Les signaux optiques subissent de multiples dégradations lors de leur transmission, dues à des phénomènes tels que la dispersion chromatique, la dispersion modale de polarisation (PMD), les effets non linéaires et le bruit. Ces dégradations s'accentuent avec l'augmentation de la longueur de la fibre, du débit binaire et du nombre de canaux. Les réseaux optiques longue distance nécessitent donc des mécanismes de régénération du signal pour restaurer sa qualité et garantir une transmission fiable et sans erreur. À ce jour, la régénération du signal est réalisée électroniquement, c'est-à-dire par photodétection du signal comme étape préliminaire à la régénération et à la modulation ultérieure de la porteuse optique par un nouvel émetteur. Cependant, comparée aux convertisseurs optique-électrique-électrique, la technologie de régénération optique permet une consommation d'énergie réduite et une taille de dispositif plus compacte, tout en assurant la transparence du protocole et du format du signal. Cette série d'articles abordera l'état actuel de la technologie de régénération optique, et plus particulièrement le type 3R, caractérisé par trois types de traitement : réamplification, mise en forme et resynchronisation.
Régénérateurs optiques 3R.
La figure 1 présente le schéma fonctionnel d'un régénérateur 3R ainsi que les signaux présents à chaque étage. Comme mentionné précédemment, l'abréviation 3R désigne trois types de fonctions. La première fonction (réamplification) est réalisée à l'aide d'amplificateurs optiques. Ce processus d'amplification est indépendant du débit binaire et du format des données, et plusieurs canaux WDM peuvent être amplifiés simultanément. Cependant, la diaphonie est également amplifiée, ce qui introduit du bruit. Cela correspond au niveau de régénération le plus élémentaire, 1R. Pour supprimer le bruit et la diaphonie, un schéma de régénération 2R est nécessaire. Ce dernier utilise un circuit de décision à seuil ou une porte optique. La régénération 2R fonctionne avec les signaux NRZ et RZ et est insensible au débit binaire jusqu'à la limite imposée par la porte optique. Dans ce cas, les canaux WDM doivent être régénérés individuellement. Enfin, la régénération 3R requiert un signal d'horloge optique et une architecture de régénérateur adaptée, qui effectue la fonction de rééchantillonnage sous le contrôle de ce signal d'horloge. Cependant, la fonction de l'horloge optique ne se limite pas au rééchantillonnage ou à la resynchronisation ; comme le montre la figure 1, la forme des impulsions régénérées est déterminée par les impulsions du signal d'horloge. Ce dernier est donc un élément essentiel de la fonction de mise en forme.
Les deux blocs fonctionnels de base du régénérateur sont le circuit de récupération d'horloge et l'élément de décision. Ces sous-systèmes sont généralement à semi-conducteurs, bien que d'autres technologies soient possibles. L'horloge est une source pulsée qui doit être synchronisée avec la séquence de données. Dans certains cas, la synchronisation est réalisée électroniquement, à l'aide d'un laser à commutation de gain ou à modes verrouillés, ou d'un modulateur électro-optique. Cependant, les techniques de synchronisation tout optique sont bien plus intéressantes. On peut alors utiliser des lasers à modes verrouillés ou des lasers DFB auto-pulsés, tous deux alimentés en courant continu. La séquence de données est synchronisée si la fréquence de répétition des données et la fréquence d'horloge sont similaires et comprises dans la plage de verrouillage. Le signal de sortie du régénérateur se propageant dans la fibre optique, les impulsions d'horloge générées doivent présenter une qualité suffisante (longueur d'onde, suppression des modes latéraux, chirp) pour permettre une transmission longue distance. Concernant la porte optique non linéaire, elle peut être mise en œuvre à l'aide de structures interférométriques SOA-MZI (Conectrónica, n° 115, p. 8-12) atteignant des débits jusqu'à 100 Gbit/s. D'autres solutions reposent sur des absorbeurs saturables. La fonction de transfert typique de la porte optique est illustrée à la figure 2, où les deux zones de décision sont clairement visibles : un niveau bas affecté par le bruit et un niveau haut affecté par les fluctuations de puissance.
