FR2739508A1 - Dispositif pour la supervision en ligne de signaux optiques multiplexes en longueur d'onde - Google Patents

Abstract

Dispositif pour la supervision en ligne des signaux optiques multiplexés se propageant dans une fibre optique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une unité de filtrage qui comprend un cristal photoréfractif (1) et une pluralité de collimateurs fibrés (2a, .., 5a) répartis autour dudit cristal (1), le cristal et les collimateurs étant figés dans un boîtier, ces collimateurs étant respectivement reliés à une fibre optique (4) reliée à une source laser (7) pour la photoinscription d'un réseau d'indice sur le cristal à partir d'interférence, à la fibre optique (2) d'entrée du signal, à une fibre optique (3) de sortie du signal non filtré, à une fibre optique (5) de sortie du signal filtré qui se termine par un photodétecteur (11). Le cristal (1) est un cristal de phosphure d'indium dopé au fer.

Description

La présente invention est relative à un dispositif pour la supervision en ligne de signaux optiques multiplexés en longueur d'onde se propageant dans une fibre optique.

Ce dispositif sera notamment avantageusement utilisé pour les télécommunications sur fibres optiques, par exemple pour le contrôle de signaux multiplexés à des longueurs d'onde autour de 1,55 pm.

On utilise généralement en analyse spectrale des filtres accordés par déplacement mécanique, tels que des réseaux de diffraction montés sur support tournant ou des filtres Fabry-Perot dont la largeur de la cavité est ajustée par effet piézo-électrique.

Les analyseurs de spectre connus à ce jour sont de ce fait généralement encombrants.

En outre, ils sont difficilement commandables à distance.

Par ailleurs, les filtres Fabry-Perot sont lents (temps de réponse de l'ordre de la milliseconde) et posent des problèmes d'hystérésis.

Bien entendu, d'autres types de filtres optiques sont également connus tels que les filtres acoustooptiques ou les filtres à réseau d'indice photo-inscrit.

Les filtres acousto-optiques sont d'une mise en oeuvre complexe.

Les filtres à réseau photo-inscrit sont quant à eux généralement difficilement accordables.

Il a récemment été proposé, notamment dans
- "Accuwave corporation develeps 1/8 Angstrom Filter", Solar News, Octobre 1992, article disponible sur
Internet '1world Wide Web" à l'adresse électronique suivante : http://helios.tue.noao.edu:80/SolarNews 10~92.html#8
- "Narrow Bandwidth volume holographic optical filter operating at the Dr transition at 1547.82 nm",
V. Leyva, G.A. Rakuljic et B. O'Conner, Société Accuwave
Corporation, Santa Monica, CA, USA, Applied Physics
Letters, Août 1994, Vol. 65, No. 9, pp 1079-1081, d'inscrire des réseaux d'indice dans des matériaux présentant un effet photoréfractif, tels que des cristaux de niobate de lithium.

Toutefois, la technique photoréfractive sur niobate de lithium n'autorise qu'une faible accordabilité qui ne peut être obtenue que par le contrôle de la température du cristal (5,89 + 0,15) x 10-3 nm/ C, soit environ 0,1 nm pour une variation de 170C dans l'infrarouge. En outre, cette accordabilité thermique est lente.

Plus récemment encore, il a été proposé dans la publication
- "First tunable narrowband 1.55 pm optical drop filter using a dynamic photorefractive grating in iron doped phosphide", D. Hervé, M. Chauvet, J.E. Viallet, M.J.

Chawki, Electronics Letters, 1994, Vol. 30, No. 22, un filtre photoréfractif dont le matériau de photoinscription est du phosphure d'indium dopé au fer. Ce filtre est accordable en longueur d'onde. Son temps de réponse est beaucoup plus court (quelques millisecondes) que celui de la plupart des matériaux photoréfractifs.

