Etude de dispositifs de régénération tout-optique du signal à ultra haut débit (40 Gbit/s) pour des applications de transmission par fibre optique PDF Download
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Book Description
Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit est consacré à l’étude théorique et expérimentale de la régénération optique 2R (Ré-amplification et Remise en forme) destinée aux systèmes de transport longue distance par fibre optique fonctionnant à 40Gbit/s. Après une description succincte du marché des télécommunications optiques et une introduction aux principes physiques régissant la propagation de la lumière le long d’une fibre optique, nous comparons (chapitre II) les différentes techniques de régénération optiques compatibles à 40Gbit/s en prenant en compte pour chacune l’adéquation aux contraintes industrielles. Nous étudions ensuite (chapitre III) une architecture de régénérateur optique 2R à base d’absorbant saturable (AS) à semi-conducteurs rapides et mettons en évidence expérimentalement et numériquement les limitations en performance de cette structure pour les transmissions à 40Gbit/s. Un chapitre (chapitre IV) est consacré à l’étude complète d’une solution alternative permettant de lever les limitations de la solution à base d’absorbants saturables : le NOLM en auto-commutation. A ce titre, nous démontrons expérimentalement sa grande efficacité comme régénérateur 2R au travers d’une transmission à 40Gbit/s sur 20000km qui représente une première mondiale. Dans une dernière partie (chapitre V), une étude numérique destinée à mieux comprendre les mécanismes de la régénération 2R est conduite avec notamment la proposition et la validation d’un modèle numérique original prenant en compte le temps de réponse des régénérateurs 2R.
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Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit est consacré à l’étude théorique et expérimentale de la régénération optique 2R (Ré-amplification et Remise en forme) destinée aux systèmes de transport longue distance par fibre optique fonctionnant à 40Gbit/s. Après une description succincte du marché des télécommunications optiques et une introduction aux principes physiques régissant la propagation de la lumière le long d’une fibre optique, nous comparons (chapitre II) les différentes techniques de régénération optiques compatibles à 40Gbit/s en prenant en compte pour chacune l’adéquation aux contraintes industrielles. Nous étudions ensuite (chapitre III) une architecture de régénérateur optique 2R à base d’absorbant saturable (AS) à semi-conducteurs rapides et mettons en évidence expérimentalement et numériquement les limitations en performance de cette structure pour les transmissions à 40Gbit/s. Un chapitre (chapitre IV) est consacré à l’étude complète d’une solution alternative permettant de lever les limitations de la solution à base d’absorbants saturables : le NOLM en auto-commutation. A ce titre, nous démontrons expérimentalement sa grande efficacité comme régénérateur 2R au travers d’une transmission à 40Gbit/s sur 20000km qui représente une première mondiale. Dans une dernière partie (chapitre V), une étude numérique destinée à mieux comprendre les mécanismes de la régénération 2R est conduite avec notamment la proposition et la validation d’un modèle numérique original prenant en compte le temps de réponse des régénérateurs 2R.
