Les fonctions optiques pour les télécommunications

Les technologies de l’information prennent une part de plus en plus importante dans
les activités humaines. Les réseaux de transport de l’information, qu’ils soient interurbains ou internationaux, utilisent aujourd’hui un support quasi-unique : la fibre optique, seule technique capable de répondre aux besoins en termes de capacité de liaison. Le transport d’information par fibre optique, sur de longues distances, doit s’effectuer de manière à préserver au mieux l’information, en évitant les distorsions linéaires et non linéaires du signal ainsi que l’accumulation du bruit des amplificateurs optiques en ligne. Avec l’augmentation du débit par canal, la compensation des dispersions chromatiques et de polarisation est de plus en plus délicate à mettre en œuvre. Il devient alors utile, voire indispensable, de régénérer le signal à l’aide de traitements appropriés [15]. Si aujourd’hui une technique courante consiste à passer par l’électronique, une voie prometteuse pour des débits supérieurs à 40 Gbit/s consiste à utiliser l’optique non linéaire pour réaliser ces fonctions de manière tout optique. Un des enjeux des futurs réseaux de télécommunications réside dans l’augmentation de l’efficacité des dispositifs réalisant ces fonctions non-linéaires pour le traitement tout optique du signal, qui doivent être compacts, robustes, peu coûteux et ultra-rapides. Le Laboratoire Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (FOTON, UMR CNRS 6082) à Lannion est spécialiste du domaine du traitement tout-optique du signal à des débits de 40 Gbit/s et plus. Il développe des fonctions optiques de régénération ou de conversion de longueur d’onde basées sur l’utilisation d’amplificateurs à semiconducteurs, d’absorbants saturables à semiconducteurs et, plus récemment, de fibres optiques non-linéaires. Les dispositifs basés sur l’utilisation d’une non-linéarité dans les fibres optiques (l’effet Kerr en général) sont très prometteurs en raison de leur temps de réponse quasi instantané (le temps de réponse de l’effet Kerr est de quelques femtosecondes), de leur large gamme spectrale d’utilisation, de leur grande tolérance à la puissance utilisée et du fait que, dans la fibre, la non-linéarité peut être exaltée par la grande longueur d’interaction avec le milieu [16].

La partie émission/réception

Le laser

La partie « émission » d’une liaison optique est composée de divers éléments dont un élément clé : le laser (pour Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Depuis le début des télécommunications par fibre optique, le choix des sources optiques s’est porté sur les lasers à semi-conducteur grâce à leurs petites dimensions (par rapport à celles du cœur des fibres optiques), à la facilité de moduler directement la lumière émise en agissant sur le courant, à leur spectre optique relativement étroit et à leur faible consommation énergétique. Un laser est un dispositif qui émet de la lumière grâce au phénomène d’émission stimulée. Dans un semi-conducteur, un électron peut passer d’un état à un autre de trois manières différentes (figure 1.2) :
– L’absorption (figure 1.2.a) : en absorbant un photon, l’électron peut être amené dans un état plus énergétique. Il passe de l’état lié (électron et trou combinés) à l’état ionisé (électron dans la bande de conduction et trou dans la bande de valence).
– L’émission spontanée (figure 1.2.b) : de sa propre initiative, l’électron peut tomber dans un état moins énergétique non occupé (il passe d’un état ionisé à un état lié), en émettant un photon spontané.
– L’émission stimulée (figure 1.2.c) : stimulé par un photon, l’électron peut retomber dans l’état le moins énergétique (état lié) en émettant un photon stimulé dont le rayonnement correspond à la même longueur d’onde, la même phase, le même état de polarisation et la même directivité que le photon incident. L’émission stimulée introduit la notion de gain ou d’amplification du rayonnement incident puisque, à partir d’un photon, on en obtient deux.

