Par conséquent, des procédures de mesure et de caractérisation des dispositifs et sous-systèmes optiques DWDM, ainsi que des analyses des paramètres de fonctionnement du réseau optique, sont nécessaires pour garantir la qualité de service attendue par l'utilisateur. Cet article analysera les principaux paramètres et procédures de mesure des dispositifs optiques DWDM, tandis qu'un article ultérieur traitera de l'analyse des paramètres de fonctionnement et des principaux équipements de mesure des réseaux optiques DWDM.
Mesures de test sur les appareils DWDM
Lors de l'analyse de la qualité des composants optiques, que ce soit pour la R&D, les lignes de production ou la maintenance, des tests de mesure complets et rigoureux sont essentiels. Par conséquent, les ingénieurs de conception et de produit doivent posséder une connaissance approfondie des processus de mesure des principaux paramètres optiques des composants, ainsi que de l'interprétation des résultats. Les principaux paramètres optiques mesurables dans un dispositif DWDM seront brièvement présentés ci-dessous.
Pertes d'insertion
Comme pour tout appareil électronique, l'affaiblissement d'insertion correspond à la différence entre la puissance (optique, dans ce cas) entrant dans l'appareil et la puissance sortant de celui-ci. Idéalement, cette valeur doit être minimale. Elle est définie pour une longueur d'onde spécifique du signal optique. Par conséquent, dans le cas des dispositifs DWDM, il est nécessaire de spécifier cette valeur pour toutes les longueurs d'onde des canaux de fonctionnement. Il est important de noter que l'affaiblissement d'insertion est défini pour les dispositifs DWDM passifs tels que les filtres, les coupleurs ou les multiplexeurs, tandis que pour les dispositifs actifs, tels que les amplificateurs optiques, c'est le gain (son inverse) qui est défini.
Le fabricant fournit généralement un graphique des pertes du dispositif en fonction de la longueur d'onde du signal optique pour toute la bande passante d'utilisation prévue. Ce graphique spécifie les longueurs d'onde des canaux DWDM selon la grille de l'UIT (Union internationale des télécommunications), ainsi que leur tolérance admissible due aux variations de la longueur d'onde de l'émetteur. La meilleure façon de définir l'affaiblissement d'insertion est alors de se référer à la perte maximale (cas le plus défavorable) au sein du canal UIT concerné. Par exemple, la figure 1 illustre ces paramètres pour un filtre de canal DWDM. Enfin, lors de la spécification de l'affaiblissement d'insertion, il est important de savoir si le dispositif a été mesuré avec ou sans connecteurs.
Bouclé
Comme illustré sur la figure 1, la bande passante d'un dispositif DWDM n'est pas parfaitement plate. La valeur de l'affaiblissement d'insertion reflète les pertes du dispositif à une longueur d'onde donnée, mais ne fournit aucune information sur la variation de ces pertes sur l'ensemble de la bande passante ou du canal ITU. C'est pourquoi le paramètre d'ondulation a été défini pour caractériser cette variation en fonction de la longueur d'onde. L'ondulation est définie comme la différence entre l'affaiblissement d'insertion maximal et minimal sur la bande passante, comme indiqué sur la figure 1. La connaissance de la valeur de l'ondulation permet d'estimer les variations potentielles de la puissance optique transmise et de vérifier si le dispositif répond à ses spécifications. Dans la plupart des dispositifs, des valeurs d'ondulation élevées sont inacceptables.
Un autre paramètre directement lié est la pente d'ondulation maximale. Dans ce cas, elle correspond à la variation de puissance du canal due à de faibles variations de la longueur d'onde de l'émetteur. Elle est exprimée en dB/nm et sa valeur peut rendre un appareil inutilisable, même avec de faibles pertes d'insertion et d'ondulation.