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LES SYSTEMES DE TELECOMMUNICATION LONGUE DISTANCE A 40-100GBIT/S FERONT VRAISEMBLABLEMENT APPEL A LA PROPAGATION PAR SOLITONS. L'APPLICATION A CES SYSTEMES DES TECHNIQUES ULTRA-RAPIDES DE TRAITEMENT DE SIGNAL TOUT-OPTIQUES PERMET DE DEPASSER LES LIMITES DE L'ELECTRONIQUE. EN PARTICULIER, LE MIROIR NON-LINEAIRE EN BOUCLE (NOLM) EST UN DISPOSITIF TOUT-OPTIQUE EMPLOYE ICI A PLUSIEURS FONCTIONS ESSENTIELLES. A L'INTERFACE DES RESEAUX EXISTANTS AVEC LES SYSTEMES SOLITONS, IL EST UTILISE POUR CONVERTIR LES DONNEES DU FORMAT TRADITIONNEL NON-RETOUR-A-ZERO AU FORMAT SOLITON, ET RECIPROQUEMENT. MAIS LE COEUR DE CETTE THESE EST LA REGENERATION SYNCHRONE DE SOLITONS, POUR LAQUELLE DES APPROCHES TOUT-OPTIQUES SONT EGALEMENT EXAMINEES. CETTE TECHNIQUE NECESSITE DEUX COMPOSANTS ESSENTIELS : UN CIRCUIT DE RECUPERATION D'HORLOGE ET UN MODULATEUR, TOUS DEUX A LA FREQUENCE D'INFORMATION. UNE ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE DE TROIS TYPES DE LASERS A FIBRE EN ANNEAU A 20GBIT/S POUR L'EXTRACTION D'HORLOGE EST PRESENTEE. POUR LA MODULATION TOUT-OPTIQUE, DEUX POSSIBILITES EXISTENT SELON QUE L'INTENSITE OU LA PHASE DES SOLITONS EST AFFECTEE. LA SIMULATION D'UNE LIAISON TRANSOCEANIQUE TYPIQUE A 20GBIT/S MONTRE LA SUPERIORITE DE LA PREMIERE SOLUTION A CAUSE DE SON EFFET REGULATEUR SUR LE BRUIT. LE MODULATEUR D'INTENSITE TOUT-OPTIQUE QUE NOUS PROPOSONS EST LE NOLM. SES PROPRIETES REGENERATRICES SONT ANALYSEES ET CARACTERISEES EXPERIMENTALEMENT, DANS LA CONFIGURATION TRADITIONNELLE A UN SEUL CONTROLE OPTIQUE, AINSI QUE DANS UNE CONFIGURATION AMELIOREE A DEUX CONTROLES. INTEGRE DANS UN SYSTEME DE TRANSMISSION, LE NOLM CONDUIT A DES QUALITES DE TRANSMISSION MEILLEURES QUE CELLES DE MODULATEURS D'INTENSITE PURE, A CAUSE DE SA REPONSE EN PHASE RESIDUELLE. UN AUTRE MODULATEUR TOUT-OPTIQUE, MAIS DE PHASE PURE CETTE FOIS, EST LA FIBRE KERR. NOUS DEMONTRONS SON POTENTIEL REGENERATEUR POUR LA PREMIERE FOIS A 20GBIT/S LORS D'UNE TRANSMISSION SOLITON SANS ERREUR SUR 7000KM DANS UNE BOUCLE A RECIRCULATION.
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Ce mémoire est consacré à la régénération 2R dans un système de transmission optique. Après une présentation de généralités sur les systèmes de transmission, la régénération est abordée. La nécessité de caractériser un régénérateur dans une liaison pour s'assurer de son efficacité est ensuite montrée.L'évolution du taux d'erreur binaire (TEB), quand le bruit d'amplitude limite la transmission, est déterminée grâce à l'étude d'une cascade de régénérateurs 3R.L'efficacité d'un régénérateur 2R composé d'un absorbant saturable suivi d'un amplificateur à semiconducteur est montrée dans une boucle à recirculation à 10 Gbit/s. Un facteur d'amélioration de la distance de 9,5 pour un TEB de 10-8 est obtenu. Le dispositif, efficace sur une bande de 13 nm, est prometteur pour une application WDM.De manière plus générale, l'étude du pas de régénération, dans une boucle à pas variable, révèle qu'il existe un pas optimal pour le meilleur compromis entre gigue temporelle et bruit d'amplitude.
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La détection optique cohérente et le traitement numérique du signal sont au coeur de la nouvelle génération de systèmes de transmission sur fibre. Ces systèmes utilisent des formats de modulation à grande efficacité spectrale et sont très robustes à la propagation sur le canal de transmission optique. Ils offrent ainsi aux opérateurs de télécommunications la possibilité de décupler la capacité de leurs réseaux de transport tout en conservant leurs infrastructures fibre existantes. Cette thèse développe différentes problématiques relatives à la conception de fonctions numériques pour les récepteurs optiques à détection cohérente fonctionnant aux débits de 100 Gbit/s et au-delà. Elle aborde les aspects de complexité calculatoire de l'égalisation numérique du canal optique, puis évalue l'apport des techniques dans le domaine fréquentiel en vue de rendre les traitements compatibles avec les contraintes matérielles de la mise en oeuvre à très haut débit. Le second point étudié concerne les difficultés potentielles de l'utilisation du multiplexage en polarisation. La dernière partie de la thèse traite de l'étude conjointe des fonctions d'égalisation et de synchronisation porteuse et phase pour l'application aux formats de modulation à très grande efficacité spectrale.
