These WDM à Voir

UNIVERSITE DE LIMOGES

Ecole Doctorale Sciences-Technologie-Sant

Facult des Sciences et Techniques

Laboratoire UMOP/GESTE - CNRS FRE 2701

Anne : 2005 N 43-2005

THESE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE LUNIVERSITE DE LIMOGES Discipline : Tlcommunications Hautes Frquences et Optiques

Prsente et soutenue publiquement par

Younes ZOUINE Le 17 Octobre 2005

CONTRIBUTION PAR LA SIMULATION SYSTEME A

LETUDE DES CONTRAINTES DES COMPOSANTS

OPTOELECTRONIQUES SUR LA TRANSMISSION

OPTIQUE UTILISANT LA TECHNIQUE CDMA

Thse dirige par C. AUPETIT-BERTHELEMOT et J.M DUMAS Prsident et rapporteur :

Y. MOREAU Professeur lUniversit Montpellier II

Rapporteur :

C. BOISROBERT Professeur lUniversit de Nantes

Examinateurs

C. AUPETIT-BERTHELEMOT Matre de Confrences l'ENSIL, Universit de Limoges

J.M. DUMAS Professeur lENSIL, Universit de Limoges

A. JULIEN-VERGONJANNE Matre de Confrences l'ENSIL, Universit de Limoges

A. SCAVENNEC Alcatel-Thals III-V Lab, Marcoussis

Remerciements

Ce mmoire de thse est le rsultat de trois annes dun travail effectu au sein du

Groupe dEtude des Systmes de Tlcommunications de lENSIL (G.E.S.T.E.). Pour cela, je

remercie Monsieur Claude FRAY, directeur de lE.N.S.I.L., de mavoir accueilli dans ses

locaux afin de me permettre de mener bien cette thse.

Je souhaite tout particulirement exprimer ma reconnaissance mon directeur de

thse, Monsieur Jean-Michel DUMAS, Professeur l'ENSIL, pour la confiance quil ma

tmoigne en maccueillant au sein de son quipe et accorde tout au long de ces trois annes

de recherche.

Je remercie galement trs sincrement Madame Christelle AUPETIT-

BERTHELEMOT, Matre de Confrences l'ENSIL, qui a co-encadr cette tude, pour son

soutien amical et professionnel, sa grande disponibilit et son aide permanente au cours de

ce travail.

Je suis galement reconnaissant Monsieur YVES MOREAU, Professeur

lUniversit Montpellier II, pour lintrt quil a accord ce travail en acceptant de le juger

et de prsider le jury.

Je remercie Monsieur CHRISTIAN BOISROBERT, Professeur lUniversit de

Nantes, davoir accept le rle de rapporteur. Lintrt quil a manifest a permis dapporter

un regard extrieur critique et intressant sur le sujet.

Je tiens remercier Madame Anne JULIEN-VERGONJANNE, Matre de Confrences

l'ENSIL, Universit de Limoges et Monsieur Andr SCAVENNEC, Ingnieur Alcatel-

Thals III-V Lab-Marcoussis, qui ont accept dexaminer ce travail.

Mes remerciements sadressent aussi tous les partenaires du Projet, pour toutes

leurs remarques objectives qui mont permis davancer dans cette tude, et leur gentillesse

permanente.

Un grand merci galement tous mes collgues de lENSIL, enseignants, chercheurs,

doctorants, pour leur sympathie et convivialit au sein du laboratoire.

Pour finir, je tiens remercier ma famille et mes parents en particulier pour mavoir

permis de poursuivre mes tudes et pour leurs soutiens.

SOMMAIRE

Introduction Gnrale................................................................................................................I Chapitre I :................................................................................................................................. 1 Une introduction aux rseaux et liaisons optiques

Introduction....................................................................................................................................... 7 I Les rseaux optiques ............................................................................................................... 7

I-1 Les rseaux longues distances.............................................................................................................. 7 I-2 Les rseaux mtropolitain .................................................................................................................... 7 I-3 Les rseaux locaux............................................................................................................................... 8

I-3-A Les rseaux optique passifs ........................................................................................................ 9 I.3.A.1 APON ............................................................................................................................ 10 I.3.A.2 BPON.............................................................................................................................. 10 I.3.A.3 EPON.............................................................................................................................. 11 I.3.A.4 GPON ............................................................................................................................ 11

I-4 Les techniques de transmission.......................................................................................................... 12 I-4-A Le multiplexage temporel optique (OTDM)............................................................................. 12 I-4-B Le multiplexage en longueur donde (WDM) .......................................................................... 13 I-4-C Accs Multiple par Rpartition de Code en Optique (OCDMA).............................................. 14

II Description dune liaison optique ......................................................................................... 15 II-1 Lmetteur ..................................................................................................................................... 15

II-1-A Le laser ............................................................................................................................... 16 II-1-B La modulation des donnes.................................................................................................. 19

II.1.B.1 Modulation directe ......................................................................................................... 19 II.1.B.2 Modulation externe ......................................................................................................... 20 II.1.B.3 Les diffrents modulateurs disponibles........................................................................... 21

II.1.B.3.a Modulateur lectro-absorbant.................................................................................... 21 II.1.B.3.b Modulateur damplitude base de Mach-Zehnder (MZ) .......................................... 24

II-2 La fibre optique . ........................................................................................................................... 27 II-2-A Lattnuation ....................................................................................................................... 28 II-2-B La dispersion chromatique .................................................................................................. 29

II.2.B.1 Dfinition ........................................................................................................................ 29 II.2.B.2 Approche thorique......................................................................................................... 30

II.2.B.2.a Dispersion du matriau.............................................................................................. 31 II.2.B.2.b Dispersion du guide................................................................................................... 32

II.2.B.3 Effets sur la transmission ................................................................................................ 33 II-2-C La polarisation et la dispersion modale de polarisation ....................................................... 37 II-2-D Les effets non linaires ........................................................................................................ 39

II-3 Le rcepteur................................................................................................................................... 40 II-3-A Les photodiodes PIN............................................................................................................ 42 II-3-B Les photodiodes avalanche ............................................................................................... 43 II-3-C Le bruit dans les photodtecteurs......................................................................................... 44

II.3.C.1.a Cas dans une photodiode PIN.................................................................................... 45 II.3.C.1.b Cas dans une photodiode APD.................................................................................. 45

II-3-D Bande passante de la photodiode ......................................................................................... 46 II-4 Circuit de dcision......................................................................................................................... 46 II-5 Circuit de rcupration dhorloge.................................................................................................. 47

II.5.A.1 Approche lectrique : Boucle verrouillage de phase (Phase-Locked Loop ou PLL).... 47 II.5.A.2 Approche optolectronique et toute optique ................................................................... 48

Conclusion ....................................................................................................................................... 49 Bibliographie ................................................................................................................................... 50

Chapitre II :. ............................................................................................................................ 53 Etude thorique de l'accs multiple par rpartition de code a squence directe (DS-OCDMA) et de ses contraintes composants

Introduction..................................................................................................................................... 59 I. Les diffrentes approches de lOCDMA. ............................................................................. 59

I-1 OCDMA temporel ................................................................................................................................ 60 I-2 OCDMA spectral .................................................................................................................................. 60 I-3 OCDMA hybride et 2D.......................................................................................................................... 61

I-3-A. OCDMA+WDM ................................................................................................................. 61 I-3-B. OCDMA 2D ....................................................................................................................... 61

II. Approche thorique dune liaison DS-OCDMA.................................................................. 61 II-1 Expression du signal transmit. .............................................................................................................. 62 II-2 Expression du signal reu. .................................................................................................................... 63 II-3 Codes utiliss pour un systme CDMA optique................................................................................... 64

II-3-A. Les codes OOC.................................................................................................................... 65 II-4 Approche thorique sur les performances dune liaison DS-OCDMA utilisant les codes OOC .......... 66

II-4-A. Performances avec rcepteur conventionnel (RC)............................................................... 66 II-4-B. Performances dune liaison rcepteur conventionnel avec limiteur optique (RC-LO) .... 69

III. : ANALYSE DES MODULES ET IMPACT DES COMPOSANTS SUR LES PERFORMANCES......................................................................................................................... 72

III-1 : Les techniques de codage/dcodage lmission/rception.............................................................. 72 III-1-A. Codeurs/dcodeurs lectrique .............................................................................................. 73 III-1-B. Codeurs/dcodeurs optique ................................................................................................. 73

III-2 : La fibre optique : analyse de linfluence de la dispersion sur les performances ............................... 74 III-3 Photorcepteur dans un systme OCDMA.......................................................................................... 78

