Régénération de signaux pour les transmissions optiques par

Année 2004-2005
P31. Régénération tout-optique de signaux
pour les transmissions à haut débit
Auteurs : Mlle Johanne JACOB, MM. Przemyslaw DOMIN et Davy PUYHAUBERT
Encadrants : MM. Zongyan WU (département Optique) et Joël TRUBUIL (département
Signal).
Partenaires : M. Benjamin CUENOT ( UCC Photonic Systems Group, Ireland).
Mots clés : Fibre optique, régénération, système tout-optique, optique non-linéaire,
effet Kerr, auto-modulation de phase.
Résumé : Après avoir effectué une approche théorique de l’effet Kerr (ou auto-
modulation de phase), nous avons cherché à élaborer un dispositif de régénération
tout optique se basant sur l’étude de Mamyshev[1]. Réalisée de manière approfondie
pour un modèle de bruit additif fictif, l’étude a abordé dans un second temps la
régénération d’un bruit blanc gaussien également additif. Seule une partie des
résultats obtenus dans la première phase est applicable à cette seconde partie mais
ils demeurent en soi satisfaisants.
1. Présentation et contexte du projet
Dans les transmissions sur fibre optique, les signaux parcourent parfois de longue
distance et ont donc besoin d’être amplifiés et régénérés à plusieurs reprises compte tenu
des effets linéaires et non-linéaires provoqués par les milieux et composants traversés. Ils
apportent du bruit quantique et thermique qui déforment en définitive le signal, faussant son
interprétation. Pour ce faire, il existe notamment des dispositifs de régénération
optoélectroniques. Ils imposent une conversion du signal qui peut se révéler coûteuse et
réduire le débit. Notre approche est celle de la régénération tout-optique en utilisant à notre
avantage l’effet Kerr se produisant dans les milieux non-linéaires, pour régénérer le signal
grâce simplement au filtrage optique. Nos travaux se basent essentiellement sur ceux de
Mamyshev.
2. Méthodologie
Notre réflexion en début de projet a abouti à la réalisation d’un plan de management
fixant le cadre de notre étude, ceci en respect des attentes du client. Nous avons donc
scinder le travail en deux grandes parties, celle relative à la gestion du travail et des
ressources et celle propre au travail d’ingénierie. Cette dernière a été divisée en trois sous-
parties : la simulation proprement dite avec la prise en main du logiciel VPI ; l’étude du
filtrage ; enfin, la conception et la validation d’un dispositif de régénération dans différents
cas de figure. Chaque partie s’est vue alors affecter un ordre de grandeur, en terme
d’heures, du temps nécessaire à leur bonne réalisation. Il a été également tenu compte du
temps passé à la rédaction des divers documents livrables.

3. Développement et principaux résultats.
31. Théorie
La théorie nous donne différents résultats sur l’optique non-linéaire. Nous nous
sommes restreints à l’effet Kerr en absence ou en présence de dispersion mais négligeable,
pour réduire l’expression de l’auto-modulation de phase et pour l’appliquer uniquement à un
signal constitué d’impulsions gaussiennes. Ce qui ressort de tout ceci est la relation
suivante : l’élargissement spectral du signal est proportionnel à la distance parcourue dans
la fibre, à son intensité lumineuse, au coefficient de réfraction non-linéaire et est
inversement proportionnel à la section efficace de la fibre.
32. Dispositif de régénération élémentaire
Suivant la relation précédemment établie, nous avons élaboré un dispositif de
régénération de base qui se compose d’un milieu non-linéaire qui est une fibre optique
classique ou à effet non-linéaire important et d’un filtre optique. Ce dernier devant être placé
judicieusement. Toute l’étude repose sur la recherche de la position optimale de ce filtre, en
terme de fréquence de décalage par rapport à la fréquence centrale du signal, et, de sa
forme, c’est-à-dire pour un filtre gaussien, sa largeur de bande.
33. Bruits étudiés
Ce modèle de régénérateur s’est montré très efficace pour un bruit additif particulier,
purement théorique, qui se trouve être la réduction du bruit à un signal parasite de même
fréquence que le signal utile mais de plus faible amplitude. Ce sont les résultats obtenus sur
la Figure 2. Notre travail nous a conduit à étudier également ce qui peut être considéré
comme un bruit vis-à-vis d’un signal donné, c’est-à-dire le mélange à quatre ondes dans les
fibres multiplexées en longueurs d’onde (WDM). Notre but premier, qui se trouve être la
dernière étape de notre étude, fut l’élimination du bruit blanc additif gaussien grâce à une
adaptation de cette méthode.
Figure 1: Schéma du principe de la régénération tout-optique selon Mamyshev
Figure 2 : Détail d’un signal temporel avant et après régénération
(de gauche à droite).

4. Conclusions et perspectives.
Cette étude apporte des résultats concluants : en effet, il est possible de régénérer
de manière plus ou moins adaptée différents types de signaux bruités ( modulation
défectueuse, bruit thermique, mélange à quatre ondes) grâce à ce dispositif de régénération
élémentaire (fibre + filtre optique) ou par sa mise en cascade. Ce système, né de la
simulation sous le logiciel VPI, doit pouvoir s’adapter aux configurations physiques réelles et
la poursuite de cette étude donnerait vraisemblablement des résultats prometteurs dans des
chaînes de transmission à faible rapport signal sur bruit, à très haut débit et dont le modèle
de bruit s’approcherait de ceux étudiés.
Bibliographie
Principale référence :
[1] P.V. MAMYSHEV, “All-optical data regeneration based on SPM effect”, Optical
Communication, 1998. 24th European Conference on optical communications (Madrid), vol.
1, 20-24 Sept. 1998. pp. 475-476.