1.3 Futures générations du réseau d`accès optique

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Remerciements
Mes premiers remerciements vont au professeur Jean Louis De Bougrenet de la Tocnaye
pour avoir accepté d'être mon directeur de thèse, Anne Cécile Réau-Thomas et Stéphane
Gosselin pour m'avoir proposé cette thèse à France Télécom Division Recherche et
Développement et pour avoir mis à ma disposition tous les moyens pour mener à bien cette thèse.
Je tiens également à remercier vivement Philippe Chanclou pour son encadrement
pendant ces années de thèse et qui a fortement contribué à la bonne évolution de mes travaux de
recherche et avec qui le travail en laboratoire a été une véritable source d'enrichissement. Il a su
m'accorder une parfaite autonomie tout en restant présent et réactif à tout moment durant cette
période.
J'adresse ma gratitude aux membres du jury, à Didier Erasme et Ammar Sharaiha pour
avoir accepté d'être rapporteurs de ce mémoire de thèse et également à Tim Gyselings et Jean
Claude Simon pour avoir répondu favorablement en qualité d'examinateurs pour l'évaluation de
mes travaux de recherche.
Je remercie également Naveena Genay pour son aide, sa rigueur et sa méticulosité lors de
tous les moments qu'on a pu partager à la fois pour la relecture des articles en anglais et pour le
bon déroulement des tests et expérimentations au laboratoire.
Je dois des remerciements à Franck Payoux, Thomas Soret et Hugues Lebras qui ont su
me faire une place parmi eux et m'ont aidé à trouver mes marques rapidement dans le laboratoire
dès les premiers jours de ma présence au sein de l’unité.
Je souhaite remercier également Fabienne Saliou qui m'a aidé pour la réalisation et
l'obtention de résultats expérimentaux lors de ses deux stages d'ingénieur et master de recherche
et à qui je souhaite une bonne continuation durant ces deux années de thèse restantes.
Je ne saurais oublier dans ma liste de remerciements de nommer mon cher collègue de
bureau, Roman Glatty, avec qui j'ai eu des discussions et des interrogations existentielles au cours
desquelles nous avons plusieurs fois refait le monde.
Merci à toutes les personnes de l’URD ANA (anciennement NOA) qui m'ont permis de
consolider mes connaissances sur le réseau d’accès optique et de vivre une belle expérience
humaine en leur compagnie. Je pense en particuliers à Laurent Guillo, Anna Pizzinat, Benoît
Charbonnier, Alexandra Pitel, Fabrice Bourgart, Philippe Niger, Philippe Guignard (le physicien
et le musicien), Bernard Landousies, Julio Orozco, Frederic Jounay, Jackie Etriallard.

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Merci aussi à tous les stagiaires, thésards et post-docs pour la bonne humeur et l'ambiance
chaleureuse dans laquelle nous avons travaillé et échangé aussi bien à l’intérieur qu’à l’extérieur
des bâtiments de France Télécom : Thomas (papi), Fabi (mami), Romek (S..polonais), Hary,
Pierre, Mathieu, Guillaume (Maurice 1), Florian, Thanhnga, Edouard, Mervin, Qian, Sébastien
(Maurice 2), Léonora, Ikram, Vasilis, Charlotte, Ibrahim, Liv, Walid, Julien, Arnaud,…(Un clin
d'œil particulier au fan club de "Ginette Belle-quiche")
Merci aussi à mon ancien voisin, Cyril pour sa gentillesse et sa serviabilité. Merci à Sabrina
pour sa bonne humeur et son fou rire communicatif.
Un grand merci à tous les amis qui ont régulièrement pensé à moi pendant ces années de
thèse, je pense particulièrement à Meryam, Eloïse, Yannick et tous les autres.
Je remercie Gwenaëlle Girault avec qui j'ai travaillé en binôme dans le cadre du pôle de
compétitivité « Images et Réseaux » et qui m'a apporté de très bons conseils au début de la
rédaction de ce manuscrit.
Je remercie affectueusement Charles Marais pour m'avoir accompagné tout au long de ces
trois années de thèse, je ne saurais le remercier suffisamment pour son écoute, sa curiosité, son
aide continue et sa participation à l'élaboration de ce travail. J'adresse également mes chaleureux
remerciements à toute sa famille qui m'a toujours encouragé dans mon travail.
Et pour finir, un grand merci à mes parents et mon frère au Maroc, ma sœur aux USA et
à toute ma famille qui m'a soutenue tout au long de mes études malgré les kilomètres qui nous
séparent dans la vie de tous les jours.