Dans la structure décrite dans l'article précité, le cristal d'InP:Fe était monté sur un marbre avec la source laser de commande accordable en longueur d'onde. La sortie de la source constituant le laser de commande n'était pas fibrée, ce qui nécessitait d'orienter précisément cette source laser par rapport au cristal d'InP:Fe.

Une telle structure de filtre était donc difficilement utilisable en ligne. Le plateau en marbre empêchait un transport aisé du filtre. En outre, la diode qui constituait son laser de commande était d'un remplacement délicat, qui nécessitait en particulier des ajustements d'orientation particulièrement fastidieux.

L'invention propose quant à elle un dispositif pour la supervision en ligne des signaux optiques multiplexés se propageant dans une fibre optique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une unité de filtrage qui comprend un cristal photoréfractif et une pluralité de collimateurs fibrés répartis autour dudit cristal, le cristal et les collimateurs étant figés dans un boîtier, ces collimateurs étant respectivement reliés à une fibre optique reliée à une source laser pour la photoinscription d'un réseau d'indice sur le cristal à partir d'interférence, à la fibre optique d'entrée du signal, à une fibre optique de sortie du signal non filtré, à une fibre optique de sortie du signal filtré qui se termine par un photodétecteur.

Cette structure est photocommandable à distance et ne nécessite en particulier aucun apport d'énergie électrique.

En outre, le filtre d'une telle structure est peu encombrant et est donc facilement intégrable en ligne.

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 est une représentation schématique d'un analyseur de spectre conforme à un mode de réalisation possible de l'invention
- les figures 2 et 3 sont des représentations schématiques illustrant deux autres configurations possibles pour le dispositif proposé par l'invention.

Le dispositif illustré sur la figure 1 comporte une unité de filtrage qui comprend un cristal 1 photoréfractif, ainsi que plusieurs fibres monomodes 2 à 5 qui se terminent au voisinage du cristal 1 par des collimateurs fibrés 2a à 5a.

Le cristal 1 est un cristal de phosphure d'indium dopé au fer (InP:Fe) qui présente une longueur de 18 mm, une largeur de 10 mm et une épaisseur de 1 mm et qui est orienté < 110 > . Cet échantillon présente un gain photoréfractif de 0,4 cm-1.

D'autres matériaux photoréfractifs que les cristaux de phosphure d'indium dopé au fer sont envisageables. On peut citer par exemple le Tellurure de
Cadmium (CdTe) dopé au Vanadium, qui présente des propriétés photoréfractives à la longueur d'onde 1,55 pm.

La fibre 2 constitue la fibre optique d'entrée par laquelle le signal optique à superviser est transporté jusqu'au cristal 1.

Son collimateur fibré 2a (collimateur d'entrée de signal) est orienté avec un angle a par rapport à la direction < 001 > du cristal 1.

La fibre optique 3 s'étend de l'autre côté du cristal 1. Elle reçoit le signal non filtré en sortie de celui-ci. Son collimateur fibré 3a est orienté selon la même direction que le collimateur fibré 2a.

La fibre optique 4 s'étend entre une diode laser de commande 7 et le cristal 1. Elle est située du même côté que la fibre 2 par rapport au cristal 1. Son collimateur fibré 4a (collimateur de commande) est orienté de façon que la direction de propagation du signal optique d'écriture (signal émis par la diode laser 7) dans le cristal 1 coïncide avec sa direction < 001 > .

Un miroir 8 réfléchit le signal d'écriture qui sort du cristal 1.

Le signal d'écriture ainsi réfléchi interfère avec le signal d'écriture qui entre dans le cristal 1 par la fibre 4. L'interférence ainsi réalisée crée dans le cristal un réseau d'indice qui réfléchit le signal optique transmis par la fibre d'entrée 2, pour une longueur d'onde telle tell que

<tb> signal <SEP> = <SEP> Acanmanded <SEP> (Sin(l/n)2 <SEP> (1)
<tb>
OÙ komunde est la longueur d'onde de la diode 7 et n l'indice de réfraction du cristal.

