Etude des formats de modulation et des méthodes de détection pour

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N° D’ORDRE : 2011PA112008
THESE DE DOCTORAT
SPECIALITE : PHYSIQUE
Ecole Doctorale « Sciences et Technologies de l’Information
des Télécommunications et des Systèmes »
Présentée par : Gabriel Charlet
Sujet :
Etude des formats de modulation et des méthodes de
détection pour les transmissions multiplexées en
longueur d’onde sur fibre optique au débit de 40Gb/s
et 100Gb/s
Dirigée par : Jean Michel Jonathan, Institut d’Optique Graduate School
Sebastien Bigo, Alcatel Lucent Bell Labs
Soutenue le 2 février 2011 à l’Institut d’Optique Graduate School, Palaiseau, devant
les membres du jury :
Alberto Bononi : Président
Université de Parme, Parme, Italie
Jean-Claude Simon : Rapporteur
Ecole Nationale Supérieure des Sciences appliquées et de Technologie, Lannion
Hervé Maillote : Rapporteur
Université de Franche Comté, Besançon
Yann Frignac : Examinateur
Telecom Sud Paris, Evry
Sebastien Big : Examinateur
Alcatel-Lucent, Bell Labs, Nozay
Jean-Michel Jonathan: Directeur de Thèse
Institut d’Optique Graduate School, Palaiseau

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Remerciements
Je tiens tout particulièrement à remercier Jean-Pierre Hamaide et Sebastien Bigo,
tout d’abord, pour m’avoir offert la possibilité de travailler dans leur équipe. Mais
aussi pour leur enthousiasme et leur compétence, ainsi que pour m’avoir soutenu
dans mes initiatives.
Je souhaite également mettre en avant le fait que l’ensemble du travail
expérimental réalisé durant ces années n’a pu être possible qu’avec le soutien
particulièrement efficace de Patrice et de Haik. Leur humour et leur bonne humeur
aura accompagné toutes les nombreuses évolutions du laboratoire. Patrice a
participé à toutes les expériences de transmission depuis 10 ans, a modifié sans se
plaindre un nombre incroyable d’amplificateurs optiques et n’a jamais manqué
d’inspiration pour les couleurs de ses programmes Labview permettant de piloter
l’ensemble du laboratoire. De son coté, Haik a travaillé, de temps en temps fort
tard, pour réaliser des équipements d’émissions avec les meilleures performances
possibles !
Ce travail sur la détection cohérente a commencé avec Nadia Maaref, lors de son
stage de fin d’étude. Son enthousiasme et sa bonne humeur m’ont marqué, j’ai
juste regretté qu’elle ne poursuive pas par une thèse…
Jeremie a repris le flambeau juste a temps et l’a emmené beaucoup plus loin. 1
mois après son arrivé dans l’équipe, il était co-auteur de la première publication
sur la détection cohérente de l’équipe.
Deux mois après l’arrivée de Jeremie, Massimiliano m’a impressionné par sa
rapidité d’adaptation. Il parlait à peine français que déjà il s’est rendu
indispensable et qu’après une semaine, il était co-auteur de sa première
publication sur la détection cohérente !
Après Max l’Italien, Oriol le catalan (il ne faut pas dire Espagnol…) nous a rejoint.
Et avec lui, toute sa bonne humeur.
L’internationalisation s’est ensuite poursuivi avec Clemens l’allemand. Sa rigueur
germanique peut paraître un peu étrange de temps en temps, mais on s’y habitue
vite !
Le frisbee a aussi eu une part importante pour la cohésion de l’équipe je pense.
Surtout quand on gagne d’ailleurs… C’est sans doute pour cela qu’on m’a souvent
accusé de faire les équipes pour m’assurer la victoire ! Les victoires ou les défaites
au frisbee comme au foot en salle, ont parfois pu créer quelques tensions entre les

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membres de laboratoire, mais au final, je crois que tout le monde est ravi lorsque
le jour du frisbee arrive !
Merci à vous tous pour la bonne ambiance dans laquelle on a pu travailler.
Je tiens également à remercier Jean-Michel Jonathan pour l’ensemble de ses
conseils, de ses commentaires constructifs et de ses corrections détaillées sur le
manuscrit de thèse et pour la soutenance.
Je souhaite également remercier ma femme, Shameerah, pour m’avoir pousser à
passer ma thèse.