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Table des matières
Remerciements...........................................................................................................................1
Table des matières......................................................................................................................3
Table des figures ........................................................................................................................6
Table de tableaux .....................................................................................................................10
Introduction générale................................................................................................................12
1 Contexte et Evolution de l'Architecture du Réseau d'Accès ........................................16
1.1 Le réseau d'accès..............................................................................................16
1.1.1 Terminologie du réseau d'accès........................................................................16
1.1.2 Accès cuivre.....................................................................................................17
1.1.3 Accès sans fil....................................................................................................17
1.1.4 Evolution du réseau d'accès optique.................................................................18
1.2 Différentes architectures pour les réseaux d'accès optique..............................19
1.2.1 L'architecture Point à Point..............................................................................19
1.2.2 L'architecture du réseau point à multipoints passif : PON...............................19
1.2.3 Caractéristiques de systèmes normalisés BPON, GPON, EPON.....................21
1.3 Futures générations du réseau d'accès optique.................................................29
1.3.1 PON avec multiplexage en longueur d'onde (WDM) ......................................29
1.3.2 Architecture PON WDM avec un ONU achromatique....................................31
1.3.3 PON hybride WDM/TDM ...............................................................................31
1.3.4 PON avec multiplexage temporel (TDM) à 10Gbit/s ......................................32
1.3.5 PON TDMA avec une coexistence d'un double débit pour la voie montante :
1.25/10 Gbit/s...............................................................................................................33
1.3.6 Réseaux PON étendus......................................................................................34
1.3.7 Nouvelles techniques de multiplexage pour les futurs réseaux d'accès optique
36
2 Panorama des technologies utilisées dans les réseaux d'accès optiques.......................44
2.1 Fibre optique ....................................................................................................44
2.1.1 Transmission de la lumière dans une fibre optique..........................................44
2.1.2 Fibre multimode et fibre monomode................................................................44
2.1.3 Atténuation.......................................................................................................45
2.1.4 Dispersion.........................................................................................................45
2.2 Composants passifs présents dans les architectures PON................................46
2.2.1 Isolateurs ..........................................................................................................46
2.2.2 Circulateurs ......................................................................................................47
2.2.3 Multiplexeurs et Démultiplexeur .....................................................................49
2.3 Transceivers .....................................................................................................50
2.4 Sources Lasers..................................................................................................51
2.4.1 Diodes laser de type Fabry-Pérot .....................................................................51
2.4.2 Lasers à contre réaction répartie (DFB)...........................................................52
2.4.3 VCSEL .............................................................................................................52
2.5 Photodiodes......................................................................................................53
2.5.1 Photodiodes PIN...............................................................................................53
2.5.2 Photodiode APD...............................................................................................53
2.6 Bloc d'émission pour les sens montant et descendant......................................54
2.6.1 Emetteurs en mode rafale présents à l'ONU.....................................................54