Le signal réfléchi par ce réseau d'indice est récupéré sur le collimateur fibré 5a de la fibre optique 5. Celle-ci s'étend entre le cristal 1 et un photodétecteur 11, les collimateurs 4a et 5a étant orientés symétriquement par rapport à la direction < 001 > du cristal.

La sortie électrique du photodétecteur 11 est relié à une unité de gestion 9, telle qu'un microordinateur.

L'unité 9 comprend notamment une carte de conversion numérique/analogique 9a reliée au photodétecteur 11 et à la diode laser de commande 7.

Dans l'exemple particulier illustré sur la figure 1, la diode laser 7 est accordable. Elle est par exemple une diode laser du type à contre-réaction distribuée ("Distributed Feedback" selon la terminologie anglosaxonne) émettant autour de 1555 nm avec une largeur de bande accordable de 1 nm.

Le courant de commande de la diode laser 7 est géré par le logiciel 9c de l'unité de gestion 9 en fonction des caractéristiques de fonctionnement 9c dudit laser ainsi que de la bande spectrale à balayer.

Cette diode laser 7 est stabilisée en température.

Des moyens 10 permettent de contrôler sa longueur d'onde centrale d'émission par variation du ou des courants de la diode laser.

Elle est en outre associée à un isolateur 12.

Le dispositif ainsi constitué permet par balayage de la longueur d'onde du signal de commande d'analyser en longueur d'onde un signal optique se propageant dans une fibre optique. L'écran 9e du micro-ordinateur 9 affiche par exemple ainsi qu'illustré sur la figure 1 le spectre de ce signal.

On va maintenant décrire l'assemblage et le réglage des fibres 2 à 5, du miroir 8 et du cristal 1
Une fois ce réglage réalisé, ces différents éléments sont figés dans un boîtier.

On utilise pour réaliser l'assemblage et les réglages des micro-positionneurs à commande manuelle présentant une précision de 10 pm pour les translations et 0,1 degré pour les angles.

Les collimateurs 2a et 4a permettent d'obtenir des faisceaux quasi-parallèles à partir des signaux guidés dans les fibres 2 et 4.

Les collimateurs 3a et 5a permettent d'injecter dans les fibres optiques 3 et 5 des faisceaux initialement quasi-parallèles.

Dans une première étape, on règle les positions et orientations du collimateur 4a et du miroir 8 par rapport au cristal 1.

Un coupleur est placé, durant la phase de réglage, entre la diode laser 7 et le collimateur 4a, ce qui permet de contrôler l'alignement par retour du faisceau réfléchi dans la fibre.

Le positionnement correct du miroir 8 est essentiel car il doit permettre la réflexion totale de la commande optique sans perturber la propagation du signal non filtré qui sort par la fibre 3a et dont la trajectoire est très proche du bord du miroir 8.

La distance du miroir 8 par rapport au cristal 1 est à cet égard critique.

Si elle est trop faible (inférieure à 2 mm environ), il est impossible d'empêcher une partie du signal non filtré de se réfléchir sur le bord du miroir 8.

La réponse spectrale du filtre est alors entachée d'un effet parasite avec une augmentation de sa sensibilité à la polarisation et une déformation importante des lobes secondaires (d'où une dégradation de la réjection du filtre).

Si le miroir 8 est placé trop loin, la largeur du faisceau d'écriture réfléchi est augmentée à cause de la divergence inévitable de celui-ci. En effet, le faisceau collimaté (ou parallèle) n'est pas parfait. Si le faisceau d'écriture s'élargit, l'intensité optique (rapport de la puissance optique sur la surface utile) est réduite. Dans ce cas, le gain photoréfractif du cristal 1 diminue entraînant ainsi une baisse de la réf lectance du filtre.

Une distance acceptable est de l'ordre de quelques mm.