III-3-A. Cas dune photodiode Avalanche (APD).......................................................................... 78 III.3.A.1. La limite suprieure et la limite suprieure modifie de Chernoff ................................. 83 III.3.A.2. Approximation Gaussienne ........................................................................................... 83 III.3.A.3. Lapproximation de Saddle point .................................................................................. 85

III-3-B. Dans le cas dune photodiode PIN ...................................................................................... 90 III-3-C. Comparaison des performance entre APD et PIN .............................................................. 94


CHAPITRE-III...................................................................................................................... 101

Etude par la simulation systme de l'impact des performances des composants sur une liaison DS-OCDMA

Nouvelles configurations de rcepteurs Introduction................................................................................................................................... 107 I. Lvaluation des performances ........................................................................................... 107

I-1. La mthode de Monte-Carlo ....................................................................................................... 107 I-2. Lextrapolation de la queue de la distribution............................................................................. 108 I-3. Lestimation base sur la thorie de la valeur extrme .............................................................. 108 I-4. Le facteur Q................................................................................................................................. 109

II. Construction de la liaison de rfrence .............................................................................. 115 II-1. Emetteur dans le cas de la modulation directe ............................................................................ 115 II-2. Emetteur dans le cas de la modulation externe............................................................................ 117

II-3. La fibre optique ........................................................................................................................... 119 II-4. La photodiode.............................................................................................................................. 119 II-5. Evaluation des performances ...................................................................................................... 121 II-6. Choix du modulateur .................................................................................................................. 122 II-7. Emetteur/ Rcepteur tout optique................................................................................................ 126

III. Impact de la dispersion chromatique sur la transmission ........................................... 128 III-1. Simulations avec COMSIS.......................................................................................................... 129 III-2. Simulations sous Matlab ........................................................................................................... 133

IV. Prise en compte des paramtres rels du photorcepteur ........................................... 139 V. Etude de diffrentes configurations de rcepteurs OCDMA .......................................... 144

V-1. Rcepteur chip level .................................................................................................................... 144 V-2. Limiteur optique pour diminuer limpact de la dispersion chromatique. .................................... 146 V-3. Annulation Srie ......................................................................................................................... 148

V-3-A Une seule limination srie................................................................................................ 150 V-3-B deux annulations srie........................................................................................................ 152 V-3-C k annulations srie ............................................................................................................. 154

Conclusion ..................................................................................................................................... 157 Bibliographie ................................................................................................................................. 159

Conclusion Gnrale ..................................................................................................................... 163

ANNEXES : PUBLICATIONS ET COMMUNICATIONS DE LAUTEUR DANS LE CADRE DE CETTE THESE....................................................................................................... 165

Introduction Gnrale

I

INTRODUCTION

La raison dtre de ce travail vient de la demande sans cesse croissante dchange de donnes (voix, nouveaux services multimdia, vido haute dfinition, Internet haut dbit, etc.), souvent de manire simultane, entre utilisateurs dans les rseaux, quils soient hertziens ou sur support filaire. La partie la plus critique du rseau de tlcommunication se situe dans les derniers kilomtres parcourir jusqu lutilisateur. Les tudes conduisent ce niveau se doivent dapporter des solutions pour procder lamlioration de lefficacit dutilisation du spectre de frquences. Plusieurs techniques daccs multiple par les usagers existent pour densifier le trafic des donnes, comme la rpartition en frquence (FDMA), le multiplexage en longueur donde (WDM), la rpartition dans le temps (TDMA), la rpartition par code (CDMA) ou un systme hybride.

Les recherches dans le domaine du CDMA appliqu aux liaisons optiques ont dbut il y a plus dune vingtaine dannes. Le challenge daujourdhui rside au niveau du rseau LAN (Local Access Network) haut dbit utilisant les fibres optiques. En effet, ce support offre une bande passante trs leve (100 000 GHz) dont lutilisation actuelle nest pas son plein potentiel. Le CDMA optique (encore appel OCDMA) peut utiliser de manire plus efficace ce spectre, en particulier parce quil permet un accs du rseau asynchrone, quil ny a pas dallocation rigide des ressources, quil parait plus flexible que les autres techniques prcdemment cites et quil permet dentrevoir une scurit des donnes accrue, etc

De nombreuses tudes menes par diffrents laboratoires ont dj apport des rponses sur :

Les techniques dOCDMA (temporel, spectral, hybride), Les algorithmes de codage (OOC, prime squence, codes 2 dimensions, ...), Les techniques de codage/dcodage (lectrique ou tout optique, ), Les composants ddis (rseaux de Bragg, photodiode PIN, APD, Phasar, ), Lannulation de lInterfrence dAccs Multiple (IAM),

Ce travail de thse a la particularit de prsenter des rsultats de simulation de systmes OCDMA raliss en tenant compte des paramtres de composant ralistes. En effet, la ralisation dun dmonstrateur est coteuse et la simulation systme est une aide la comprhension des rsultats considrer. Les simulations, ralises avec le logiciel COMSIS, que nous prsentons permettent dvaluer les performances dun systme OCDMA squence directe utilisant des codes OOC. Elles ont t bases sur les paramtres suivants qui rpondent au critre des rseaux de type PON (Passive Optical Network) dans les LAN (Local Area Network) :

Un nombre dutilisateurs de 32

Un dbit par utilisateur au minimum gal 100 Mbit/s

Une longueur de fibre de 20 km maximum

Un taux derreur binaire (TEB) au moins gal 10-9.

Ltude a port sur la technique OCDMA-temporel, dtection incohrente, codage /dcodage lectrique et optique. Nous nous sommes attachs, aprs ralisation et optimisation de la liaison de rfrence, valuer les pnalisations apportes par les composants sur les

II

performances de la liaison. En particulier, la dispersion chromatique de la fibre, le choix du photorcepteur et la technique de rception ont t analyss.

Ce mmoire est divis en trois chapitres.

Dans le premier chapitre, aprs avoir rappel les diffrentes strates du rseau de tlcommunications et les caractristiques du PON, nous avons dtaill chaque lment constitutif dune liaison OCDMA en expliquant le fonctionnement de chacun. Nous avons dtaill thoriquement limpact de la dispersion de la fibre sur le champ lectrique de londe lumineuse dans le cas de lOCDMA.

Le second chapitre apporte toutes les informations ncessaires la comprhension du systme OCDMA simul. Nous dtaillons dans un premier temps les expressions thoriques des signaux transmis et reus, puis nous prsentons les codes OOC choisis pour ces calculs et leurs caractristiques principales. Ensuite, nous rapportons les calculs des expressions analytiques de la probabilit derreur dun rcepteur conventionnel avec et sans limiteur optique.

Le dernier chapitre prsente lensemble des rsultats de simulation obtenus et complts en utilisant les expressions drives du chapitre deux.

Une tude approfondie sur les techniques dvaluation des performances avec COMSIS (logiciel de simulation systme dvelopp par IPSIS Rennes) a dabord t ralise avec une liaison OCDMA back-to-back. Les rsultats obtenus ont permis le choix de la mthode adopter en fonction des critres de simulation et des contraintes de la liaison (Taux dErreur Binaire, longueur du code, dbit des donnes, etc...).

Ensuite, nous avons optimis la liaison complte en abordant chacun des lments, et en comparant les deux principales mthodes dinscription des donnes codes sur la lumire : les modulations directe et externe. Puis la ralisation dun metteur et dun rcepteur tout optique base de lignes retard et portes optiques a t effectue. En effet, pour des dbits de donnes tales suprieurs 5 Gbit/s, llectronique ncessaire dans le module de rception pour effectuer la corrlation et lintgration nest pas disponible actuellement. La solution tout optique permettra de contourner cette limitation.

La partie la plus importe du chapitre a port sur lanalyse de limpact de la dispersion de la fibre sur les performances de la liaison OCDMA squence directe et talement temporel. Des tudes supplmentaires ont t effectues avec Matlab pour comparer et/ou conforter les rsultats obtenus avec COMSIS et effectuer rapidement des analyses paramtriques. Enfin, plusieurs types de rcepteurs ont t apprhends pour limiter leffet de la dispersion.

Ce travail, exploratoire sur la simulation systme optique de la technologie OCDMA, incluant les performances des composants, constitue la brique de base de futures tudes. Il a le mrite de montrer la faisabilit de la mthode en laissant entrevoir un gain de temps et dargent pour les tudes paramtriques ultrieures.

