Pres_these_061207 - TEL (Thèses-en

Étude de technologies avancées
pour l’optimisation des systèmes
de transmission optique
multiplexés en longueur d’onde
au débit de 40 Gbit/s
Soutenance de thèse
Mathieu Lefrançois
6 décembre 2007 – Institut d’Optique, Palaiseau
All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2006, #####
Transmission de données numériques par fibre
optique
Système de transmission optique
Données (débit
binaire B)
Fibres optiques
Modulateur
Source laser
continue ~1550 nm
Données
Récepteur
I
t
Signal optique modulé
Amplificateurs
Permet de transporter des informations numériques via
une propagation par fibre optique
 Pertes en ligne réduites : 0.2 dB/km (4%/km)
Câble électrique : >10 dB/km
 Possibilité d’un débit binaire élevé :  10 Gbit/s
câble électrique : <100 Mbit/s
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Multiplexage en longueur d’onde (WDM)
Modulation en parallèle de plusieurs « canaux »
 À 1 canal correspond 1 longueur d’onde
00111010
B Gbit/s
2
Mod.
01010011
B Gbit/s
3
Mod.
11010010
B Gbit/s
4
Mod.
10010110
B Gbit/s
00111010
I
Démultiplexeur
Mod.
Multiplexeur
1
I
t
f
Signal WDM (« multiplex »)
 « Capacité » d’un système WDM :
Débit par canal B  Nombre de canaux
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01010011
11010010
10010110
Types de systèmes de transmission optique
Systèmes métropolitains
 qqs centaines de km max.
 Echelle d’une ville
 Systèmes longue
distance terrestres
 ~300 km – 3000 km
 Echelle d’un continent
 Systèmes très longue
distance sous-marins
Systèmes
Systèmes
d’accés
d’accès
 ~3000 km – 13000 km
 Echelle d’un océan
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Contexte industriel
Systèmes existants : systèmes WDM modulés à 10 Gbit/s par
canal, de capacité totale jusqu’à 1 Tbit/s
 Capacité suffisante aujourd’hui
 Mais ne suffira pas dans un avenir proche
 Nécessité de concevoir des systèmes de transmission
optique à capacité plus élevée pour une distance
atteignable similaire
 Technique retenue : augmentation de leur densité spectrale
d’information (ISD), par augmentation du débit par canal de 10 Gbit/s
à 40 Gbit/s et augmentation moindre de l’espacement entre canaux
I
I
100 GHz
50
GHz
Canaux
Canaux
10 Gbit/s
40 Gbit/s
ISD 0.2 bit/s/Hz
ISD 0.4 bit/s/Hz
f
f
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Plan de la présentation
1. Transmission d’informations par fibre optique
2. Techniques d’augmentation progressive de la capacité
3. Étude de nouvelles technologies pour les systèmes
sous-marins à 40 Gbit/s par canal
4. Validation expérimentale de l’utilisation du débit de
40 Gbit/s dans un système conçu pour 10 Gbit/s
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Plan de la présentation
1. Transmission d’informations par fibre optique
2. Techniques d’augmentation progressive de la capacité
3. Étude de nouvelles technologies pour les systèmes
sous-marins à 40 Gbit/s par canal
4. Validation expérimentale de l’utilisation du débit de
40 Gbit/s dans un système conçu pour 10 Gbit/s
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Transmission par fibre optique : effets de
propagation
Émetteur
Récepteur
Propagation
00 10 0 1 1 0
Signal
Diagramme
de l’oeil
0 0 10 0 10 0
Bit erroné : erreur de
détection
Distorsions du signal  erreurs de détection
 Qualité du signal caractérisée par son taux d’erreurs binaires (BER) ou
par le facteur de qualité Q
 Signal « sans erreur » : BER  10-12 (Q > 17 dB)
 Codes correcteurs d’erreurs (FEC) : BER 10-3 (Q  10 dB)  BER 10-12
avec un sur-débit de 7 %
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Effets de propagation : l’atténuation
Récepteur
Émetteur
Psignal
Pbruit
z
Nécessité d’une amplification périodique du signal
Génération de bruit optique d’émission spontanée
amplifiée
Limitation par le bruit à faibles puissances
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Effets de propagation : la dispersion
Émetteur
Récepteur
Dispersion
cumulée
(ps/nm)
z
La dispersion chromatique : décalage temporel des
différentes composantes spectrales d’un signal après
propagation
