Signaux et systèmes des communications optiques haut-débit

Les composants étudiés et caractérisés dans cette thèse sont dédiés à des moyennes et courtes distances comme pour le projet CARRIOCAS décrit en introduction. L’objectif également est de pouvoir utiliser ces composants sur un maximum de distance sans utiliser de remise en forme du signal qui est très coûteuse dans un système. Dans ce contexte, les caractéristiques de la fibre optique qui sera le support de transmission seront de grande importance car les interactions avec les signaux issus des EML à modulation duale seront la base du principe de compensation de dispersion par le composant lui-même. Les signaux se propageant dans les fibres optiques et subissant des déformations seront exposés. Les éléments constituant un lien de transmission sont présentés en évaluant leur impact sur le procédé de modulation du laser et du modulateur simultanément. Enfin les critères d’évaluation de la qualité de transmission qui permettront surtout de caractériser l’amélioration apportée par les D-EML sur des liaisons classiques de type NRZ à 10 Gbit/s sont présentés pour une meilleure compréhension des expériences réalisées en laboratoire.

Synoptique d’une transmission optique

Dans le réseau de télécommunication mondial basé sur des liaisons optiques terrestres et sous marines de plusieurs milliers de kilomètres de distances et interconnectés par des nœuds de grande capacité sur chaque continent, on utilise une technique de multiplexage en longueur d’onde (Wavelength Division Multiplexing). Les réseaux métropolitains forment un maillage au niveau continental en se basant également sur une transmission de plusieurs canaux de données multiplexés en longueur d’onde et se propageant dans une même fibre optique, en général entre 1530 nm et 1560 nm pour des systèmes WDM. Intéressons-nous aux liaisons point-à-point de moyennes et courtes distances pour lesquelles sont dédiés les EML de par le format de modulation utilisé ainsi que par leurs spécificités de fonctionnement. Le schéma ci-dessous (figure I.1) illustre les éléments essentiels d’un lien optique ne transmettant l’information que sur une seule longueur d’onde, c’est-à-dire monocanal. En effet, d’un point de vue global, les réseaux sont constitués de mécanismes complexes de routage, d’insertion et d’extraction de longueurs d’onde et de gestion du trafic, ce qui concerne les traitements de l’information en amont de la modulation de notre composant et en aval de la démodulation du signal transmis sur fibre. La qualité du signal reçu est donc étroitement liée aux performances du modulateur optoélectronique, à celles de la réception et surtout aux dégradations subies par le signal lors de sa propagation sur fibre.

Modulation d’une onde porteuse optique

L’onde porteuse optique véhicule l’information numérisée sous forme de séquences binaires. La modulation relie donc le contenu de l’information à son support de transmission qui peut altérer, de part ses propres caractéristiques physiques, la qualité du signal à transmettre. Il est donc primordial pour l’émetteur de retranscrire le signal de données (signal modulant) sur le signal optique (onde porteuse) de la meilleure manière pour que la réception du signal se propageant dans la fibre optique (signal modulé) restitue le message d’information envoyé. Le canal de transmission, principalement, et le récepteur sont des sources de dégradation du signal, il faut donc que l’émetteur délivre un signal modulé de bonne qualité.

On définit un débit de transmission de données par le nombre de bits transmis par unité de temps, soit dans le cadre de notre étude de 10 Gbit/s et 40 Gbit/s. Ceci implique des temps bit très courts (de 100 ps à 25 ps) pour un format NRZ (non retour à zéro). L’onde lumineuse (avec une fréquence de l’ordre de 190 THz) peut être modifiée au moyen de dispositifs optoélectroniques spécifiquement liés au type de modulation que l’on souhaite appliquer. Il existe quatre paramètres sur lesquelles une onde lumineuse peut être modulée en fonction du temps (durant chaque temps bit) :
– son amplitude (enveloppe)
– sa fréquence
– sa phase
– sa polarisation .