1

1.CHAPITRE I :

Une introduction aux rseaux et liaisons optiques

3

1. Chapitre I :......................................................................................................................... 1 Introduction....................................................................................................................................... 7 I Les rseaux optiques [1][2] ...................................................................................................... 7

I-1 Les rseaux longues distances.............................................................................................................. 7 I-2 Les rseaux mtropolitain .................................................................................................................... 7 I-3 Les rseaux locaux............................................................................................................................... 8

I-3-A Les rseaux optique passifs ........................................................................................................ 9 I.3.A.1 APON [5][6] ................................................................................................................... 10 I.3.A.2 BPON.............................................................................................................................. 10 I.3.A.3 EPON [7] ........................................................................................................................ 11 I.3.A.4 GPON [8]........................................................................................................................ 11

I-4 Les techniques de transmission.......................................................................................................... 12 I-4-A Le multiplexage temporel optique (OTDM)............................................................................. 12 I-4-B Le multiplexage en longueur donde (WDM) .......................................................................... 13 I-4-C Accs Multiple par Rpartition de Code en Optique (OCDMA).............................................. 14

II Description dune liaison optique ......................................................................................... 15 II-1 Lmetteur ..................................................................................................................................... 15

II-1-A Le laser [3][4][19]................................................................................................................ 16 II-1-B La modulation des donnes.................................................................................................. 19

II.1.B.1 Modulation directe [11] .................................................................................................. 19 II.1.B.2 Modulation externe ......................................................................................................... 20 II.1.B.3 Les diffrents modulateurs disponibles........................................................................... 21

II.1.B.3.a Modulateur lectro-absorbant.................................................................................... 21 II.1.B.3.b Modulateur damplitude base de Mach-Zehnder (MZ) .......................................... 23

II-2 La fibre optique [3]. ...................................................................................................................... 26 II-2-A Lattnuation [3] .................................................................................................................. 28 II-2-B La dispersion chromatique [3] ............................................................................................. 28

II.2.B.1 Dfinition ........................................................................................................................ 28 II.2.B.2 Approche thorique......................................................................................................... 29

II.2.B.2.a Dispersion du matriau.............................................................................................. 30 II.2.B.2.b Dispersion du guide................................................................................................... 31

II.2.B.3 Effets sur la transmission ................................................................................................ 33 II-2-C La polarisation et la dispersion modale de polarisation ....................................................... 37 II-2-D Les effets non linaires ........................................................................................................ 39

II-3 Le rcepteur................................................................................................................................... 40 II-3-A Les photodiodes PIN............................................................................................................ 42 II-3-B Les photodiodes avalanche ............................................................................................... 43 II-3-C Le bruit dans les photodtecteurs......................................................................................... 44

II.3.C.1.a Cas dans une photodiode PIN.................................................................................... 45 II.3.C.1.b Cas dans une photodiode APD.................................................................................. 45

II-3-D Bande passante de la photodiode ......................................................................................... 46 II-4 Circuit de dcision......................................................................................................................... 46 II-5 Circuit de rcupration dhorloge.................................................................................................. 47

II.5.A.1 Approche lectrique : Boucle verrouillage de phase (Phase-Locked Loop ou PLL).... 47 II.5.A.2 Approche optolectronique et toute optique ................................................................... 48


4

Figure 1-1 architecture de rseau point-multipoint (a) sens descendant (b) sens montant. ................................... 9 Figure 1-2: Rpartition des priodes dans le cas dun multiplexage TDM. ......................................................... 12 Figure 1-3: Schma de principe du multiplexage ETDM dans les communications par fibre optique................. 13 Figure 1-4: Schma de principe du multiplexage WDM dans les communications par fibre optique (avec 3

longueurs dondes)................................................................................................................................................ 14 Figure 1-5: Synoptique gnral dun systme de communications par fibre optique. .......................................... 15 Figure 1-6 : Caractristique Puissance-Courant dun laser ................................................................................ 18 Figure 1-7 : Modulation directe dune diode laser............................................................................................... 19 Figure 1-8 : Synoptique de la modulation directe. ............................................................................................... 19 Figure 1-9 : Synoptique de la modulation externe................................................................................................ 20 Figure 1-10 : Schma dun interfromtre de Mach-Zehnder. ............................................................................. 24 Figure 1-11 : Schma bloc dun modulateur Mach-Zehnder utilisant un procd Push-Pull ........................ 24 Figure 1-12 : Courbe de transmission du Mach-Zehnder..................................................................................... 25 Figure 1-13 : Schma de principe dun modulateur externe de type Mach-Zenhder............................................ 26 Figure 1-14 : Lois de propagation du signal dans une fibre optique.................................................................... 27 Figure 1-15. : Attnuation spectrale dune fibre optique G.652........................................................................... 28 Figure 1-16: Courbes de dispersion de quelques fibres optiques ......................................................................... 33 Figure 1-17 : Propagation dune impulsion gaussienne dans un milieu dispersif................................................ 37 Figure 1-18 : Dcalage temporel entre les composantes orthogonales du signal optique d une birfringence

alatoire de la PMD.............................................................................................................................................. 38 Figure 1-19 : Schma dun rcepteur de donnes dtection directe .................................................................. 40 Figure 1-20: Courbes de sensibilit et de rendement selon les longueurs donde pour divers matriaux. .......... 41 Figure 1-21 : Principe de la photodtection avec une photodiode PIN................................................................ 42 Figure 1-22 : Photodiode PIN .............................................................................................................................. 42 Figure 1-23 : Structure dune photodiode avalanche ........................................................................................ 43 Figure 1-24 : Schma synoptique du circuit de rcupration dhorloge. ............................................................. 47

5

Equation 1-1.......................................................................................................................................................... 17 Equation 1-2.......................................................................................................................................................... 17 Equation 1-3.......................................................................................................................................................... 17 quation 1-4.......................................................................................................................................................... 21 quation 1-5.......................................................................................................................................................... 22 quation 1-6.......................................................................................................................................................... 22 quation 1-7.......................................................................................................................................................... 22 quation 1-8.......................................................................................................................................................... 22 quation 1-9.......................................................................................................................................................... 22 quation 1-10........................................................................................................................................................ 22 quation 1-11........................................................................................................................................................ 23 quation 1-12........................................................................................................................................................ 23 quation 1-13........................................................................................................................................................ 24 quation 1-14........................................................................................................................................................ 26 quation 1-15........................................................................................................................................................ 26 quation1-16......................................................................................................................................................... 29 quation 1-17........................................................................................................................................................ 30 quation 1-18........................................................................................................................................................ 30 quation 1-19........................................................................................................................................................ 30 quation 1-20........................................................................................................................................................ 31 quation 1-21........................................................................................................................................................ 31 quation 1-22........................................................................................................................................................ 31 quation 1-23........................................................................................................................................................ 31 quation 1-24........................................................................................................................................................ 32 quation 1-25........................................................................................................................................................ 32 quation 1-26........................................................................................................................................................ 33 quation 1-27........................................................................................................................................................ 34 quation 1-28........................................................................................................................................................ 34 quation 1-29........................................................................................................................................................ 34 quation 1-30........................................................................................................................................................ 34 quation 1-31........................................................................................................................................................ 34 quation 1-32........................................................................................................................................................ 35 quation 1-33........................................................................................................................................................ 35 quation 1-34........................................................................................................................................................ 35 quation 1-35........................................................................................................................................................ 35 quation 1-36........................................................................................................................................................ 36 quation 1-37........................................................................................................................................................ 40 quation 1-38........................................................................................................................................................ 41

6

quation 1-39........................................................................................................................................................ 41 quation 1-40........................................................................................................................................................ 43 quation 1-41........................................................................................................................................................ 44

7

Introduction

Aujourdhui, le secteur des tlcommunications affiche une rapide croissance. La grande expansion est encore venir, tout particulirement avec lamlioration des rseaux d'accs et la disponibilit universelle des techniques optiques. LOCDMA appliqu aux rseaux locaux optiques est une des nouvelles techniques dacheminement de donnes qui peut tre envisage dici 2010. Ce travail de thse a pour but de contribuer lvaluation de la validit de cette mthode.

Pour bien dfinir le contexte de ltude, nous avons choisi dans cette premire partie dapporter un bref descriptif des rseaux optiques. Puis nous dtaillerons les diffrentes techniques de multiplexage actuellement utilises dans les rseaux optiques.

Nous poursuivrons en dtaillant les diffrents modules dune liaison optique, en sattardant sur les mthodes de modulation de la lumire, la dispersion de la fibre optique et les photorcepteurs disponibles en vue den tudier limpact sur la liaison OCDMA. Une approche thorique prcise sera effectue sur ces points particuliers.

I Les rseaux optiques [1][2]

Dans un rseau, la chane de transmission d'un signal, depuis le point d'expdition jusqu'au point de destination, comporte trois maillons principaux :

Les rseaux longues distances (Wide Area Network : WAN,), Les rseaux mtropolitains (Metropolitan Area Network : MAN), Les rseaux locaux (Local Area Network : LAN),

Tous ces maillons doivent rpondre la demande croissante de capacit des rseaux de tlcommunication, quel que soit le type de service utilis.