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POUR REPONDRE A LA DEMANDE DE CAPACITE DANS LES SYSTEMES DE TELECOMMUNICATIONS PAR FIBRES OPTIQUES, LA TECHNIQUE DU MULTIPLEXAGE EN LONGUEUR D'ONDE (WDM) S'EST RECEMMENT IMPOSEE DE FACON INCONTOURNABLE. ELLE PERMET EN EFFET UNE AUGMENTATION SUBSTANTIELLE DE LA CAPACITE TOTALE DES SYSTEMES SANS CONTRAINDRE L'ELECTRONIQUE DES TERMINAUX. UN DES AVANTAGES PRINCIPAUX DU CODAGE PAR SOLITONS PAR RAPPORT AU CODAGE CLASSIQUE NRZ EST LA POSSIBILITE DE TRANSMETTRE SUR DE TRES LONGUES DISTANCES DES SIGNAUX WDM A DES DEBITS DE LIGNE PLUS ELEVES (10-40 GBIT/S) AVEC DES ESPACEMENTS ENTRE AMPLIFICATEURS PLUS IMPORTANTS (60-200 KM). CEPENDANT, DEUX INCONVENIENTS LIES AUX DISTANCES DE PROPAGATION IMPORTANTES, I.E. LA GIGUE DE GORDON-HAUS ET LA GIGUE DE COLLISIONS, NECESSITENT DE CONTROLER LE SIGNAL OPTIQUE DANS LES DOMAINES FREQUENTIEL ET TEMPOREL. UNE DE CES TECHNIQUES DE CONTROLE EST LA REGENERATION 3R BASEE SUR LA MODULATION SYNCHRONE (D'INTENSITE ET/OU DE PHASE) EN LIGNE ASSOCIEE AU FILTRAGE SPECTRAL DU TRAIN DE DONNEES. SON EFFICACITE A ETE DEMONTREE AU TRAVERS DE PROPAGATION SUR DES DISTANCES QUASI-ILLIMITEES. L'OBJECTIF PRINCIPAL DE CETTE THESE EST D'EXPLORER LES PERFORMANCES ULTIMES AUTORISEES PAR L'ASSOCIATION DE LA REGENERATION 3R ET DE LA PROPAGATION MULTICANALE (WDM). NOUS PROPOSONS ET ETUDIONS UNE NOUVELLE TECHNIQUE VISANT A REGENERER SIMULTANEMENT DES CANAUX WDM AU SEIN D'UN MEME MODULATEUR PLACE PERIODIQUEMENT LE LONG DE LA LIGNE. DEUX TRANSMISSIONS A 220 GBIT/S UTILISANT CE PRINCIPE SONT DEMONTREES EXPERIMENTALEMENT. NOUS AVONS AUSSI PORTE NOS EFFORTS SUR LA DEFINITION ET LA REALISATION D'UN MODULATEUR (MACH-ZEHNDER INP), CE QUI REPRESENTE UNE ETAPE INEVITABLE DANS LA PREPARATION DE L'EVOLUTION INDUSTRIELLE DE LA TECHNIQUE. CE TRAVAIL DE THESE CORRESPOND AUSSI A LA PERIODE EXPLORATOIRE DE L'APPROCHE NOVATRICE DE LA REGENERATION 3R SOLITON, D'OU SA DIVERSITE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE. IL REPRESENTE UNE CONTRIBUTION IMPORTANTE A L'ANALYSE DES POSSIBILITES DE LA REGENERATION PAR MODULATION SYNCHRONE DANS DES CONFIGURATIONS DE SYSTEMES MONOCANAUX ET WDM A POTENTIEL INDUSTRIEL. L'OBJECTIF ULTIME DE NOTRE ETUDE EST D'OUVRIR LA VOIE POUR DES DEMONSTRATIONS EXPERIMENTALES D'ENVERGURE METTANT RAPIDEMENT EN VALEUR L'APPROCHE REGENERATION AVEC DES COMPOSANTS INDUSTRIELS DEJA PRE-DEVELOPPES.
