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Fausto Gómez Agis, Cédric Ware et Didier Erasme
GET/Télécom Paris
Département Communications et Électronique
École nationale supérieure des télécommunications
46 rue Barrault, F-75634 Paris CEDEX 13
[email protected]
R´ ´
L’extraction d’horloge et la synchronisation de signaux optiques, à partir d’une boucle à ver-
rouillage de phase utilisant l’effet non-linéaire de mélange à trois ondes dans un composant
de niobate de lithium périodiquement inversé, a été mise en œuvre.
M- :récupération d’horloge, mélange à trois ondes, optique non-linéaire, PPLN
1. I
Une fonction importante d’un système de communication est la récupération d’horloge ; celle-ci
est cruciale au niveau de la réception et éventuellement de la régénération et du démultiplexage. Elle est
traditionnellement effectuée par une boucle à verrouillage dephase, dispositif bien connu en électronique.
Toutefois, à mesure que le débit des systèmes de transmission optiques augmentent, le besoin de recourir
à des solutions partiellement ou tout-optiques se fait sentir.
Parmi les diverses méthodes optiques de récupération d’horloge proposées (filtres, lasers autopul-
sants...) on trouve des schémas de boucles à verrouillage de phase dont les fonctions nécessitant une
réponse rapide — notamment la comparaison de phase — sont assurées par des effets optiques non-
linéaires dans des amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA) : mélange à quatre ondes [1, 2],
ou modulation croisée de phase [3], et récemment dans des composants à base de niobate de lithium
périodiquement inversé (PPLN) utilisant le phénomène de mélange à trois ondes [4].
2. D
On reconnaît, sur la figure 1, les trois blocs de base de la boucle à verrouillage de phase : un
oscillateur commandé en tension (VCO), un comparateur de phase ou mélangeur et un filtre de boucle.
Le VCO est un oscillateur électronique classique. Sa sortie pilote le modulateur à électroabsorption
d’un laser à modulateur intégré (ILM) à λc≃1550nm, donc on a ainsi un signal optique modulé à une
fréquence fc≃10GHz, amplifié au moyen d’un amplificateur à fibre dopée à l’erbium (EDFA), formant
le signal dit signal d’horloge.
Ce signal est couplé par l’intermédiaire d’un coupleur 3dB au signal dont la cadence doit être
extrait. Ledit signal d’entrée est produit par un laser accordable réglé à λs≃1502nm de façon à assurer
un effet de somme de fréquences pour quasi-accord de phase dans le PPLN : [λ−1
c+λ−1 s]−1≃763nm.
Deux types de signaux d’entrée sont testés à savoir, un signal CW à 30GHz et un signal modulé en OOK
avec une séquence pseudo aléatoire à 10Gbps (fs=10GHz).
Injectés dans le PPLN, ces deux signaux génèrent un faisceau de mélange à trois ondes à 763nm,
détecté au moyen d’un photodétecteur à avalanche au silicium, insensible aux signaux d’entrée. L’enve-
loppe de ce signal d’erreur dépend de l’intercorrélation du signal d’entrée et de celui d’horloge (où de
ces harmoniques) — de la même façon que dans un autocorrélateur optique.
Si les deux fréquences d’horloge fcet N fs(Ndefini le nombre d’harmoniques de l’horloge) ne sont
pas égales, le signal à la sortie du photodétecteur comporte une composante à basse fréquence oscillant
à|fs−N fs|. (D’autres composantes, à la somme des fréquences, sont filtrées par le photodétecteur car sa

Photodétecteur
50
50
90
10
ILM
VCO
Mélangeur
VCO
∼10GHz
VCO
Filtre de boucle
Horloge 10GHz
PPLN TWM
(λ−1≃λ−1
c+λ−1 s)Amplificateur à fibre dopée
Horloge optique
(λ=λc)
CW : fs≃30GHz
Signal optique
(λ=λs)
PRBS : 10Gbps
(fs≃10GHz)
fc→fs/N
F. 1 – Schéma de principe de la boucle à verrouillage de phase opto-électronique.
bande passante n’est que de quelques dizaines de MHz.) Si, au contraire, fs=N fc, régime accroché de
la boucle à verrouillage de phase (N=1 pour l’extraction d’horloge de la séquence pseudo aléatoire et
N=3 pour l’extraction d’horloge du signal CW), le signal d’erreur est constant, et sa valeur dépend du
retard entre les deux trains d’impulsions constituant les signaux d’entrée et d’horloge. On a donc bien un
comportement mimant un mélangeur électrique, pouvant faire office de comparateur de phase.
