De nouveaux formats de modulation avancés ont récemment fait leur apparition dans le domaine des systèmes de communication optique. Plus précisément, l'utilisation de la modulation DPSK (modulation par déplacement de phase différentielle) a démontré son efficacité pour améliorer les performances des liaisons de communication optique longue distance. Comparée à la modulation d'intensité OOK (modulation par tout ou rien) traditionnelle, la modulation DPSK offre un gain de 3 dB en sensibilité de réception tout en étant plus tolérante aux effets non linéaires, notamment à la modulation par déplacement de phase dans les systèmes DWDM.
Bien que la modulation d'intensité NRZ (non-retour à zéro) soit une option économique, les distances de transmission plus importantes et les rendements spectraux améliorés offerts par les nouveaux formats de modulation permettront d'accroître la rentabilité des systèmes à l'avenir. Il convient notamment de souligner que la modulation DPSK constitue le principe fondamental permettant de doubler la capacité de transmission sans perte de puissance due à la dispersion chromatique ou à la dispersion modale de polarisation (PMD).

Architectures des modulateurs et démodulateurs DPSK.
Le signal DPSK, qui véhicule l'information grâce à la différence de phase entre symboles adjacents, peut être généré par différentes méthodes. Parmi les plus simples, on trouve l'utilisation d'un modulateur de phase polarisé à Vp, d'un modulateur Mach-Zehnder à deux bras en configuration push-pull avec deux amplificateurs, ou d'un modulateur Mach-Zehnder unique sans chirp polarisé à 2Vp pour obtenir un déphasage complet. Le principal inconvénient des techniques de modulation de phase directe est l'introduction d'un chirp. D'autres schémas d'émetteurs DPSK utilisent une architecture à deux modulateurs Mach-Zehnder en parallèle.
La figure 1 présente le schéma d'un modulateur DQPSK (modulation par déplacement de phase en quadrature différentielle). Les données sont codées sur la porteuse optique à l'aide de quatre états de phase distincts. Chaque symbole transmis contenant deux bits d'information, le débit de symboles est divisé par deux, ce qui permet une efficacité spectrale élevée. Le SHF 46213A est un modulateur parallèle qui convertit deux flux de données électriques (I et Q) jusqu'à 22 Gbit/s en un seul flux de données optiques jusqu'à 44 Gbit/s (22 GBaud). Les deux signaux de données électriques modulent la porteuse optique avec un déphasage de π/2 grâce à des modulateurs Mach-Zehnder sans chirp. Avant la recombinaison des deux flux optiques, la composante Q subit un déphasage supplémentaire de π/2 afin d'obtenir les quatre états de phase différents du signal transmis. Les canaux de données I et Q peuvent être activés ou désactivés indépendamment, permettant ainsi la génération de signaux DPSK ou DQPSK. Enfin, un troisième modulateur Mach-Zehnder met en forme les impulsions optiques de sortie pour sélectionner entre les signaux NRZ et RZ. À titre d'exemple, le diagramme de l'œil d'un signal RZ-DQPSK à 21,4 Gbit/s, capturé par un récepteur DPSK (SHF 47211A), est présenté sur la figure 2. La même société propose également une autre version d'un émetteur optique DQPSK (SHF 46214A) pouvant atteindre des débits de 100 Gbit/s, mais il s'agit alors d'un modulateur NRZ. Un autre exemple de modulateur est celui de la société COVEGA. Il s'agit d'un modulateur (D)QPSK basé sur deux interféromètres de Mach-Zehnder, permettant également la génération de signaux à bande latérale unique et porteuse supprimée (SSB-SC). L'aspect de ce dispositif est visible sur la figure 3.

De plus, l'utilisation de structures micro-annulaires résonantes a récemment été proposée pour la réalisation de modulateurs et démodulateurs DPSK. Jusqu'à présent, ces dispositifs étaient utilisés pour construire des modulateurs d'intensité, commutant la puissance optique de sortie entre les états « marche » et « arrêt » par décalage du pic de résonance de la cavité. Ce décalage peut être obtenu en faisant varier la densité de porteurs et, par conséquent, l'indice de réfraction de l'anneau, en appliquant une tension électrique spécifique ou en injectant des porteurs.

