R´ecuperation d`horloge d`un signal OTDM `a 640 Gbit

Récuperation d’horloge d’un signal OTDM à 640 Gbit/s transmis sur 50 km
par boucle à verrouillage de phase opto-électronique utilisant un dispositif
en niobate de lithium à inversion de domaines
Fausto Gómez Agis1 , Cédric Ware1 , Leif K. Oxenløwe2 , Sunao Kurimura3 , Hans C. Hansen Mulvad2 ,
Michael Galili2 et Didier Erasme1
1
Institut TELECOM, TELECOM ParisTech, LTCI CNRS
Département Communications et Électronique
46 rue Barrault, F-75634 Paris CEDEX 13
2
DTU Fotonik,
Department of Photonics Engineering, 2800
Kgs Lyngby, Denmark
3
National Institute for Materials Science
1-1, Namiki, Tsukuba 305-0044, Japan
[email protected]
Résumé
L’extraction d’horloge d’un signal OTDM à 640 Gbit/s, transmis sur 50 km, à partir d’une
boucle à verrouillage de phase utilisant l’effet non-linéaire de mélange à trois ondes dans un
composant de niobate de lithium à inversion de domaines a été mise en œuvre.
Mots-clefs : récupération d’horloge, mélange à trois ondes, OTDM, optique non-linéaire, PPLN
1.
Introduction
Une fonction importante d’un système de communication est la récupération d’horloge ; celle-ci
est cruciale au niveau de la réception et éventuellement de la régénération et du démultiplexage. Elle est
traditionnellement effectuée par une boucle à verrouillage de phase, dispositif bien connu en électronique.
Toutefois, à mesure que le débit des systèmes de transmission optiques augmentent au-delà de 100 Gbps,
le besoin de recourir à des solutions partiellement ou tout-optiques est envisagé.
Parmi les diverses méthodes optiques de récupération d’horloge proposées on trouve des schémas
de boucles à verrouillage de phase dont les fonctions nécessitant une réponse rapide — notamment la
comparaison de phase — sont assurées par des effets optiques non-linéaires dans des amplificateurs
optiques à semi-conducteurs (SOA) : mélange à quatre ondes [1], ou modulation croisée de phase [2], et
récemment dans des composants à base de niobate de lithium à inversion de domaines (PPLN) utilisant
le phénomène de mélange à trois ondes [3, 4].
2.
Dispositif
On reconnaît, sur la figure 1, les trois blocs de base de la boucle à verrouillage de phase : une
horloge locale optique pilotée par un oscillateur commandé en tension (VCO), un comparateur de phase
et un filtre de boucle. Le système sert à asservir la phase de l’enveloppe de l’horloge optique à la valeur
de la phase de l’envelope du signal d’entrée.
L’oscillateur local à λc = 1569.9 nm, consiste en une série d’impulsions de 2.7 ps de largeur à
mi-hauteur (FWHM) générés par un laser à modes bloqués (TMLL) piloté par un VCO à fc = 10 GHz.
Ce signal est couplé au signal dont la cadence doit être extraite par l’intermédiaire d’un coupleur à 3 dB.
Ledit signal de données est un train d’impulsions à 640 Gbit/s ( f s = 640 GHz) transmises sur une fibre
SMF-IDF dont la longueur est de 50 km. Les impulsions du signal sont générés par un laser ERGO-PGL
réglé à λ s = 1558.85 nm et sont modulées en OOK à 10 Gbit/s avec trois séquences pseudo aléatoires
(PRBS) différentes, à savoir 27 − 1, 215 − 1 et 231 − 1. Afin d’être adaptées à un signal à très haut débit,
les impulsions ont été comprimées par auto-modulation de phase (SPM), atteignant une largeur FWHM
de environ 560 fs.
27 − 1
640 Gbit/s 215 − 1
231 − 1
Comparateur de Phase
50 km Fibre SMF-IDF
Signal de Données
Transmission OTDM
50
50
Compression
d’impulsions
TMLL
SOA
VCO
QPM ARW PPLN
λTWM ≈ 782.5 nm
APD
Horloge Optique
Optique
Electrique
Filtre
Horloge
∼ 10 GHz
Fig. 1 – Schéma de principe de la boucle à verrouillage de phase opto-électronique.