Pour obtenir l’effet laser et donc rendre l’émission stimulée prépondérante, deux conditions doivent être réalisées :
– Il faut qu’il y ait suffisamment d’électrons dans l’état d’énergie supérieure. Lorsque ceci a lieu, on obtient une inversion de population. Dans un semi-conducteur, cette inversion est réalisée par l’opération de pompage électrique qui consiste à fournir de l’énergie aux électrons afin qu’ils passent dans la bande de conduction.
– Il faut qu’il y ait suffisamment de photons excitateurs. Pour cela, on oblige l’énergie lumineuse à s’accumuler dans un volume limité telle qu’une cavité résonante de type Fabry-Perot par exemple.

Le modulateur

Afin de transmettre des informations par les systèmes de transmissions optiques, il est nécessaire de réaliser une conversion des données électriques en données optiques grâce à un modulateur. Généralement, il y a deux types principaux de modulation : la modulation d’amplitude (ASK pour Amplitude Shift Keying) et la modulation de phase (PSK pour Phase Shift Keying). Dans la modulation ASK, l’intensité de la lumière est modulée telle que la présence de lumière signifie le symbole « 1 » et l’absence de lumière signifie le symbole « 0 ». Dans la modulation PSK, la lumière est présente pour les deux symboles mais il y a une différence de phase de π entre deux symboles « 1 » et « 0 ». Dans ces travaux, nous ne traiterons que de la modulation ASK. Il existe principalement deux techniques de modulation ASK : (a) la modulation directe et (b) la modulation externe.

a. La modulation directe consiste à moduler directement l’intensité de la lumière émise par le laser par le courant d’alimentation du laser [20]. La figure 1.4 montre le schéma et le principe de la modulation directe. La modulation directe possède quelques avantages tels que la simplicité et le faible coût de mise en oeuvre. Elle comporte cependant une limitation en terme de temps de réponse et n’est pas applicable pour des systèmes de transmissions à haut débit (> 10 Gbit/s) et à large spectre.

b. La modulation externe consiste à inscrire les données électriques sur un signal optique continu. Elle est obtenue en modulant optiquement le faisceau lumineux en sortie du laser et non plus le courant d’alimentation à l’entrée du laser. De nos jours, une technique courante pour la modulation externe est d’utiliser un interféromètre de Mach-Zehnder (MZI pour Mach-Zehnder Interferometer) à base de niobate de lithium. Le principe de ce composant est de modifier l’indice de réfraction de l’un ou des deux bras de l’interféromètre en y appliquant un champ électrique (effet electro-optique). Une différence de potentiel conduit à un déphasage entre les deux ondes qui se propagent dans les deux bras. Les deux ondes se recombinent ensuite et donnent lieu à des interférences, qui peuvent être constructives (maximum d’intensité transmise) ou destructives (minimum d’intensité transmise).

Le format RZ et les impulsions optiques

Il existe deux formats principaux pour le codage numérique de type ASK : le format RZ (Return-to-Zero) et le format NRZ (Non-Return-to-Zero). Le format RZ est tel que le signal est éteint d’un bit à l’autre, même si deux symboles « 1 » sont transmis successivement. C’est un format impulsionnel. Pour le format NRZ, le signal peut garder le même niveau d’un temps bit à l’autre. Si deux symboles « 1 » se succèdent par exemple, le signal reste au niveau haut. Au cours de ces travaux de thèse, seul le format RZ a été étudié. Par la suite, on parlera fréquemment d’impulsions pour désigner les symboles « 1 » du signal numérique optique. Pour une étude théorique de la transmission optique, plusieurs formes d’impulsion optique peuvent être considérées. Elles se distinguent par des paramètres tels que le profil d’intensité, le profil spectral, la demi-durée T0 (à 1/e de l’intensité maximale dans le cas d’une impulsion gaussienne), la durée TFW HM (à mi-hauteur de l’intensité maximale) et la largeur spectrale à 3 dB FFW HM .

Dans les profils d’intensité d’impulsion ci-dessus, nous n’avons aucune information sur la phase de l’impulsion. Cette information peut être connue si l’on considère le champ électrique lié à l’impulsion. Lorsque la phase de l’impulsion varie de manière hyperbolique dans le temps, sa fréquence instantanée (dérivée de la phase) varie linéairement dans le temps. Cette information sur la fréquence instantanée est décrite par un paramètre, appelé coefficient du chirp C. Ce paramètre correspond à la pente de la variation de la fréquence dans le temps.