 Nécessité de fibres compensatrices de dispersion (DCF) ou autres
dispositifs (conjugaison de phase optique,…)
La dispersion de polarisation : élargissement temporel dû à
la biréfringence de la fibre
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Effets de propagation : effets non-linéaires
(effet Kerr)
Émetteur
Récepteur
Effet Kerr + dispersion
Déphasage du signal suivant son intensité puis déformation
par la dispersion chromatique. Limitant à fortes puissances
Effets croisés : interactions entre deux ou plusieurs canaux
1
Dispersion
2
t
t
Effets intra-canaux : interactions au sein d’un même canal
Dispersion
t
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Formats de modulation
Codages optiques des données numériques électriques
Signal laser continu
I
Données
Modulateur
t
Signal
modulé « Symboles »
I
I
t
f
Modulation possible de l’intensité et/ou de la phase de
l’onde porteuse optique
Chaque format de modulation est plus ou moins tolérant
au bruit et aux différents effets de propagation
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Familles de formats de modulation
Formats modulés en intensité : « NRZ » (Non Return to Zero)
I
I
t
20 dB
Détection directe
f
Formats modulés en phase
 « DPSK » (Differential Phase-Shift Keying) et « RZ-DPSK »
I
0   0 
I
I
I
dps
z
r
k
t
0   0 
f
t
f
 « DQPSK » : codage sur 4 niveaux de phase
 Détection différentielle : interférence entre deux symboles consécutifs
 Doublement de la tolérance au bruit optique
Formats duobinaires : « PSBT » (Phase-Shaped Binary
Transmission)
I
I
0 
00

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t
f
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Plan de la présentation
1. Transmission d’informations par fibre optique
2. Techniques d’augmentation progressive de la
capacité
3. Étude de nouvelles technologies pour les systèmes
sous-marins à 40 Gbit/s par canal
4. Validation expérimentale de l’utilisation du débit de
40 Gbit/s dans un système conçu pour 10 Gbit/s
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Augmentation progressive de la capacité
Système initial : système WDM à 10 Gbit/s par canal et
50 GHz d’espacement entre canaux (densité spectrale
d’information 0.2 bit/s/Hz). Modulation NRZ
Action menée : substitution, au rythme de la demande,
d’un canal NRZ à 10 Gbit/s par un canal à 40 Gbit/s en
conservant la même grille spectrale
 Augmentation progressive de la densité spectrale
d’information donc de la capacité du système
I
Canaux 10 Gbit/s
I
50 GHz
50 GHz
ISD 0.2 bit/s/Hz
f
Canaux 10 Gbit/s
Canaux 40 Gbit/s
0.2  ISD  0.8
f
Permet de suivre l’augmentation de la demande en
capacité
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Contraintes liées à cette technique
Augmentation du débit  augmentation de la largeur
spectrale du canal
 Des formats de modulation à faible encombrement
spectral doivent être utilisés pour la modulation à 40 Gbit/s
Multiplex mixte 10 Gbit/s – 40 Gbit/s : effets de propagation
non-linéaires très contraignants
 Les canaux à 40 Gbit/s doivent être tolérants au voisinage
de canaux à 10 Gbit/s et/ou de canaux à 40 Gbit/s espacés
de 50 GHz
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Formats à faible encombrement spectral
Transmission binaire à profil de phase contrôlé (PSBT)




Saut de phase de  à chaqueSpectre
« 0 » codé
plus étroit
PSBT  spectre Spectre
NRZ
I
I
I Ne nécessite qu’une détection
directe
0  0 0 tolérance

 Excellente
à la dispersion chromatique
t défauts de l’émetteur f
 Peu tolérante aux
f
Modulation différentielle en phase sur 4 niveaux (DQPSK)
 2 bits codés par symbole  Modulation optique à débit moitié

I
Spectre DQPSK
  Bonne tolérance au bruit
I chromatique
  Excellente tolérance aux dispersions
et de polarisation
  Génération et détection très
f
t complexes
Qu’en est-il de leur tolérance aux effets non-linéaires au
sein d’un multiplex mixte 10/40 Gbit/s ?
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Étude numérique des formats DQPSK et PSBT
Étude de la tolérance d’un canal 40 Gbit/s PSBT ou DQPSK
 Au voisinage de canaux identiques à 40 Gbit/s 50 GHz
esp.
