Dans l'article précédent de cette série, nous avons présenté différentes options technologiques pour la mise en œuvre de régénérateurs optiques 3R. Plus précisément, nous avons étudié des 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 de réaliser des régénérateurs 3R à haute vitesse. À ce jour, de nombreuses architectures de régénérateurs optiques ont été démontrées. Compte tenu de l'impossibilité de toutes les étudier, et considérant qu'elles reposent sur des principes de fonctionnement similaires, cet article complétera l'analyse par quelques exemples supplémentaires. Nous décrirons notamment le fonctionnement d'un circuit de récupération d'horloge à fibre optique, ainsi que deux régénérateurs 3R, l'un à SOA et l'autre à fibre optique, ce dernier étant adapté aux signaux DPSK.
Circuit de récupération d'horloge à fibre optique.
Comme évoqué dans les articles précédents, la principale différence entre un régénérateur 2R et un régénérateur 3R réside dans le circuit de récupération d'horloge. Ce type de circuit peut donc être analysé de manière relativement indépendante, car il est applicable à de nombreuses architectures 2R pour obtenir les fonctionnalités d'un régénérateur optique 3R. Nous allons maintenant examiner un exemple de circuit de récupération d'horloge à fibre optique, qui peut également servir de modulateur pour la régénération du signal.
Le contrôle actif des solitons par modulation synchrone permet théoriquement des distances de transmission illimitées. Son principe de fonctionnement repose sur la remodulation périodique du train d'impulsions solitoniques afin de corriger la gigue temporelle. Un exemple de la technique de modulation synchrone a été présenté dans l'article précédent ; nous utiliserons cependant ici des dispositifs à fibre optique. L'architecture de ce régénérateur est présentée sur la figure 1. Cette figure illustre une cavité laser formée d'un EDFA, d'un filtre optique centré sur la longueur d'onde du signal d'horloge, d'un isolateur et d'un modulateur NOLM (miroir optique en boucle non linéaire) constitué d'environ 10 km de fibre à dispersion décalée (DSF). Ce type de modulateur permet de contrôler la modulation AM/FM en ajustant le facteur de couplage du diviseur d'entrée. Le signal d'entrée RZ est appliqué à ce modulateur via un coupleur 80/20. En ajustant la puissance crête de ce signal d'entrée, on obtient une modulation d'intensité à faible dérive. Le signal de sortie régénéré est extrait à l'aide d'un autre coupleur. Le bon fonctionnement du régénérateur dépend largement de la récupération de l'horloge, qui dépend elle-même du facteur de couplage choisi. Typiquement, des facteurs de couplage autour de 80 % permettent le verrouillage de mode avec une prédominance de l'AM sur la FM, réduisant ainsi la dérive générée. Certains résultats expérimentaux de récupération d'horloge pour différents facteurs de couplage sont présentés dans la même figure (S. Bigo et E. Desurvire, ELL, vol. 31, n° 21, p. 1856), où l'influence du facteur de couplage est évidente.
Régénération par commutation de polarisation dans un interféromètre de Sagnac.
Le régénérateur est constitué d'un séparateur de faisceau polarisant (PBS) à quatre ports, dont deux forment une boucle de fibre intégrant un amplificateur optique à semi-conducteur (SOA). Pour un fonctionnement correct, le signal d'horloge doit être appliqué à l'entrée du PBS avec un angle de 45°, le divisant en deux signaux orthogonaux qui se propagent en sens inverse le long de la boucle et se recombinent à la sortie du PBS (Figure 2). À l'instar d'un TOAD (démultiplexeur optique asymétrique térahertz), le SOA est décalé par rapport au centre de la boucle (Conectrónica n° 60, p. 10-16), de sorte que les impulsions d'horloge atteignent le SOA à des instants différents et ne se chevauchent pas. Le signal de données, quant à lui, est couplé à l'interféromètre de manière synchronisée avec le signal d'horloge, de sorte que les impulsions pénètrent dans le SOA précisément dans l'intervalle de temps séparant les deux impulsions d'horloge. Ainsi, une seule des impulsions d'horloge subit une modulation d'intensité et un
déphasage non linéaire dus à l'XPM, modifiant l'état de polarisation du signal d'horloge à la sortie du PBS et interférant avec le polariseur (POL). Il en résulte un signal régénéré, mis en forme et rééchantillonné en fonction de la qualité du signal d'horloge, puis modulé par l'information encodée dans la séquence de données.
