Etude théorique et expérimentale de l'impact de la régénération 2R dans un système de transmission optique haut débit
Résumé
The work carried out during this PhD deals with the impact of 2R optical regeneration in an optical transmission system. Simple and low cost 2R devices could indeed replace some of the present day optoelectronic repeaters to enhance the performance and reduce the cost of long haul and metropolitan optical links. For new devices of this type to be relevant, they have to be compatible with present day WDM links. As a consequence, most of the work of this PhD consisted of the study of a device based on a vertical microcavity saturable absorber, which indeed presented all of the requirements for the targeted application. Our work here relates phenomenon understanding and a transmission performance study. The PhD was realised within the framework of the national research program ASTERIX which deals with saturable absorption for terabit WDM optical regeneration.
After a presentation of some generalities of transmission systems and of the main sources of system degradations, we describe the principles of regeneration and give an overview of the main regeneration techniques found in the literature. Following this, we show the difficulty of characterising regenerator efficiency. We show, in particular, that a regenerator should be characterised in a transmission link to prove its ability to regenerate the signal.
In the fourth part of the work, the impact of a cascade of 3R regenerators in a transmission link is studied, both numerically and experimentally. This helps the reader to better understand, in the case where amplitude noise limits the transmission, how the power probability density functions evolve and how the bit error rate (BER) degrades.
The efficiency of an original 2R regenerator, composed of a vertical microcavity saturable absorber and a semiconductor optical amplifier, is then demonstrated in a recirculating loop experiment at 10 Gbit/s. A distance improvement ratio better than 9,5 is obtained at a BER of 10-8, allowing a propagation over 20 000 km for this level of signal degradation. An original study of the efficiency of this device over a spectral band as wide as 13 nm allows us to demonstrate the potential of this device for WDM applications.
This device finally allows us to carry out a more general study of the impact of a cascade of 2R regenerators. A numerical study clarifies the timing jitter accumulation in a 2R regenerated link. It should also be noted that an novel study of the impact of regenerator spacing is carried out with the aid of a two path recirculating loop. There is an optimal regenerator spacing, leading in the best performance, corresponding to the best compromise between timing jitter accumulation and amplitude noise accumulation. In addition, this study shows the distance gain when a long spacing is used : the distance is doubled compared to the non regenerated case after 6 regenerators cascaded and spaced by 600 km, for a BER of 10-8. Finally, the timing jitter limitation of the transmission is shown experimentally.
After a presentation of some generalities of transmission systems and of the main sources of system degradations, we describe the principles of regeneration and give an overview of the main regeneration techniques found in the literature. Following this, we show the difficulty of characterising regenerator efficiency. We show, in particular, that a regenerator should be characterised in a transmission link to prove its ability to regenerate the signal.
In the fourth part of the work, the impact of a cascade of 3R regenerators in a transmission link is studied, both numerically and experimentally. This helps the reader to better understand, in the case where amplitude noise limits the transmission, how the power probability density functions evolve and how the bit error rate (BER) degrades.
The efficiency of an original 2R regenerator, composed of a vertical microcavity saturable absorber and a semiconductor optical amplifier, is then demonstrated in a recirculating loop experiment at 10 Gbit/s. A distance improvement ratio better than 9,5 is obtained at a BER of 10-8, allowing a propagation over 20 000 km for this level of signal degradation. An original study of the efficiency of this device over a spectral band as wide as 13 nm allows us to demonstrate the potential of this device for WDM applications.
This device finally allows us to carry out a more general study of the impact of a cascade of 2R regenerators. A numerical study clarifies the timing jitter accumulation in a 2R regenerated link. It should also be noted that an novel study of the impact of regenerator spacing is carried out with the aid of a two path recirculating loop. There is an optimal regenerator spacing, leading in the best performance, corresponding to the best compromise between timing jitter accumulation and amplitude noise accumulation. In addition, this study shows the distance gain when a long spacing is used : the distance is doubled compared to the non regenerated case after 6 regenerators cascaded and spaced by 600 km, for a BER of 10-8. Finally, the timing jitter limitation of the transmission is shown experimentally.
