Le choix du format RZ pour les réseaux tout-optiques transparents

Le choix du format RZ pour les réseaux tout-optiques transparents

Généralités

Le format RZ est un format de modulation impulsionnel utilisé classiquement dans les réseaux optiques pour les transmissions à très longue distance de type Soliton . Dans chaque temps bit (référence temporelle pendant laquelle on code un bit d’information), l’ information est codée sur une impulsion. Un « 1 » correspond à la présence d’ une impulsion dans le temps bit et un « 0 », à l’ absence d’ impulsion. Différents formats « exotiques » pour toutes sortes d’ applications spécifiques dérivent du format RZ mais nous allons nous restreindre aux concepts de bases. Il peut être réalisé avec toute impulsion de largeur à mi-hauteur inférieure au temps bit. C’ està-dire que pour un temps bit de 100 ps (correspond à une fréquence de modulation de 10 GHz, ou bien un débit numérique de 10 Gbit/s), l’ impulsion ne peut être plus large que 100 ps, mais peut-être beaucoup plus courte. Dans ces conditions, il reste dans le temps bit une fenêtre temporelle permettant d’ intercaler un second canal au même débit que le canal initial. Cette technique de multiplexage temporel est connue sous le terme OTDM (pour Optical Time Division Multiplexing).

Les deux techniques de multiplexage permettent d’ accroître la capacité d’ une liaison optique , la technique WDM est la plus utilisée dans les réseaux installés et la technique OTDM permet d’ augmenter considérablement le débit par canal WDM puisqu’ elle n’ est pas limitée par la vitesse de modulation électrique. On peut rappeler que le format NRZ est obtenu par modulation directe de la lumière via un modulateur (classiquement de type électrooptique / Niobate de Lithium) au rythme des données binaires électriques. La technique WDM va pouvoir remplir la bande passante de la fibre (La bande télécom « Classique » des amplificateurs optiques à fibre dopée) alors que la technique OTDM va pouvoir remplir le temps bit du débit initial.

Les techniques du multiplexage optique à division dans le temps (OTDM)

A partir d’ un débit initial de codage de la lumière par modulation d’ amplitude, obtenu électriquement (typiquement 10 Gbit/s), l’ OTDM permet, en fonction de la durée des impulsions du format RZ, d’ augmenter le débit. Si le temps bit est de 100 ps et que l’ on veut multiplier le débit par quatre sur une longueur d’ onde, le temps bit final sera de 25 ps (40 Gbit/s). Selon ce principe, il suffit d’ utiliser les impulsions les plus courtes pour augmenter considérablement le débit par canal. Cette technique devient intéressante dès lors que l’ on ne peut plus moduler directement la lumière. On pourra réaliser des transmissions à 160 Gbit/s à partir de sources impulsionnelles à 10 GHz. Les impulsions générées ne doivent pas excéder 1,5 ps de largeur temporelle (soit ¼ du temps bit de la transmission), posséder une gigue temporelle de l’ ordre de 100 fs et un taux d’ extinction de 30 dB .

Les transmissions à ce débit deviennent beaucoup plus contraignantes puisque l’intensité crête des impulsions tend à favoriser les effets non-linéaires dans la fibre (qui comme on le verra plus tard, vont perturber fortement le signal). Nous ne pouvons plus négliger l’ effet de la dispersion modale de polarisation (PMD) dont influence est d’ autant plus importante que la durée de l’ impulsion est courte et que la distance de propagation est longue  , les effets nonlinéaires intra et inter-canaux sont amplifiés et la tolérance à la dispersion chromatique diminuée. L’ autre difficulté inhérente à ces transmissions à très haut débit est la visualisation du signal puisque les détecteurs opto-électroniques ne dépassent pas 50 GHz de bande passante. Ce dernier point va considérablement compliquer tous les réglages optiques.

Dans ces conditions, cette solution technologique pour les transmissions à très haut débit semble très compliquée à mettre en œ uvre. Les investigations sur le sujet sont néanmoins nombreuses puisque l’ OTDM ne nécessite pas de composant électriques à très haut débit, les puissances crêtes mises en jeu favorisent les effets non-linéaires permettant la remise en forme d’ impulsions (mélange à quatre ondes et auto-modulation de la phase dans les fibres) et la propagation non-linéaire (soliton).

