Soutenance mémoire
La grande quantité d’informations véhiculées à travers le monde a donné naissance, depuis quelques années, à un besoin croissant en débit de transmission dans les systèmes de télécommunications. De nombreux services et applications multimédia se sont développées, et nécessitent aujourd’hui d’importantes capacités de transmission. Un besoin d’autant plus important que les informations échangées grâce à ces applications (données, téléphonie sur voix IP, vidéo,…) ont souvent besoin d’être transmises simultanément, par multiplexage. Les avantages de la fibre optique en tant que support de transmission (grande bande passante, faibles pertes de propagation, immunité aux ondes électromagnétiques) justifient l’important développement des systèmes de transmission optiques durant la dernière décennie.
Ces systèmes ont permis d’accroître les débits de transmission grâce à des techniques de multiplexage en longueur d’onde (WDM), en code (CDM), ou encore en temporel (TDM). Le multiplexage dans le domaine temporel a été développé industriellement pour les systèmes sans fil (GSM). L’adaptation de cette technique de multiplexage à l’optique a permis à l’OTDM de voir le jour au niveau expérimental, et les records dépassant des débits de 400 Gb/s ont été obtenus dans des laboratoires japonais. Des composants tels que des lasers à commutation de gain (Gain-switched laser) ou des diodes laser à verrouillage de modes (Mode Locked Laser Diode) sont les principales sources pulsées utilisées pour la génération du train de pulses optiques, nécessaires dans les systèmes de transmissions en OTDM. Ces solutions restent cependant des composants de laboratoires, et la plupart d’entre elles sont coûteuses et pas toujours disponibles commercialement. D’un autre côté, l’association des techniques de multiplexage OTDM et WDM permet d’augmenter le débit global des systèmes de transmission. Des débits dépassant les 2 Tb/s ont ainsi été atteints. Cependant, la nature incohérente des sources optiques pulsées impose un important écart spectral entre les canaux lors de multiplexage en longueur d’onde. Ces facteurs constituent le point de départ de ce travail de thèse, dont l’objectif est de réaliser un système de transmission optique en multiplexage temporel, basé sur des composants optiques bas coût, et commercialement disponibles. La solution choisie pour la génération du train de pulses optiques va introduire des contraintes liées à sa nature cohérente. Cependant, en éliminant ces contraintes, le système présente alors l’avantage d’une occupation spectrale optique très étroite. Ceci permet une combinaison des deux techniques de multiplexage OTDM et WDM, avec un espacement spectral beaucoup plus faible entre les canaux que ceux obtenus avec les solutions classiques.
Bref historique
Pour les systèmes de communication, historiquement, l’invention du télégraphe fut un grand tournant pour les communications longues distances. Des liaisons transatlantiques furent établies grâce au morse, avec pour principe de coder le message grâce à deux symboles (le point et le tiret). L’invention du téléphone permit la transmission de signaux analogiques grâce à des variations continues de signaux électriques, ce moyen connut un développement rapide de ses capacités grâce à l’utilisation du câble coaxial, mais les capacités de transmissions étaient limitées par les caractéristiques physiques de ce support. Les micro-ondes exploitent une gamme de fréquence plus élevée, de l’ordre de quelques Gigahertz à quelques dizaines de Gigahertz, grâce à des systèmes de modulations des champs électromagnétiques sur des supports toujours métalliques. On a ainsi atteint des débits de transmission de l’ordre de 300 Mb/s dans les années 1970 ; cependant les pertes sur les supports métalliques imposaient de mettre des répétiteurs régulièrement distancés, entre l’émetteur et le récepteur. Très vite, avec la demande croissante en débit et en bande passante, les systèmes de communications optiques se sont avérés indispensables.
Systèmes de communication optique
L’utilisation de la lumière comme moyen de communication remonte à l’antiquité. Des civilisations antérieures ont utilisé des signaux visuels, qu’on pourrait qualifier d’optiques, pour transmettre des messages. En 1792, Claude CHAPPE proposa un système qui consiste à transmettre mécaniquement des signaux codés sur des distances avoisinant les 100 Km, le rôle de la lumière se résumait simplement à rendre ces signaux visibles. Les études ont montré à partir de la seconde moitié du 20e siècle, que le confinement de la lumière dans un milieu directeur, pouvait être un moyen de transmission efficace. L’invention de la source laser permit alors une exploration des performances que les systèmes de communications optiques pouvaient offrir en termes de débit et de distance entre répétiteurs, deux paramètres qu’on rassembla dans le produit débit-distance.
