conception d`interconnexions optiques haut debit courte distance en

ACADEMIE DE STRASBOURG
T HESE
P OUR OBTENIR LE GRADE DE
D OCTEUR DE L ’U NIVERSITE DE S TRASBOURG
D ISCIPLINE : I MAGE , SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L ' INFORMATION
E COLE DOCTORALE : M ATHEMATIQUES , S CIENCES DE L 'I NFORMATION ET DE L 'I NGENIEUR
T HESE CIFRE : E NTREPRISE PARTENAIRE : D-L IGHTSYS
U NITE DE RECHERCHE : L ABORATOIRE DES SYSTEMES PHOTONIQUES LSP
P
RESENTE PUBLIQUEMENT PAR :
V INCENT F OUCAL
C ONCEPTION D ’ INTERCONNEXIONS OPTIQUES HAUT DEBIT COURTE
DISTANCE EN ESPACE LIBRE . P ROTOTYPAGE DE MODULES DE
COMMUNICATION POUR APPLICATIONS EMBARQUEES
Directeur de thèse : Prof. Patrick Meyrueis
Soutenue le 29 septembre 2010 devant le jury composé de:
M. Philippe Gallion Professeur à TELECOM ParisTech, Paris Rapporteur
M. Alain Brun Professeur à l’Institut d’Optique Rapporteur
M. Patrice Twardowski Maître de conférences au LSP, Strasbourg Examinateur
M. Pierre Pfeiffer Maître de conférences au LSP, Strasbourg Examinateur
M. Patrick Meyrueis Professeur au LSP, Strasbourg Examinateur
M. Mathias Pez Directeur général de D-Lightsys Examinateur

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Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier toute l’équipe de D-Lightsys pour son implication et
son aide au cours de ces cinq longues années de labeur. Les défis sont très nombreux pour
une start-up qui se lance dans le domaine industriel : développer un outil industriel, améliorer
la technologie existante, démarcher les clients potentiels, suivre le marché pour analyser les
besoins des clients, développer de nouveaux produits,… Dans ce contexte, il est difficile de
dégager du temps pour encadrer un doctorant. Chaque personne dans l’équipe s’est
pourtant investie dans la mesure de ses possibilités pour m’aider dans ce travail de thèse.
Je remercie particulièrement Mathias Pez pour sa confiance, sa patience et son
éclairage avisé sur le CDMA optique ainsi que François Quentel pour son appui et son soutien
dans les moments difficiles.
Je remercie également Christian Claudepierre et Daniel Mousseaux pour leur aide au
cours des phases de prototypage, Gaële Barbary pour son travail sur le CDMA optique qui
m’a permis d’avancer plus rapidement sur le sujet ainsi qu’Alexandre Bacou pour sa
relecture sans concession de mon mémoire et son aide sur les VCSEL.
Mention spéciale pour Catherine Hartmann qui m’a épaulé psychologiquement
durant toute la durée de ma thèse et bien au-delà ! Je la remercie vivement pour ses
conseils et sa bonne humeur communicative.
Je remercie Patrick Meyrueis et Patrice Twardowski du LSP pour m’avoir soutenu et
encouragé à aller jusqu’au bout du périple.
Je remercie également mes amis pour leur soutien indéfectible lors de cette période :
Grégory, Emilie, Christophe, Delphine, Vincent, et tous les autres.
Je remercie chaleureusement ma famille qui a fait le déplacement en nombre pour
assister à ma soutenance.

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Résumé
Les interconnexions optiques en espace libre proposent aujourd’hui de surmonter les
limites rencontrées par les technologies d’interconnexion électronique. Les données sont
transmises sans support de communication à travers l’air généralement. Ce type
d’interconnexions est limité à des communications très courtes distances (entre quelques
millimètres et quelques dizaines de centimètres). Cette thèse présente mon travail de
conception d’une interconnexion optique point à point à haut débit en espace libre. Les
simulations optiques ont permis d’optimiser la liaison afin d’obtenir des tolérances de
positionnement des modules compatibles d’une application carte à carte dans un fond de
panier. Un démonstrateur fonctionnel a été mis au point au terme de cette étude.
Par ailleurs, ce mémoire présente une technique de multiplexage originale, le CDMA
optique pour la réalisation de réseaux optiques passifs entièrement reconfigurables à très
faible temps de latence. Cette technique implique que tous les émetteurs utilisent la même
longueur d’onde et partagent le même médium de communication (en espace libre ou sur
fibres optiques). Le CDMA optique est une méthode d’implémentation du CDMA électrique
à un réseau optique. Le principe de fonctionnement du CDMA optique est démontré
expérimentalement et une estimation des capacités de multiplexage est proposée pour
conclure.
Abstract
Today free space optical interconnects (FSOI) provide an alternative to the electronic
interconnection limits. Data are transmitted without any physical support through the air. This
kind of interconnect is limited to very short range communication (between a few millimetres
to a few centimetres). This thesis presents my conception of a point-to-point free space
optical interconnect at high bit data rate. Optical simulations have optimized the link in order
to get the positioning tolerance of the optoelectronic modules required for a board- to-
board communication within a rack. A working demonstrator has been set up to conclude
this part.
Moreover, this thesis present an original multiplexing technique, the optical CDMA, to
achieve a reconfigurable and multi-user optical communication network with a low latency
time. For this technique all the transmitters use the same wavelength and share the same
medium of communication (free space or optical fiber). The optical CDMA is a method to
implement the electronic CDMA into an optical network. The optical CDMA principle is shown
experimentally and an estimation of multiplexing capacity is proposed at the end.