L'angle a entre le faisceau de commande de la fibre 4 et le faisceau qui correspond au signal transmis par la fibre 2 doit être le plus faible possible pour assurer un bon recouvrement des faisceaux d'écriture et du signal optique. Il doit cependant être suffisant pour séparer ceux-ci à l'entrée et à la sortie du cristal 1.

Il est avantageusement choisi de l'ordre de 30 car la réfraction de Descartes entre l'air et le phosphure d'indium entraîne une séparation angulaire inférieure à 1 degré à l'intérieur du cristal. On a donc une bonne séparation extérieure des faisceaux et un bon recouvrement intérieur. Ceci est possible grâce à l'indice élevé du phosphure d'indium (n=3,17). Un tel compromis ne peut être atteint avec le niobate de lithium (n=2,3). Les filtres en réflexion à réseau photo-induit dans les fibres sont des structures guidantes qui ne permettent pas de séparation directe. Il faut alors recourir à des coupleurs qui provoquent des pertes d'au moins 75 % par rapport à la réflectance intrinsèque du filtre.

Les diamètres des collimateurs 2a à 5a sont de 2 à 3 mm environ. Pour éviter des problèmes d'ajustements angulaires, on place le collimateur 4a en retrait par rapport aux collimateurs 2a et 5a, avec un espace d'environ 1 mm entre ceux-ci.

Dans une deuxième étape, on ajuste les collimateurs 2a et 5a de façon que les faisceaux d'écriture se croisent au centre du cristal 1.

Une carte de visualisation dans l'infrarouge est utilisée pour ajuster les faisceaux à l'entrée et à la sortie du cristal 1. Les longueurs d'onde des diodes laser utilisées sont réglées pour satisfaire approximativement à la condition de Bragg. Un balayage en longueur d'onde (quelques 0,1 nm) de la diode laser émettant dans la fibre 2, à une fréquence compatible avec le détecteur, permet de retrouver l'accord de Bragg exact.

Les collimateurs 2a et 5a sont alors ajustés de manière à obtenir à l'oscilloscope l'allure de la réponse spectrale d'un filtre en réflexion (1 lobe principal et des lobes secondaires). Les réglages optimaux des collimateurs sont ensuite recherchés.

Dans une troisième étape, on ajuste le collimateur 3a de façon à réinjecter le signal non filtré dans la fibre optique 3.

Dans une dernière étape, si l'on souhaite rendre le filtre bidirectionnel, on ajuste un cinquième collimateur (non représenté) symétrique du collimateur 5a par rapport au cristal 1.

En effet, l'effet photoréfractif étant faible dans l'InP:Fe, la réflexion du signal est du type réflexion de
Bragg. Les filtres photoréfractif s à grand gain (exemple niobate de lithium) ne sont pas réciproques car un couplage de type photoréfractif vient s'additionner à la réflexion de Bragg. Dans ces filtres, la réflectance dépend du sens de propagation de l'onde optique.

Le signal reçu sur ce collimateur provient de la fibre 3a.

Le réglage est identique à celui décrit dans la deuxième étape pour le collimateur 5a.

Après réglage, les différents éléments qui composent le filtre sont figés par collage et mis en boîtier.

La structure ainsi réalisée constitue un filtre autour de 1555 nm avec une bande passante à -3 dB étroite qui est de 0,02 nm (2,5 GHz), ainsi qu'une réflectance maximum de 2 % (-17 dB) entre fibres.

Le signal non filtré qui sort du filtre par la fibre 3 présente une perte de 3,6 dB par rapport au signal d'entrée de la fibre 2.

Le temps de réponse est inférieur à 10 ms.

En outre, le miroir 8 permet de s'affranchir des problèmes de polarisation.

La sensibilité à la polarisation est inférieure à 0,3 dB.