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Depuis l'avènement en Perse, il y a 2500 ans, du service postal, la capacité à transmettre un maximum d'information sur une longue distance et en un minimum de temps s'avère être une des quêtes de l'Homme. Aujourd'hui, les moyens de télécommunications modernes font partie de notre quotidien et nous permettent de partager quasi-instantanément de la voix, de l'image ou du texte avec un interlocuteur situé à des milliers de kilomètres. Le cadre général dans lequel s'insère ce manuscrit de thèse est celui de l'étude de la couche physique des télécommunications, mais de façon plus précise, celui de la recherche d'outils de traitement tout-optique de l'information destinés particulièrement aux futurs systèmes de transmission à très haut débit. En effet, de nombreuses recherches ces dernières années ont montré la variété d'applications possibles à partir de l'amplification paramétrique, une nouvelle technique d'amplification sur fibre optique offrant une très grande bande passante. Nous présentons dans ce manuscrit une étude théorique des amplificateurs paramétriques utilisant deux lasers de pompe. Nous analyserons également le bruit et la distorsion des signaux de télécommunications apportés par la modulation de phase des pompes, requise pour supprimer la rétro-diffusion Brillouin stimulée dans toute fibre optique. Nous donnerons la démonstration théorique que deux ondes pompes modulées en opposition de phase annulent toute distorsion des signaux. Nous présenterons également une mise en oeuvre expérimentale d'un amplificateur paramétrique optique, intégrant un nouveau modulateur de phase double réalisé en partenariat avec la société Photline Technologies. Celui-ci nous a permis de démontrer une qualité d'amplification optique ainsi qu'une conversion de longueur d'onde quasi-transparente. La troisième partie présente ce qui constitue, à notre connaissance, la première mesure distribuée du gain paramétrique le long de la fibre optique servant de milieu amplificateur. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'Ecole Fédérale Polytechnique de Lausanne (EPFL), en Suisse. Ils sont basés sur l'analyse Brillouin dans le domaine temporel. La quatrième et dernière partie de ce manuscrit relate une étude théorique et numérique d'une boucle à réplication d'impulsion laser intégrant un amplificateur paramétrique. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d'un contrat avec le Commissariat à l'Energie Atomique (CEA). L'originalité de cette étude réside dans l'exploitation des amplificateurs paramétriques dans la fenêtre de longueurs d'ondes autour de 1 ~m en utilisant des fibres à cristal photonique.