Source d’ impulsions courtes pour les applications à 40 Gbit/s

Sources à commutation de gain 

Il s’ agit de lasers à semi-conducteurs que l’ on module directement en courant. Le gain du laser suit la modulation et permet d’ obtenir un régime d’ émission de lumière périodique. Ce type de sources permet de générer des impulsions stables et de durée variable. Le taux de répétition des impulsions est limité par la fréquence d’ oscillation de relaxation du laser (rarement supérieure à 10 GHz). La réalisation de sources à des débits supérieurs passe par la compression des impulsions associées aux techniques de multiplexage temporel que nous avons déjà abordées. La compression des impulsions dans ce type de sources est relativement intéressante puisque les lasers à semi-conducteurs possèdent un coefficient de couplage phase / amplitude (via le coefficient de Henry ) important qui va générer un déphasage instantané de la lumière émise proportionnel au gain du laser. Les composantes spectrales des impulsions générées par ce type de sources possèdent alors un déphasage instantané important (communément appelé « chirp »). La technique de compression d’ impulsions consiste à remettre en phase les composantes spectrales pour revenir en limite de Fourier (i.e. la largeur à mi-hauteur des impulsions et la largeur de l’ enveloppe du spectre à mi-hauteur sont reliées par transformation de Fourier : plus une impulsion est courte et plus son spectre est large). Les détails de cette technique sont développés dans le second chapitre de la thèse dédié à la compression et à la caractérisation d’ impulsions.

Autres sources

Nous n’ avons pas étudié ces autres sources dans la thèse. Nous les présentons néanmoins pour avoir une vue globale des sources utilisées en OTDM.

i- Les sources lasers à synchronisation de modes, actifs et passifs Nous n’ avons pas étudié ce type de sources mais elles sont largement utilisées dans les applications OTDM. Le régime impulsionnel est obtenu via la mise en phase active ou passive de tous les modes du laser. Dans le cas d’ un blocage de modes passif, le taux de répétition de la source sera fixé par l’ intervalle spectral libre du laser (longueur de la cavité pour les lasers en anneau). Cette technique passive va privilégier les faibles taux de répétition et les impulsions très courtes.

Pour les sources à très haut débit, le blocage temporel des modes peut-être obtenu avec un modulateur d’ intensité (blocage de mode actif). Ces sources doivent posséder une grande stabilité ainsi qu’ une faible gigue  pour être compatibles avec les techniques OTDM. Les impulsions générées par ce type de sources sont non chirpées (en limite de Fourier), elles sont potentiellement mieux adaptées à l’ OTDM puisqu’ elles ne nécessitent pas de compression préalable (une source d’ instabilité supplémentaire si on utilise de la fibre à compensation de dispersion chromatique).

ii- Les sources modulées en externe, directement à partir d’ un modulateur piloté par une source de tension Nous venons moduler directement une lumière laser continue. Le modulateur Electro-optique ou bien à électro-absorption travaille dans des régimes particuliers qui vont permettre de mettre en forme des impulsions courtes. Ces dispositifs de modulation optique à commande électrique sont appelés «Shaper» et pourront être pilotés par des impulsions électriques afin de générer des impulsions optiques pouvant être prédies théoriquement . Cette technique permet d’ obtenir des impulsions « sur mesure » et extrêmement stables, possédant un chirp résiduel déterminé par le couplage phase / amplitude intrinsèque au type de modulateur utilisé.

iii- D’ autres techniques basées sur les non-linéarités dans les fibres par mélange à quatre ondes  (effet Kerr) ont été utilisées avec succès pour réaliser des sources à très haut débit. Des sources multi-longueur d’ onde à taux de répétition variable peuvent être obtenues par auto-modulation de la phase dans les fibres (génération de supercontinuum).

Les performances des techniques de multiplexage optique temporel

Cette technique reste très attractive puisque comme nous l’ avons vu, elle ne nécessite pas un matériel électrique ultra rapide et par conséquent coûteux, pour réaliser des transmissions à très haut débit (40 Gbit/s). Nous allons considérer dans cette partie les performances en transmission qui ont été réalisées sans régénération du signal. Le problème principal de ce type de transmission est le recouvrement des impulsions adjacentes dans un même canal, qui va générer de l’ interférence entre symboles et du mélange d’ ondes . Outre la limitation en débit des sources à taux de répétition élevé pour les applications OTDM, il convient de prendre en compte l’encombrement spectral des sources à impulsions courtes. Si nous reprenons les valeurs de référence à 160 Gbit/s, à savoir des impulsions de largeur correspondant à 1/4 du temps bit (correspond à une impulsion de 1,5 ps), on sait par transformée de Fourier que le spectre correspondant à ce type d’ impulsion possède une largeur à 3dB d’ environ 300 GHz (soit 2,4 nm).

