Systèmes de communication optique OCDMA 

Évaluation comparative des performances des familles de codes d’étalement étudiées

Dans le cadre de notre étude, nous nous intéresserons aux systèmes OCDMA 1D de type asynchrone. Nous chercherons à minimiser les corrélations entre les codes des utilisateurs de façon à approcher le plus possible l’orthogonalité parfaite et ainsi à diminuer les interférences d’accès multiple.
La famille de codes recherchée devra donc présenter une corrélation temporelle la plus faible possible entre les codes la composant, et ce, quel que soit le décalage. Cependant l’intercorrélation temporelle n’est pas la seule propriété de corrélation déterminante, l’autocorrélation temporelle (i.e.: la corrélation d’un code avec lui-même) doit également être prise en compte. Les familles de codes choisies devront donc également donner des fonctions d’autocorrélation temporelle ayant des lobes secondaires les plus faibles possibles, afin de maximiser l’énergie du bit dans le lobe principal de la fonction d’autocorrélation et ainsi limiter les pertes engendrées par l’opération de codage-décodage. Chacun de ces paramètres a une influence sur le système de communication OCDMA les utilisant. N déterminera la « capacité de multiplexage » d’un système OCDMA, c’est-à dire le nombre de codes possibles, qui se révèle bien souvent différent du nombre de canaux OCDMA effectivement exploitables pour des performances de taux d’erreurs binaires données. La longueur du code L, c’est-à-dire le nombre de chips contenus dans un code de la famille, a une incidence directe sur le débit. Ce débit sera choisi de manière à ce que le temps bit puisse contenir l’intégralité du bit décodé, afin d’éviter toute interférence inter-symbole au sein du même canal OCDMA, soit un débit (( ) ) D L Tc ≤ 1 2 −1 ⋅ . Le poids du code pour une longueur de code donnée renseigne sur le niveau d’énergie du signal par bit. Enfin, de faibles niveaux de corrélation donneront une bonne isolation des canaux OCDMA et donc une réduction de MAI et une bonne restitution du signal de données original.
Néanmoins, les propriétés de corrélation temporelle observées sont celles entre 2 codes, c’est-à dire entre 2 utilisateurs. Étant donné que plusieurs utilisateurs peuvent émettre au même instant, ce sont les propriétés de corrélation de l’ensemble des codes de la famille qui doivent être prises en compte afin de déterminer les performances du système. Une approche moyenne des propriétés de corrélation de l’ensemble des code d’une famille est réalisée afin d’évaluer les performances globales d’une famille de codes.
De plus, on a vu que les systèmes OCDMA à encodage spectral ont pour corrélation temporelle celle des transformées de Fourier inverse des codes utilisés . Afin de déterminer ces niveaux de corrélation, une étude des propriétés de corrélation des TF inverses des codes est réalisée. Pour cela la valeur moyenne quadratique des niveaux d’autocorrélation temporelle des familles de code est considérée, c’est-à-dire la moyenne quadratique des fonctions de corrélation des transformées. Celle-ci sera utilisée pour une analyse des performances moyennes de l’ensemble de la famille.

Modélisation et caractérisation expérimentale des impulsions de pompe

Nous utilisons comme laser de pompe un laser à blocage de modes (Mode-Locked Laser: MLL). Ce laser de pompe émet un train d’impulsions à un taux de répétition de 10 GHz ce qui nous permet d’obtenir, après propagation dans la fibre non-linéaire, un train d’impulsions à 10 GHz ayant chacune pour spectre notre continuum. La caractérisation expérimentale et la modélisation des impulsions optiques émises par ce laser de pompe vont permettre de simuler numériquement la génération du continuum. La conception de la source continuum consiste à faire varier les paramètres linéaires et non linéaires de la fibre afin d’obtenir une source continuum optimisée pour une application OCDMA.

Laser de blocage de modes (MLL)

Le MLL utilisé est un laser à fibre fabriqué par Pritel . Sa cavité est une cavité fibrée en anneau contenant différents éléments :
Un amplificateur à fibre dopée à l’erbium (EDFA : Erbium Doped Fiber Amplifier) pompé par un laser émettant à 980 nm situé à l’extérieur de la cavité.
Un coupleur à maintien de polarisation sur lequel on va connecter le laser de pompe de l’EDFA. Quatre filtres optiques qui permettent de faire varier la taille de l’impulsion temporelle délivrée par le MLL
Un isolateur afin d’assurer la circulation dans un seul sens des ondes optiques dans la cavité. Une portion de fibre soumise à des efforts de traction et de compression via un transducteur piézoélectrique, afin de jouer sur la longueur de la cavité et donc sur la longueur d’onde émise par le MLL.
Un modulateur Mach-Zehnder qui va, par modulation du champ optique intra-cavité à une fréquence multiple de l’ISL (Intervalle Spectral Libre), permettre d’effectuer un blocage de modes actif. Un autre coupleur à maintien de polarisation par lequel aura lieu l’émission du MLL .

