Dans l'article précédent de cette série, nous avons abordé la nécessité de restaurer la qualité des signaux se propageant dans les liaisons par fibre optique, en présentant les principes fondamentaux de la régénération 3R. Nous allons maintenant approfondir certaines techniques et technologies qui ont démontré expérimentalement leur pertinence en tant que composants clés des futurs régénérateurs optiques 3R. Plus précisément, cet article examinera les sous-systèmes de récupération d'horloge basés sur un filtre Fabry-Pérot, une boucle à verrouillage de phase (PLL) ou un laser auto-pulsé. Ces sous-systèmes, associés à des interféromètres de Mach-Zehnder à semi-conducteurs (SOA-MZI), des modulateurs d'électroabsorption ou des amplificateurs optiques à semi-conducteurs, permettent la construction de régénérateurs 3R à haute vitesse.

Modulation synchrone et récupération d'horloge basées sur un filtre Fabry-Pérot.
La modulation synchrone repose sur l'utilisation de techniques optoélectroniques ou purement optiques pour remoduler le signal d'horloge récupéré. Le schéma fonctionnel du système est présenté figure 1. Deux interféromètres Mach-Zehnder actifs en cascade (SOA-MZI) sont utilisés pour mettre en forme les impulsions optiques qui seront ensuite remodulées par le signal d'horloge. Dans ce cas, la récupération d'horloge électronique est employée, car ce signal doit alimenter l'entrée RF d'un modulateur Mach-Zehnder électro-optique. Ceci limite, de fait, le débit binaire maximal auquel le régénérateur peut fonctionner. Afin de démontrer la faisabilité de la technique, des expériences ont été menées sur une liaison optique à recirculation composée de deux segments de fibre LEAF d'une longueur totale de 125 km (65 + 60 km) et de fibres de compensation. Les résultats de 10 Gbit/s de la figure 1 montrent d'excellentes performances jusqu'à des distances de 400 000 km (Z. Zhu et al, JLT, vol. 25, no. 2, pp. 504-510), en particulier par rapport aux mesures effectuées sans régénération (1R, simple amplification).

L'élément clé de ce régénérateur est le circuit de récupération d'horloge (RC). Bien qu'un signal électrique soit nécessaire pour alimenter le modulateur Mach-Zehnder, il est préférable que la récupération d'horloge soit effectuée par des méthodes optiques. À cette fin, l'utilisation de filtres Fabry-Pérot a été proposée. Ces filtres sont caractérisés par une réponse périodique à bande étroite permettant d'extraire les composantes de fréquence d'horloge du spectre du signal. Ce sous-système de récupération d'horloge est composé d'un filtre Fabry-Pérot et d'un amplificateur optique à saturation de gain (SOA) (Figure 2). Par conception, l'intervalle spectral libre (ISL) du filtre doit correspondre à la fréquence de répétition du signal de données, comme schématisé sur la Figure 2. Il convient également de prêter attention à la dérive de fréquence potentielle de la réponse du filtre due aux variations de polarisation du signal optique d'entrée. En contrôlant la température du dispositif, les variations d'amplitude dues aux changements de polarisation peuvent atteindre 6 dB. Étant donné que le signal d'horloge récupéré par le filtre Fabry-Pérot peut présenter des variations d'amplitude en fonction du modèle de données, notamment lorsqu'il existe de longues séquences de zéros, un SOA de saturation est utilisé pour réduire ces variations en limitant l'amplification.

