Schéma de principe d’une boucle à verrouillage de phase conventionnelle

Le schéma général d’une boucle à verrouillage de phase est illustré figure 1.6, et sera abordé plus en détail chapitre 2 ; l’horloge est donnée par un oscillateur commandé par la différence de phase entre le signal et la sortie du même oscillateur (ou un multiple ou sous-multiple en fréquence de celle-ci pour la récupération d’horloge fractionnelle ou la synthèse de fréquence), cette différence de phase étant obtenue par le biais d’un comparateur de phase, lequel peut être constitué d’un simple mélangeur ou élément non-linéaire et d’un filtre.

En régime accroché, cette différence de phase — donc la sortie du comparateur de phase — est constante. On se rend ainsi compte qu’à haute fréquence, les composants qui devront être rapides sont le comparateur de phase, et l’oscillateur — ou éventuellement le multiplicateur de fréquence.

Ces dispositifs présentent les inconvénients du domaine électrique ; ils nécessitent un pho- todétecteur rapide pour y ramener le signal, et commencent à peiner à très haut débit, même si une expérience a été réalisée avec succès à 10 × 10 Gbps [Phillips00].

1.4

Boucle `a verrouillage de phase opto-´electronique

Si le facteur limitant pour une boucle à verrouillage de phase électrique, outre le fait de devoir convertir un signal optique, est la rapidité du comparateur de phase ou de l’élément non- linéaire, on peut tenter de s’en affranchir en utilisant un composant optique à cet usage.

Puisque l’on cherche à mélanger le signal optique et l’horloge récupérée, une approche possible est d’utiliser cette horloge sous forme électrique pour commander un modulateur optique, par exemple à électroabsorption, par lequel on fait passer le signal pour obtenir l’effet désiré. Cette méthode a été démontrée à 16 × 10 Gbps [Tong00].

Une autre approche est de mélanger directement les signaux sous forme optique, grâce aux effets non-linéaires que présentent un certain nombre de composants, à commencer par les amplificateurs optiques à semi-conducteurs, très utilisés car présentant à la fois un fort gain et de fortes non-linéarités de plusieurs types (modulation croisée de gain et de phase, mélange à quatre ondes...), ce qui leur permet d’effectuer un certain nombre d’opération de traitement de signal (cf. la section 3.3) sur des distances de propagation de l’ordre du millimètre. Notamment, le mélange à quatre ondes, comme son nom l’indique en partie, peut reproduire un mélangeur : ce sont certes à la base les signaux optiques qu’il mélange et donc aux fréquences optiques qu’il agit ; mais comme il mélange tous les harmoniques des signaux, il est également équivalent à un mélangeur électrique à la longueur d’onde de mélange, cf. section 4.4.

En outre, les phénomènes physiques à l’origine de ces non-linéarités en général, et du mé- lange à quatre ondes en particulier, sont extrêmement rapides (d’une fraction de nanoseconde pour les plus lents à quelques dizaines de femtosecondes pour les plus rapides) comparés au

temps bit correspondant aux débits des systèmes de transmission optiques actuels (10 à 40 Gbps par canal) voire futurs (jusqu’à plusieurs Tbps par canal ?)

D’autres types de composants sont utilisables en régime non-linéaire, ne serait-ce que les fibres optiques, notamment les fibres à cristaux photoniques ou les fibres dopées amplificatrices, mais de grandes longueurs de propagation sont nécessaires pour faire apparaître les effets recherchés. On peut également avoir recours à des matériaux non-linéaires d’ordre 2 tels que le niobate de lithium, plus efficaces que les composants cités précédemment (qui sont d’ordre 3), mais où les conditions d’accord de phase sont problématiques. Il existe des composants à base de niobate de lithium à domaines périodiquement inversés (« Periodically Poled LiNbO3», PPLN)

qui permettent de s’affranchir de l’accord de phase, mais seulement autour d’une longueur d’onde bien précise.

Ainsi, bien qu’ils n’en aient pas le monopole, les amplificateurs optiques à semi-conduc- teurs sont des composants de choix pour l’utilisation d’effets non-linéaires. De plus, comme nous l’avons vu — et le reverrons section 3.3.5 — un amplificateur optique à semi-conducteurs est capable de convertir un signal optique au format NRZ vers un format pseudo-RZ adapté à récupération d’horloge par boucle à verrouillage de phase.

Tous ces éléments nous conduisent à la possibilité de récupérer l’horloge de signaux RZ et NRZ en reproduisant le schéma d’une boucle à verrouillage de phase dans le domaine optique, un amplificateur optique à semi-conducteurs assurant la fonction non-linéaire de mélangeur ou de corrélateur, et le reste de la boucle, travaillant alors dans un domaine de fréquence beaucoup plus faible voire en bande de base, restant constitué d’électronique.

Un tel montage a été proposé et démontré à 16 × 6, 3 Gbps par Kamatani et Kawani- shi [Kamatani96], sur des signaux au format RZ. Nous avons reproduit un schéma similaire à 10 Gbps en format RZ et NRZ, ainsi qu’un schéma plus simple, plus direct, dans les mêmes conditions de 10 Gbps en format RZ et NRZ [Ware02, Ware03]. Nous nous proposons de les décrire plus en détail dans la suite de ce mémoire, notamment partie II.

G´en´eralit´es sur les boucles `a

verrouillage de phase

2.1

Pr´esentation

La boucle à verrouillage de phase (phase-locked loop, PLL) est un dispositif permettant d’extraire la porteuse d’un signal modulé ou bruité. Conçue en 1932 à fins de réception cohérente de signaux modulés en amplitude ([Bellescize32] cité par [Frankle72b]), elle a depuis trouvé de nombreuses applications telles que : la récupération d’horloge ; la synthèse de fréquence ; la démodulation FM, que nous évoquerons section 2.5.

2.1.1 Principe

Le schéma de principe d’une boucle à verrouillage de phase simple est illustré figure 2.1 : comme son nom l’indique, il s’agit d’un système bouclé ; la sortie en est donnée par un oscilla- teur commandé typiquement en tension (voltage-controlled oscillator, VCO), dont la commande provient de la sortie (amplifiée et filtrée) d’un comparateur de phase, lequel opère sur le signal d’entrée et la sortie du VCO.

Comme nous allons le montrer section 2.2, le système de rétroaction entre le comparateur de phase et le VCO permet d’asservir — éventuellement à une constante additive près — la phase du second, et donc sa fréquence, à l’horloge du signal. Les paramètres d’amplification et de fil- trage déterminent les plages de fonctionnement de la boucle, ses caractéristiques d’accrochage, et le déphasage résiduel entre l’entrée et la sortie.

de phase Comparateur VCO Signal Filtre Amplificateur Horloge u(t) v (t) s(t) Commande w (t)