Bande passante
La bande passante d'un dispositif optique, comme celle de tout composant électronique, est définie comme la largeur spectrale pour laquelle la réponse du dispositif dépasse une certaine valeur (généralement -3 dBm de sa valeur maximale ou FWHM, voir figure 1). Pour définir la bande passante, il est essentiel de spécifier ce seuil, les valeurs typiques étant de 0,5, 1, 3 ou 20 dB en dessous du maximum. La bande passante d'un dispositif remplit deux fonctions. Premièrement, elle identifie la plage spectrale où le dispositif présente des pertes acceptables (autour de 0,5 ou 1 dB), c'est-à-dire ce que l'on appelle la bande passante d'un multiplexeur, par exemple. Deuxièmement, elle définit la sélectivité ou l'atténuation d'un filtre, par exemple. Dans ce cas, la valeur de la bande passante à -20 dB est utilisée. Ainsi, un filtre rectangulaire idéal aura des valeurs de bande passante identiques à -0,5, -3 et -20 dB. Les fabricants commencent à utiliser un nouveau paramètre appelé facteur de mérite (FOM) pour décrire la forme de la réponse d'un filtre. Ce paramètre est défini comme suit :
FOM = bande passante à -3 dB
Bande passante à -20 dB
Idéalement, le FOM sera égal à 1, et en général, les filtres d'ordre supérieur auront une bande de transition plus abrupte et une valeur de FOM plus proche de l'unité.
longueur d'onde centrale
La longueur d'onde centrale est couramment utilisée pour décrire un canal de multiplexeur et est définie comme le point médian entre les longueurs d'onde de coupure supérieure et inférieure de la bande passante (celles pour lesquelles les pertes augmentent de 3 dB). Elle ne coïncide pas nécessairement avec la longueur d'onde de crête (longueur d'onde de pertes minimales). Cependant, pour un dispositif à réponse parfaitement symétrique, les deux longueurs d'onde coïncident. La longueur d'onde centrale est généralement calculée comme le point médian entre les longueurs d'onde pour lesquelles on obtient des pertes de 3 dB.
Directement liée à ce paramètre, la longueur d'onde nominale correspond à la longueur d'onde de fonctionnement du dispositif et se trouve généralement sur la grille ITU. L'émetteur optique fonctionnera à proximité de cette longueur d'onde, à une certaine tolérance près ; il s'agit donc d'un autre paramètre important à mesurer pour les émetteurs laser destinés aux systèmes DWDM. La longueur d'onde de sortie des lasers est sujette à une dérive thermique qui doit être rigoureusement contrôlée (voir CONECtrónica n° 40, p. 14-16).
pertes de retour optiques
Lorsqu'on injecte de la lumière dans un composant optique, la majeure partie de la puissance optique est transmise, mais une petite fraction est absorbée ou réfléchie. La puissance optique réfléchie est un phénomène indésirable pour plusieurs raisons. Premièrement, elle contribue à l'augmentation des pertes. Deuxièmement, les émetteurs laser pour DWDM sont très sensibles à la lumière réfléchie, car les réflexions indésirables peuvent dégrader la stabilité du laser ou le rapport signal/bruit du système. Dans certains cas, les réflexions peuvent même endommager le dispositif lui-même. De plus, la lumière réfléchie peut être renvoyée, se combiner au signal d'origine et provoquer des interférences multitrajets qui entraînent des problèmes de démodulation. Enfin, les réflexions au sein d'un EDFA, en particulier aux extrémités opposées du bloc de gain, contribuent à aggraver le niveau de bruit de l'amplificateur.
Dans les systèmes à fibres optiques, les réflexions sont dues à la diffusion Rayleigh et aux réflexions de Fresnel. La diffusion Rayleigh se produit au sein des fibres optiques en raison des interactions entre les ondes lumineuses et les molécules du cristal. L'intensité de cette diffusion dépend de la longueur d'onde du signal et de la composition du cristal. Les valeurs typiques sont de l'ordre de -70 dB/m. Les réflexions de Fresnel, quant à elles, se produisent en des points discrets où apparaissent des discontinuités, comme à l'intérieur des connecteurs ou des adaptateurs. Ces réflexions résultent d'entrefers, de défauts d'alignement ou de variations de l'indice de réfraction.