I-1 Les rseaux longues distances

Cette partie du rseau, parfois galement appele rseau structurant, reprsente la couche suprieure du rseau de tlcommunications. Ce dernier parcourt de longues distances pouvant aller jusqu 1000 km. En effet lutilisation damplificateurs et de rgnrateurs permet daugmenter la distance de transmission.

Elle est comprise entre deux autocommutateurs autonomie dacheminement, qui ont pour rle daiguiller les informations dune rgion une autre, de la zone de lexpditeur vers celle du destinataire. La transmission de ces informations se fait dsormais sur fibre optique une longueur donde de 1,55m et un dbit lev qui ne cesse de saccrotre (les dbits 2,5 Gbits/s et 10 Gbits/s sont dj installs et le 40 Gbits/s le sera trs prochainement).

I-2 Les rseaux mtropolitain

Encore appel rseau intermdiaire, le rseau mtropolitain est dploy pour faire le lien entre le rseau daccs et le rseau de transport, il possde un environnement souvent trs complexe

8

et divers. Fondamentalement, on peut distinguer les rseaux mtropolitains structurants et mtropolitains daccs.

Les rseaux mtropolitains sont gnralement constitus danneaux de 80 150 km de circonfrence avec six huit nuds. En revanche, les rseaux mtropolitains daccs sont des anneaux de 10 40 km de circonfrence dots de trois ou quatre nuds avec des embranchements vers des sites distants. Les topologies logiques (profils de trafic) des rseaux mtropolitains diffrent radicalement de celles des rseaux longue distance. Ces derniers correspondent pour lessentiel des lignes interurbaines point point avec tout au plus un ou deux multiplexeurs dinsertion-extraction optiques (OADM) pour insrer et extraire le trafic en des points intermdiaires. Les rseaux mtropolitains introduisent une infrastructure optique haut degr de connectivit. Les anneaux mtropolitains se caractrisent gnralement par un trafic maill avec un certain degr de concentration li linterconnexion avec le rseau longue distance. Les anneaux daccs, la diffrence, collectent en gnral le trafic de plusieurs nuds pour le concentrer vers un nud partag avec un rseau mtropolitain structurant.

La complexit de ce rseau ne se traduit pas uniquement par le haut degr de connectivit. A la diffrence des rseaux longue distance, les rseaux mtropolitains doivent prendre en charge des formats, des protocoles et des dbits de transmission trs divers, mlant les trafics de la hirarchie numrique synchrone (SDH) ou du rseau optique synchrone (SONET) ou autres encore. Pour supporter cette diversit, ces rseaux sont souvent quips de cartes transpondeurs multidbits universelles, acceptant nimporte quel dbit de 100 Mbits 2,5 Gbits/s, pouvant assurer ultrieurement le trafic 10 Gbits/s sans modification.

I-3 Les rseaux locaux

Le rseau local comprend tout ce qui est situ entre le rseau mtropolitain et le terminal de labonn. Sa longueur varie de 2 50 km et sa capacit est au plus du mme ordre de grandeur que celle du rseau mtropolitain.

La diminution du cot de la fibre optique et des composants optiques actifs et passifs, conjugue laccroissement des besoins multiservices et aux exigences dun rseau moderne, capable dassurer disponibilit, qualit, volutivit et ractivit, expliquent pour lessentiel lintroduction de la fibre optique. Cependant, le dbat entre la fibre optique, le cble coaxial et la distribution radiofrquence est toujours dactualit.

Le rseau local optique est encore souvent constitu par une partie en fibre optique suivie dune partie en conducteur mtallique qui va jusquau terminal de labonn. Selon la localisation de la terminaison de rseau optique, diffrentes configurations sont envisageables :

FTTH / FTTO (Fiber To The Home / Fiber To The Office) : La terminaison du rseau optique, propre un abonn, est implante dans ses locaux. La fibre optique va donc jusquau domicile ou au bureau.

FTTB (Fiber To The Building) : La terminaison optique est localise soit au pied de limmeuble, soit dans un local technique, soit dans une armoire ou un conduit sur le palier. Elle est gnralement partage entre plusieurs abonns qui lui sont raccords par des liaisons en fil de cuivre.

9

FTTC (Fiber To The Curb) : La terminaison de rseau optique est localise soit dans une chambre souterraine, soit dans une armoire sur la voie publique, soit dans un centre de tlcommunications, soit sur un poteau. Selon le cas, il est envisag de rutiliser le rseau terminal en cuivre existant ou de mettre en uvre une distribution terminale par voie radiolectrique.

I-3-A Les rseaux optique passifs

Un rseau optique passif (PON) est un rseau dont le cblage entre le prestataire et le consommateur est uniquement ralis base d'quipements optiques passifs. En effet Cette approche vite le besoin de courant lectrique entre le nud central de distribution et l'abonn, et rduit les cots de matriel, d'installation, d'opration, et d'entretien de rseau. Un PON est un rseau point-multipoint (P2MP) dans lequel le mdium est la fibre optique. Les rseaux optiques passifs peuvent tre la clef dune distribution russie et moins coteuse du signal. Les PON ont attir l'attention par leur potentiel qui entrane une rduction du cot de distribution des signaux par l'intermdiaire des fibres optiques. Ils divisent le signal d'un metteur central (OLT), sur plusieurs fibres sortantes nutilisant que des composants passifs (coupleur passif), chacune est lie un rcepteur spcifique pour un client spcifique (Figure 1-1). Les diffrents clients renvoient des signaux au point central de distribution, ainsi les utilisateurs partagent toute la capacit du systme de transmission.

Dans un rseau optique passif on utilise la fibre optique monomode. Comme dfini par ITU-T et par IEEE, dans un PON, le trafic descendant et le trafic montant sont envoys sur deux longueurs d'onde diffrentes.

(a)

(b)

Figure 1-1 architecture de rseau point-multipoint (a) sens descendant (b) sens montant.

La Figure 1-1 (a) monte que lOLT est localis dans le nud central et transmet les donnes dans le sens descendant (nud central vers utilisateur) vers les diffrentes unit optiques du rseau (optical networking units ONU). Chaque paquet de donnes contient une en-tte qui indique lONU destinataire. LONU reoit tous les paquets de donnes qui ont t envoys par lOLT, il ne garde que ce qui lui est destin et supprime les autres.

La Figure 1-1 (b) illustre le flux des donnes dans le sens montant (de lutilisateur vers le nud central). Il est trs semblable celui du sens descendant avec les diffrences suivantes :

10

LONU transmet les donnes en amont vers lOLT dans un intervalle de temps spcifique (ONU-specific) utilisant le multiplexage rpartition temporelle (TDM).

Une synchronisation entre les diffrents ONU est assure pour viter les collisions et les pertes des donnes.

I.3.A.1 APON [5][6]

LATM est un protocole de transport, apparu au dbut des annes 1990, grant le transport de la voix, de la vido (Pulse Code Modulation PCM)) aussi bien que celle des donnes en garantissant une qualit de service. Les performances de l'ATM sont trs volutives. Ces performances sont obtenues grce la taille trs rduite des cellules transmises : tout le trafic est divis en trames de 53 octets (48 octets de donnes plus cinq d'en-tte), que l'on peut traiter avec des commutateurs trs rapides. C'est pourquoi lATM a fait natre de grands espoirs en matire de performances de rseau lors de son apparition. La technologie est aujourd'hui bien utilise comme infrastructure de transport de donnes.

Dans le tronon FTTH la mthode de prdilection de nombreux oprateurs est le rseau optique passif ATM (APON) quils ont normalis. Cest simplement un systme point-multipoint sur fibre optique qui utilise lATM comme protocole de transmission. Ces normes sont dfinies par lITU-T : G.983.1 et G.983.2. Cette normalisation seffectue dans deux organismes, le premier est le FSAN (Full Service Access Network) et le deuxime est le IEEE. Aussi, on peut voir parfois lAPON dfini sous le nom de FSAN PON. Avec lAPON, les donnes haut dbit, la voix et la vido peuvent tre achemines jusquaux abonns sur une seule fibre. Cette capacit permet aux oprateurs doffrir demble de nouveaux services et met leur disposition une infrastructure permettant dajouter de nouveaux services mesure quils apparaissent.

Un systme APON peut relier jusqu' 32 abonns au PON et leur fourni un systme d'accs flexible et un dbit lev (622 Mbit/s ou 155 Mbit/s dans le sens descendant, 155 Mbit/s dans le sens montant). Dans le sens descendant, le multiplexage des cellules ATM est utilis, alors qu'un protocole de TDMA commande l'accs ascendant des abonns au rseau.