Régénération par modulateurs d'électroabsorption.
Les convertisseurs de longueur d'onde basés sur l'utilisation de modulateurs d'électroabsorption (EAM) constituent une option intéressante pour la conception de régénérateurs optiques. L'avantage réside dans une sensibilité à la polarisation du signal d'entrée inférieure à 1 dB, grâce aux caractéristiques du modulateur. L'architecture du régénérateur utilisant ces convertisseurs de longueur d'onde, il convient de commencer par décrire leur fonctionnement. Le convertisseur possède deux entrées, l'une pour le signal de données (ls) et l'autre pour la longueur d'onde continue (lp), ainsi qu'une sortie pour le signal converti, comme illustré sur la figure 3. Le signal d'entrée doit présenter un niveau de puissance suffisant pour induire une saturation croisée de l'absorption. Ainsi, les deux signaux se propageant dans le modulateur interagissent et l'onde continue est modulée par les données d'entrée circulant en sens inverse. Pour des niveaux de données élevés, le modulateur sature et l'onde continue le traverse avec des pertes minimales. À l'inverse, à de faibles niveaux de données, le dispositif cesse de saturer et l'onde continue subit une atténuation plus importante. La modulation de l'onde continue dépend donc directement du motif du signal de données. Contrairement au processus de modulation de gain croisé dans les SOA, le signal converti en longueur d'onde n'est pas inversé dans ce cas. Le circulateur est utilisé pour extraire le signal converti, tandis que le filtre optique élimine les réflexions indésirables dans l'EAM.
Comme illustré sur la figure 4, le régénérateur optique utilise deux convertisseurs de longueur d'onde (CLO) similaires à celui de la figure 3. Le premier convertit le signal d'entrée, ls, en une longueur d'onde différente, lp, afin de dupliquer les données. Le second convertisseur rétablit ensuite la longueur d'onde initiale, ls. Cette configuration en cascade évite les effets de diaphonie dans l'EAM, tout en garantissant que le signal est transmis exactement à la même longueur d'onde que le signal d'origine, ce qui est également utile pour prévenir le blocage de longueur d'onde aux nœuds du réseau. Le signal d'horloge est récupéré électroniquement à l'aide d'un photodétecteur à large bande, d'un filtre hautement sélectif (facteur de qualité élevé) et d'une boucle à verrouillage de phase (PLL) synchronisée sur la moitié de la fréquence d'horloge, soit 20 GHz dans ce cas. Bien que les méthodes de récupération optique soient préférables, ce type de circuit fonctionne correctement jusqu'à des débits de 40 Gbit/s (T. Otani et al., JLT, vol. 20, n° 2, p. 195-200). Pour obtenir une régénération 3R, le signal est rééchantillonné dans le second convertisseur de longueur d'onde à l'aide de l'horloge récupérée. Afin de stabiliser le fonctionnement, la largeur d'impulsion du signal d'entrée peut être augmentée grâce à une fibre à forte biréfringence, ce qui facilite la synchronisation entre le signal d'entrée et l'horloge. Comme mentionné précédemment, aucun système de contrôle de polarisation complexe n'est nécessaire, grâce à la faible sensibilité des modules électro-optiques (EAM).

Régénération par laser auto-pulsé.
Les lasers auto-pulsés ont été utilisés dans diverses expériences comme éléments de récupération d'horloge. Comme leur nom l'indique, ce sont des lasers pulsés dont la cavité est conçue pour résonner à la fréquence de répétition souhaitée, de sorte que lorsqu'un signal de données est injecté, il génère un train d'impulsions (signal d'horloge). La figure 5 illustre une configuration possible, réalisée avec deux sections DFB et une section centrale de contrôle de phase. Ce dispositif est appelé laser PhasCOMB (C. Bornholdt et al., ECOC'01, Th.F.1.2). Les deux sections DFB sont accordées sur des longueurs d'onde différentes, générant deux modes se chevauchant dans la cavité, ce qui produit un battement à une fréquence différente de celle des deux modes. Pour un fonctionnement correct du dispositif, le contrôle de phase dans la section laser centrale est essentiel. Ce système de récupération d'horloge peut fonctionner à haute fréquence, ayant été démontré à 80 GHz et au-delà.

Son utilisation dans les applications de régénération optique peut se résumer à l'ajout d'un amplificateur auto-alimenté (SOA) et d'un laser à onde continue au système. La figure 5 présente le schéma fonctionnel d'un régénérateur 3R possible. Le laser auto-pulsé est utilisé pour la récupération d'horloge, et sa sortie, ainsi que le signal de données et un signal à onde continue, est appliquée à un SOA fonctionnant en mode non linéaire comme convertisseur de longueur d'onde. À l'intérieur de cet amplificateur, le signal de données est converti par rapport au signal à onde continue (CW), les autres signaux étant éliminés par un filtre optique. Il s'agit donc d'une solution simple et économique pour la régénération optique de signaux à haute vitesse.
Dans cet article, nous avons analysé différentes possibilités de développement de régénérateurs optiques 3R. Des exemples de technologies optoélectroniques et de dispositifs photoniques ont été présentés. Tous se caractérisent par leur capacité à fonctionner à haute vitesse. Dans le prochain article, nous compléterons cette analyse avec plusieurs configurations supplémentaires.

 

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