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LES SYSTEMES ETDM DE TRANSMISSION SUR FIBRE OPTIQUE A 10 GBIT/S SONT DEVENUS AUJOURD'HUI UNE REALITE COMMERCIALE. MAIS LA DEMANDE EN DEBIT NE CESSE DE CROITRE AVEC L'APPARITION DE NOUVEAUX SERVICES TELS QUE LE COURRIER ELECTRONIQUE, INTERNET, LA VISIOCONFERENCE OU ENCORE LE TELETRAVAIL. LES EQUIPES DE RECHERCHE TRAVAILLENT D'ORES ET DEJA SUR DES SYSTEMES ETDM A 40 GBIT/S. LA MISE EN PLACE DES FUTURES LIAISONS HAUT DEBIT NECESSITE LA REALISATION DE MODULES ELECTRONIQUES RAPIDES. BIEN QUE LA DISPONIBILITE DE COMPOSANTS PERFORMANTS SOIT UNE CONDITION NECESSAIRE POUR LA REALISATION DE TELS MODULES, LES METHODOLOGIES DE CONCEPTION DOIVENT ETRE READAPTEES POUR OBTENIR DES PERFORMANCES OPTIMALES. LES METHODES DE CONCEPTION CLASSIQUES QUI INCLUENT SEULEMENT L'OPTIMISATION DES VALEURS DES RESISTANCES D'UN CIRCUIT (ET DONC LES POINTS DE FONCTIONNEMENT DES TRANSISTORS ET LE NIVEAU DES AMPLITUDES DES TENSIONS), DOIVENT EVOLUER VERS DES METHODES D'OPTIMISATION PLUS GLOBALES, SIMILAIRES A CELLES UTILISEES EN CONCEPTION MMIC. CELLES-CI DOIVENT TENIR COMPTE DE TOUS LES PARAMETRES DE CONCEPTION, DEPUIS L'ARCHITECTURE DU CIRCUIT JUSQU'A SA MISE EN BOITIER. EN EFFET, A DES DEBITS DE FONCTIONNEMENT ELEVES, IL EST NECESSAIRE D'ANALYSER LE COMPORTEMENT DU CIRCUIT LE PLUS FINEMENT POSSIBLE POUR EXPLOITER TOUT LE POTENTIEL D'UNE TECHNOLOGIE DONNEE, ET CELA EN TENANT COMPTE DES PARASITES DUS A L'ENVIRONNEMENT DANS LEQUEL IL SERA PLACE. LES TRAVAUX QUE NOUS AVONS MENES ONT ABOUTI A LA MISE EN PLACE D'UNE METHODOLOGIE DE CONCEPTION DE CIRCUITS BIPOLAIRES RAPIDES POUR TRANSMISSION SUR FIBRE OPTIQUE. CETTE METHODOLOGIE A ETE VALIDEE PAR PLUSIEURS REALISATIONS DE CIRCUITS. UN RECEPTEUR ETDM FONCTIONNANT A 2,5 GBIT/S A ETE REALISE EN TECHNOLOGIE BICMOS. CE RECEPTEUR EST CONSTITUE D'UN AMPLIFICATEUR LIMITEUR, D'UN CIRCUIT DE REGENERATION D'HORLOGE ET DE DONNEES ET UN DEMULTIPLEXEUR 4 VOIES. DES CIRCUITS FONCTIONNANT A DES DEBITS ALLANT JUSQU'A 40 GBIT/S, TELS QUE LE MULTIPLEXEUR ET LE DEMULTIPLEXEUR 2 VOIES ONT AUSSI ETE REALISE EN TECHNOLOGIE TRANSISTORS BIPOLAIRE A DOUBLE HETEROJONCTION SUR INP DEVELOPPEE AU CNET-BAGNEUX. CERTAINS DE CES CIRCUITS SONT AU NIVEAU DE L'ETAT DE L'ART TEL QUE LE CIRCUIT DE COMMANDE DE MODULATEUR OPTIQUE, DELIVRANT UNE TENSION DE 2,2 V A UN DEBIT DE 30 GBIT/S.
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Dans le contexte de la Radio sur Fibre, on cherche à densifier la fourniture de débits pouvant atteindre 2 Gb/s. A l'heure actuelle, la bande de fréquences 3.1-10.6 GHz est largement exploitée en termes d'études et de recherche, avec des débits pouvant atteindre 500 Mb/s. Une saturation de cette bande pourrait apparaître à l'avenir et la norme européenne ne permet pas d’utiliser l’intégralité de la bande ULB. Pour ces raisons, des bandes de fréquences sont ouvertes pour de telles applications vers 26 GHz et 60 GHz. Cette dernière bande intéressante a fait l'objet de nombreux travaux de recherche sur la conception de circuits en bande millimétrique, mais elle reste ouverte aux études sur la propagation de signaux ULB à de telles fréquences. L’objectif de cette recherche est d’étudier les architectures des systèmes de transmission des signaux ULB en bande millimétrique pour les nouvelles générations des systèmes communicants. Deux architectures de systèmes de transmission ULB type MB-OFDM en bande millimétrique avec lien optique sont proposées et simulées à l’aide d’un logiciel optoélectronique.Comportant une station centrale et une station de base, nous pouvons envoyer simultanément les signaux de données et la porteuse RF sur une fibre optique grâce à la technique de multiplexage en longueur d’onde; la modulation et la transposition du signal RF à 60 GHz sont ensuite effectuées au niveau de la station de base. L’architecture complète a été validée expérimentalement en effectuant une transmission des signaux ULB-OFDM en modulation QPSK avec des débits de 200 à 480 Mb/s. Une rétro simulation a permis d’obtenir des caractéristiques très proches des résultats expérime?????
