La modulation OOK (On/Off Keying) permet de détecter le signal à l'aide d'une simple photodiode, qui convertit la puissance optique en un courant électrique (IPhoto). Le photocourant IPhoto généré par la photodiode est directement proportionnel au produit du signal optique S et de son conjugué complexe S*. Dans l'équation de la figure 1, on constate que le résultat ne contient que l'amplitude AS. IPhoto ne fournit aucune information sur la fréquence angulaire ωs ni sur la phase Φs. Par conséquent, il est impossible d'établir une correspondance directe et univoque entre le signal de modulation QPSK dans le domaine temporel (à droite) et le diagramme IQ (à gauche). On peut seulement affirmer que la courbe inférieure passant par zéro représente les transitions diagonales entre les quatre points de la constellation, et que la courbe centrale représente les transitions qui se situent en dehors de cette diagonale. Le signal plat passant par 1 représente les cas où la phase reste constante, c'est-à-dire lorsqu'un symbole est suivi du même.

 
Pour identifier sans ambiguïté les transitions symboliques, nous devons rechercher des méthodes plus sophistiquées qui nous permettent de détecter le champ électrique complet, y compris les informations de phase.

Pour compliquer encore les choses, les systèmes de communication optique actuels fonctionnent à des longueurs d'onde dans le proche infrarouge, par exemple à 1550 nm, ce qui correspond à une fréquence proche de 200 THz. Par conséquent, les variations du champ électrique dans le temps et l'espace sont plusieurs ordres de grandeur trop rapides pour être traitées par les dispositifs électroniques disponibles, qui fonctionnent dans la gamme des MHz aux GHz.

Un oscillateur local peut nous être utile.
La clé de la résolution des deux problèmes réside dans la mesure non seulement de la phase absolue, mais aussi de la phase relative à un signal de référence connu. La figure 2 illustre le dispositif de détection de base : le laser idéalement monochromatique qui génère le signal de référence R est généralement appelé « oscillateur local ».
Le signal d’intérêt S et le signal de référence R sont superposés dans un combinateur optique et détectés par la photodiode. Par conséquent, IPhoto est proportionnel au produit de la somme des deux signaux (R+S) et de leur conjugué complexe (R+S)*. L’équation de la figure 2 indique que le résultat inclut la différence de phase ΔΦ = ΦS - ΦR et la différence de fréquence Δω = ωS - ωR. À partir de ΔΦ, nous pouvons déduire l’évolution de ΦS au cours du temps.
Une fréquence de référence ωR proche de ωS est choisie de sorte que Δω soit suffisamment petit pour être traité électroniquement.
 
Cette valeur dépendant de la phase est appelée « valeur hétérodyne » car elle résulte de la combinaison des deux signaux.
Il existe également une valeur contenant le carré de l'amplitude, qui est négligeable tant que seule la phase est modulée et que l'amplitude reste constante, comme dans le cas de la modulation QPSK.
En bas de la figure 2, on observe le cas sans signal de référence mentionné précédemment, où seule la valeur AS2 est affichée.
Lorsqu'un signal de référence important est ajouté, la valeur hétérodyne se décale vers le haut par rapport au signal lui-même. Il serait intéressant de pouvoir obtenir la valeur hétérodyne sans ce décalage.

Suppression des composantes indépendantes de la phase avec un récepteur équilibré.
Comme illustré sur la figure 3, un récepteur équilibré permet de supprimer les composantes indépendantes de la phase restantes. Dans ce cas, le signal à détecter, S, et le signal de référence, R, sont additionnés dans une branche et soustraits dans l'autre branche d'un combineur optique 2x2 (qui peut être un coupleur à fibre optique ou un coupleur en espace libre). Une photodiode détecte chacun des signaux résultants. La différence entre les deux photocourants est ensuite utilisée. Dans l'équation, également présentée sur la figure 3, on constate que les autres composantes ont été annulées, ne laissant subsister que la composante hétérodyne.
 
De plus, la détection équilibrée présente un autre avantage : le photocourant net est doublé.

Application du concept au plan IQ : le démodulateur IQ.
Pour capturer l’amplitude et la phase, un récepteur cohérent doit fournir les composantes en phase (I) et en quadrature (Q) sous forme de deux signaux de sortie distincts. Ceci nécessite un second détecteur équilibré. Un oscillateur local unique fournit le signal de référence aux deux détecteurs, mais sa phase doit être déphasée de π/2 pour obtenir la composante Q. La figure 4 illustre le montage complet, appelé « démodulateur IQ », pour un signal modulé en QPSK.
 
Cette configuration ne fonctionne que pour les signaux cohérents non multiplexés par répartition de polarisation. De plus, le signal est combiné uniquement avec la composante de l’oscillateur local ayant le même état de polarisation que le détecteur.