I.3.A.2 BPON Le BPON est lextension de lAPON en vue de fournir d'autres services, tels que l'Ethernet et la diffusion de la vido (broadcast video). Cest un rseau de distribution en fibre optique large bande.

En effet, les amliorations rcentes de lAPON incluent une vitesse plus leve, le multiplexage en longueur donde WDM, une commande dynamique de la largeur de bande (DBA), une meilleure scurit de donnes et une OMCI (ONU management and Control Interface) complte. Pour traduire cette volution, ITU-T a officiellement chang le nom du systme en PON large bande, ou BPON.

Les APON actuellement dploys oprent en un des 3 modes downstream/upstream : 155Mb/s/155Mb/s, 622Mb/s/155 Mb/s ou 622Mb/s/622Mb/s.

Les autres caractristiques des rseaux APON / BPON sont:

32 ONUs dans un seul PON, La longueur de la fibre peut aller jusqu 20 km,

11

Pour la voix et les donnes les longueurs donde utilises dans le sens descendant et montant sont 1490 nm et 1310 nm respectivement,

Une troisime longueur donde (1550 nm) peut tre utilise pour le transport de la vido numrique dans le sens descendant.

I.3.A.3 EPON [7]

Ethernet (aussi connu sous le nom de norme IEEE 802.3) est une technologie de rseau local bas sur le principe que tous les utilisateurs d'un rseau Ethernet sont relis une mme ligne de transmission et la communication se fait l'aide d'un protocole appel CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect) ce qui signifie qu'il s'agit d'un protocole d'accs multiple avec surveillance de porteuse (Carrier Sense) et dtection de collision.

EPON est un rseau dans lequel la topologie point-multipoints (P2MP) est mis en application avec des coupleurs optiques passifs et la fibre optique comme PMD (Physical Medium Dependent : ie le protocole rseau prsent dans la couche la plus basse du modle OSI et qui caractrise le mdia, et sa connectique). EPON est bas sur un mcanisme appel le protocole de Contrle Multi-Point (Multi-Point Control Protocol MPCP), dfini comme une fonction dans la sous couche MAC control. MPCP emploie des messages et des temporisateurs, pour commander l'accs une topologie de P2MP. Chaque unit optique de rseau (Optical Network Unit ONU) dans la topologie de P2MP contient un lment du protocole MPCP, qui communique avec un autre lment de MPCP dans lOLT (Optical Line Terminal).

La diffrence principale entre EPON et APON est que dans les architectures EPON les donnes sont transmises en paquets de longueur variable jusqu' 1.518 octets selon le protocole IEEE 802,3 pour l'Ethernet, tandis que dans un APON les donnes sont transmises en cellules de longueur fixe de 53 octets (charge utile 48-octets et cinq octets den tte), comme indiqu par le protocole ATM. Ce format signifie qu'il est difficile et inefficace quun rseau APON transporte un trafic adapt au protocole IP. En effet dans un protocole IP les donnes sont segmentes dans des paquets de longueur variable jusqu' 65.535 octets. Pour qu'un APON porte le trafic IP, les paquets doivent tre diviss en segments de 48 octets avec une en-tte de 5 octets attache chacun. Ce processus est long et compliqu et augmente le cot des OLT et des ONU. De plus, 5 octets de largeur de bande sont gaspills pour chaque segment de 48 octets, crant ainsi des pertes qui sont connues communment sous le nom ATM cell tax .

I.3.A.4 GPON [8]

Le GPON, ou gigabit PON, est un protocole de 2me gnration des PON dit par ITU-T comme norme de recommandation G.984. Le protocole soutient plusieurs vitesses descendantes et ascendantes, et une vitesse typique de 1,24 Gbit/s en aval et 622 Mbit/s en amont. GPON est bas sur un protocole appel (GFP Generic Framing Protocol). Le but est d'liminer ou rduire de manire significative les issues autour de lATM. L o lATM a prsent des inefficacits en segmentant tout dans des cellules de 48/53 octets, GFP envoie des trames de longueur variable avec jusqu' 65.535 octets dans une trame. Ceci lui permet de porter des trames d'Ethernet beaucoup plus efficacement que APON/BPON et aussi efficace que EPON.

12

I-4 Les techniques de transmission.

Les fibres optiques possdent, dans la fentre spectrale gnralement utilise, une bande utilisable trs importante (environ 15 THz autour de la longueur donde 1,55 m). Thoriquement, les dbits qui peuvent tre transmis sont donc extrmement levs. Cest dautant plus intressant quaujourdhui le nombre et la taille des informations changes sont de plus en plus importants. Nanmoins, actuellement, le traitement lectronique des signaux lectriques avant modulation et aprs dtection natteint pas de telles frquences. Cest pourquoi diverses solutions ont t imagines pour profiter des capacits de la fibre optique et donc augmenter le transfert dinformations sur un mme canal. Dans la plupart des cas, le principe reste identique : utiliser N signaux au dbit D quivalent en terme de capacit un signal au dbit N*D, irralisable lheure actuelle. Cest ce quon appelle le multiplexage, et les dbits transports seraient dsormais plus importants. Le signal concentr des flux dorigines diverses est appel signal multiplex. Pour conserver lintgrit de chaque signal sur le canal, le multiplexage introduit, entre les signaux, une sparation temporelle, spatiale ou frquentielle.

I-4-A Le multiplexage temporel optique (OTDM)

Le multiplexage TDM (Time Division Multiplexing, multiplexage rpartition temporelle (MRT) ) consiste affecter un utilisateur unique la totalit de la bande passante pendant un intervalle du temps, ceci tour de rle pour chaque utilisateur (Figure 1-2). L'allocation de cette bande passante se fait en divisant l'axe du temps en priodes de dure fixe, et chaque utilisateur ne va transmettre que pendant une de ces priodes dtermine. Un intervalle de temps fixe (IT) est successivement assign une source.

Le multiplexage TDM permet alors de regrouper plusieurs canaux de communications bas dbits sur un seul canal dbit plus lev (par exemple, conception dun dbit 40 Gbits/s, partir de 4 squences 10 Gbits/s).

Figure 1-2: Rpartition des priodes dans le cas dun multiplexage TDM.

Le multiplexage temporel peut tre ralis optiquement (OTDM, Optical Time Division Multiplexing). Lmetteur est constitu de N sources optiques en parallle modules au dbit Db bit/s. Cette technique ncessite que les signaux optiques soient ensuite cods de type RZ pour que les impulsions codes aient dsormais une dure infrieure Tb/N et que le multiplexage optique puisse se faire sans recouvrement optique.

Le multiplexage optique temporel nest pas utilis uniquement pour accrotre les dbits transmis. Il fournit aussi une technique d'accs utilisable dans les rseaux locaux. Le temps est partag entre les diffrents utilisateurs : chacun d'eux dispose d'une tranche temporelle pour

13

mettre. Les diffrents signaux sont assembls pour tre transmis sur une porteuse optique unique.

LOTDM a son quivalent en lectronique, lETDM (Electronic Time Division Multiplexing). Dans le cas de lETDM, le codage RZ et lassemblage des donnes se font lectriquement

Le haut dbit obtenu est ensuite utilis pour la modulation du courant de polarisation dune diode laser et il ny a quun seul signal lumineux mis. Cette tape est schmatise sur la Figure 1-3 par la prsence de trois circuits lectroniques et dun multiplexeur lectronique (circuit rapide).

Figure 1-3: Schma de principe du multiplexage ETDM dans les communications par fibre optique.

Outre le multiplexage temporel, il existe dautres mthodes pour concentrer N signaux dans un seul canal.

I-4-B Le multiplexage en longueur donde (WDM)

Le multiplexage WDM (multiplexage rpartition de longueur d'onde) repose sur une proprit physique de la lumire. En effet, tout comme les signaux lectriques se propagent avec une frquence propre, les signaux lumineux possdent une longueur d'onde. Partant de ce constat, il parat naturel que le multiplexage FDM (Frequency Division Multiplexing) utilis sur les rseaux lectriques ait son homologue pour les rseaux optiques. Ainsi, plutt que de transmettre de l'information sur une seule longueur d'onde, on va utiliser plusieurs longueurs d'onde, et multiplier d'autant le dbit de la liaison. De cette faon, on peut aisment augmenter le dbit de transmission d'une fibre sans avoir la remplacer par une autre. Il suffit simplement de disposer d'metteurs/rcepteurs capables de distinguer les diffrentes longueurs d'onde utilises. Ainsi un metteur pourra multiplexer plusieurs canaux en affectant chacun une longueur d'onde. Le signal lumineux compos de toutes ces longueurs d'onde va transiter sur la fibre, et le rcepteur n'aura qu' dmultiplexer le signal pour obtenir les diffrents canaux de dpart.

