recuperation d`horloge tout optique et remise en forme

RECUPERATION D’HORLOGE TOUT OPTIQUE ET REMISE EN FORME
D’IMPULSIONS DANS UNE CAVITE LASER FIBREE UTILISANT UN
AMPLIFICATEUR OPTIQUE A SEMI-CONDUCTEURS
Arnaud Fernandez1, Lu Chao2, Jacques W. D. Chi1
1
2
ENIB, laboratoire R.E.S.O, C.S. 73862, 29238 Brest CEDEX 3 France
Université Polytechnique de Hong-Kong, département E.I.E, Kowloon, Hong-Kong
[email protected]
RESUME
Nous présentons un dispositif tout optique, capable de récupérer de manière continue la
fréquence d’horloge d’un signal retour zéro (RZ) à un débit compris entre 10GHZ et
12.5GHz. Le signal d’horloge récupéré s’avère être Gaussien de largeur mi-hauteur
~13ps, doté d’un faible jitter temporel ~200fs et quasiment libre de tout chirp. Pour ce
faire nous avons inséré dans la cavité une fibre à compensation de dispersion (DCF)
dans le but d’éliminer le chirp et l’asymétrie engendrés par l’amplificateur optique à
semi-conducteurs (SOA). De plus cette configuration en anneau, SOA+DCF, nous
permet de récupérer l’horloge sur une plage de 40nm correspondant à la bande
passante du SOA.
MOTS-CLEFS : récupération d’horloge ; blocage de modes actif ; fibre à compensation
de dispersion ; amplificateur optique à semi-conducteurs.
1. INTRODUCTION
La récupération d’horloge tout optique (OCR) est l’une des fonctions les plus importantes
requises pour la régénération 3R dans les réseaux à multiplexage en longueur d’onde (WDM) et à
multiplexage temporel (TDM). De plus, le développement de systèmes de transmission fibrée à haut
débit, au-delà de 10Gb/s, confirme l’OCR être un composant clé pour extraire l’information
d’horloge d’un signal optique de données. Cependant les signaux d’horloge sont rarement dénués de
chirp, limitant ainsi leurs performances lors de l’utilisation dans les systèmes de démultiplexage
optique TDM [1]. Dans le but de réduire le chirp de l’impulsion causé par le SOA et de récupérer
l’horloge quelque soit le taux de répétition des données entrantes, nous proposons une technique
d’OCR basée sur la gestion de la dispersion. Le choix de la dispersion de la cavité laser, par
l’intermédiaire d’un échantillon de DCF de longueur préalablement définie, confère à ce système la
capacité de s’auto synchroniser au flux de données entrantes, de plus la DCF compense une large
partie du chirp suite à l’amplification dans le SOA et remet en forme l’impulsion avant sa ré
amplification. En prime, les impulsions générées demeurent insensibles aux fluctuations de
paramètres comme la variation de la polarisation.
2. DISPOSITIF EXPERIMENTAL
Le dispositif expérimental est illustré par la figure Fig.1, il comprend un SOA de 28dB de
gain petit signal pour un courant de polarisation de 290mA, la durée de vie des porteurs est de 13ps.
Deux isolateurs assurent la propagation unidirectionnelle du signal avant et après le SOA, la
dispersion dans la cavité est assurée par un tronçon de fibre DCF de 192m de dispersion
D=-139ps/nm/km, le reste de la cavité est composé de fibre SMF de dispersion D=16ps/nm/km. La
dispersion totale de la cavité s’élève à -26. 3ps/nm réduisant de manière significative la différence
de vitesse de groupe entre longueurs d’onde voisines sur une plage de quelques nm. Un filtre passe
bande de bande passante 6nm est employé pour sélectionner la fenêtre spectrale dans laquelle nous
désirons récupérer l’horloge. La longueur totale de la cavité est de 211m, correspondant à une
fréquence fondamentale de 0.87MHz. Les données pseudo aléatoires (PRBS) du signal RZ sont
issues de la mise en cascade de deux modulateurs d’amplitude LiNbO3.
générateur
PRBS
1.55µm
laser CW
AM
PC
Générateur de
signal RF
PC
PC
192m
DCF
AM
EDFA
Circulateur
Isolateur
Filtre 6 nm
1
2
SOA
3
Coupleur 20:80
DL
Sortie
Isolateur
FIG. 1 : Le montage OCR: P.C, contrôleur de polarisation; A.M, modulateur d’amplitude; D.L, ligne à retard;
DCF, Fibre a Compensation de Dispersion.