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1 Introduction ...............................................................................9
2 Généralités .............................................................................. 11
2.1 Caractéristiques linéaires de la fibre optique ............................... 11
2.1.1 Atténuation de la fibre optique ............................................. 11
2.1.2 Dispersion chromatique ...................................................... 13
2.1.3 Dispersion modale de polarisation .......................................... 15
2.2 Caractéristiques non linéaires de la fibre optique .......................... 16
2.2.1 Automodulation de Phase (SPM pour Self Phase Modulation) ........... 18
2.2.2 La modulation de phase croisée ou XPM (Cross Phase Modulation).... 19
2.2.3 Le mélange à quatre ondes ou FWM (Four Wave Mixing)................ 20
2.2.4 Diffusions Raman et Brillouin stimulées.................................... 21
2.3 Critère de qualité d’une transmission par fibre optique ................... 22
2.3.1 Le taux d’erreur binaire (BER pour Bit Error Rate)....................... 22
2.3.2 Facteur de qualité Q.......................................................... 22
2.4 Rapport signal à bruit optique et effets non linéaires dans les systèmes de
transmission optique WDM ............................................................... 24
2.4.1 Les systèmes de transmission optique WDM .............................. 24
2.4.2 Rapport signal à bruit optique et taux d’erreur binaire ................. 26
2.4.3 compromis entre rapport signal à bruit et effets non linéaires ........ 29
2.5 Systèmes « terrestres » et « sous-marins »................................... 29
2.6 Modulation du signal optique en intensité et détection directe .......... 30
3 Technologies mises en œuvre......................................................... 32
3.1 Format de modulation........................................................... 32
3.2 Réception cohérente associée à un traitement du signal numérique .... 36
3.3 Les premiers pas de la détection cohérente avec traitement du signal
rudimentaire : 2006....................................................................... 39
3.3.1 Premier dispositif de détection cohérente ................................ 40
3.3.2 Premiers résultats............................................................. 43
3.3.3 Résultats avec un signal à deux niveaux de phase ....................... 47
3.4 Algorithme de traitement du signal et compensation des effets linéaires
de propagation............................................................................. 52
4 Identification des limitations fortes dues aux effets non linéaires à 40Gb/s : 56
4.1 La boucle à recirculation : un outil indispensable pour émuler des
transmissions optiques sur de très grandes distances................................ 56

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4.2 Première expérience de transmission à 40Gb/s avec le format PDM QPSK,
comparaison avec la solution plus conventionnelle 40G DPSK...................... 58
4.3 Impact sur la performance du 40G PDM QPSK du multiplexage en
polarisation et de la compensation de dispersion en ligne.......................... 60
4.4 Tolérance aux effets non linéaires : détection cohérente contre détection
différentielle............................................................................... 63
4.5 Cohabitation des canaux 10G modulés en intensité avec un canal 40G PDM
QPSK 64
4.6 Proposition d’un nouveau format de modulation, utilisation de 2 niveaux
de phase, et modification des algorithmes de détection............................ 67
4.6.1 Format de modulation en phase et polarisation .......................... 67
4.6.2 Algorithme de détection pour le format PDM BPSK ...................... 69
4.6.3 Utilisation du format PDM BPSK associée à la détection cohérente pour
des transmissions très longues distances............................................ 71
5 Transmission au débit de 100Gb/s ................................................... 80
5.1 Impact des effets non linéaires sur les transmissions au débit de 100Gb/s
par canal.................................................................................... 80
5.2 Transmission au débit de 100Gb/s sur des distances transocéaniques ... 81
6 Conclusion ............................................................................... 86
7 ANNEX I : modulation format ......................................................... 92
7.1 On off Keying modulation and Direct detection ............................. 92
7.2 Differential Phase Shift Keying (DPSK) ........................................ 94
7.3 Quadrature Phase shift Keying ................................................. 97
8 ANNEX II : Digital signal processing ................................................. 100
9 Papiers acceptés en tant que premier auteur..................................... 107