Le principal avantage des régénérateurs optiques réside dans l'élimination des conversions optique/électronique et de l'utilisation de circuits électroniques RF. Cependant, les régénérateurs 3R ne peuvent jamais être totalement transparents, car ils doivent surveiller le signal d'entrée en fonction de son débit binaire et de son format de modulation prédéterminés. Le développement de régénérateurs optiques 3R capables de fonctionner à différents débits binaires représente un défi.
De plus, les réseaux optiques IP basés sur un flux de paquets asynchrone imposent de nombreuses limitations aux circuits de récupération d'horloge, qui doivent fonctionner à des vitesses extrêmement rapides pour répondre en moins de temps qu'un paquet. Il va de soi que la technologie électronique est encore plus contrainte dans ces cas. Par conséquent, nous pouvons conclure que le circuit de récupération d'horloge est le composant le plus critique du régénérateur optique.
Dans cet article et les suivants, nous analyserons en détail diverses technologies, en plus de celles déjà mentionnées, permettant la mise en œuvre de régénérateurs optiques 3R. La plupart sont encore à l'étude, bien que certaines entreprises aient déjà annoncé des résultats satisfaisants, ainsi que la commercialisation de certains produits, que nous aborderons plus loin.
Développements de certaines entreprises
: Fujitsu a annoncé il y a quelques années le développement d'un régénérateur optique 2R pour les signaux à 40 Gbit/s. Ce dispositif repose sur un amplificateur optique à semi-conducteur (SOA) utilisant des points quantiques. Les points quantiques sont des nanoparticules constituées de cristaux semi-conducteurs capables de stocker des électrons. Les SOA peuvent atténuer le bruit et les fluctuations de signal importantes grâce à un phénomène appelé saturation de gain : le gain optique (taux d'amplification) diminue lorsqu'un signal est très fort. Cependant, la réponse à la saturation de gain des SOA est relativement lente (de l'ordre de quelques nanosecondes), ce qui les rend inadaptés à une utilisation comme régénérateurs optiques.
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La technologie développée par Fujitsu accélère cette réponse grâce à l'utilisation
de points quantiques. Ceci permet d'atteindre des temps de réponse de quelques picosecondes seulement. Avec une conception appropriée, une réponse rapide, un gain élevé et une puissance de sortie élevée sont simultanément obtenus à des longueurs d'onde proches de 1550 nm. L'aspect du dispositif, ainsi qu'une description graphique de son fonctionnement, sont présentés sur la figure 3.
Concernant le cas particulier des régénérateurs de signaux optiques 40 Gbit/s, il convient de mentionner le CIP (Centre for Integrated Photonics). Comme indiqué dans un article précédent, cette entreprise est spécialisée dans la fabrication de dispositifs à base de SOA.
Son catalogue de produits comprend un régénérateur optique 2R utilisant un SOA-MZI. L'aspect de ce dispositif est présenté sur la figure 4.
Enfin, il est impossible de conclure cet article sans évoquer une actualité récente. Le 2 avril, Oki a annoncé la mise au point du premier régénérateur optique 3R capable de gérer des signaux à 160 Gbit/s, qui a été testé en conditions réelles. Les résultats de performance, présentés sur la figure 5, montrent une amélioration du facteur Q de plus de 6 dB. Le dispositif intègre un compensateur PMD adaptatif et il a été démontré qu'un espacement maximal de 380 km entre les régénérateurs est possible. Cette distance équivaut à la transmission d'un signal à 160 Gbit/s entre Tokyo et Osaka à l'aide d'un seul régénérateur 3R, confirmant ainsi le fort potentiel de cette technologie.
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Francisco Ramos Pascual. Docteur en ingénierie des télécommunications.
Professeur titulaire à l'Université polytechnique de Valence.