Techniques de multiplexage en optique
La bande passante des fibres optiques permet théoriquement l’établissement de systèmes de transmission à des débits très élevés. Cependant, le traitement électronique des données, à l’émission et à la réception, impose des limitations en termes de débits, dues aux composants électroniques dont la bande passante reste bien en deçà de celle accessible par l’optique. L’augmentation du nombre d’utilisateurs et de la quantité d’informations échangées dans les réseaux de communication a poussé au développement de solutions pour augmenter la capacité des réseaux, et profiter de l’avantage en bande qu’offre la fibre optique. Des techniques de multiplexage ont ainsi été développées, chacune permettant de transmettre N signaux de débit D sur le même canal, ce qui équivaut à la transmission d’un signal global de débit N×D. Ces techniques de multiplexage doivent néanmoins respecter la condition nécessaire de pouvoir restituer les données propres à chaque utilisateur après leur transmission sans créer d’interférences entre les données des différents utilisateurs. Pour cela, le signal physique représentant les données de chaque utilisateur se distingue des autres signaux par sa bande spectrale, sa propre fenêtre temporelle ou encore son propre code. Ceci permet alors de les séparer finalement avec des techniques de démultiplexage appropriées.
Sources optiques pulsées
Dans une transmission en OTDM, on a besoin d’une source capable de délivrer un train de pulses optiques sur lequel sont codées les données des utilisateurs, sachant que c’est la largeur des pulses générés qui détermine la limite en débit de la transmission. La largeur spectrale des pulses optiques doit être aussi réduite que possible, pour limiter les effets de la dispersion durant la propagation sur des longues distances. Les pulses à bande spectrale limitée sont les plus adaptés pour ce type de transmission. Enfin la source pulsée doit être synchronisée avec une horloge qui rythme l’ensemble du système de transmission. Il existe diverses techniques pour générer un tel train de pulses optiques. Elles différent entre elles par la simplicité de conception, la susceptibilité face aux facteurs perturbateurs extérieurs, tels que les chocs, les variations de température, et la stabilité des pulses générés. Ces différences se reflètent au niveau des performances atteintes, exprimées en fonction de la largeur des pulses générés et leur fréquence de répétition.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I. LES TECHNIQUES DE MULTIPLEXAGE EN OPTIQUE
I Introduction
I.1 Bref historique
I.2 Systèmes de communication optique
II Techniques de multiplexage en optique
II.1 Multiplexage en longueurs d’onde
II.2 Multiplexage par répartition de code
II.3 Multiplexage dans le domaine temporel
III OTDM : Optical Time Division Multiplexing
III.1 Sources optiques pulsées
III.1.1 Source optique à commutation de pertes
III.1.2 Diode laser à verrouillage de modes
III.1.3 Verrouillage de modes dans un laser à fibre dopée Erbium
III.1.4 Source laser continue modulée par un modulateur à électroabsorption
III.2 Systèmes de multiplexage en OTDM
III.3 Systèmes de démultiplexage en OTDM
III.3.1 Introduction
III.3.2 Démultiplexage tout optique
III.3.3 Démultiplexeur électrooptique : le modulateur à électroabsortpion
III.3.4 Comparaison et conclusion
IV Conclusion du chapitre I
V Bibliographie
CHAPITRE II. SYSTEME DE MULTIPLEXAGE A 4×2.5 GB/S
I Introduction
II Outils de simulation et de test
II.1 Outils de simulation COMSIS
II.1.1 Présentation du logiciel
II.1.2 La simulation
II.2 Outil de test : le Parallel Bit Error Rate Tester (ParBERT)
II.2.1 Introduction
II.2.2 Module générateur à 13.5 Gb/s
II.2.3 Module générateur à 3.35 Gb/s
II.3 Critères de qualité
II.4 Conclusion
III Simulation du système de multiplexage temporel