 

Le rayon de l'anneau est généralement de l'ordre du micron et le facteur de qualité de la cavité est d'environ 10 000. Le principe de fonctionnement est expliqué ci-dessous. Lorsque le pic de résonance se déplace, le signal optique continu peut subir un déphasage allant jusqu'à p radians dans la région centrale du profil de phase, comme illustré sur la figure 4. La seule précaution à prendre est que les deux états de phase fournissent la même puissance de sortie pendant toute la durée du bit, réalisant ainsi une modulation NRZ-DPSK. Dans tous les cas, des creux de puissance se produiront lors des transitions de bits en raison de la réponse résonante de la cavité, en plus des variations de fréquence dues aux changements de phase rapides. Heureusement, comme ces deux effets se produisent simultanément, le problème est minimisé.
Si l'objectif est de démoduler un signal DPSK, une structure très similaire à celle de la figure 5 peut être utilisée. La principale différence réside dans la présence d'un nouveau guide d'ondes positionné symétriquement par rapport au précédent. Dans ce cas, la structure résonante agit comme un filtre passe-bande, produisant deux types de signaux aux deux ports du dispositif :
DB (duobinaire) et AMI (inversion de marquage alterné). Ces deux signaux, DB et AMI, sont ensuite photodétectés individuellement et combinés électroniquement pour obtenir un détecteur équilibré pour les signaux DPSK. Les démodulateurs DPSK disponibles dans le commerce fonctionnent de manière similaire, bien que, dans ce cas, le démodulateur utilise généralement un interféromètre à ligne à retard.
Enfin, il convient de noter que Kylia a récemment lancé une nouvelle gamme de démodulateurs DPSK ultrarapides, dont l'actionneur piézoélectrique assure une constante de temps de 0,1 s pour compenser les variations très rapides de la fréquence du signal, contre 5 s pour les produits concurrents.

Convertisseurs de format.
À l'avenir, l'utilisation croissante de la modulation DPSK dans les réseaux optiques nécessitera la coexistence de différents formats de modulation, rendant courante la conversion des signaux entre eux. Cependant, avec l'augmentation des débits binaires, l'intérêt pour la réalisation de ces changements de format au sein du domaine optique s'accroît, évitant ainsi toute conversion ou démodulation optoélectronique. La recherche dans ce domaine s'est poursuivie ces dernières années et plusieurs architectures de convertisseurs de format de modulation ont été proposées.
Nous examinerons ci-dessous un exemple d'une telle architecture : un convertisseur OOK/DPSK tout optique en ligne, capable de traiter des signaux à haut débit.

L'architecture de ce convertisseur est illustrée à la figure 6 (C. Schmidt et al., ECOC'06). Son élément clé est une fibre hautement non linéaire (HNLF) de 630 m de long, de fonctionnement simple. Les impulsions de données OOK arrivant au convertisseur induisent des déphasages sur un train d'impulsions généré localement (LPT) à une longueur d'onde différente, obtenue à partir du signal d'horloge récupéré. Un niveau logique « 1 » dans le signal OOK produit un déphasage non linéaire de XPM. À la sortie, un filtre optique supprime la longueur d'onde d'entrée. Il est important de noter que ce convertisseur inverse la logique du signal ; un décodeur sera donc nécessaire à la réception. Le convertisseur a été testé avec succès dans les laboratoires HHI, utilisant des signaux RZ-OOK à 160 Gbit/s sur des liaisons fibre optique jusqu'à 320 km, ce qui laisse présager un avenir prometteur pour ce type d'architecture.

 

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Francisco Ramos Pascual. Docteur en ingénierie des télécommunications.
Professeur titulaire à l'Université polytechnique de Valence.