Généralités sur les systèmes de transmission optiques

Principe et nécessité

Généralités sur les systèmes de transmission optiques

Fondamentalement, un système de transmission de données est constitué d’un certain nombre de blocs fonctionnels : un émetteur; un canal de transmission, qui a priori dégrade le signal mais comporte éventuellement un ou plusieurs relais ou régénérateurs ; et un récepteur. Plus spécifiquement, dans le cas d’un système de transmission optique, l’émetteur génère — par définition — un signal lumineux, lequel se propage dans un canal constitué typiquement d’une fibre optique.∗ Ce signal lumineux, devant transmettre de l’information, est modulé. Les grandeurs sur lesquelles on peut agir à cet effet sont l’intensité, la phase et la polarisation de la lumière transmise. À la différence des systèmes de communication par radio, où ces trois paramètres peuvent être utilisés de concert, les systèmes de transmission optiques actuels ne jouent que sur l’intensité : la polarisation se conserve mal au passage dans une fibre optique standard ; la phase est d’une part sensible au bruit et aux effets non-linéaires, et d’autre part difficile à détecter par les récepteurs classiques non cohérents [Gallion02]. Malgré un récent regain d’intérêt pour les modulations de phase différentielles (DPSK), nous nous limiterons donc aux modulations d’amplitude, en jouant habituellement sur des puissances de l’ordre du milliwatt par canal ; les formats les plus utilisés actuellement dans les systèmes optiques sont les Non-Retour à Zéro (NRZ) et Retour à Zéro (RZ). L’annexe B, section B.1, traite de leurs caractéristiques respectives ; sommairement, le format NRZ est plus simple et peut être rendu plus économe en bande passante, mais le format RZ présente l’insigne avantage de comporter une raie spectrale à sa fréquence d’horloge, ce qui n’est pas le cas d’un signal NRZ .

Après avoir été émis, le signal transite parle canal de transmission qui, n’étant pas idéal, ne le restitue pas tel quel mais dégradé suivant plusieurs processus. Le plus évident est l’atténuation des fibres : 0,2 dB/km au minimum autour de 1,55 µm de longueur d’onde peut paraître faible, mais les longueurs de transmission visées étant de plusieurs centaines ou milliers de kilomètres, ceci ne représente pas un milieu suffisamment transparent. De ce fait, on place des amplificateurs optiques le long du parcours afin de ramener périodiquement la puissance du signal à un niveau acceptable ; mais de tels amplificateurs rajoutent automatiquement du bruit sous forme d’émission spontanée amplifiée. Enfin, sur de telles distances, il ne suffit pas de compenser l’atténuation : la dispersion chromatique et les effets non-linéaires apportés par la fibre et les amplificateurs deviennent des facteurs limitants.

Nécessité de la récupération d’horloge

On remarque le besoin, notamment pour la réception et la resynchronisation, de connaître exactement la fréquence d’horloge, i.e. l’inverse du temps bit : par exemple, à la détection, la décision de la valeur 0 ou 1 d’un bit doit se faire à un moment précis du laps de temps sur lequel celui-ci est transmis. Les décisions successives doivent donc intervenir à intervalles réguliers, de longueur égale au temps bit. Si leur taux de répétition venait à s’en écarter, les instants correspondant aux décisions dériveraient par rapport à l’optimum (on aurait donc plus d’erreurs) voire finiraient par « sauter » des bits (on aurait donc une séquence tout à fait erronée, pour ne pas dire n’importe quoi).