III.1 Caractéristiques des éléments utilisés en simulation
III.1.1 Modulateurs d’intensité Mach-Zehnder (MZM)
III.1.2 Coupleurs 1×4 et 4×1
III.1.3 Amplificateur Optique
III.2 Simulation d’un système de multiplexage à deux utilisateurs
III.2.1 Schéma de simulation du système de multiplexage
III.2.2 Choix du point de polarisation du modulateur source
III.3 Conclusion
IV Système expérimental de multiplexage à 2 utilisateurs
IV.1 Mesure du retard de groupe des composants du système de multiplexage
IV.2 Détermination de la combinaison pour le multiplexage temporel à 2×2.5 Gb/s
IV.3 Schéma globale du système avec synchronisation
IV.4 Système de multiplexage avec une source incohérente
IV.4.1 Largeur spectrale de la source incohérente
IV.4.2 Choix du point de polarisation du modulateur source
IV.4.3 Variation du facteur Q avec le gain de l’EDFA
IV.5 Système de multiplexage avec une source optique cohérente
IV.5.1 Bruit de phase d’une source cohérente
IV.5.2 Caractérisation de la largeur de raie de la source laser
IV.5.3 Mise en évidence expérimentale des interférences cohérentes
IV.5.4 Analyse et solution
IV.5.5 Suppression du bruit de fluctuation lié aux interférences cohérentes
IV.6 Conclusion
V Comparaison des performances composant/ système avec deux sources optiques
V.1 Introduction
V.2 Comparaison des performances en sortie du système de multiplexage
V.3 RIN des sources optiques
V.3.1 Définition
V.3.2 Spectre du RIN d’une source Laser
V.3.3 Bruit total détecté
V.3.4 La mesure du RIN
V.4 Corrélation des performances composant/système
V.5 Conclusion
VI Amélioration des performances du système
VI.1 Introduction
VI.2 Passage à 3 utilisateurs
VI.3 Utilisation des modulateurs d’intensité en ‘Dual Drive’
VI.3.1 Introduction
VI.3.2 Théorie
VI.3.3 Simulation de l’impact du décalage entre les signaux de données
VI.3.4 Résultats expérimentaux
VI.4 Conclusion
VII Conclusion du chapitre II
VIII Bibliographie
CHAPITRE III. ÉTUDE DU SYSTEME DE DEMULTIPLEXAGE
I Introduction
II Simulation d’un système de démultiplexage utilisant un SOA
II.1 Principe théorique de fonctionnement du TPMZ
II.1.1 Expression des signaux au niveau des deux sorties du dispositif
II.1.2 Simulation sous MATLAB du principe de démultiplexage
II.1.3 Conclusion
II.2 Dimensionnement du composant SOA
II.2.1 Modèle du SOA sous COMSIS
II.2.2 Paramètres fournis par le fabricant
II.2.3 Paramètres du pulse de contrôle
II.2.4 Variation du gain
II.2.5 Variation de la phase
II.2.6 Configuration finale des paramètres de simulation
II.3 Simulation du système global de démultiplexage
II.3.1 Fenêtre de commutation
II.3.2 Canal démultiplexé
II.4 Conclusion
III Étude d’un système basé sur l’EAM
III.1 Principe théorique
III.1.1 Expression de la fonction de transfert de l’EAM
III.1.2 Caractéristiques de la fenêtre de transmission
III.2 Étude du composant EAM utilisé
III.2.1 Détermination des éléments de simulation sous COMSIS
III.2.2 Simulation de la fenêtre de transmission générée sous OptiSystem
III.3 Système de démultiplexage établi
III.3.1 Génération du signal issu de la partie multiplexage
III.3.2 Simulation du système de démultiplexage
IV Conclusion du chapitre III
V Bibliographie
CHAPITRE IV. REALISATION EXPERIMENTALE DU DEMULTIPLEXAGE TEMPOREL ET EVALUATION DES PERFORMANCES DU SYSTEME DE TRANSMISSION
I Introduction
II Génération de la fenêtre de transmission
II.1 Caractéristiques de la fenêtre de transmission
II.2 Position temporelle de la fenêtre de transmission
III Réalisation expérimentale du système de démultiplexage
III.1 Extraction des pulses utilisateurs
III.2 Mesure du taux d’erreur binaire des 3 canaux reçus
IV Étude de l’impact des interférences cohérentes sur le TEB
V Comparaison des TEB obtenus avec deux sources optiques
VI Conclusion du chapitre IV
VII Bibliographie
CONCLUSION GENERALE
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