Extension du concept à la double polarisation.
Dans le cas de la double polarisation, le concept de démodulateur doit être approfondi. Le principe de base reste inchangé : après un séparateur de polarisation, on obtient deux démodulateurs IQ, l’un pour la polarisation xy et l’autre pour la polarisation y. Un unique oscillateur local fournit les signaux de référence pour toutes les branches.
Le schéma fonctionnel est présenté figure 5. On y observe quatre signaux de sortie permettant de déterminer les coordonnées I et Q, un pour chaque direction de polarisation. Dans les équations, les indices supérieurs h et v correspondent respectivement à l’état de polarisation horizontale et verticale du signal par rapport au repère de polarisation du récepteur. Cette architecture à polarisations multiples garantit également que le signal entier est combiné à l’oscillateur local, quel que soit l’état de polarisation à l’entrée. Son utilisation est donc courante, même pour les signaux à polarisation unique.

Jusqu'à présent, nous avons vu des récepteurs dotés d'un oscillateur local de fréquence ωR différente de celle du signal ωS. Ces récepteurs sont appelés « récepteurs hétérodynes ».
Dans les récepteurs homodynes, l'oscillateur local a la même fréquence que le signal porteur. Ils présentent l'avantage que les valeurs mentionnées précédemment ne dépendent plus de la fréquence.
 

La figure 6 quantifie la bande passante électrique requise pour les récepteurs homodynes et hétérodynes. En détection homodyne, où l'oscillateur local fonctionne à la même fréquence que le signal, la moitié de la bande passante optique du signal est nécessaire. Dans le cas d'un récepteur hétérodyne, la bande passante électrique requise augmente avec le décalage de fréquence entre l'oscillateur local et le signal.

Utilisation d'une copie retardée du signal comme référence : interféromètres à ligne à retard.
D'après ce que nous avons vu jusqu'à présent, l'utilisation d'un oscillateur local semble indispensable pour la capture des informations de phase. Que se passerait-il si l'on superposait au signal une copie de lui-même ? Ceci nous permettrait également d'obtenir un signal de référence où ωR = ωS.
On pourrait penser que cette approche est peu prometteuse, car il n'est pas certain qu'elle permette d'obtenir des informations supplémentaires sur la phase. Cependant, cette approche auto-homodyne est utile car ce qui nous intéresse est la détection du déphasage au cours du temps. Par conséquent, si l'on divise le signal en deux et que l'on superpose le signal obtenu à sa copie retardée comme signal de référence, on obtiendra des informations sur les déphasages.
L'avantage de cette méthode de mesure est qu'elle n'est pas sujette aux imprécisions dues aux fluctuations lentes (comparées au débit de symboles) de la fréquence d'un oscillateur local externe ou du laser porteur.
Ce type de configuration de récepteur est appelé « interféromètre à ligne à retard ». La figure 7 montre un interféromètre à ligne à retard avec le signal S(t) et le signal S(t+T) retardé de T.

Cette équation indique que le résultat dépend de la différence de phase entre le signal original et sa copie retardée. Du fait de la périodicité de cette fonction, seules les différences de phase comprises entre 0 et π peuvent être identifiées sans ambiguïté, et uniquement pour des retards T approximativement égaux à un multiple entier de la période porteuse, soit 2π/ωS. Ceci est suffisant pour la modulation BPSK. Cependant, pour la capture de phase dans les schémas de modulation QPSK et d'amplitude supérieure, il est nécessaire d'ajouter un second interféromètre à ligne à retard, déphasé de π/2 par rapport au premier, afin de couvrir toute la plage de phase de 0 à 2π.
La figure 8 illustre la configuration avec un interféromètre à ligne à retard supplémentaire permettant de recevoir les deux composantes indépendantes I et Q. La composante Q1-Q2 est également mesurée, tandis que la composante I1-I2 reste inchangée.
 
À l'instar des récepteurs hétérodynes, l'interféromètre à ligne à retard peut également être étendu pour effectuer des mesures sensibles à la polarisation.
Avec un interféromètre à ligne à retard, nous n'avons pas besoin d'oscillateur local externe et, par conséquent, nous n'avons pas à nous soucier du bruit de phase introduit par cet oscillateur. De plus, le traitement du signal requis est moindre. Cependant, cette approche présente des inconvénients qui peuvent nous amener à privilégier un récepteur hétérodyne.
Premièrement, pour mesurer les variations de phase au cours du temps à l'aide d'un interféromètre à ligne à retard sans acquisition de données/horloge (CDR), le retard et la période d'échantillonnage doivent être bien inférieurs à la période du symbole. Actuellement, les débits de symboles ont atteint un niveau tel que cette condition est extrêmement difficile à satisfaire. De plus, pour les signaux de faible puissance, la sensibilité de mesure est réduite, car le signal de référence est également de faible puissance et est affecté par le bruit accumulé dans la liaison de transmission. Pour les implémentations utilisant une technique d'échantillonnage, le temps de mesure augmente et un déclenchement est nécessaire. En résumé, les récepteurs homodynes manquent de flexibilité.
Jusqu'à présent, nous nous sommes concentrés exclusivement sur les techniques de détection temporelle. Cependant, il est également possible de détecter le spectre de fréquence et d'en tirer des conclusions en appliquant la transformée de Fourier au signal temporel.