 Au voisinage de canaux NRZ à 10 Gbit/s
Synthèse de plusieurs configurations terrestres possibles
I
I
50 GHz
50 GHz
Multiplex
40 Gbit/s
Multiplex hybride
10/40 Gbit/s
f
Dispersion
cumulée
Système 10 x 100 km
f
0
Distance (km)
 Profil de dispersion « double période »
1000
 Fibre de ligne : dispersion 4 ps/nm/km ou 17 ps/nm/km
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4
3
Pénalités en facteur Q à rapport signal sur bruit constant
4 ps/nm/km
17 ps/nm/km
WDM
10/40 Gbit/s
WDM 40 Gbit/s
2
1
0
Pénalités (dB)
Pénalités (dB)
Tolérance aux effets non-linéaires de la DQPSK
4
3
WDM 10/40 Gbit/s
2
WDM 40 Gbit/s
1
0
-12
-6
0
6
Puissance d'entrée (dBm)
-12
-6
0
6
Puissance d'entrée (dBm)
Limitations par le bruit
Forte dégradation du seuil non-linéaire de la DQPSK
lorsqu’elle est entourée de canaux NRZ à 10 Gbit/s
 Dégradation ~5 à 6 dB
 Totalement inadaptée sur NZDSF
M. Lefrançois et al., OFC’07, JThA44, Mars 2007
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4
3
4 ps/nm/km
WDM 10/40 Gbit/s
2
1
0
WDM 40 Gbit/s
-12
-6
0
6
Puissance d'entrée (dBm)
Pénalités (dB)
Pénalités (dB)
Tolérance aux effets non-linéaires de la PSBT
4
3
17 ps/nm/km
WDM 10/40 Gbit/s
2
1
0
WDM 40 Gbit/s
-12
-6
0
6
Puissance d'entrée (dBm)
PSBT très peu pénalisée par le voisinage de canaux à
10 Gbit/s
M. Lefrançois et al., OFC’07, JThA44, Mars 2007
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Confirmation expérimentale sur NZDSF (800 km)
G. Charlet, M. Lefrançois et al., ECOC’06, Mo 3.2.6, Sept. 2006
15
11
7
Limite FEC
-4
0
4
8
Puissance du canal PSBT (dBm)
Puissance des canaux NRZ
Facteur Q (dB)
Facteur Q (dB)
Puissance des canaux NRZ
15
11
7
Limite FEC
-4
0
4
8
Puissance du canal RZ-DQPSK (dBm)
Très peu de dégradation de la performance de la PSBT
due au voisinage de canaux NRZ 10 Gbit/s
(RZ)-DQPSK inutilisable dans cette configuration
 PSBT recommandée pour les configurations hybrides
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Plan de la présentation
1. Transmission d’informations par fibre optique
2. Techniques d’augmentation progressive de la capacité
3. Étude de nouvelles technologies pour les systèmes
sous-marins à 40 Gbit/s par canal
4. Validation expérimentale de l’utilisation du débit de
40 Gbit/s dans un système conçu pour 10 Gbit/s
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Systèmes sous-marins de nouvelle génération
à 40 Gbit/s par canal
Étude de la propagation d’un signal composé uniquement
de canaux à 40 Gbit/s
Densité spectrale d’information considérée : 0.4 bit/s/Hz
(100 GHz d’espacement entre canaux à 40 Gbit/s)
 Supérieure à celle des systèmes à 10 Gbit/s
 Prédominance des effets non-linéaires intra-canaux
Systèmes étudiés :
 Systèmes sous-marins conventionnels conçus pour
10 Gbit/s utilisés à 40 Gbit/s par canal
 Systèmes sous-marins de nouvelle génération avec
conjugaison de phase optique en milieu de ligne
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Étude des systèmes sous-marins « NZDSF »
Composés d’une succession de « blocs » :
 6 tronçons de fibre « NZDSF- » :–3 ps/nm/km (à 1550 nm)
 1 tronçon de fibre à +18 ps/nm/km (à 1550 nm)
Non-compensation de la pente de dispersion (positive pour
les deux fibres)
Profil de dispersion :
Dispersion cumulée
(ps/nm)
5000
0
1550 nm
1550 nm
-5000
0
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2000
4000
Distance (km)
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6000
Influence de la non-compensation de la
pente de dispersion à 40 Gbit/s
100 GHz
(0.8 nm)
-3 -2 -1
0 1
2
3
Fréquence normalisée au débit
450 ps/nm
après 7000 km
10 dB
3
Pénalités (dB)
Puissance
Dispersion
cumulée
RZ-DPSK
2
7000 km
1
5000 km
DPSK
0
0
200
400
600
Pente de dispersion résiduelle (ps/nm²)
Différences significatives de dispersion cumulée à
l’intérieur même du spectre du signal modulé à 40 Gbit/s
 Source de déformations temporelles et de pénalités
 A 40 Gbit/s, la compensation de la pente de dispersion
par canal est indispensable pour atteindre de très
longues distances (>5000 km)
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Transmission sur 10500 km, formats (APol) RZDPSK à 40 Gbit/s : résultats numériques
M. Lefrançois et al., Electronics Letters 42, Fév. 2006
Pénalités (dB)
4
10500 km
3
2
1535 nm
1550 nm
1565 nm
RZ-DPSK
RZ-DPSK à
polarisation alternée
(APol RZ-DPSK)
Pente de dispersion
compensée