La décision

On doit assurer, en bout de transmission, une bonne qualité d’information. Pour cela, une remise en forme du signal détecté est réalisée grâce au bloc de décision. Ce dernier est composé d’un détecteur à seuil et d’un circuit de récupération d’horloge, encore appelé circuit de synchronisation. La figure 1.10 illustre le principe de la décision au moyen d’un diagramme de l’œil. A un instant donné, appelé instant de décision, le niveau du signal est mesuré. Généralement, les niveaux mesurés sont distribués autour de deux valeurs moyennes I1 et I0. La variation autour du niveau haut I1 est appelée bruit sur les « 1 » et la racine carré de la variance des densités de probabilité est appelée δ1. La variation autour du niveau bas est appelée bruit sur les « 0 » et la racine carrée de la variance des densités de probabilité est δ0. Il nous semble bon de préciser que, par abus de langage, les impulsions optiques présentant un niveau après détection proche du niveau I1, respectivement I0, sont souvent appelées symboles « 1 », respectivement symboles « 0 ». Il s’agit en effet d’un abus de langage puisque, pour un signal bruité ou distordu, il existe une probabilité non nulle qu’un niveau proche de I1 corresponde en réalité à un « zéro ». De même un niveau proche de I0 peut correspondre à un « un ». On notera que l’instant de décision doit provenir d’une horloge synchronisée sur le signal incident. Cette récupération de rythme peut être effectuée grâce à une boucle à verrouillage de phase classique. Une fois détecté, le niveau du signal reçu est comparé à un seuil de décision. S’il est supérieur, alors un niveau haut est détecté (signal « 1 »), sinon, c’est un niveau bas (signal « 0 »).