Caractérisation de laser à blocage de modes 

La caractérisation temporelle et spectrale des impulsions délivrées par le MLL est effectuée avant et après passage dans un amplificateur optique de forte puissance. La puissance moyenne de 30 dBm fournie en sortie de l’amplificateur optique permet d’atteindre les niveaux de puissance crête élevée nécessaires pour obtenir les effets non-linéaires permettant la génération du continuum. L’atténuateur utilisé en amont de l’amplificateur optique permet d’injecter une puissance optique Pin correspondant à la gamme de fonctionnement de l’amplificateur (-3 dBm<Pin<5 dBm). L’atténuateur (-20 dB) en aval permet de protéger les appareils de mesure. Un contrôleur de polarisation est utilisé en amont de l’autocorrélateur, du fait de sa sensibilité à la polarisation. La polarisation est choisie de façon à maximiser le signal d’autocorrélation.
La caractérisation est réalisée pour deux filtres optiques différents dans la cavité du MLL. Ces filtres ont des largeurs spectrales différentes (5 nm et 10 nm). Chaque filtre permet d’obtenir des impulsions de largeurs différentes.
Dans les 2 cas, le MLL est réglé sur une même longueur d’onde centrale égale à 1550.7 nm. Les puissances optiques moyennes mesurées en sortie du MLL sont différentes selon le filtre utilisé. On a une puissance optique moyenne de 12 dBm pour le filtre optique de largeur 5 nm, contre 8.8 dBm pour le filtre de largeur spectrale 10 nm. Des impulsions ayant une largeur temporelle de 1.6 ps (respectivement 1.3 ps) sont obtenues pour le filtre de largeur spectral de 5 nm (respectivement 10 nm), conformément aux spécifications techniques fournies par le constructeur.

Génération de source continuum : régime normal

Lorsque la longueur d’onde de l’impulsion de pompe est située dans une plage spectrale où le régime de dispersion de la fibre est normal, on observe un mécanisme de génération de continuum différent de celui obtenu en régime anormal. En effet, la propagation solitonique est impossible en régime de dispersion normale. La formation du continuum résulte en partie de l’automodulation de phase et du phénomène de wave-breaking. Durant la propagation dans la fibre, l’impulsion subit initialement un élargissement spectral dû à l’automodulation de phase . Dans le domaine temporel, apparaît alors un chirp linéaire de pente positive situé dans la partie centrale de l’impulsion. Parallèlement, un élargissement temporel de l’impulsion a lieu, provoqué par le régime normal de dispersion chromatique. L’élargissement temporel subi a pour conséquence une diminution progressive de la puissance crête de l’impulsion.
Le chevauchement entre la partie centrale de l’impulsion de chirp linéaire avec les ailes de l’impulsion non-chirpées conduit au phénomène de wave-breaking. Les différences entre fréquences instantanées au même instant T engendrent des oscillations de la fréquence instantanée. Ce phénomène stoppe l’élargissement à mi-hauteur du spectre, et génère de nouvelles fréquences sur les ailes de l’impulsion en cédant la puissance contenue dans la partie centrale de l’impulsion. Ce transfert de puissance donne lieu à une diminution des oscillations spectrales dans la partie centrale du spectre bénéfique pour la réalisation de notre source continuum.

Fonction de seuillage optique pour application OCDMA 

La MAI est la principale source de bruit des systèmes de communication OCDMA. Elle limite les performances des systèmes en fonction du nombre d’utilisateurs simultanés.
Afin d’améliorer les performances des systèmes de communications OCDMA, des solutions tout optiques, basées sur l’optique non-linéaire, telles que les fonctions de seuillage optique utilisant la génération de seconde harmonique dans les PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate) , ou des NOLM (Nonlinear Optical Loop Mirror) ou encore dans les fibres hautement non-linéaires ont été proposées dans le but de diminuer la MAI.
Nous avons réalisé une fonction de seuillage optique basée sur la génération de continuum dans des fibres non-linéaires pour l’application aux systèmes de communication OCDMA étudiés dans cette thèse.