Cas particulier d’une modulation sinusoïdale d’un EML 

Après avoir établi les équations qui gouvernent de manière générale un laser et un modulateur d’un EML soumis à une modulation d’intensité de signaux numériques, l’utilisation d’un formalisme basé sur une modulation sinusoïdale petit-signal permet d’analyser le comportement du composant de manière linéaire et d’introduire également la une modulation simultanée des deux fonctions de l’EML. Pour cela on définit tout d’abord l’onde optique de fréquence f0 en sortie du composant pour ensuite appliquer les modulations de phase et d’amplitude [A. Lestra, ‘Contribution à l’étude de composants intégrés de type laser/modulateur pour transmissions optiques a haut débit’ chap. F .

A noter ici, que l’on considère une variation des grandeurs f et P par rapport à une variation en tension car le modulateur est sensible aux variations de la tension appliquée, et de plus le signal délivré par le générateur décrit une excursion de la tension par unité de temps. Par la suite, le courant réellement consommé par le laser est relié à cette tension par une simple relation d’impédance qui dépend de l’impédance du laser, très faible, mais surtout de l’impédance du circuit d’accès hyperfréquences . Un montage expérimental basé sur la conversion AM / FM d’un interféromètre de Mach-Zehnder soumis à un signal d’excitation dans une bande de fréquence de 20 GHz au moyen d’un analyseur de réseau, permet de mesurer les réponses AM et FM du composant [27][28]. Les travaux présentés dans les prochains chapitres ont été dédiées à la caractérisation de la déviation fréquentielle des signaux émis par l’EML en fonction du temps, mais il est néanmoins intéressant de connaître l’approche ci-dessus citée.

Caractéristiques d’une propagation sur fibre optique

La propagation sur fibre optique a pour particularité de guider la lumière suivant différentes techniques utilisant les propriétés d’indice de la silice, matériau d’excellence pour la fabrication des fibres depuis le début des années 80s [29] compte tenu de leurs faibles pertes à 1550 nm [30] et de leur dispersion associée [31]. On utilise le formalisme équivalent à celui des guides d’onde diélectriques pour décrire le champ électromagnétique propagé dans ce milieu considéré comme local et non magnétique.

Propriétés physiques d’une propagation sur fibre

Atténuation 

Lors de la propagation dans une fibre optique, la puissance moyenne du signal lumineux est atténuée en fonction de la longueur d’onde comme cela est illustré sur la figure I.2. Cette courbe permet de plus, de distinguer plusieurs zones d’atténuation minimale. Les minimas sont classés en deux grandes catégories :

– 1300 nm (bande O)
– 1550 nm (bande S-C-L)