La norme internationale ITU-T G692 autorise l'utilisation de longueurs d'onde comprises entre 1530 et 1565 nanomtres. Le multiplexage WDM est caractris par l'intervalle minimum entre deux longueurs d'onde utilisables. Cet intervalle peut tre exprim en nanomtres ou en gigahertz. Si cet intervalle est infrieur ou gal 0,8 nanomtres (soit 100 GHz) on parle alors de multiplexage DWDM (Dense WDM). Des tests ont mme t

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effectus avec des intervalles de 0,4 et 0,2 nanomtres. On parle alors de U-DWDM pour Ultra-Dense WDM. L'utilisation de 32 longueurs d'onde diffrentes sur une fibre 10 Gbit/s permet donc d'atteindre assez facilement un dbit de 320 Gbit/s. Prochainement, lorsque 160 longueurs d'onde pourront tre utilises, la mme fibre 10 gigabits par secondes pourra fournir un dbit de 1,6 Tbit/s.

1 2 3

3

2

1 1 23

Figure 1-4: Schma de principe du multiplexage WDM dans les communications par fibre optique (avec 3 longueurs dondes).

Lutilisation du multiplexage WDM ncessite un ensemble de diodes laser mettant des longueurs dondes diffrentes mais assez proches (dans le voisinage des 1550 nm), et de multiplexeur/dmultiplexeur optiques pour combiner/sparer lensemble des signaux optiques dans/de la fibre. La Figure 1-4 reprsente un exemple dune liaison utilisant le multiplexage WDM.

I-4-C Accs Multiple par Rpartition de Code en Optique (OCDMA)

Une troisime mthode de multiplexage est lAccs Multiple Rpartition par Code (AMRC ou CDMA, Code Division Multiple Acces). Le signal correspondant au 1 est remplac par une squence de code qui est une cl caractristique du destinataire du message. Cette technique est dtaille dans les chapitre II et III.

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II Description dune liaison optique

La simulation des systmes de transmission mettant en uvre des lments optiques est un outil puissant pour la conception, lanalyse et loptimisation des performances de ces systmes.

Actuellement, les travaux thoriques et exprimentaux sur les diffrents matriaux et les proprits des lments optiques permettent de disposer de modles dont la maturit assure un degr de confiance suffisant aux rsultats de simulation.

La premire partie de ce paragraphe vise dcrire les diffrents lments de base qui interviennent dans un systme de tlcommunication optique. Au cours de la deuxime partie nous allons tudier, plus particulirement larchitecture dune liaison optique utilisant la technique de multiplexage OCDMA.

Larchitecture dune liaison optique, quelque soit le niveau du rseau auquel elle est destine, est compose des mmes briques, savoir un metteur, une fibre optique et un rcepteur (Figure 1-5) [3].

Emetteur

Source optique

Donnes mises

Modulation

Rcepteur

Photodtecteur Dmodulation

Donnes reues

FibreOptique

Figure 1-5: Synoptique gnral dun systme de communications par fibre optique.

Pour chacun de ces lments constitutifs dune liaison sur fibre optique, nous tenterons de dcrire leur rle et leur fonctionnement. Nous dbuterons par lmetteur (laser, driver, modulateur, ), puis nous poursuivrons par la description de la fibre optique. Enfin, nous terminerons en dtaillant les blocs constituant le rcepteur (photodiode, filtre lectrique, circuit de remise en forme, etc).

II-1 Lmetteur

Dans un systme de tlcommunications optiques les informations transmettre doivent tre inscrites sur le support que constitue la lumire mise par le laser. Ceci est la modulation. Elle sera dcrite aprs une brve prsentation du laser.

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II-1-A Le laser [3][4][19]

Depuis le dbut des tlcommunications par fibre optique, le choix des sources optiques sest port sur les metteurs semi-conducteur cause de leurs petites dimensions en rapport avec celles du cur des fibres optiques, de la relative facilit que lon a moduler directement la lumire mise en agissant sur le courant, de leur spectre optique relativement troit et de leur faible consommation nergtique. Ainsi la diode laser semi-conducteur est la source la mieux adapte pour les tlcommunications optiques car elle permet davoir la meilleure efficacit de couplage optique avec la fibre.

Les lasers semi-conducteur sont constitus [3]:

dun milieu amplificateur qui utilise la proprit dmission stimule de photons dans une jonction PN o linversion de population entre les bandes de valence et de conduction est assure par une injection de charges lectriques.

dune cavit rsonnante permettant de slectionner les modes doscillation. Les trois phnomnes importants de transitions quantiques prsents dans les lasers semi-conducteurs sont :

Labsorption dun photon incident. En absorbant un photon, llectron peut tre amen dans un tat plus nergtique. Il passe de la bande de valence vers la bande de conduction.

Lmission spontane. La recombinaison dun lectron de la bande de conduction avec un trou de la bande de valence, permet lmission dun photon.

Lmission stimule. Frapp par un photon, llectron peut retomber dans ltat le moins nergtique en mettant un photon stimul dont le rayonnement correspond la mme longueur donde, la mme phase, le mme tat de polarisation et la mme directivit spatiale que le photon incident.

Pour que leffet laser existe, il est ncessaire que la condition dinversion de population soit atteinte. Plus prcisment le taux dmission stimule excdera le taux dabsorption seulement si la densit de population au niveau fondamental est infrieure la densit de population au niveau excit. Dans un semi-conducteur, cette inversion est ralise par lopration de pompage qui consiste fournir de lnergie aux lectrons afin quils passent dans la bande de conduction. En plus pour obtenir leffet laser il faut quil y ait suffisamment de photons excitateurs. Pour ce faire, lnergie lumineuse est confine dans une cavit rsonnante, par exemple, par un rsonateur du type Fabry-Prot.

Pour rpondre lextension des systmes optiques et leurs besoins en sources performantes, le dveloppement des lasers semi-conducteurs a t trs rapide et des progrs considrables ont t faits au niveau de la bande passante et du rendement, notamment grce au dveloppement des structures puits quantiques et cavits modifies par rtroaction interne distribue (laser DFB et DBR).

Dans le cas des lasers DFB les quations qui rgissent lvolution en fonction du temps du nombre de photons P, du nombre de porteurs N, et de la phase de londe sont [9][10] :

17

( ) spp

RPPPNNAdtdP +

= 10

Equation 1-1

( )n

NPPNNAeI

dtdN

= 10 Equation 1-2

( )

=

p

PNNAdtd

112 0

Equation 1-3

Les diffrents paramtres de ces quations sont reports dans le Tableau 1-1.

p Dure de vie des photons

n Dure de vie des lectrons

N0 Nombre de porteurs la transparence

A Taux de gain diffrentiel

Facteur dlargissement de raie

Rsp Taux dmission spontane

I Courant dentre du laser

Facteur de compression de gain normalis Tableau 1-1: paramtres des

quations (Equation I-1, Equation I-2 et Equation I- 3)

Longueur donde 1550 nm

Courant seuil 20 mA

Rendement puissance/courant 0.25 W/A

Longueur de raie 2 MHz pour un courant I=60 mA

Taux damortissement 2000(MHz)

Bande 3dB (MHz) 10000

Pour I=100mA

Espacement entre modes 1 nm

Chirp 100 MHz/mA

Bruit RIN (dB/Hz) -154 pour I=100mA

Tableau 1-2 : paramtres systmes lis au lasers utiliss

18

Ces quations ont lavantage de prendre en compte de manire simple les non-linarits des lasers semi-conducteurs et le phnomne de chirp .

Un laser peut galement tre dfini par ses paramtres systmes (Tableau 1-2).

A partir de ces paramtres on peut calculer la puissance optique dmission du Laser Piopt.

En effet on dduit de ces paramtres les caractristiques physiques, prcdemment dfinies dans le (Tableau 1-2), qui sont ensuite injectes dans les quations Equation I-1, Equation I-2 et Equation I- 3 qui sont rsolues par lalgorithme de Runge Kutta pas variable [9][10]. Cette rsolution donne la valeur de P, le nombre de photons, en fonction du temps.

La puissance optique instantane PIOPT est alors donne par la relation :

.2PIOPT

p

chP = avec :

P : Nombre de photons : Rendement quantique diffrentiel h : Constante de Planck p : Dure de vie des photons

Le seuil de leffet laser est obtenu lorsque le gain maximal compense toutes les pertes que londe rencontre au cours de ses allers-retours entre les deux miroirs du rsonateur (pertes provoques par le milieu diffusant, par le phnomne dabsorption et par la transmission du signal vers lextrieur).