4
2.6.2 Emetteurs présents à l'OLT..............................................................................56
2.7 Module de réception.........................................................................................57
2.7.1 Module de réception à l'ONU...........................................................................57
2.7.2 Module de réception à l'OLT ...........................................................................57
2.8 Circuit de récupération d'horloge.....................................................................61
2.8.1 Approche électrique .........................................................................................61
2.8.2 Approche optoélectrique : Verrouillage par injection optique direct d'un photo-
oscillateur (Direct Optical Injection Locking ou D-OILO)..........................................62
2.9 Pénalités de la transmission par fibre optique dans le réseau d'accès..............63
2.9.1 Effets linéaires dus à l'augmentation du débit..................................................63
2.9.2 Effets non-linéaires dus à l'augmentation de la puissance optique ..................70
3 Architectures PON-TDM réalisées...............................................................................82
3.1 Critères de qualité d'une transmission..............................................................83
3.1.1 Facteur de qualité Q et taux d'erreurs binaires.................................................83
3.1.2 Taux d'extinction..............................................................................................85
3.1.3 Facteur de bruit.................................................................................................85
3.2 Amplificateurs introduits dans les architectures du réseau d'accès..................87
3.2.1 Les SOAs (Semi-conductor Optical Amplifier)...............................................87
3.2.2 Le RSOA..........................................................................................................88
3.2.3 Les EDFAs (Erbium Doped Fibre Amplifier)..................................................89
3.2.4 Le ROPA : Remote Optical Pumped Amplifier...............................................89
3.2.5 L'EDWA : Erbium Doped Waveguide Amplifier............................................90
3.3 Mise en place du mode rafale...........................................................................91
3.3.1 Analyseur de la qualité du signal MP 1800......................................................91
3.3.2 Mode rafale : de l'émission à la réception à 1.25 Gbit/s ..................................92
3.3.3 Mise en place d'une transmission en mode rafale à 10 Gbit/s..........................96
3.4 ONUs achromatiques avec un débit montant de 1.25Gbit/s ............................98
3.4.1 ONUs avec des amplificateurs et des modulateurs à électro-absorption .........98
3.4.2 ONUs avec des RSOAs..................................................................................103
3.5 Introduction de l'amplification dans le réseau PON-TDM.............................108
3.5.1 Amplification bidirectionnelle en ligne..........................................................108
3.5.2 Amplification unidirectionnelle en ligne et au central...................................112
3.6 La montée en débit jusqu'à 10 Gbit/s.............................................................114
3.6.1 Emission à 1550 nm et réception avec une PIN.............................................114
3.6.2 Emission à 1310 nm et réception avec un APD.............................................118
4 Modélisation numérique de la modulation directe des SOAs et RSOAs et théorie des
bruits d'une transmission bidirectionnelle..............................................................................128
4.1 Introduction....................................................................................................128
4.2 Configuration des modèles réalisés................................................................128
4.2.1 Emission laser à l'OLT...................................................................................129
4.2.2 Récepteurs......................................................................................................130
4.2.3 Multiplexeur AWG ........................................................................................130
4.2.4 Propagation.....................................................................................................130
4.2.5 Transmetteur à l'ONU ....................................................................................131
4.3 Modèle numérique du SOA............................................................................132
4.3.1 Equation d'évolution de la densité de porteur ................................................132
4.3.2 Propagation dans le SOA ...............................................................................134
4.3.3 Bruit de l'émission spontanée amplifiée.........................................................135
4.3.4 Modulation directe .........................................................................................135
4.3.5 Résultats de la simulation...............................................................................136

5
4.4 Modèle numérique du RSOA.........................................................................138
4.4.1 RSOA à doubles électrodes............................................................................139
4.4.2 RSOA à triple électrodes................................................................................141
4.5 Analyse théorique de la rétrodiffusion de Rayleigh.......................................141
4.5.1 Influence sur la qualité de la transmission .....................................................142
4.5.2 Rétrodiffusion de Rayleigh et amplification à l'ONU....................................144
4.6 Conclusion......................................................................................................145
Conlusion ...............................................................................................................................148
A Annexes......................................................................................................................152
A.1 Annexe 1 ........................................................................................................152
A.1.1 Calcul de la dispersion chromatique ..........................................................152
A.2 Annexe 2 ........................................................................................................155
A.2.1 Calcul de la distance effective....................................................................155
A.3 Annexe 3 ........................................................................................................157
A.3.1 Théorie des bruits de détection...................................................................157
A.3.1.3 Bruit de battement......................................................................................158
B Tableau d'acronymes..................................................................................................162
C Publications personnelles ...........................................................................................166