) de régénération de contraste, l'autre à son
entrée source.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la deuxième (16) de ces deux lignes présente un retard optique par rapport à la première (15), ce retard étant tel que les impulsions optiques du signal (Si) à régénérer atteignent l'entrée source (Esl) de la porte opto-optique (POOl) de régénération de contraste au milieu des fenêtres temporelles ouvertes par ces mêmes
impulsions arrivant sur l'entrée de commande (Ecl).
7. Dispositif selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la porte de resynchronisation (PO02) présente une fenêtre temporelle égale au double de la somme de l'amplitude de la gigue attendue pour le signal à régénérer et de la largeur des
impulsions du signal incident.
8. Dispositif selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour ajuster l'énergie moyenne des impulsions arrivant sur l'entrée de commande (Ec3) de la porte de régénération d'amplitude (P003), de façon qu'elle corresponde à une transmission pour ladite porte P003 présentant une faible
sensibilité par rapport à l'énergie de commande.
9. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deuxième et troisième entrées (E2, E3) de l'interféromètre (30) sont situées sur les branches (31a, 31b) de celui-ci en aval des amplificateurs optiques (32a, 32b) à semi-conducteurs par rapport au sens de parcours des portions du signal source dans les deux branches (31a, 31b) de l'interféromètre (30), les portions du signal de commande parcourant les deux branches (31a, 31b) de l'interféromètre en sens contraire du signal
source.
10. Dispositif selon l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que les impulsions du signal d'horloge sont d'une durée inférieure à 1/10ème du
temps de bit.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20130228 |