Lorsque le courant augmente au-dessus du seuil, lmission stimule apparat : tous les porteurs injects en supplment se recombinent par recombinaison stimule. Cela se traduit par une certaine directivit du rayonnement dans la direction perpendiculaire aux faces de la cavit et par une augmentation brutale de la puissance lumineuse mise par la diode laser. Nous pouvons mesurer ce courant de seuil au niveau du fort coude de la caractristique puissance-courant du laser prsente sur la (Figure 1-6). Le courant de seuil marque la sparation entre un fonctionnement domin par lmission spontane et un fonctionnement domin par lmission stimule

Puissance(mW )

Courant(mA)

Iseuil

Emissionspontane

Emissionstimule

Figure 1-6 : Caractristique Puissance-Courant dun laser

19

II-1-B La modulation des donnes

Afin de transmettre des informations dans les systmes numriques optiques, il faut les graver sur le signal lumineux envoyer dans la fibre, Pour cela, il est ncessaire de raliser une conversion des donnes lectriques en donnes optiques. Il existe principalement deux techniques : la modulation directe et la modulation externe. Cest une modulation damplitude qui est considre dans ce travail de thse.

II.1.B.1 Modulation directe [11]

La mthode consiste faire varier le courant de la source. Il en rsulte une variation proportionnelle de la puissance mise qui suit le signal modulateur condition dutiliser la partie linaire de la caractristique Pop=f(I) du laser (Figure 1-7).

I(mA)

P(mW)

seuil

modulation damplitudenumrique du courant

mod

ulat

ion

dam

plitu

denu

mr

ique

opt

ique

Figure 1-7 : Modulation directe dune diode laser

Cette solution de modulation directe requiert assez peu de composants. Un laser, un gnrateur de courant et un circuit de commande ou driver (Figure 1-8). Le rle du circuit de commande est de commander la source optique au niveau des puissances mises (en fixant les valeurs du courant dalimentation). Pour cela, il modifie les niveaux du courant issus du gnrateur.

Figure 1-8 : Synoptique de la modulation directe.

Lintrt des communications optiques repose sur la grande capacit potentielle dinformations. Cette capacit ne peut tre exploite que si la modulation de la source peut tre faite rapidement. La modulation engendre pour le haut dbit certaines dgradations sur le signal optique modul. Dune part le temps de remplissage et de vidage de la cavit rsonante du laser, limite le temps de rponse du composant. Dautre part la modulation directe saccompagne invitablement dune modulation de frquence (chirp) [12] : toute modulation de la densit de porteurs dans la cavit laser cause des fluctuations de lindice de rfraction et

20

donc de la frquence de londe mise. On peut montrer que si P(t) est la puissance optique mise dpendant du temps, lcart entre la frquence instantane v(t) et sa valeur moyenne est donne par :

0ln ( )v(t)- v ( )

4H d P t p t

dt

= +

Le premier terme correspondant la modulation de frquence dynamique (transient chirp) est dominant pour une frquence de modulation leve compar au second appel modulation de frquence adiabatique. Le facteur dlargissement dynamique ou facteur de Henry H caractrise le degr de conversion amplitude/frquence de la source. Il vaut typiquement 5 ou -6 pour les lasers usuels.

Ce facteur a des consquences trs importantes sur la dformation de limpulsion au cours de la propagation [13][14]. Pour saffranchir de ce phnomne on a recours la modulation externe.

II.1.B.2 Modulation externe

La modulation externe consiste graver les donnes lectriques sur un signal optique continu en utilisant un modulateur.

Ainsi, les dfauts de la modulation directe qui sont lis au laser ne seront plus prsents sur le signal optique.

Le modulateur est command par une tension externe v(t), module et reprsentative de linformation transmettre. Cette tension applique au modulateur a pour proprit de modifier le facteur de transmission en intensit en sortie. Le signal optique continu mis par le laser aliment par un courant constant est pur et peu dgrad. En traversant le modulateur, il subit les modifications du facteur de transmission et le signal de sortie se trouve modul selon v(t). Un driver est souvent prsent entre les donnes et le modulateur afin de fixer les niveaux de v(t) et choisir les modifications du facteur de transmission.

Figure 1-9 : Synoptique de la modulation externe.

21

Plusieurs types de modulateurs externes sont disponibles. Nous en dtaillerons deux qui peuvent convenir la technique OCDMA : le modulateur lectro-absorbant. (MEA) et le Mach-Zehnder (MZ).

II.1.B.3 Les diffrents modulateurs disponibles.

II.1.B.3.a Modulateur lectro-absorbant.

Le principe du modulateur lectro-absorption consiste pouvoir commander labsorption du matriau par une tension. Cette technique est base sur les phnomnes lecro-absorbants. En particulier ceci est obtenu par lutilisation de leffet Franz-Keldysh dans lequel le gap dun semiconducteur se trouve modifi sous laction dun champ lectrique extrieur. Ce champ appliqu produit une absorption commande en tension, comme un interrupteur.

En dautres termes, un modulateur lectro-absorbant en onde guide est assimilable une diode PIN dont la rgion intrinsque contient le matriau lectro-absorbant. Un champ lectrique est appliqu au matriau lectro-absorbant en polarisant la diode PIN en inverse. En rgime absorbant le modulateur se comporte comme une photodiode, avec gnration de photocourant.

Les grandeurs qui caractrisent les performances dun modulateur lectro-absorbant sont le taux dextinction li labsorption en fonction de la tension applique, lattnuation en mode passant, la bande passante et le facteur de couplage phase-amplitude (facteur de Henry).

taux dextinction : Les ratios dextinction obtenus sont de lordre de 15 dB des dbits suprieurs 40 Gbit/s [3]. Un des points importants sur ces modulateurs (nous les noterons MEA par la suite) est de vrifier si ce taux dextinction sera assez important pour permettre un cart de niveaux entre un 0 et un 1 suffisamment important.

Champ et puissance de sortie : Le champ total la sortie de modulateur lectro-absorbant scrit :

( ) ( ) ( )

++

= tf

VtVjExp

VtVExpPAttty

aH

a

0000

0 2.2...

quation 1-4

Les composantes en phase et en quadrature associes la sortie du modulateur externe lectro-absorption sont :

22

( ) ( ) ( )

+

= 0

000 .2

cos...a

Ha

p VtV

VtVExpPAttty

quation 1-5

( ) ( ) ( )

+

= 0

000 .2

sin...a

Ha

q VtV

VtVExpPAttty

quation 1-6

Facteur de couplage phase-amplitude (facteur de Henry) [20][17][18][20] : Aprs propagation dune onde optique dans le guide sur une distance L, la variation dindice effectif induit par lectro-absorption se traduit par une variation de la phase de la lumire issue du modulateur [25]. Le champ E(L) de londe optique en sortie de modulateur sexprime en fonction du champ incident E(0) et des parties relle et imaginaire de lindice effectif [24] :

( )2( ) (0) r i

j n jn LE L E e

+=

quation 1-7

La puissance optique sexprime par :

4* 2. (0) i

n LP E E E e

= =

quation 1-8

et la phase du champ est donne par : 2

rn L =

quation 1-9

Nous venons de voir comment utiliser leffet lectro-absorbant dun matriau pour contrler la puissance du flux lumineux. Cependant la modification de labsorption dun matriau affecte obligatoirement son indice de rfraction [18]. La partie imaginaire de lindice complexe (ni) et sa partie relle (nr) ne sont pas indpendantes. Elles sont relies par les relations de Kramers-Krong. Le facteur de couplage phase-amplitude est dfini par :

rH

i

dndn

= quation 1-10

A partir des quation (Equation I-8, Equation I-9 et Equation I-10) on peut dduire la relation qui lie les variations temporelles de lintensit P et de la phase en sortie de modulateur dite relation de Koyama :

23

424 4(0 )

2 2 2

14

in Li i

i ir rH

i

i

dn dnd P L E e L Pd t d t d t

dn dndn dnd L L Ld t d t dn d t d t

dn dPO rd t L P d t

= =

= = =

=

quation 1-11

donc 2

Hd dPd t P d t

= quation 1-12

La modulation de phase accompagnant la modulation dintensit est dtermine uniquement par lensemble des valeurs du facteur de couplage phase-amplitude sur lintervalle [tat ferm ; tat ouvert] et ne dpendra pas des caractristiques gomtriques du modulateur. Elle naffecte ni lattnuation, ni le taux dextinction, ni la tension de commande ou la bande passante. Son effet ne se manifeste que lors de la propagation de londe lumineuse dans un milieu dispersif tel que la fibre optique.

Le facteur de couplage phase amplitude est une proprit intrinsque du matriau. Il varie avec la tension applique et la longueur donde . La variation lie la tension applique exprime que la variation de lindice de rfraction nest pas une fonction linaire de la variation de labsorption du matriau lectro-absorbant. La connaissance de la fonction (V) nest pas aise et dans le modle propos dans COMSIS le facteur de couplage phase-amplitude sera considr moyen.