La perte de retour est exprimée en dB positifs, car elle correspond à l'atténuation de l'onde réfléchie par rapport à l'onde incidente (puissance incidente divisée par la puissance réfléchie), tandis que les réflexions sont quantifiées par une valeur en dB négative (puissance réfléchie divisée par la puissance incidente). Des valeurs élevées de perte de retour sont généralement souhaitables, bien que certains dispositifs présentent l'inverse, la réflexion étant alors le phénomène recherché. Les réseaux de Bragg et les miroirs en sont des exemples. Le montage expérimental de mesure de la perte de retour optique est relativement simple et est présenté sur la figure 2. Le photodétecteur mesure directement la puissance optique réfléchie par le dispositif testé (DUT). Cependant, un étalonnage préalable du système à l'aide d'un DUT de valeur connue est nécessaire.
Dans les dispositifs DWDM, la perte de retour doit être mesurée pour toutes les longueurs d'onde d'intérêt. Deux méthodes sont possibles : l'utilisation d'une source optique accordable ou d'une source ASE (émission spontanée amplifiée) à large bande. Dans le cas d'un multiplexeur, les mesures doivent être effectuées à chaque entrée, ce qui rend l'automatisation du processus difficile pour les dispositifs comportant un grand nombre de canaux.
Directivité
Le paramètre de directivité d'un dispositif photonique multi-entrées mesure l'isolation entre ses entrées. Ce paramètre est particulièrement important dans les multiplexeurs où, comme mentionné précédemment, les réflexions vers les émetteurs du système doivent être minimisées. Souvent, il suffit de mesurer la directivité pour quelques canaux seulement. Le montage est très similaire à celui présenté sur la figure 2. La seule différence réside dans le fait que la source optique est appliquée à l'une des entrées du multiplexeur, et que le récepteur optique mesure la puissance renvoyée par chacune des autres entrées. La directivité correspond donc à la différence, exprimée en dB, entre la puissance optique injectée et la puissance optique mesurée. Pour les dispositifs comportant un grand nombre de canaux, cette mesure est également difficile à automatiser.
Isolation des canaux et diaphonie
Ces paramètres de mesure sont assez typiques des multiplexeurs DWDM et des filtres de canal. L'isolation désigne la réduction de la puissance d'un canal donné par rapport à un autre. La figure 3 représente schématiquement le paramètre d'isolation dans les dispositifs DWDM. La diaphonie, quant à elle, est définie de manière similaire, mais elle désigne la réduction de la puissance de tous les autres canaux par rapport à un canal donné.
Effets dépendants de la polarisation
Comme indiqué précédemment (voir CONECtrónica n° 48), il est pratiquement impossible de contrôler l'état de polarisation d'un signal circulant dans un réseau de fibres optiques. Ce constat, associé au fait que de nombreux composants photoniques présentent des caractéristiques dépendantes de l'état de polarisation du signal d'entrée, impose de mesurer la dépendance à la polarisation de certains paramètres du dispositif afin de garantir un fonctionnement fiable. Les principaux paramètres dépendants de la polarisation sont l'affaiblissement d'insertion, la bande passante et la longueur d'onde centrale. Chacun de ces paramètres doit être mesuré pour différents états de polarisation à l'aide d'un contrôleur de polarisation. Idéalement, il faudrait effectuer ces mesures pour tous les états de polarisation possibles ; en pratique, quelques cas aléatoires suffisent.
Les principales mesures généralement effectuées sont les pertes dépendantes de la polarisation et les pertes en fonction de la longueur d'onde. Les premières correspondent à la variation des pertes du dispositif pour différents états de polarisation. Ajoutées aux pertes d'insertion, elles donnent la perte maximale d'un composant à une longueur d'onde donnée (généralement la longueur d'onde de fonctionnement nominale). Selon le dispositif, les pertes dépendantes de la polarisation peuvent être mesurées sur une plage spectrale spécifique.
