Dual Electroabsorption Modulated Laser

Le travail de thèse effectué au sein du laboratoire de Traitement de l’Information et des Communication a bénéficié d’un financement régional dans le cadre du projet CARRIOCAS (CAlcul Réparti sur Réseau Internet Optique à CApacité Surmultipliée) du pôle de compétitivité d’Île-de-France System@tic.

Le but du réseau CARRIOCAS est de relier les utilisateurs de logiciels de simulation de grande capacité, avec les centres de calculs et les lieux de stockage des données. Pour cela, des liaisons optiques de 10 Gbit/s et 40 Gbit/s ont été dédiées lors de la conception du projet en 2005 [1].

Le réseau est déployé sur quatre points de présence POP. Deux liaisons optiques véhiculant chacun une longueur d’onde à 40 Gb/s ont été déployés depuis juin 2008. Le premier entre Clamart dans les Hauts de Seine (centre R&D de EDF) et Saclay en Essonne (Institut de Recherches sur les Lois Fondamentales de l’Univers – l’IRFU – du CEA). Le second entre Saclay et Bruyères-le-Châtel (en Essonne) avec le centre de calcul Ter@tec qui héberge les supercalculateurs du CEA. Le site d’Orsay (91) avec le Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire (LAL) de l’Université Paris-Sud / CNRS est de son côté relié à Clamart et à Bruyères le Châtel via 4 longueurs d’onde à 10 Gb/s.

Les systèmes de communications sont constitués, pour des transmissions optiques point-à-point de 10 Gb/s et 40 Gb/s, d’un ensemble de composants émetteurs/récepteurs basés suivant certains protocoles de codage de l’information, de répéteurs en ligne, et du media de propagation des signaux.

Notre étude se situe au niveau de la couche physique d’un modèle classique du système de transmission optique terrestre d’un réseau métropolitain. Notre souci est en premier lieu d’intégrer un composant, le laser modulateur intégré (Electroabsorption Modulated Laser) du laboratoire industriel de composants optoélectroniques, le III-V Lab d’Alcatel-Lucent, dans le système brièvement décrit cidessus. Et ceci dans l’optique d’en diminuer la complexité par l’utilisation d’une technique de prédistorsion apportée par la modulation du laser de ce composant.

L’arrivée dans le marché des télécoms de nouvelles sources optiques telles que les lasers à modulation directes a permis de réaliser des records en distance transmission à 10 Gbit/s et 40 Gbit/s, mais ces composants sont complexes à fabriquer et très sensibles à la température. Le III-V Lab se place alors dans un objectif de réaliser des composants bas-coût et simple de fabrication pour d’une part répondre aux besoins en débit du projet CARRIOCAS, mais aussi dans une stratégie de réseaux d’accès. Les EML fabriqués au III-V Lab sont donc de très bons candidats puisqu’ils offrent de larges bandes passantes et sont peu sensibles à la température.

Les distances de transmission étant limités par des phénomènes physiques intrinsèques aux fibres optiques, le but de ce travail de thèse est de développer un schéma de fonctionnement des EML pouvant dépasser les limites fixées par la dispersion chromatique des fibres optiques et ses effets nonlinéaires, principe qui a été démontré dans la littérature avec un laser et un modulateur discret [2] mais jamais avec un composant intégré offrant la possibilité d’être facilement inséré dans les transpondeurs optiques. Pour cela nous débutons ce manuscrit par une introduction des contraintes des systèmes de transmission sur fibres optiques. Nous présentons en effet, dans ce chapitre d’introduction, le fonctionnement classique d’une liaison sur fibre optique lorsque l’émetteur est utilisé de manière conventionnelle avec la description des éléments constituant une telle liaison ainsi que les phénomènes physiques liés à une transmissions sur fibre optique standard. Nous utiliserons pour cela les critères d’évaluations de performances dédiés aux transmissions optiques, ceux-ci seront également définis au préalable.

Ensuite nous étudions le composant pour comprendre au mieux son fonctionnement non seulement fonctionnel mais aussi physique pour pouvoir revenir vers les concepteurs et optimiser les composants de prochaines générations. Le chapitre suivant constitue le travail en amont d’une intégration du composant dans un système haut-débit car il faut qualifier les performances statiques et dynamiques du composant avant de l’utiliser dans des liaisons expérimentales. Le quatrième chapitre constitue l’axe majeur de recherche de cette thèse car il met en évidence le principe de la compensation de dispersion utilisé pour incrémenter les distances de transmission usuelles de 100 km à 160 km avec cette technique. La technique est basée sur une pré-compensation de la dispersion chromatique en appliquant une modulation sur le laser de l’EML, laser qui est dédié traditionnellement à la génération de la porteuse optique qui est ensuite modulée par le modulateur à électro-absorption. Pour cette raison nous avons nommé ce nouveau composant, le Dual-Electroabsorption Modulated Laser ou DEML, car on module à la fois le modulateur et la laser. Enfin le dernier chapitre est dédiée à une autre application de la modulation duale pour les transmissions radio-sur-fibre RoF qui repose sur l’extinction d’une raie de modulation optique après avoir été excité par un signal CW et générant ainsi un signal à bande latérale unique Single Side Band. Ce format de modulation permet de transporter des signaux I-Q très haut-débit et sur des distances de plus de 100 km.

Les composants étudiés et caractérisés dans cette thèse sont dédiés à des moyennes et courtes distances comme pour le projet CARRIOCAS décrit en introduction. L’objectif également est de pouvoir utiliser ces composants sur un maximum de distance sans utiliser de remise en forme du signal qui est très coûteuse dans un système. Dans ce contexte, les caractéristiques de la fibre optique qui sera le support de transmission seront de grande importance car les interactions avec les signaux issus des EML à modulation duale seront la base du principe de compensation de dispersion par le composant lui-même.

Les signaux se propageant dans les fibres optiques et subissant des déformations seront exposés. Les éléments constituant un lien de transmission sont présentés en évaluant leur impact sur le procédé de modulation du laser et du modulateur simultanément.

Enfin les critères d’évaluation de la qualité de transmission qui permettront surtout de caractériser l’amélioration apportée par les D-EML sur des liaisons classiques de type NRZ à 10 Gbit/s sont présentés pour une meilleure compréhension des expériences réalisées en laboratoire.

Dans le réseau de télécommunication mondial basé sur des liaisons optiques terrestres et sous marines de plusieurs milliers de kilomètres de distances et interconnectés par des nœuds de grande capacité sur chaque continent, on utilise une technique de multiplexage en longueur d’onde (Wavelength Division Multiplexing). Les réseaux métropolitains forment un maillage au niveau continental en se basant également sur une transmission de plusieurs canaux de données multiplexés en longueur d’onde et se propageant dans une même fibre optique, en général entre 1530 nm et 1560 nm pour des systèmes WDM.

Intéressons-nous aux liaisons point-à-point de moyennes et courtes distances pour lesquelles sont dédiés les EML de par le format de modulation utilisé ainsi que par leurs spécificités de fonctionnement.  En effet, d’un point de vue global, les réseaux sont constitués de mécanismes complexes de routage, d’insertion et d’extraction de longueurs d’onde et de gestion du trafic, ce qui concerne les traitements de l’information en amont de la modulation de notre composant et en aval de la démodulation du signal transmis sur fibre. La qualité du signal reçu est donc étroitement liée aux performances du modulateur optoélectronique, à celles de la réception et surtout aux dégradations subies par le signal lors de sa propagation sur fibre.