Le modle de modulateur externe lectro-absorption peut tre schmatis en deux parties :

une partie lectrique : elle englobe lensemble des circuits lectriques permettant dalimenter le modulateur. Elle nest pas prise en compte dans COMSIS.

une partie conversion lectrique/optique.

Nous utiliserons ce modle dans la liaison typique OCDMA, en gardant lesprit quil ne reprsente pas tout fait les composants disponibles commercialement.

II.1.B.3.b Modulateur damplitude base de Mach-Zehnder (MZ)

Le principe du modulateur interfromtrique de type Mach-Zehnder consiste effectuer une modulation de lintensit lumineuse par variation de phase transforme en variation dintensit par un systme interfromtrique [3] [15] [21].

La lumire est divise par un coupleur en Y dans deux guides. Lcartement de ces deux guides est tel que le couplage par onde vanescente est ngligeable. Elle se recombine ensuite dans un deuxime coupleur en Y suivant la diffrence de phase, les deux faisceaux optiques interfrent de manire constructive ou destructive. La modulation damplitude est obtenue par interfrence des deux faisceaux optiques dont les phases sont contrles par lintermdiaire du champ lectrique appliqu. En effet, ce dernier entrane une modification de lindice de rfraction du matriau n sur la longueur L du guide dondes (effet lectrooptique) ce qui

24

modifie la propagation de londe optique par ajout dun dphasage traduit par une variation de la phase de londe optique. Un retard entre les deux faisceaux permet de moduler lamplitude de la lumire rsultante. La structure interfromtrique idale de Mach-Zehnder possde une rponse en transmission sinusodale donne par la relation :

( )= 2cosin

out

PP quation 1-13

Avec la diffrence de phase entre les 2 champs en sortie des deux bras. En appliquant des niveaux de tension satisfaisants, on arrive placer en opposition de phase ( ) = les signaux optiques en sortie des deux bras, qui lors de leur recombinaison la fin du Mach-Zehnder, donnent une interfrence destructive et rduisent fortement la puissance optique de sortie.

Lapplication du champ lectrique se fait selon deux techniques. Lune consiste appliquer le champ sur une seule lectrode, lautre appliquer ce champ sur les deux lectrodes suivant le procd de Push-Pull (Figure 1-11) [15]. Dans ce dernier cas il sagit dobtenir des dphasages opposs sur les ondes se propageant dans les deux branches de linterfromtre.

Entre optique Sortie optique

Figure 1-10 : Schma dun interfromtre de Mach-

Zehnder.

L

Entre optique Sortie optique

Figure 1-11 : Schma bloc dun modulateur Mach-Zehnder

utilisant un procd Push-Pull

Dun point de vue gnral, une alimentation continue est apporte pour appliquer un point de fonctionnement au repos (bias point). Cest le point de quadrature autour duquel le cosinus (donc la transmission) est assez linaire. Ensuite une commande RF est applique sur la/les lectrodes ce qui permet de produire les tats hauts et bas sur la puissance lumineuse partir

du signal lectrique. Le modulateur est trs linaire autour de 2 = , quelques distorsions

apparaissent aux extrmits de la zone de commande, pour 0= ou = . La courbe de transmission du Mach-Zehnder est rapporte sur la Figure 1-12 ainsi que le point de polarisation.

25

Figure 1-12 : Courbe de transmission du Mach-Zehnder

Les modulateurs de Mach-Zehnder commercialiss sont en trs grande majorit raliss sur des substrats LiNbO3 qui permettent de raliser des guides trs faibles pertes (< 0,2 dB/cm). Plusieurs critres de comparaison existent entre les composants en LiNbO3 et semi-conducteur. Le composant en LiNbO3 prsente les avantages suivants :

Montage plus facile de la fibre amorce, directement colle en bout de guide. Pertes de couplage faibles entre fibre et guide en niobate de lithium parce que le guide

prsente des caractristiques similaires celles des fibres monomodales.

Mais le composant en niobate de lithium prsente aussi des inconvnients :

Impossibilit dintgration monolithique avec des composants dmission. Encombrement qui peut tre important.

On peut noter galement un manque de stabilit dans le temps (drive lente du point de fonctionnement).

ratio dextinction : Les modulateurs Mach-Zenhder sont caractriss par leur ratio dextinction qui correspond au maximum de pertes de transmission quand on se place lextinction ( ) = . Cette valeur se situe autour de 20-25 dB, voire 40 dB pour des composants spcifiques (Photline Technologies). Une des caractristiques importante de ces dispositifs est la tension de commande V ncessaire produire des dcalages de phase gaux . Deux solutions existent pour les MZ selon la position du guide optique intgr par rapport aux lectrodes. La solution dite X-cut prsente lavantage dtre une solution symtrique, intrinsquement sans chirp. La solution Z-cut est quant elle intressante au niveau de sa tension V plus rduite mais induisant du chirp sur le signal.

Cette tension V vaut typiquement 5 6 V dans le cas dune coupe X (X-cut) et peut tre limite 3 V dans le cas de la coupe Z (Z-cut).

Champ et puissance de sortie :

26

Le schma de principe est prsent dans la Figure 1-13. Le modulateur Mach-Zehnder introduit une modulation de la phase du champ en sortie due aux variations de lindice de rfraction du guide.

1

2 E0

E

Figure 1-13 : Schma de principe dun modulateur externe de type Mach-Zenhder

Lexpression de lamplitude du champ en sortie du modulateur est donne par [16] :

( ) ( )LjExpELjExpEE 2010 22 += quation 1-14

Soit ( ) ( )LjExpLCosEE = .2

0 . quation 1-15

1 et 2 sont les constantes de propagation dans les deux branches de linterfromtre.

Avec a les relations : ( )2

21 = et ( )( )2

21 +=

Le terme en cosinus dans lEquation I-15 reprsente la modulation damplitude et la partie exponentielle reprsente la modulation de phase.

II-2 La fibre optique [3].

Une fibre est un guide donde cylindrique et dilectrique. Elle est constitue de deux dilectriques de mme axe, le cur et la gaine, entours dune gaine de protection. Le guidage du signal optique est bas sur la loi de Descartes. La lumire se propage le long de la fibre par rflexions successives entre le cur et la gaine (Figure 1-14). Cela nest possible que si le cur et la gaine sont constitus de matriaux transparents et que lindice de la gaine est infrieur celui du cur (une diffrence de quelques % est suffisante). La seconde condition est denvoyer le signal lumineux dans la fibre avec un angle, par rapport laxe, infrieur louverture numrique. Louverture numrique (O.N.) reprsente louverture angulaire limite avant une transmission et non une rflexion totale sur le dioptre cur-gaine de la fibre

( )(O.N. 2122 nn = .

27

0

n1

n2n0

n2

Figure 1-14 : Lois de propagation du signal dans une fibre optique

Il existe deux types de fibres : multimode et monomode. Dans une fibre multimode, les diffrents rayons empruntent des trajectoires diffrentes. Leurs chemins optiques et donc leurs temps de propagation sont diffrents. Il en rsulte donc une dispersion dite multimodale.

Les fibres multimodes sont en gnral employes pour les rseaux locaux, pour les bas dbits ou encore pour des longueurs donde proches de 850 nm.

Ce travail de thse est axe sur les rseaux locaux mais ne sintressera quaux fibre monomodes utilises la longueur donde 1550nm. Elles possdent un diamtre de cur plus petit (8 10 microns en gnral). Compte tenu de ces dimensions, la fibre optique monomode classique est saut dindice.

LUIT-T (Union Internationale des Tlcommunications) a instaur des normes internationales pour les fibres optiques dployes dans les rseaux de tlcommunications. Les recommandations G.650 G.655 portent sur les paramtres gomtriques, mcaniques et optiques des fibres et sur les tolrances admissibles (Tableau 1-3).

Norme UIT-T G. 652 G. 653 G. 655 (NZDSF)

G. 655 (Tralight

)

Diamtre cur (m) 9 9 9 9 Proprits gomtriques Diamtre fibre (m) 125 125 125 125

Attnuation (dB/km) 0,25 0,25 0,25 0,22

Dispersion Chromatique (ps/nm/km) 17 0 0,07 8

Coefficient de non-linarit (W/m2) 2,7.10

-20 2,7.10-20 2,7.10-20 2,7.10-20

Section effective (m2) 80 57 57 65

Proprits optiques ( 1550 m)

PMD ps/sqrt(km) 0,05 0,08 0,1 max. 0,1 max. 0,04

Tableau 1-3 : Exemples de caractristiq

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