Les dispositifs sont généralement conçus pour présenter de faibles pertes dépendantes de la polarisation. Il existe cependant quelques exceptions, comme les polariseurs. De manière générale, ces pertes sont minimales dans la bande passante et plus élevées aux extrémités et dans la bande d'arrêt. Certains fabricants effectuent des mesures uniquement au centre du canal et aux extrémités de la bande passante. Des valeurs inférieures à 0,1 dB dans cette zone sont satisfaisantes pour la plupart des applications.
D'autres paramètres de mesure liés à la polarisation sont la bande passante et la longueur d'onde centrale dépendantes de la polarisation. Ces deux paramètres décrivent les variations de la réponse spectrale du dispositif dues aux changements de polarisation du signal d'entrée et peuvent être mesurés simultanément. Une technique de mesure consiste à mesurer l'affaiblissement d'insertion et les pertes dépendantes de la polarisation en fonction de la longueur d'onde du signal, puis à les représenter graphiquement. L'enveloppe de ce graphique reflète les valeurs de pertes possibles pour différents états de polarisation, ce qui permet d'en déduire les variations de bande passante et de longueur d'onde centrale dans les cas les plus défavorables. Enfin, une autre méthode de mesure consiste à utiliser un analyseur de spectre optique pour effectuer différents balayages correspondant à plusieurs états de polarisation distincts.
Mesure de la réponse spectrale d'un dispositif
Comme expliqué précédemment, la détermination de nombreux paramètres des dispositifs photoniques DWDM nécessite la mesure de la réponse spectrale du dispositif pour chaque canal optique. Plusieurs configurations expérimentales sont possibles pour cette mesure ; nous les détaillerons ci-dessous. Le choix de la configuration dépend de facteurs tels que la résolution spectrale, la gamme dynamique et le nombre de canaux DWDM à mesurer.
La première configuration utilise une source ASE à large bande qui génère une distribution de puissance sur toute la plage du canal DWDM. Cette source est connectée au dispositif testé (DUT), et la réponse de ce dernier est mesurée à l'aide d'un analyseur de spectre optique. Cet analyseur est préalablement étalonné en mesurant le spectre de sortie de la source ASE. Le montage expérimental est illustré sur la figure 4. La principale limitation de cette technique réside dans le fait que la résolution de mesure est déterminée par la bande passante de résolution de l'analyseur, généralement de l'ordre de 0,05 nm.
Pour améliorer la résolution de mesure, essentielle pour certains dispositifs DWDM, la source ASE est souvent remplacée par un laser accordable à largeur de raie réduite. Dans ce cas, la résolution est déterminée par le pas d'accord du laser, atteignant des valeurs de 0,001 nm avec une excellente gamme dynamique. La mesure consiste à effectuer un balayage avec l'analyseur de spectre pour chaque pas d'accord du laser. Le principal inconvénient de cette technique est toutefois son temps de mesure plus long, notamment pour les dispositifs multicanaux.
Une autre solution consiste à utiliser un laser accordable et plusieurs wattmètres optiques multicanaux, comme illustré sur la figure 5, chacun mesurant plusieurs canaux DWDM du dispositif testé. Dans ce cas, la mesure est indépendante du nombre de canaux du dispositif, ce qui permet des mesures très rapides. La résolution de mesure est déterminée par la source laser, tandis que la plage dynamique est déterminée par le bruit d'émission spontanée de la source. Des valeurs de plage dynamique d'environ 60 dB peuvent être obtenues. Cette technique peut également être utilisée pour mesurer la perte de retour optique et les pertes dépendantes de la polarisation en modifiant légèrement le montage présenté sur la figure 5.
Enfin, pour accroître encore la vitesse de mesure, le laser accordable peut fonctionner en mode de balayage continu. La précision de la longueur d'onde est contrôlée par un instrument de référence, et un contrôleur de polarisation est généralement utilisé simultanément pour mesurer les paramètres dépendant de la polarisation. En pratique, cette dernière configuration est généralement privilégiée.
Auteur : Francisco Ramos Pascual. Docteur en ingénierie des télécommunications. Professeur à l’Université polytechnique de Valence.