Le signal de données et l’oscillateur local injectés dans le PPLN subissent un effet de somme de
fréquences pour le quasi-accord de phase dans le PPLN
−1 −1
= λSF = 782.5 nm
[λ−1
c + λs ]
(1)
Le PPLN utilisé, comporte un guide onde de profil à saut d’indice (ARW QPM PPLN) optimisé pour le
doublement de fréquence à 1565 nm. Ses dimensions : environ 8 μm de haut, 2.5 μm de large et 30 mm de
long, assurent un bon confinement de la lumière fournissant une meilleure efficacité de conversion [5] par
rapport à celle du composant utilisé dans des expériences précédentes [6]. Le faisceau de mélange à trois
ondes à 782.5 nm généré, est détecté au moyen d’un photodétecteur à avalanche au silicium, insensible
aux signaux d’entrée. L’enveloppe de ce signal, dit signal d’erreur, dépend de l’intercorrélation du signal
d’entrée et de celui d’horloge (ou de ses harmoniques). Pour cela, les impulsions du signal de données
doivent être résolues dans le comparateur de phase par les impulsions de l’oscillateur local. Il est donc
nécessaire de comprimer les impulsions de l’horloge optique. À cet effet, une étape de compression
soliton a été utilisée pour atteindre une FWHM de 760 fs.
Lorsque la comparaison de phase doit être réalisée à l’échelle de la fréquence fs , c’est l’harmonique de l’horloge optique N fc le plus proche de fs qui doit être pris en compte (N = 64 pour l’extraction
d’horloge du signal OTDM). Si les deux fréquences fs et N fc ne sont pas égales, le signal à la sortie du
photodétecteur comporte une composante à basse fréquence oscillant à | fs −N fc |. (D’autres composantes,
à la somme des fréquences, sont filtrées par le photodétecteur car sa bande passante n’est que de quelques
dizaines de MHz.) Si, au contraire, f s = N fc , régime accroché de la boucle à verrouillage de phase, le
signal d’erreur est constant, et sa valeur dépend du retard entre les deux trains d’impulsions constituant
les signaux de données et d’horloge. La sortie du comparateur de phase est ensuite filtrée par un filtre à
basse fréquence qui sert à réduire le bruit de phase de l’horloge récupérée et à établir la longueur de la
boucle (temps d’acquisition). La sortie du filtre, pilotant le VCO, ferme ainsi la boucle.
3.
Résultats expérimentaux et discussion
La récupération d’horloge d’un signal à 640 Gbit/s → 10 GHz a été accomplie de manière satisfaisante. Les figures 2(a) et 2(b) montrent, respectivement, le spectre des signaux d’entrée et de sortie
du PPLN. Dans le spectre de sortie, on observe la contribution de différents processus de mélange à
trois ondes : doublement de fréquence (SH) et somme de fréquences (SF). Du fait de la grande largeur
spectrale des signaux, SH et SF sont produits non seulement par l’interaction entre les signaux à l’entrée
du PPLN, mais par l’interaction entre les signaux avec eux-mêmes. Comme il est montré dans la figure
2(b), deux régions : TWM1 et TWM2, peuvent être identifiées. La première représente l’effet superposé
de SF et SH dans l’intervalle de 780.5 à 782 nm et la deuxième dans l’intervalle de 782 à 783 nm. Le pic
à 781.2 nm est produit par l’interaction entre les composantes discrètes situées aux longueurs d’ondes
centrales des signaux, à savoir λs = 1558.85 nm et λc = 1565.9 nm. De plus, les composantes spectrales
discrètes sur les lignes spectrales de modulation à 640 GHz (±5.2 nm autour de la longueur d’onde centrale) contribuent aussi au processus de création du pic. Par exemple : a) λs 1564 nm/λc 1560.80 nm
ou λs 1553.55 nm/λc 1571.35 nm vérifient l’éq.(1) pour λSF 781.2 nm
La gigue temporelle de l’horloge récupérée a été calculée en réalisant l’intégration du bruit de
phase par rapport à la fréquence d’écart Foffset entre 1 kHz et 10 GHz. On peut constater dans la Fig.2(c),
−10
−50
−40
Δλ
Δλs
∼ 5.2 nm
∼ 5.2 nm
s
−70
1540
1550
175
1560
1570
Longueur d’onde [nm]
(a)
1580
TWM2
TWM1
Bruit de phase [dBc/Hz]
−30
−55
Puissance optique [dBm]
(Résolution: 0.01 nm)
Horloge optique
−60
200
−90
−60
−65
−70
−75
−80
780.5
150
−100
7
PRBS 2 −1
−110
PRBS 215 −1
31
PRBS 2
−120
781.5
782
782.5
Longueur d’onde [nm]
783
783.5
(b)
100
−1
75
−130
50
−140
781
125
−150 3
10
Gigue temporelle [fs]
Puissance optique [dBm]
(Résolution: 0.1 nm)
−20
−50
−80
Signal d’erreur
Signal de données
25
4
10
5
10
6
10
Foffset [Hz]
7
10
8
10
09
10
(c)
Fig. 2 – Spectres à l’entrée et sortie du QPM ARW PPLN observés à l’analyseur de spectre optique,
(a) Signal OTDM à 640 Gbit/s et horloge optique, (b) Effet superposé de SH et SF produit par l’interaction des signaux dans le QPM ARW PPLN. (c)Bruit de phase et gigue temporelle de l’horloge récuperée.