On synchronise donc récepteurs et éventuellement régénérateurs à une horloge, i.e. un signal périodique (qu’il soit sinusoïdal, impulsionnel, en créneaux…) de période égale au temps bit. Afin d’en assurer l’exactitude, cette horloge doit être extraite du signal portant les données ; La fonction correspondant à cette opération est appelée récupération d’horloge, et est donc une fonction critique de tout système de transmission de données numériques. Une fonction similaire, utile notamment dans le cas du démultiplexage temporel (où l’on cherche à sélectionner un bit sur N), est l’extraction d’un sous-multiple de la fréquence d’horloge. On parlera de récupération d’horloge fractionnelle, par exemple à 4 × 10 GHz pour une horloge à 10 GHz extraite d’un train de bits ou d’impulsions à 40 Gbps. Le paramètre le plus important à considérer pour un dispositif prévu à cet effet est la gigue de cette horloge, qui s’ajoutera à celle du signal dans toute tentative de détection ou de resynchronisation. Quelques autres paramètres sont également intéressants, notamment les plages de verrouillage (intervalle sur lequel le système peut suivre les variations de fréquence du signal) et de capture (bande sur laquelle le système peut acquérir l’horloge)∗∗ ; l’agilité (vitesse d’accrochage) ; et pour les régénérateurs optiques, le fait de générer une horloge directement sous cette forme. Le cadre étant posé, passons maintenant en revue les dispositifs utilisés pour la récupération d’horloge.

Conversion de format NRZ vers pseudo-RZ

Le format de modulation NRZ est très utilisé dans les systèmes de transmission optiques, pour sa simplicité et son efficacité spectrale. Mais le spectre d’un signal modulé de cette façon, nous l’avons vu, ne possède pas de raie marquée à sa fréquence d’horloge, contrairement à un signal RZ par exemple. Or la plupart des schémas de récupération d’horloge, pour ne pas dire tous, nécessitent la présence de cette raie. Il est donc nécessaire d’employer un dispositif de conversion de format, sinon vers un format RZ au sens strict, du moins vers un format pseudo-RZ qui comportera cette fameuse raie. Nous présentons donc les diverses méthodes utilisées à cette fin.

Conversion électronique

L’opération de conversion de format est naturellement dans les cordes de l’électronique. Passons sur les bas débits (quelques dizaines de Mbps), où il est aisé de sur-échantillonner le signal et d’effectuer un traitement numérique. À des débits plus proches de ceux utilisés dans les systèmes optiques, on peut encore utiliser des dérivateurs ou des portes logiques, par exemple une porte « ou exclusif » (XOR) opérant sur le signal NRZ et le même signal décalé d’une fraction de temps bit. Un tel schéma, comme illustré figure 1.3, fait ressortir les variations dans la séquence binaire : la sortie est non-nulle pendant ladite fraction de temps bit si le bit courant est différent du précédent. Ce dispositif a été démontré à 40 Gbps en tant que bloc convertisseur dans un circuit de récupération d’horloge monolithique [Murata00]. L’usage de circuits électroniques, toutefois, nécessite que le signal soit sous forme électrique et non optique ; en outre, le débit reste limité à quelques dizaines de Gbps.

Mélange de signaux décalés

Par analogie avec la méthode précédente, on peut utiliser un dispositif optique pour reproduire un décaleur-mélangeur, comme démontré avec un interféromètre de Mach-Zehnder asymétrique avec un bras décaleur dans [Lee99], et par dédoublement du spectre par modulation du signal, décalage par dispersion, et recombinaison par mélange à quatre ondes dans [Bilenca02]. Dans le second,  le signal NRZ de départ est modulé à haute fréquence par un interféromètre de Mach-Zehnder, autour d’un point de fonctionnement correspondant à des interférences destructives entre les deux bras, ce qui dédouble le spectre du signal. Ces deux «portions » de spectre sont déphasées par une fibre dispersive, ce qui reproduit le décalage temporel d’une fraction de temps bit. Le mélange, qui ci-dessus était effectué par une porte logique, est assuré par le mélange à quatre ondes se produisant dans une fibre à dispersion décalée, et isolé par un filtre optique. Comme précédemment, le spectre du signal résultant du mélange entre signaux décalés exhibe des raies aux multiples de la fréquence d’horloge.