Principe du seuillage non linéaire optique basé sur la génération de continuum

Le seuillage optique consiste à éliminer les impulsions optiques dont la puissance crête ne dépasse pas un certain seuil de puissance optique.
La technique de seuillage utilisée est celle du filtre de Mamyshev. Elle repose sur l’élargissement spectral du signal bruité de largeur spectrale ∆ω0 centré surω0. Cet élargissement spectral est réalisé, dans notre cas, par effet non-linéaire dans une fibre optique. Après passage dans la fibre non-linéaire, un filtrage optique du spectre élargi est effectué. Le filtre utilisé est centré sur ω0 +∆ω spectralement décalé par rapport à ω0 de façon à contenir uniquement les fréquences générées par les impulsions de forte puissance crête.
Les impulsions ayant des puissances crêtes trop faibles, ne subissant pas un élargissement spectral suffisant, sont rejetées par le filtre centré sur la fréquenceω0 +∆ω . La forme et la largeur spectrale de l’impulsion obtenue après filtrage vont dépendre de la forme et de la bande passante du filtre utilisé.

Seuillage optique à base d’une fibre microstructurée hautement biréfringente

La fibre utilisée est une fibre microstructurée (PCF : Photonic Crystal Fiber) hautement biréfringente et non-linéaire, de longueur 50 cm avec une dispersion anormale de 120 ps / (nm.km) à 1550 nm. Cette fibre est mise à disposition par le laboratoire XLIM dans le cadre du projet SUPERCODE.
Cette fibre, présente un arrangement symétrique de trous d’air permettant de réduire l’aire effective du mode fondamental et d’obtenir une fibre à forte non-linéarité. L’aire effective du mode fondamental est de 5 µm², permettant d’avoir un coefficient non-linéaire de 21 W-1km-1. Cette non-linéarité est 16 fois plus grande que celle d’une fibre standard de type SMF 28.Deux trous d’air de diamètre plus grand sont utilisés pour créer une différence d’indice suivant les axes transverses x et y, donnant alors une biréfringence de groupe supérieure à 5 10-3 à 1550 nm. La dispersion chromatique du mode LP01 de cette fibre s’annule à 825 nm et à 850 nm pour une polarisation parallèle à l’axe x et à l’axe y respectivement. Le signal optique proche de 1550.5 nm se propage donc en régime de forte dispersion anormale : 97 ps /(nm.km) sur l’axe x et 137 ps /(nm.km) sur l’axe y .

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Table des matières

INTRODUCTION 
CHAPITRE I. SYSTEMES DE COMMUNICATION OPTIQUE OCDMA 
I.1 Introduction
I.2 Principes des systèmes de communication OCDMA 
I.2.1 Système OCDMA à étalement spectral
I.2.2 Système OCDMA à étalement temporel
I.3 Étude comparative des familles de codes d’étalement d’accès multiples 
I.3.1 Propriétés caractéristiques des familles de codes
I.3.2 Définition de quelques familles de code d’étalement
I.3.3 Évaluation comparative des performances des familles de codes d’étalement étudiées
I.4 Conclusion
CHAPITRE II. GENERATION DE CONTINUA 
II.1 Introduction 
II.2 Modélisation de la propagation d’une onde dans une fibre non-linéaire 
II.2.1 Équation de Schrödinger non linéaire
II.2.2 Résolution de l’équation non-linéaire de Schrödinger dans le domaine fréquentiel
II.3 Source continuum pour application OCDMA 
II.3.1 Modélisation et caractérisation expérimentale des impulsions de pompe
II.3.2 Génération de source continuum : régime anormal (effet soliton)
II.3.3 Génération de source continuum : régime normal
II.4 Fonction de seuillage optique pour application OCDMA 
II.4.1 Principe du seuillage non linéaire optique basé sur la génération de continuum
II.4.2 Seuillage optique à base d’une fibre microstructurée hautement biréfringente
II.5 Conclusion 
CHAPITRE III. INTEGRATION SYSTEME 
III.1 Introduction
III.2 Système d’accès OCDMA à étalement spectral
III.2.1 Système d’accès hybride WDM/DS-OCDMA
III.3 Système d’accès OCDMA à étalement temporel 
III.3.1 Application système d’accès OCDMA à encodage spectral en phase
CONCLUSION GENERALE 
REFERENCES 

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