La sortie de ce comparateur de phase est filtrée par un filtre à basse fréquence, pilotant ainsi le
VCO, ce qui ferme la boucle.
3. R´  ´
Les figures 2(a) et 2(b) montrent les traces des signaux d’entrée sur un oscilloscope à échantillon-
nage, déclenché respectivement par l’horloge du générateur (en haut) et par l’horloge récupérée (en bas).
Leur spectre apparaît figure 3. On est bien en présence d’un régime accroché ; la plage de ver-
rouillage obtenue est d’environ 2,2MHz pour le cas sinusoïdal et de 240kHz pour le cas numérique. La
gigue estimée est de 620fs et 640fs respectivement.
Il est à noter que la longueur d’onde de 1526 nm pour laquelle notre PPLN effectue le doublement
de fréquence ne permet que difficilement l’amplification des signaux par EDFA.
20 ps
25 µW
(a)
50 ps
100 µW
(b)
F. 2 – Signal d’entrée et de sortie observés à l’oscilloscope à échantillonnage, (a) Signal à 30GHz,
(b) PRBS 215 à 10Gbps OOK.

−250 250 kHz
−80
−60
−40
−20
0dBc
(a)
−250 0 250 kHz
−70
−50
−30
−10
0dBc
(b)
F. 3 – Spectre de la sortie du VCO (autour de la porteuse à 10GHz) quand on réalise : (a) extraction
d’horloge d’un signal à 30GHz, (b) synchronisation d’horloge d’une PRBS 215 à 10Gbps OOK.
C  
Nous avons mis en œuvre une boucle à verrouillage de phase opto-électronique utilisant l’effet
non-linéaire de mélange à trois ondes dans un niobate de lithium périodiquement inversé. Ce dispositif
est capable d’extraire l’horloge d’un signal CW à 30GHz et de réaliser la synchronisation d’horloge
d’une séquence pseudo aléatoire à 10Gbps.
Il est aussi important d’ajouter que le PPLN ne produit pas d’emission spontanée amplifiée contrai-
rement au SOA, permettant un filtrage simplifié de la longueur d’onde d’intérêt. De plus, puisque repo-
sant sur l’effet optique non-linéaire ultrarapide qu’est le mélange à trois ondes, ce même schéma est
capable d’extraire l’horloge aux signals à une cadence beaucoup plus élevée sans modification (cf. la
même expérience utilisant le mélange à quatre ondes décrite dans [2]). Les experiences qui montrent la
faisabilité sont en cours.
R´ ´
[1] O. Kamatani and S. Kawanishi, “Ultrahigh-speed clock recovery with phase lock loop based on four-
wave mixing in a traveling-wave laser diode amplifier,” Journal of Lightwave Technology, vol. 14,
pp. 1757–1767, Aug. 1996.
[2] C. Ware and D. Erasme, “30 GHz sub-clock recovery using an opto-electronic phase-locked loop
based on four-wave mixing in a semiconductor optical amplifier,” in CLEO/Europe, no. CI3-5-MON,
(Munich, Germany), June 2005.
[3] L. K. Oxenløwe, P. Jeppesen, D. Zibar, M. Galili, A. T. Clausen, and L. J. Christiansen, “Clock reco-
very for 320 Gb/s OTDM data using filtering-assisted XPM in an SOA,” in CLEO/Europe, no. CI3-
4-MON, (Munich, Germany), June 2005.
[4] F. G. Agis, C. Ware, D. Erasme, R. Ricken, V. Quiring, and W. Sohler, “10-GHz Clock Recovery
Using an Optoelectronic Phase-Locked Loop Based on Three-Wave Mixing in Periodically Poled
Lithium Niobate,” Photonics Technology Letters, vol. 18, pp. 1460–1462, July 2006.