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Table des matières

Introduction
I Généralités : récupération d’horloge ; boucles à verrouillage de phase ; amplificateurs optiques à semi-conducteurs.
1 Récupération d’horloge
1.1 Principe et nécessité
1.1.1 Généralités sur les systèmes de transmission optiques
1.1.2 Nécessité de la récupération d’horloge
1.2 Conversion de format NRZ vers pseudo-RZ
1.2.1 Conversion électronique
1.2.2 Mélange de signaux décalés
1.2.3 Amplificateur optique à semi-conducteurs saturé
1.3 Méthodes de récupération d’horloge
1.3.1 Filtrage de la fréquence d’horloge
1.3.2 Injection dans un système oscillant
1.3.3 Boucles à verrouillage de phase
1.4 Boucle à verrouillage de phase opto-électronique
2 Généralités sur les boucles à verrouillage de phase
2.1 Présentation
2.1.1 Principe
2.1.2 Variantes
2.2 Équations d’évolution
2.2.1 Composants de la boucle
2.2.2 Établissement des équations de fonctionnement
2.2.3 Régime stationnaire
2.2.4 Régime transitoire (petit signal)
2.2.5 Exemple : boucle du premier ordre
2.2.6 Exemple : boucle d’ordre deux
2.3 Fonctionnement non idéal
2.3.1 Stabilité
2.3.2 Signal non idéal
2.3.3 Acquisition
2.3.4 Boucle comportant un retard
2.4 Évaluation des paramètres
2.4.1 Gigue temporelle
2.4.2 Plages de verrouillage et de capture
2.4.3 Agilité, résistance à une suite de zéros
2.5 Applications
2.5.1 Démodulation de fréquence
2.5.2 Synthèse de fréquence
2.5.3 Récupération d’horloge
3 Généralités sur les amplificateurs optiques à semi-conducteurs
3.1 Présentation
3.1.1 Principe
3.1.2 Structures et matériaux
3.2 Effets non linéaires
3.2.1 Dynamique des porteurs libres
3.2.2 Conséquences sur la linéarité
3.2.3 Effets sur les signaux optiques
3.3 Applications
3.3.1 Conversion de longueur d’onde
3.3.2 Portes logiques
3.3.3 Régénération de signal optique
3.3.4 Gestion de dispersion par inversion spectrale
3.3.5 Conversion de format NRZ vers pseudo-RZ
3.3.6 Mélangeur pour récupération d’horloge
II Mélange à quatre ondes et son utilisation dans une boucle à verrouillage de phase opto-électronique pour la récupération d’horloge
4 Mélange à quatre ondes dans les SOA
4.1 Généralités sur le mélange à quatre ondes
4.2 Modélisation
4.2.1 Modèle à deux niveaux
4.2.2 Modèle de la matrice densité
4.3 Mélange de faisceaux continus
4.3.1 Schéma expérimental
4.3.2 Mélange à quatre ondes en fonction du detuning
4.3.3 Mélange à quatre ondes en fonction de la puissance d’entrée
4.4 Mélange de faisceaux modulés
4.4.1 Schéma expérimental
4.4.2 Mélange à quatre ondes en fonction de la puissance d’entrée
4.4.3 Mélange à quatre ondes en fonction du déphasage
5 Boucle opto-électronique à un étage
5.1 Présentation
5.2 Composants de la boucle
5.2.1 Comparateur (optique) de phase (électrique)
5.2.2 Oscillateur commandé
5.2.3 Filtre de boucle
5.3 Modélisation
5.3.1 Régime petit signal, stabilité
5.3.2 Régime grand signal, acquisition
5.4 Résultats expérimentaux
5.4.1 Signal d’entrée RZ
5.4.2 Signal d’entrée NRZ
5.5 Récupération d’horloge fractionnelle
6 Boucle opto-électronique à deux étages
6.1 Présentation
6.2 Modélisation
6.3 Résultats expérimentaux
6.3.1 Signal d’entrée RZ
6.3.2 Signal d’entrée NRZ
6.4 Récupération d’horloge fractionnelle
Conclusion

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