Pour chacune de ces bandes spectrales il existe des matériaux spécifiques utilisant la longueur d’onde correspondante. Pour les deux bandes on peut citer comme matériau le InGaAsP [29] qui offre des propriétés optiques très adaptées pour les télécommunications optiques (sources laser et modulateurs). Les propriétés d’atténuation ont pour origine les limites imposées par la diffusion Rayleigh dans la bande 0.7 µm à 1,6 µm [32], ensuite c’est l’absorption de la silice dans l’infrarouge qui est prépondérant. Il existe des pics d’absorption aux environs de 1.25 µm (faible) et de 1.39 µm (voir figure I.2) qui sont dus à la présence d’ions OH- dans la fibre et qui absorbent la lumière car ils sont particulièrement sensibles aux longueurs d’onde citées.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Signaux et systèmes des communications optiques haut-débit
1. Introduction du chapitre
2. Synoptique d’une transmission optique
2.1. Mise en forme et émission du signal optique
a) Modulation d’une onde porteuse optique
b) Application au laser-modulateur intégré à électro-absorption
2.2. Caractéristiques d’une propagation sur fibre optique
a) Propriétés physiques d’une propagation sur fibre
b) Equations de propagation et chirp d’une impulsion
c) Méthode de résolution numérique d’une propagation sur fibre optique
2.3. Techniques de réception
a) Principe de fonctionnement d’un récepteur optique
b) Caractérisation d’un signal optique par dégradation de l’OSNR
3. Définitions des critères d’évaluation d’une transmission
3.1. Diagramme de l’œil
a) Constitution du diagramme
b) Critères d’évaluation du diagramme de l’œil
3.2. Taux d’erreur binaire : BER
a) Définitions
b) Seuil et temps de décision
c) Relation entre le facteur de qualité Q et le BER
3.3. Intérêt des codes correcteurs d’erreurs : FEC
4. Conclusions du chapitre
Chapitre II : Description statique et dynamique du laser DFB et du modulateur à électroabsorption de l’EML à modulation duale
1. Introduction du chapitre
2. Les lasers semi-conducteurs DFB à puits quantiques
2.1. Introduction
2.2. Caractéristiques statiques
a) Equations d’évolution
b) Courant de seuil et puissance d’émission
c) Réponse en phase et couplage phase-amplitude
d) Largeur spectrale du mode émis et effets non-linéaires
2.3. Caractéristiques dynamiques
a) Equations d’évolution en régime petit-signal
b) Modulation d’intensité et bande passante du laser MQW
c) Modulation de fréquence du laser MQW
2.4. Filtrage des modes dans un DFB
a) Principe du réseau intégré
b) Equations des modes couplés
c) Sélectivité et expression du mode spectral
d) Caractéristique du mode longitudinal
2.5. Modèle électrique du laser
3. Le modulateur à électro-absorption
3.1. Introduction
3.2. L’effet Stark confiné quantiquement
3.3. Paramètres caractéristiques
a) Facteur de confinement et taux d’extinction
b) Pertes internes d’atténuation
c) Rapidité de modulation
d) Tension de commande
e) Puissance de saturation
f) Temps d’échappement des porteurs
3.4. Propagation en onde guidée
a) Modes de propagation
b) Méthode de l’indice effectif
c) Sensibilité à la polarisation
3.5. Coefficient d’absorption
3.6. Dynamique du modulateur
a) Relation entre l’absorption et l’indice de réfraction
b) Evolution de la phase et de l’amplitude
3.7. Intégration monolithique avec un laser DFB
a) Technologie de fabrication
b) Effets de couplage entre le laser et le modulateur
c) Caractéristiques du signal en sortie de l’EML
4. Conclusions du chapitre
Chapitre III : Caractérisation sous pointes du D-EML en régime petit-signal
1. Introduction du chapitre
2. Conception et réalisation d’une monture optoélectronique de test à trois accès dans la bande DC-40 GHz
2.1. Description de la structure à deux accès haute-fréquence et un accès optique en espace libre
2.2. Injection du signal optique en espace libre
3. Mesures statiques du composant
3.1. Mesure de la caractéristique statique du laser
3.2. Mesure de la caractéristique statique d’absorption du modulateur
4. Caractérisation du composant en régime dynamique
4.1. Mesures de la bande passante du laser
a) Principe de mesure des paramètres S à l’analyseur de réseau vectoriel
b) Réponse électro-optique du laser via le modulateur
c) Résultats de mesure de la bande passante du laser
4.2. Mesure de la bande passante du modulateur
4.3. Mesures du couplage électrique parasite entre électrodes : diaphonie
a) Principe de la mesure de diaphonie ou ‘crosstalk’ électrique
b) Effet de la polarisation statique de l’EML sur la mesure de diaphonie
c) Effet de la polarisation statique sur la mesure de diaphonie
d) Polarisation statique optimale de l’EML pour la mesure de diaphonie
e) Conclusions
5. Mesures du paramètre de ‘chirp’ de l’EML sous modulation duale
5.1. Principe de mesure : effet de la dispersion chromatique d’une fibre optique
5.2. Mesures du facteur de chirp du laser
5.3. Mesures du facteur de chirp du modulateur
5.4. Mesures du facteur de chirp conjoint du laser et du modulateur
6. Conclusions du chapitre
Conclusion générale

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