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Table des matières
INTRODUCTION 11
1 CHAPITRE 1 : LE CONTEXTE DE LA RECHERCHE 13
1.1 Les interconnexions optiques 13
1.1.1 Définition 13
1.1.2 Applications 13
1.1.3 Comparaison entre les communications de type télécom et datacom 14
1.1.4 Comparaison entre les liaisons datacom optiques et électroniques 17
1.2 Architecture d’une interconnexion optique 21
1.2.1 Module émetteur dans une interconnexion optique 22
1.2.2 Médium de communication dans une interconnexion optique 23
1.2.3 Module récepteur dans une interconnexion optique 24
1.3 Les interconnexions optiques en espace libre 24
1.3.1 Analyse de l’état de l’art : les systèmes d’interconnexions optiques en espace libre 26
1.3.2 Les systèmes d’interconnexions radiofréquences en espace libre 32
1.3.3 Etat de l’art des interconnexions optiques en espace libre sur de courtes distances 34
1.4 Description des objectifs 48
1.4.1 Problématique 48
1.4.2 Propositions d’architecture de liaisons optiques en espace libre 49
1.4.3 Spécifications techniques 52
2 CHAPITRE 2 : PROPOSITION D’UN SYSTEME DE COMMUNICATION OPTIQUE
EN ESPACE LIBRE POINT A POINT 58
2.1 Les VCSEL : des lasers incontournables dans les interconnexions optiques 58
2.1.1 Structure des VCSEL 58
2.1.2 Principe des miroirs de Bragg 59
2.1.3 Description de la zone active d’un VCSEL 61
2.1.4 Différents types de VCSEL disponibles à 850nm 62
2.1.5 VCSEL à grande longueur d’onde 63
2.1.6 Mode longitudinal du VCSEL 65
2.1.7 Modes transverses d’un VCSEL 66
2.1.8 Comparaison entre les VCSEL et les diodes laser DFB 68
2.2 Méthode de caractérisation d’un VCSEL 68
2.3 Choix de conception du système optique 72
2.3.1 La sécurité oculaire 72
2.3.2 Les lentilles 73
2.3.3 Le photodétecteur 74
2.3.4 Evaluation de la sensibilité du module de réception 75
2.4 Modélisation et simulations numériques du système optique 79
2.4.1 Modélisation du profil de faisceau 79

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2.4.2 Présentation du système optique 80
2.4.3 Evaluation du taux de couplage du système 81
2.4.4 Optimisation des tolérances de positionnement des modules 82
2.5 Validation expérimentale des simulations 93
2.5.1 Présentation du montage de test 93
2.5.2 Etalonnage du potentiomètre numérique 95
2.5.3 Evaluation de la sensibilité du module de réception 98
2.5.4 Comparaison entre résultats expérimentaux et simulations 99
2.5.5 Acquisitions de diagrammes de l’œil 103
2.5.6 Conclusion 109
2.6 Réalisation de prototypes et d’un démonstrateur de validation 110
2.6.1 Réalisation des modules optoélectroniques 110
2.6.2 Réalisation d’un démonstrateur 115
2.6.3 Réalisation d’un démonstrateur très courte distance de communication 115
2.7 Conclusion 118
3 CHAPITRE 3 : MULTIPLEXAGE DES DONNEES OPTIQUES 120
3.1 Les techniques de multiplexage 120
3.1.1 Le TDMA (Time Division Multiple Access) 120
3.1.2 Le FDMA (Frequency Division Multiple Acces) 123
3.2 Le CDMA 126
3.2.1 Intérêt de l’étalement de spectre 126
3.2.2 Principe du CDMA 126
3.2.3 Étalement par séquence directe (DS-SS : Direct Sequence Spread Spectrum) 129
3.2.4 Les codes bipolaires 131
3.3 Etat de l’art des systèmes de multiplexages OCDMA 138
3.3.1 Intérêt de l’OCDMA 138
3.3.2 Mise en œuvre de l’OCDMA 139
3.3.3 Les codes unipolaires 139
3.3.4 Le codage temporel DS-OCDMA 140
3.4 Conclusion 143
4 CHAPITRE 4 : TECHNIQUE DE MULTIPLEXAGE ELECTRIQUE DS-OCDMA
PAR MODULATION DE PUISSANCE 145
4.1 Objectif de cette étude 145
4.2 Principe de fonctionnement 147
4.3 Conception d’un réseau CDMA optique 149
4.3.1 Description d’un réseau en CDMA optique 149
4.3.2 Réalisation des émetteurs/récepteurs 150
4.3.3 Signal optique multi-niveaux 151
4.3.4 Temps de latence 152
4.4 Intérêt du CDMA optique pour les réseaux optiques reconfigurables 153
4.5 Architecture du banc de test 155
4.6 Premiers résultats expérimentaux 156
4.6.1 Paramètres du banc expérimental 156
4.6.2 Multiplexage de deux voies 157