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE 1 GÉNÉRALITÉS SUR LES SYSTÈMES DE TÉLÉCOMMUNICATIONS OPTIQUES MONOCANALES À TRÈS HAUT DÉBIT
Introduction
1 Le choix du format RZ pour les réseaux tout-optiques transparents
1.1 Généralités
1.2 Les techniques du multiplexage optique à division dans le temps (OTDM)
1.2.1 Le multiplexage temporel
1.2.2 Le démultiplexage temporel tout-optique
1.2.3 Source d’impulsions courtes pour les applications à 40 Gbit/s
1.2.4 Les performances des techniques de multiplexage optique temporel
2 Le contexte de la régénération tout-optique des signaux
2.1 Les dégradations du signal dans les lignes de transmission optique à très haut débit
2.1.1 Le bruit d’émission spontanée des amplificateurs optiques
2.1.2 La dispersion chromatique
2.1.3 Les effets non-linéaires intracanaux
2.1.4 La dispersion modale de polarisation
2.2 Traitement du signal tout-optique dans les réseaux de télécommunications
2.2.1 Les réseaux tout-optiques
2.2.2 Les principes de la régénération tout-optique
2.2.3 Les améliorations du signal dans les régénérateurs
2.3 Les fonctions optiques à base d’amplificateurs à semi-conducteurs
2.3.1 Caractéristiques statique et dynamique des SOA
2.3.2 La conversion de longueur d’onde
2.3.3 La modulation de la phase
2.3.4 Les interféromètres non-linéaires à base de SOA
3 Etat de l’art de la régénération
3.1 Les dispositifs passifs pour la régénération 2R
3.1.1 Les absorbants saturables passifs à semi-conducteurs
3.1.2 L’ automodulation de la phase dans les fibres
3.1.3 La Boucle optique non-linéaire (NOLM)
3.2 Les dispositifs actifs pour la régénération 2R et 3R
3.2.1 Les performances des SOA et des MEA
3.2.2 Les interféromètres non-linéaires à base de SOA
Conclusion
Bibliographie du Chapitre 1
CHAPITRE 2 CARACTÉRISATION ET REMISE EN FORME DES IMPULSIONS COURTES POUR LA RÉGÉNÉRATION TOUT-OPTIQUE
Introduction
1 Caractérisation des impulsions courtes par la méthode de Mesure du Contraste Interférométrique (M.C.I.)
1.1 Introduction
1.2 Le principe de la méthode MCI
1.3 Modélisation de la méthode MCI
1.3.1 Influence du filtrage sur la mesure du contraste
1.3.2 Résultats de la modélisation et limitations théoriques de la méthode
1.4 Résultats expérimentaux – Validation de la méthode MCI
1.4.1 Caractérisation de la source à 500 MHz avec la méthode MCI
1.4.2 Caractérisation de la source à 10 GHz avec la méthode MCI
1.4.3 Validation expérimentale de la méthode MCI
1.5 Limitations de la méthode MCI
1.5.1 Le « chirp » dans les sources laser impulsionnelles à gain modulé
1.5.2 La cohérence temporelle des sources laser impulsionnelles
1.6 Conclusions sur la méthode MCI
2 Etude de la remise en forme des impulsions par mélange à quatre ondes dans les SOA 99
2.1 Introduction
2.2 Le mélange à quatre ondes dans les amplificateurs à semi-conducteurs
2.2.1 Généralités sur le mélange à quatre ondes
2.2.2 Le mélange à quatre ondes pour la remise en forme des impulsions
2.2.3 Le modèle dynamique
2.3 Résultats des simulations
2.4 Résultats expérimentaux
Conclusion
Bibliographie du chapitre 2
CHAPITRE 3 ETUDE THÉORIQUE DES FONCTIONS OPTIQUES À BASE DE SOA CONSIDÉRÉES
Introduction
1 Modélisation statique et dynamique du gain des SOA
1.1 Les équations fondamentales du gain dans les SOA
1.1.1 A l’ échelle du composant
1.1.2 A l’ échelle de l’ opérateur
1.1.3 Validation du modèle de gain des SOA
1.2 Généralités sur la mesure du bruit d’ émission spontanée
1.2.1 Théorie des signaux
1.2.2 Le facteur d’ inversion de population nSP
1.2.3 Transfert du bruit dans les SOA
2 Modélisation et caractérisation du miroir optique à boucle non-linéaire (NOLM)
2.1 Les équations de base
2.2 Modulation de la phase dans le NOLM
2.3 Caractérisation statique du NOLM
2.3.1 Influence du coupleur sur le taux d’ extinction
2.3.2 Influence du déphasage et de la modulation de gain dans le NOLM
2.4 Caractérisation dynamique du NOLM
2.4.1 Fonction de transfert du NOLM
2.4.2 Transmission des données en configuration système
3 Comparaison des performances des régénérateurs étudiés
3.1 Le Double-Etage de SOA
3.2 Etude théorique comparative entre NOLM et Double-Etage de SOA
3.2.1 La fonction de transfert
3.2.2 Etude de la sensibilité du dispositif aux dégradations en entrée
Conclusion
Bibliographie du chapitre 3
CONCLUSION GÉNÉRALE

Télécharger le rapport complet