3. RESULTATS ET INTERPRETATION
Dans la figure Fig.2, nous montrons les profils temporels et spectraux sans (Fig.2a et 2.b) et
avec (Fig.2c et 2.d) l’échantillon de DCF, mesurés respectivement avec un oscilloscope optique à
échantillonnage de bande passante 500GHz (OSO, Ando AQ7750) et un analyseur de spectre
complexe (OSCA, Apex 2440A). Ces appareils nous permettent d’obtenir une mesure directe et
réaliste des propriétés temporelles et du chirp des grandeurs mesurées.
FIG. 2 : Horloge récupérée à 10GHz (a) Forme temporelle sans la DCF et chirp associé (points) avec une
estimation grossière (trait point), le spectre correspondant (b) a une largeur mi-hauteur de 0.7nm (c) Forme
temporelle avec une DCF et chirp correspondant (points), spectre correspondant (d) a une largeur mi-hauteur
de 0.3nm, respectivement en bonne adéquation avec une fonction gaussienne (triangle)
Sans DCF, il n’y a pas de compensation du chirp induit par l’auto modulation de phase dans
le SOA. L’asymétrie observée respectivement sur les profils temporels et spectraux témoignent de
la non linéarité apportée par le SOA [2]. Le produit DfDt=1.4 en l’absence de compensation. Notons
que dans ce cas le chirp est négatif et peut être approché par une droite décroissante en tiret point
(Fig.2a), justifiant l’emploi d’une fibre DCF. En effet dans une telle fibre la partie basse fréquence
“rouge“ du spectre de l’impulsion va se propager plus vite que sa partie haute fréquence “bleue“,
permettant au long front descendant de l’impulsion de “rattraper“ le front montant. Cette
représentation physique est confirmée dans les figures, Fig.2c et Fig.2d où l’horloge récupérée a été
obtenue avec 192m de DCF. Les impulsions ont une largeur mi-hauteur de 12ps et un produit
DfDt=0.45, très proche d’une Gaussienne limitée par la transformation.
La forte dispersion apportée par la DCF permet l’OCR de manière continue et auto
synchronisée avec des données PRBS de 10GHz jusqu’à 12.5GHz. Dans la figure Fig.3, nous
montrons comment une faible variation du débit PRBS entraîne un décalage de la porteuse de
l’horloge récupérée, comme l’ont déjà présenté Tamura et al. [3]. Cependant, cette synchronisation
ne peut subsister de manière continue, que si la bande passante du filtre optique est supérieure au
saut d’une harmonique du laser (N) à une harmonique voisine (N+1), soit un décalage en longueur
d’onde δλ max =3.9nm.
N
N+1
N+2
δλmax
FIG. 3 : Longueur d’onde de l’horloge récupérée correspondant aux fluctuations du débit des
données PRBS entrantes autour de 12.5GHz
Avec une fréquence fondamentale de 0.87MHz, le saut en longueur d’onde entre
l’harmonique N et N+1 est Δl=3.9nm, bien inférieur à la largeur du filtre optique. Notons qu’avec
une fibre conventionnelle (SMF) la variation de la porteuse en fonction de la fréquence de répétition
aurait été de -35 [nm/MHz], compromettant toute flexibilité de l’OCR.
CONCLUSION
Nous avons démontré qu’une DCF placée dans la cavité offre non seulement une horloge robuste
et auto synchronisée de 10GHz à 12.5GHz, mais aussi la possibilité de remettre en forme les
impulsions par la gestion intra cavité de la dispersion. Les impulsions d’horloge ont pu être
observées directement par un oscilloscope rapide, et ont montré être Gaussiennes limitées par la
diffraction avec~13ps FWHM et ~9mW de puissance pic, à des fréquences couvrant la bande C.
Des investigations à des débits plus élevés et avec des impulsions plus courtes sont envisagées.
RÉFÉRENCES
[1] T Sakamoto et al, “polarization insensitive all-optical time division demultiplexing using Four-Wave
mixer with a peak holding optical phase locked loop”, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 16, pp. 563-565,
Feb 2004.
[2] G.P. Agrawal and N.A. Olsson, “Self-phase modulation and spectral broadening of optical pulses in
semiconductor laser amplifiers”, IEEE J. Quantum Electron., vol. 25, pp. 2297-2306, Nov. 1989.
[3] K. Tamura, M. Nakazawa, “Dispersion tuned harmonically mode-locked fiber ring laser for selfsynchronization to an external clock”, Opt. Lett., vol. 21, n. 24, pp. 1984-1986, 1996.