que les courbes du bruit de phase sont assez similaires avec de légères différences en gigue temporelle.
Par exemple, on trouve, pour la PRBS 27 − 1 une gigue d’environ 158 fs, contre 140 fs et 154 fs pour les
PRBS 215 − 1 et 231 − 1, respectivement. Donc, en pratique on peut considérer que la gigue est la même
pour les séquences PRBS utilisées. L’horloge récuperée fournissant la synchronisation du système de
demultiplexage utilisé en [3], a permis l’extraction d’un canal à 10 Gbit/s avec une pénalité de moins de
1 dB.
Conclusion et perspectives
Nous avons mis en œuvre une boucle à verrouillage de phase opto-électronique utilisant l’effet
non-linéaire de mélange à trois ondes dans un niobate de lithium à inversion de domaines. Ce dispositif
est capable d’extraire l’horloge d’un signal OTDM à 640 Gbit/s et montre une indépendence à la séquence
PRBS utilisée. De plus, une très haute résolution temporelle (temps de réponse ultra-rapide) est verifiée.
Nous estimons que ce dispositif est un très bon candidat pour être implementé dans les futurs systèmes
d’extraction d’horloge.
Références
[1] O. Kamatani and S. Kawanishi, “Ultrahigh-speed clock recovery with phase lock loop based on fourwave mixing in a traveling-wave laser diode amplifier,” Journal of Lightwave Technology, vol. 14,
pp. 1757–1767, Aug. 1996.
[2] L. K. Oxenløwe, P. Jeppesen, D. Zibar, M. Galili, A. T. Clausen, and L. J. Christiansen, “Clock recovery for 320 Gb/s OTDM data using filtering-assisted XPM in an SOA,” in CLEO/Europe, no. CI34-MON, (Munich, Germany), June 2005.
[3] L. K. Oxenløwe, F. Gómez Agis, C. Ware, S. Kurimura, H. C. H. Mulvad, M. Galili, K. Kitamura,
H. Nakajima, J. Ichikawa, D. Erasme, A. T. Clausen, and P. Jeppesen, “640 Gbit/s data transmission
and clock recovery using an ultra-fast periodically poled lithium niobate device,” in Proc. Optical
Fiber Communication Conference, Postdeadline Papers, (San Diego, CA), Feb. 23-28 2008. Paper
PDP22.
[4] C. Ware, L. K. Oxenløwe, F. Gómez Agis, H. C. Hansen Mulvad, M. Galili, S. Kurimura, H. Nakajima, J. Ichikawa, D. Erasme, A. T. Clausen, and P. Jeppesen, “320 Gbps to 10 GHz sub-clock
recovery using a PPLN-based opto-electronic phase-locked loop,” Opt. Express, vol. 16, pp. 5007–
5012, Mar. 2008.
[5] S. Kurimura, Y. Kato, M. Maruyama, Y. Usui, and H. Nakajima, “Quasi-phase-matched adheredridge-waveguide in LiNbO3 ,” Appl. Phys. Lett., vol. 89, no. 19, pp. 1123–1–1123–3, 2006.
[6] F. G. Agis, C. Ware, D. Erasme, R. Ricken, V. Quiring, and W. Sohler, “10-GHz Clock Recovery
Using an Optoelectronic Phase-Locked Loop Based on Three-Wave Mixing in Periodically Poled
Lithium Niobate,” Photonics Technology Letters, vol. 18, pp. 1460–1462, July 2006.