Selon l'application du signal de données, le dispositif peut fonctionner soit comme un simple régénérateur (figure 2a), soit simultanément comme un convertisseur de longueur d'onde (figure 2b). Dans ce dernier cas, le régénérateur est insensible à la polarisation du signal de données. Dans les deux configurations, un contrôleur de polarisation (PC1) ajuste la puissance optique des deux composantes d'horloge se propageant dans la boucle, tandis que deux contrôleurs supplémentaires (PC2 et PC3) compensent la biréfringence de l'interféromètre à fibre. Les principaux avantages de l'utilisation d'un interféromètre de Sagnac comme régénérateur optique résident dans la simplicité de contrôle de la fenêtre de commutation et sa stabilité face aux variations de température. Il est à noter que la fenêtre de commutation temporelle peut être facilement ajustée en contrôlant la position de l'amplificateur optique à semi-conducteurs (SOA), elle-même déterminée par une ligne à retard placée dans la boucle.
La figure 3 présente des résultats expérimentaux pour les deux configurations de régénérateur (G. Gavioli et P. Bayvel, PTL, vol. 15, n° 9, p. 1261-1263). Ces résultats, obtenus à un débit de 10 Gbit/s, montrent une pénalité de puissance inférieure à 0,5 dB pour un taux d'erreur binaire (TEB) de 10⁻⁹ avec conversion de longueur d'onde, et inférieure à 2 dB sans conversion. Cette pénalité accrue pour la configuration sans conversion de longueur d'onde est due aux réflexions internes dans le SOA. Dans les deux cas, les diagrammes de l'œil confirment un fonctionnement correct.
Régénérateur de signal DPSK.
Jusqu'à présent, l'analyse des régénérateurs s'est principalement concentrée sur les configurations où le signal de données est modulé en intensité. Cependant, l'utilisation des signaux DPSK suscite un intérêt croissant (Conectrónica n° 114, p. 8-12), ce qui se traduit également par l'émergence de régénérateurs 3R adaptés à ce format de modulation. La figure 4 présente le schéma fonctionnel de l'un de ces régénérateurs. Il se compose d'un interféromètre à retard 1 bit (DI), d'un régénérateur d'amplitude, d'un modulateur de phase optique et d'une source d'impulsions avec circuit de récupération d'horloge. Comme on peut le constater, l'architecture est très similaire à celle d'autres interféromètres. La différence réside ici dans la nécessité d'un convertisseur phase-intensité à l'entrée (DI) et, par conséquent, d'un modulateur de phase à la sortie. Ainsi, les signaux DPSK sont transformés en signaux OOK, qui sont régénérés puis remodulés en DPSK à l'aide d'un modulateur de phase à fibre à haute non-linéarité (HNLF). De même, le régénérateur d'amplitude est basé sur une HNLF, qui stabilise l'amplitude des impulsions de données en élargissant leur spectre et en appliquant un filtrage sélectif hors de la fréquence centrale. À l'issue de ce traitement, les données encodées dans la phase des impulsions de sortie correspondent à la fonction logique XOR entre bits adjacents du signal d'entrée ; un décodeur sera donc nécessaire au niveau du récepteur.
En résumé, cette série d'articles a analysé différentes architectures de régénérateurs optiques 3R. Nous avons décrit leurs composants et leurs principes de fonctionnement, et présenté des résultats expérimentaux obtenus dans divers laboratoires. Bien que ce sujet soit encore au stade de la recherche, certaines entreprises ont déjà annoncé la possibilité d'une commercialisation prochaine de cette technologie, comme indiqué dans le premier article de cette série. Ce n'est qu'une question de temps, fortement motivée par l'augmentation constante du débit et de la portée des réseaux optiques.
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Francisco Ramos Pascual. Docteur en génie des télécommunications.
Professeur titulaire à l'Université polytechnique de Valence.
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