Détection dans le domaine fréquentiel :
Pour extraire les informations spectrales d'un signal optique modulé complexe, il est nécessaire de mesurer le spectre complexe, c'est-à-dire le spectre contenant à la fois l'amplitude et la phase.
Ceci peut être réalisé à l'aide d'un analyseur de spectre complexe qui sépare les différentes composantes de fréquence optique grâce à un élément dispersif. Toutes les bandes de fréquence peuvent être détectées simultanément à l'aide de plusieurs détecteurs ou séquentiellement avec un filtre optique à balayage de bande étroite et un détecteur unique.
Pour extraire la phase et l'amplitude, un oscillateur local est utilisé comme signal de référence. L'extraction des deux composantes requiert une source émettant deux fréquences optiques.
La figure 9 illustre le dispositif complet nécessaire à la mesure du spectre complexe résolu en polarisation.
 
Le principal avantage de la détection dans le domaine fréquentiel réside dans sa bande passante quasi illimitée, synonyme de résolution temporelle illimitée. Cette bande passante dépend de la plage de balayage de l'oscillateur local et peut atteindre des valeurs de l'ordre du térahertz avec les lasers à cavité externe ajustables actuels. Un autre avantage majeur est l'absence de besoin d'un récepteur haute vitesse.
Cependant, cette technique présente également des inconvénients significatifs.
Par exemple, cette méthode ne peut être appliquée qu'aux signaux périodiques, car ceux-ci génèrent les pics spectraux discrets nécessaires. De plus, elle requiert une horloge de symboles ou de motifs. La précision du signal temporel capturé dépend directement de la résolution spectrale, qui détermine le nombre de bandes latérales résolubles. La résolution spectrale actuelle limite la longueur du motif à quelques dizaines de symboles.
Ces facteurs, ainsi que l'absence de résultats en temps réel, rendent la détection fréquentielle inadaptée aux récepteurs de réseau. En effet, elle exigerait un temps de mesure considérable, ainsi que la mise en place d'un dispositif de mesure et de traitement du signal relativement complexe.
Enfin, en détection fréquentielle, tous les effets non périodiques sont moyennés. Il en va de même pour la dispersion du mode de polarisation (PMD), qui ne peut donc être compensée.

Préférences :
Les configurations autohomodynes nécessitent peu de traitement du signal et sont les moins sensibles au bruit de phase. Cependant, elles manquent de flexibilité, fonctionnant uniquement à proximité du débit de symboles nominal, et sont moins sensibles que les implémentations hétérodynes.
Les méthodes de détection temporelle utilisant des hétérodynes offrent la plus grande flexibilité. Contrairement à la détection fréquentielle, elles permettent une détection en temps réel. Elles peuvent donc être utilisées sur des signaux actifs dans les réseaux de données. L’échantillonnage temporel équivalent ne fonctionne qu’avec des signaux répétitifs de longueur limitée, par exemple dans des situations de test et de mesure.
Avec l’échantillonnage en temps réel, il est possible de reconstruire l’intégralité du signal dans tous les domaines, sans limitation de format de modulation. La détection temporelle utilisant des hétérodynes ne présente pas non plus de limitations de longueur de signal. La dispersion de mode de polarisation (PMD) et la dispersion chromatique (CD) peuvent être compensées lors du traitement du signal. Dans ce cas, le traitement du signal constitue le seul facteur limitant les performances.
Parallèlement, il faut être conscient que cette approche nécessite un équipement à quatre canaux à grande vitesse, tel qu'un numériseur temps réel haute performance avec un jitter et un bruit très faibles et un nombre de bits effectifs (ENOB) élevé sur toute la gamme de fréquences.

Ce document aborde les principes de base de la construction d'un récepteur. Dans le prochain article de cette série, nous examinerons en détail un système d'échantillonnage en temps réel dans le domaine temporel.

Références
1 Schéma fonctionnel extrait de « L’accord de mise en œuvre de l’OIF pour les récepteurs cohérents intradyne à double polarisation intégrés »

Les autres figures de cet article sont des contributions d'Oliver Funke, Bernd Nebendahl et Bogdan Szafraniec.

Auteure : Stéphanie Michel, Keysight Technologies

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