Ce filtre peut être utilisé comme analyseur de spectre optique, démultiplexeur, démodulateur de fréquence optique ou commutateur partiel sélectif en longueur d'onde, ces quatre fonctionnalités étant gérées par l'unité 9 pour assurer la supervision du multiplexage fréquentiel des signaux qui se propagent dans la fibre 2.

Les fonctions démultiplexeur et démodulateur de fréquence permettent un asservissement du filtre sur un canal choisi.

La fiabilité du dispositif de supervision de la figure 1 a été vérifiée en utilisant des signaux pseudoaléatoires générés à des longueurs d'onde correspondant à quatre canaux espacés de 0,1 nm (12,5 GHz) que le dispositif devait reconnaître.

Il a été procédé à plus de 10000 changements de canaux pendant 24 heures. Durant ces tests, aucune erreur n'est apparue.

En outre, le dispositif contrôlait simultanément la largeur du spectre de l'onde optique modulée à haut débit. En cas de non conformité du spectre dans un canal donné, une alarme est générée car il ne faut pas perturber les canaux adjacents.

La fonction de démodulation a été testée jusqu'à 1,2 Gbits/s et a montré un diagramme de l'oeil correctement ouvert.

Le dispositif de surpervision proposé par l'invention peut également être utilisé avec des diodes lasers de commande non accordables mais présentant une certaine dépendance de la longueur d'onde en fonction du courant (typiquement 0,5 pm).

On a illustré sur les figures 2 et 3 deux modes de réalisation possibles dans lesquels le dispositif de supervision proposé par l'invention est utilisé comme espaceur de longueur d'onde calibré, par exemple autour de 1,55 Hm.

Dans ces modes de réalisation, le dispositif comporte plusieurs unités de filtrage 20, 30, 40 montées à la suite, la première unité de filtrage recevant sur son collimateur d'entrée signal 2a un signal optique de référence à une longueur d'onde X1 donnée, les autres unités recevant sur leur collimateur d'entrée de signal 2a, le signal optique envoyé sur le collimateur d'entrée de commande 4a de l'unité précédente.

Dans le dispositif de la figure 2, les miroirs des unités de filtrage sont semi-réfléchissants et les collimateurs sont disposés en sortie desdits miroirs, le collimateur en sortie d'un miroir étant relié par une fibre optique au collimateur d'entrée de signal de l'unité de filtrage suivante.

Plus particulièrement, les miroirs de ces filtres sont constitués par des collimateurs 8a avec traitement partiel réfléchissant.

Une fibre monomode 21 s'étend entre le collimateur 8a du filtre 20 et le collimateur 2a du filtre 30.

Une fibre monomode 31 s'étend entre le collimateur 8a du filtre 30 et le collimateur 2a du filtre 40.

Le collimateur 8a du filtre 40 est lui-même prolongé par une fibre monomode 41 qui constitue la dernière longueur d'onde du multiplex calibré.

L'angle a entre les faisceaux de signal et de commande est par exemple le même pour les trois filtres 20 à 40.

La détection d'un signal par le photodétecteur en sortie de la ième unité de filtrage indique que l'écart de longueur d'onde entre le faisceau de commande de longueur d'onde ki+l et le faisceau entrant par le collimateur 2a de longueur ki vérifie la relation de Bragg (1). Cette structure permet donc de superviser les longueurs d'onde Xj des faisceaux optiques envoyés sur les collimateurs fibrés 4a des différentes unités de filtrage en se servant comme référence du signal de la longueur d'onde X1 envoyé sur le collimateur fibré 2a de la premiere unité de filtrage 20.

Par exemple, pour un angle a de 3 degrés, on a ainsi réalisé un espaceur de 25 GHz (0,2 nm).

Pour un angle de 5,8 degrés, on a réalisé un espaceur de 100 GHz (0,8 nm).

Pour l'espaceur de 25 GHz, la précision est inférieure à 0,17 GHz (0,0014 nm) par plage de 10 nm autour de 1550 nm. La sensibilité à la température est de 0,1 GHz (0,0008 nm) allant de OOC à 50"C.