Table des matières

Introduction
1 Les fonctions optiques pour les télécommunications
1.1 Généralités sur les télécommunications optiques
1.1.1 La partie émission/réception
1.1.1.1 Le laser
1.1.1.2 Le modulateur
1.1.1.3 Le format RZ et les impulsions optiques
1.1.1.4 La détection
1.1.1.5 Le bruit
1.1.1.6 Le rapport signal sur bruit optique
1.1.1.7 Le diagramme de l’œil
1.1.1.8 La décision
1.1.1.9 Le taux d’erreur binaire
1.1.1.10 La pénalité
1.1.1.11 Le facteur de qualité Q
1.1.2 La fibre optique standard
1.1.2.1 Le mode fondamental
1.1.2.2 L’atténuation
1.1.2.3 La dispersion chromatique
1.1.2.4 La fabrication des fibres
1.1.3 La régénération optique
1.1.3.1 La ré-amplification (1R)
1.1.3.2 Le bruit d’émission spontanée amplifiée
1.1.3.3 La remise en forme (2R)
1.1.3.4 La re-synchronisation (3R)
1.2 Les fibres optiques non-linéaires
1.2.1 Les effets non-linéaires dans les fibres optiques
1.2.1.1 L’effet Kerr
1.2.1.2 L’effet Brillouin
1.2.1.3 L’effet Raman
1.2.2 Comment augmenter la non-linéarité d’une fibre optique
1.2.3 Les fibres optiques non-linéaires microstructurées en silice
1.2.3.1 La microstructure
1.2.3.2 Les pertes
1.2.3.3 La dispersion
1.2.3.4 Le coefficient non-linéaire
1.2.3.5 La fabrication
1.2.4 Les fibres optiques non-linéaires en verre non-silice
1.2.4.1 Les fibres non-silice à saut d’indice
1.2.4.2 Les fibres non-silice microstructurées
1.3 Conclusion
2 Modélisation de la propagation non-linéaire dans une fibre optique
2.1 L’équation non-linéaire de Schrödinger
2.2 La méthode split step Fourier de base
2.3 Les principales limitations de la méthode SSF
2.3.1 La résolution et la fenêtre temporelle du signal
2.3.2 La non-commutativité des opérateurs
2.3.3 La dépendance en z de l’opérateur non-linéaire
2.3.4 La distribution spatiale des tronçons
2.3.4.1 La méthode SSF à rotation de phase
2.3.4.2 La méthode SSF à erreur locale
2.4 Evaluation des performances
2.5 Optimisation des algorithmes des méthodes S-SSF
2.5.1 Optimisation de la méthode S-SSF trapézoïdale
2.5.2 Optimisation de la méthode S-SSF moyenne
2.6 Amélioration de la méthode LEM
2.7 La méthode SSF avec une précision choisie
2.7.1 La méthode SSF à erreur locale contrôlée
2.7.2 Modification de la méthode CLEM
2.8 Quelle méthode choisir ?
2.9 Conclusion
3 Caractérisations des fibres optiques non-linéaires
3.1 Fibres microstructurées en verre de chalcogénure
3.1.1 Caractérisations opto-géométriques
3.1.2 Mesure de pertes
3.1.3 Observation de l’effet non-linéaire
3.1.4 Conclusion sur les fibres microsctructurées chalcogénure
3.2 Fibres microstructurées en verre de silice
3.2.1 Caractérisations opto-géométriques
3.2.2 Mesure des pertes
3.2.3 Mesure de gain Raman
3.2.4 Mesure de la dispersion
3.2.4.1 La compression soliton
3.2.4.2 Principe de la méthode de mesure de la dispersion
3.2.4.3 Validation numérique de la méthode proposée
3.2.4.4 Correction de la relation de compression
3.2.4.5 Mesures expérimentales
3.2.5 Mesure simultanée de la dispersion et du coefficient non-linéaire
3.2.5.1 Le principe
3.2.5.2 Validation numérique des méthodes proposées
3.2.5.3 Mesures expérimentales
3.3 Conclusion
4 La régénération optique à base de fibres optiques non-linéaires
4.1 Le régénérateur de Mamyshev
4.1.1 Principe de base du régénérateur
4.1.2 Demonstrations expérimentales du régénérateur de Mamyshev
4.1.3 Règles de conception du régénérateur
4.2 Étude théorique des performances du régénérateur de Mamyshev
4.2.1 Etude des fonctions de transfert
4.2.1.1 Impact des paramètres du régénérateur
4.2.1.2 Abaque pour la conception d’un régénérateur à 40 Gbit/s
4.2.2 Réduction du bruit dans le régénérateur de Mamyshev
4.2.2.1 Dégradation du signal par une source de bruit blanc
4.2.2.2 Dégradation du signal au cours de la transmission
4.2.3 Explication pour le décalage du point de fonctionnement
4.2.3.1 Cas d’une impulsion unique
4.2.3.2 Cas d’un train d’impulsions de séquence aléatoire
4.2.4 Proposition d’une structure limitant la gigue temporelle
4.2.5 Bilan de l’étude théorique
4.3 Etude expérimentale du régénérateur simple étage
4.3.1 Les outils expérimentaux disponibles
4.3.2 Mesure de fonctions de transfert avec la source à modes bloqués
4.3.3 Mesure avec la source à haut débit : observation de l’effet Brillouin
4.3.4 Observation de l’effet d’interférences entre symboles
4.3.5 Solution pour éviter l’effet d’interférences entre symboles
4.4 Etude expérimentale du régénérateur double-étage
4.4.1 Notre proposition de configuration double-étage
4.4.2 Caractérisations en déployé
4.4.2.1 Le montage .
4.4.2.2 Mesure du facteur de qualité
4.4.2.3 Facteur d’ouverture du diagramme de l’œil
4.4.2.4 Pénalités négatives du régénérateur
4.4.3 Caractérisations en boucle à recirculation
4.4.3.1 Montage expérimental
4.4.3.2 Evolution du taux d’erreur binaire
4.4.3.3 Facteur d’augmentation de la distance
4.4.4 Bilan de l’étude expérimentale du régénérateur double-étage
4.5 Un essai avec une fibre optique fortement non-linéaire
4.6 Conclusion
Conclusion

Télécharger le rapport complet