Author: Anh Ho-Quoc Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 194
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NOUS ETUDIONS LE COMPORTEMENT MICROONDES DES DISPOSITIFS TOUT-OPTIQUES A LIGNES A RETARD POUR DES APPLICATIONS DE TRAITEMENT DU SIGNAL EN TRES HAUTE FREQUENCE, PLUS PARTICULIEREMENT POUR LE FILTRAGE FREQUENTIEL MICROONDES. LE FONCTIONNEMENT DE CES DISPOSITIFS DANS LES DEUX REGIMES INCOHERENT ET COHERENT EST DECRIT. DANS LE REGIME INCOHERENT, NOUS CARACTERISONS LES COMPOSANTS OPTIQUES PAR UN JEU DE PARAMETRES S OPTOELECTRONIQUES. UNE NOUVELLE PROCEDURE DE MESURE ET DE CALIBRAGE EST PROPOSEE PERMETTANT D'AMELIORER LA PRECISION DE MESURE DE CES PARAMETRES. L'APPLICATION DES STRUCTURES OPTIQUES TELLES QUE L'INTERFEROMETRE MACH-ZEHNDER ASYMETRIQUE ET LE RESONATEUR EN ANNEAU POUR LE FILTRAGE RF EST DEMONTREE. LA POSSIBILITE DE REALISER DES STRUCTURES OPTIQUES COMPLEXES DANS LE REGIME INCOHERENT EST DISCUTEE. LE COMPORTEMENT MICROONDES DANS LE REGIME COHERENT EST ETUDIE A L'AIDE D'UN NOUVEAU CONCEPT DES PARAMETRES S OPTIQUES SOUS FORME DES VECTEURS DE JONES. NOUS MONTRONS LES EFFETS DE L'INTERFERENCE OPTIQUE SUR LA REPONSE FREQUENTIELLE MICROONDES. CES EFFETS PEUVENT ETRE EXPLOITES AVANTAGEUSEMENT POUR REALISER DES FONCTIONS DE FILTRAGE CONTROLABLES. LA REALISATION DE DEUX PROTOTYPES DE L'INTERFEROMETRE MACH-ZEHNDER EN OPTIQUE INTEGREE SUR VERRE COMME FILTRES DE REJECTION DE FREQUENCE DANS LA GAMME 1,5-15 GHZ EST PRESENTEE. UNE PROFONDEUR DE REJECTION DEPASSANT 20 DB OPTIQUE (40 DB ELECTRIQUE) EST OBTENUE A 1,5 GHZ. NOUS DEVELOPPONS EGALEMENT UN DIVISEUR 1X2 DE PUISSANCE OPTIQUE INTEGRE SUR VERRE. LE TAUX DE DIVISION DU SIGNAL EST CONTROLABLE VIA L'EFFET THERMO-OPTIQUE. UN TAUX D'EXTINCTION DE 13 DB EST OBTENU POUR UNE PUISSANCE ELECTRIQUE DE CONTROLE DE 670 MW. CE COMPOSANT DE BASE EST NECESSAIRE POUR LE DEVELOPPEMENT DES DISPOSITIFS A LIGNES A RETARD ELABORES
Author: Frédéric Seguineau
Author: Frédéric Seguineau
Author: SEBASTIEN.. BIGO
Author: Mathilde Gay
Author: Omid Zia-Chahabi
Author: Olivier Leclerc
Author: Mehrdad Mirshafiei
Author: Armand Vedadi
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Author: Anh Ho-Quoc