Ce mémoire est consacré à l'étude de l'impact de la régénération 2R dans un système de transmission optique. La régénération optique 2R devrait permettre d'améliorer les performances et limiter le coût des liaisons longue distance et métropolitaines. Des dispositifs simples et peu coûteux pourraient en effet remplacer certains transpondeurs des liaisons optiques. Seules les techniques compatibles avec le réseau multiplexé en longueur d'onde (WDM) seront susceptibles de voir le jour. Ces travaux se sont par conséquent plus particulièrement tournés vers un dispositif 2R à base d'un absorbant saturable en microcavité verticale, dispositif qui présente les qualités requises pour l'application visée. Ces travaux ont donné lieu à des considérations tant d'un point de vue compréhension des phénomènes que d'un point de vue performances. Ils ont été réalisés dans le cadre du projet RNRT (Réseau National de Recherche en Télécommunications) ASTERIX (Absorbant Saturable pour la régénération TERabits multIpleXée en longueurs d'onde).
Après une présentation des généralités sur les systèmes de transmission optique et des principales dégradations subies par le signal, nous abordons la régénération optique. Nous mettons ensuite en évidence la difficulté de démontrer l'efficacité d'un régénérateur. Nous montrons notamment que pour démontrer son efficacité, un régénérateur optique doit être caractérisé dans une liaison.
L'étude numérique et expérimentale d'une liaison comportant une cascade de régénérateurs optiques 3R, nous permet ensuite, dans le cas où l'accumulation de bruit d'amplitude limite la transmission, de connaître l'évolution des densités de probabilité depuissance des symboles et donc du taux d'erreur binaire (TEB).
Le cas d'une régénération 2R est ensuite abordé. Un dispositif original constitué d'un absorbant saturable suivi d'un amplificateur optique à semiconducteur (SOA) est caractérisé avant d'être cascadé dans une ligne de transmission à 10 Gbit/s. L'efficacitédu dispositif est démontrée puisqu'un facteur d'amélioration de la distance de propagation supérieur à 9,5 est obtenu pour un TEB de 10-8 permettant une propagation sur 20 000 km. L'accordabilité du dispositif est également démontrée sur une bande spectrale de 13 nm, ce qui est prometteur pour une transmission WDM.
Ce dispositif 2R nous permet finalement d'aborder de manière plus générale, l'effet d'une cascade de régénérateurs 2R dans une liaison. Une étude numérique clarifie le phénomène d'accumulation de gigue temporelle en présence de régénérateurs 2R. Une boucle à recirculation à pas de régénération variable permet d'étudier expérimentalemen l'impact du pas entre régénérateurs. Il existe un pas de régénération optimal correspondant au meilleur compromis entre accumulation de gigue temporelle et de bruit d'amplitude. L'étude met également en évidence l'intérêt d'espacer largement les régénérateurs (distance doublée pour 6 régénérateurs cascadés à un TEB de 10-8 dans le cas considéré). Enfin la limitation de la transmission par la gigue temporelle est mise en évidence expérimentalement.
Après une présentation des généralités sur les systèmes de transmission optique et des principales dégradations subies par le signal, nous abordons la régénération optique. Nous mettons ensuite en évidence la difficulté de démontrer l'efficacité d'un régénérateur. Nous montrons notamment que pour démontrer son efficacité, un régénérateur optique doit être caractérisé dans une liaison.
L'étude numérique et expérimentale d'une liaison comportant une cascade de régénérateurs optiques 3R, nous permet ensuite, dans le cas où l'accumulation de bruit d'amplitude limite la transmission, de connaître l'évolution des densités de probabilité depuissance des symboles et donc du taux d'erreur binaire (TEB).
Le cas d'une régénération 2R est ensuite abordé. Un dispositif original constitué d'un absorbant saturable suivi d'un amplificateur optique à semiconducteur (SOA) est caractérisé avant d'être cascadé dans une ligne de transmission à 10 Gbit/s. L'efficacitédu dispositif est démontrée puisqu'un facteur d'amélioration de la distance de propagation supérieur à 9,5 est obtenu pour un TEB de 10-8 permettant une propagation sur 20 000 km. L'accordabilité du dispositif est également démontrée sur une bande spectrale de 13 nm, ce qui est prometteur pour une transmission WDM.
Ce dispositif 2R nous permet finalement d'aborder de manière plus générale, l'effet d'une cascade de régénérateurs 2R dans une liaison. Une étude numérique clarifie le phénomène d'accumulation de gigue temporelle en présence de régénérateurs 2R. Une boucle à recirculation à pas de régénération variable permet d'étudier expérimentalemen l'impact du pas entre régénérateurs. Il existe un pas de régénération optimal correspondant au meilleur compromis entre accumulation de gigue temporelle et de bruit d'amplitude. L'étude met également en évidence l'intérêt d'espacer largement les régénérateurs (distance doublée pour 6 régénérateurs cascadés à un TEB de 10-8 dans le cas considéré). Enfin la limitation de la transmission par la gigue temporelle est mise en évidence expérimentalement.
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