Les pertes dépendent de la longueur du cristal et des collimateurs, elles peuvent être inférieures à 3 dB, fibre à fibre.

La figure 3 illustre une autre variante de réalisation possible.

Dans cette variante, on utilise des miroirs 8 de la même façon que pour les filtres de la figure 1.

Le collimateur fibré 2a du (i+l)ième filtre reçoit le faisceau de longueur d'onde ki+l par l'intermédiaire d'un circulateur, référencé sur la figure par 22, 32, 42, dont une première sortie alimente le collimateur fibré 4a du ième filtre et dont une deuxième sortie alimente le collimateur fibré 2a du (i+l)ième filtre.

Ainsi dans cette variante, le dispositif comporte au moins un circulateur à deux sorties qui distribue un même signal optique sur le collimateur de l'entrée de signal d'une unité de filtrage et sur le collimateur de l'entrée de commande de l'unité de filtrage précédente.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif pour la supervision en ligne des signaux optiques multiplexés se propageant dans une fibre optique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une unité de filtrage qui comprend un cristal photoréfractif (1) et une pluralité de collimateurs fibrés (2a, .., 5a) répartis autour dudit cristal (1), le cristal et les collimateurs étant figés dans un boîtier, ces collimateurs étant respectivement reliés à une fibre optique (4) reliée à une source laser (7) pour la photoinscription d'un réseau d'indice sur le cristal à partir d'interférence, à la fibre optique (2) d'entrée du signal, à une fibre optique (3) de sortie du signal non filtré, à une fibre optique (5) de sortie du signal filtré qui se termine par un photodétecteur (11).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal photoréfractif (1) est un cristal de phosphure d'indium dopé au fer.

3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte du côté du cristal (1) opposé au collimateur (4a) relié à la source laser (7) de commande un miroir (8) qui réfléchit le faisceau de commande envoyé sur le cristal (1) par ladite source (7).

4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle a entre les collimateurs fibrés (2a, 4a) de la fibre (4) du laser de commande (7) et de la fibre d'entrée (2) du signal optique est de l'ordre de 3 degrés.

5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source laser (7) de commande est accordable en longueur d'onde, son (et ses) courant(s) de commande étant commandé(s) par une unité de gestion (9) en fonction des caractéristiques de ladite source (7).

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'unité de gestion (9) reçoit le signal en sortie du photodétecteur (11) et détermine le spectre du signal optique supervisé.

7. Dispositif espaceur de longueur d'onde selon lune des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs unités de filtrage (20, 30, 40) montées à la suite, la première unité de filtrage (20) recevant sur son collimateur d'entrée de signal (2a) un signal optique de référence à une longueur d'onde donnée X1, les autres unités (30, 40) recevant sur leur collimateur d'entrée de signal (2a), le signal optique envoyé sur le collimateur d'entrée de commande (4a) de l'unité précédente.

8. Dispositif selon la revendication 7 prise en combinaison avec la revendication 3, caractérisé en ce que les miroirs des unités de filtrage (20, 30, 40) sont semiréfléchissants et en ce que des collimateurs (8a) sont disposés en sortie desdits miroirs, le collimateur en sortie (8a) d'un miroir étant relié par une fibre optique (21, 31, 41) au collimateur (2a) d'entrée de signal de l'unité de filtrage suivante.

9. Dispositif selon la revendication 7 prise en combinaison avec la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un circulateur (22, 32, 42) à deux sorties qui distribue un même signal optique sur le collimateur de l'entrée de signal (2a) d'une unité de filtrage (30, 40) et sur le collimateur (4a) de l'entrée de commande de l'unité de filtrage (20, 30) précédente.

10. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications précédentes comme analyseur de spectre optique, démultiplexeur, démodulateur de fréquence ou commutateur partiel sélectif en longueur d'onde.