1
z
Y
0
-10
-8
-6
-4
Puissance d'entrée (dBm)
-2
0
X
Seuils non–linéaires similaires pour chaque canal pour un
format donné
 RZ-DPSK et APol RZ-DPSK très tolérants aux grandes
excursions de dispersion
APol RZ-DPSK adapté aux très longues distances
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Systèmes sous-marins « nouvelle génération »
avec conjugaison de phase optique
Système sous-marins de nouvelle génération « +D/-D » :
Composé de tronçons identiques : 2/3 fibre « +D », 1/3 fibre
« -D »
 Fibre « +D » : faibles pertes (~0.18 dB/km), peu de non-linéarités
 Fibre « -D » : compense la dispersion et la pente de dispersion de la « +D »
 Mais problèmes pratiques de réalisation de ces systèmes (soudures
+D/-D difficiles)
Idée de l’étude : simplifier la ligne optique tout en
améliorant le système
 Suppression de la fibre « -D » : pertes réduites de 1 dB et
pas de soudures +D/-D
 Compensation de dispersion assurée à la place par
conjugaison de phase optique en milieu de ligne
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Conjugaison de phase optique (OPC)
Génération d’un signal conjugué obtenu par interactions
non-linéaires entre un signal incident et un signal de pompe
dans un milieu non-linéaire (cristal PPLN)
 Spectre symétrique au spectre du signal incident par rapport à la
fréquence de pompe
1:Doublage de
Pompe fréquence
Canaux
Signal
Canaux
incidents
incident
conjugués
Pompe
PPLN
Signal
conjugué 0
i
p s
2p

2:Génération de l’onde
conjuguée : i = 2p- s
La conjugaison de phase optique équivaut à :
 Une inversion du signe de la dispersion chromatique cumulée
 Une inversion du signe du déphasage induit par les effets non-linéaires
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Système “+D/OPC” simulé : caractéristiques
96 tronçons de 66 km de fibre “+D” seule
Dispositif de conjugaison de phase optique placé au
milieu de la ligne
Signal modulé en RZ-DPSK à 40 Gbit/s
Dispersion cumulée (ps/nm)
60000
x48
Tx
x48
Rx
OPC
+D
66km
Distance (km)
0
OPC
+D
66km
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6000
Résultats numériques (40 Gbit/s RZ-DPSK)
M. Lefrançois et al., JNOG’07, JE2
Pénalités sur le facteur Q
Pénalités
(dB) (dB)
44
Mono-canal
Pénalités (dB)
4
WDM
+D/-D
100
GHz
33
3
22
2
+D/-D
1
+D/OPC
0
-8
-4
0
4
Puissance d’entrée (dBm)
8
11
00
-8
-8
+D/OPC
-4
0
4
Amélioration significative du seuil non-linéaire du
système « +D/OPC » en mono-canal par rapport à celui
du système « +D/-D » correspondant
Dégradation du seuil non-linéaire en WDM mais reste
meilleur que celui du système « +D/-D » en WDM
30 | Étude de technologies avancées pour l’optimisation des systèmes de transmission optique
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8
-4
0
4
8
Puissance d'entrée (dBm)
Puissance d’entrée (dBm)
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Vérification expérimentale sur 4x100 km
Dispositif expérimental de conjugaison de phase optique
inséré au milieu de la ligne (après 200 km)
Pompe 1550 nm polarisée
Coupleur signal/pompe
Circulateur
Signal
bande C
TE<>TM
½ bande C
“red”
Transmission « sans
erreur » obtenue après
400 km
Problèmes de stabilité du
signal conjugué et de
récupération d’horloge
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TM
Cristal PPLN
T(°C)
bande
“blue”
bande
“red”
Signal bande C
“red” non conjugué
“blue” conjugué
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Montage expérimental
PPLN
Entrée
signal
Coupleur
signal/pompe
Sortie
signal
Contrôle
temp. PPLN
Circulateur
Filtre
d’entrée
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Filtre de sortie
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Plan de la présentation
1. Transmission d’informations par fibre optique
2. Techniques d’augmentation progressive de la capacité
3. Étude de nouvelles technologies pour les systèmes
sous-marins à 40 Gbit/s par canal
4. Validation expérimentale de l’utilisation du débit de
40 Gbit/s dans un système conçu pour 10 Gbit/s
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Schéma expérimental
Système 44 x 100 km fibre TeraLight (8ps/nm/km) avec
 80 canaux à 10 Gbit/s modulés NRZ, espacement 50 GHz
(0.2 bit/s/Hz), puis
 40 canaux à 40 Gbit/s modulés APol RZ-DPSK, espacement
100 GHz (0.4 bit/s/Hz)
2 23 -1
1
40 x
40 Gbit/s
80 x
10 Gbit/s
43Gbit/s
DPSK RZ
PréBooster amplificateur
APol
39
2
40
1
Int.
2 23 -1 10.7Gbit/s
NRZ
79
2
80
11x
3dB
NRZ
DCF
DGE
Égalis.
C
gain
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DCF
Brouilleur
de
Polarization
polarisation
scrambler
4x100 km
TeraLight TM
100 km
DCF
100 km
40 Gbit/s
ou
Rx
10 Gbit/s
DCF
100km
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100km
Résultats
Q (dB)
Facteur
Q-factor
(dB)
14.00
G. Charlet, M. Lefrançois et al., Elec.Lett. 41, Oct. 2005
1414
14
14
12.00
1212
1010
12
12
10
10
Limite FEC
88
10.00
40G
3200 km
3,200km
88 Limite FEC
10G
6
1525
1565
1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 15601565
Wavelength
(nm)
Longueur
d’onde (nm)
40G
4,400km
4400 km
6
1525
1540
1545
1550
1555
15251530 1535
Wavelength
(nm)
Longueur d’onde (nm)
10G
1560
1565
1565
8.00
Résultats similaires à 10 Gbit/s avec modulation NRZ et à
40 Gbit/s
6.00 avec modulation APol RZ-DPSK en conservant la
même1555.00
ligne optique
1545.00
1525.00
1565.00
1535.00
1545.00
1555.00
1565.00
Le choix d’un format de modulation adéquat peut suffire
à améliorer les performances d’un système
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Conclusions
Étude de différentes techniques permettant une
utilisation viable des systèmes à 40 Gbit/s par canal
Augmentation progressive de la capacité : le format
PSBT est fortement recommandé pour la modulation à
40 Gbit/s en présence de canaux voisins à 10 Gbit/s
Systèmes sous-marins WDM à 40 Gbit/s par canal :
utilisation impérative de la modulation en phase du
signal (formats ~-DPSK)
 Systèmes NZDSF : utilisation à 40 Gbit/s possible, avec
compensation de la pente de dispersion par canal
 Systèmes +D/OPC : utilisation à 40 Gbit/s potentiellement
possible, accompagnant une simplification des systèmes +D/-D
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Perspectives et ouvertures
Systèmes sous-marins avec conjugaison de phase optique
 Validation expérimentale à terminer
 Tests de fiabilité poussés nécessaires
Utilisation à 40 Gbit/s d’un système prévu initialement
pour 10 Gbit/s
 Technique validée expérimentalement, développement possible
3 publications journal, 7 communications en conférence,
4 brevets
Sujets de recherche amont apparus pendant la thèse
 Détection cohérente
 Débit par canal de 100 Gbit/s
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Remerciements
Jérémie
Oriol
Patrice
Haïk
Gabriel
Et aussi : Sébastien, Jean-Pierre, Robert,
Jean-Christophe, Emmanuel, Christian, Philippe,
Éric, Thibaut, François,…
38
38||Étude
Étude de
detechnologies
technologies avancées
avancées pour
pour l’optimisation
l’optimisation des
des systèmes
systèmes de
de transmission
transmission optique
optique
multiplexés
multiplexés en
enlongueur
longueur d’onde
d’onde au
audébit
débit de
de40
40 Gbit/s
Gbit/s ||M.
M. Lefrançois,
Lefrançois, 66décembre
décembre 2007
2007
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