Brevet FR2746237A1 — publié le 19970919

Procede et svsteme de transmission optique a solitons La presente invention concerne la transmission optique et plus spécifiquement la transmission d'informations par l'intermédiaire d'impulsions de lumiere portant ces informations et guidees par des fibres optiques Les fibres optiques connues presentent des dispersions de vitesses de groupe qui sont aussi appelees dispersions chromatiques et qui seront plus simplement appelees ci-apres "dispersions" U ne telle dispersion fait varier la vitesse des composantes spectrales d'une impulsion en fonction de leurs frequences optique ce qui provoque une déformation de cette impulsion c'est a dire plus precisement une deformation du profil temporel de l'amplitude du champ electromagnetique de cette impulsion Par ailleurs un effet Kerr. appel é aussi non linéarité apparait dans ces fibres et fait varier les phases relatives de ces composantes LUne compensation mutuelle de cet effet et de la dispersion peut alors se produire en ce qui concerne le profil d'amplitude du champ d'une impulsion. Il faut p o u r cel a q u e c e t te impulsion p résente une forme de profil d'amplitude. une distribution de phase et une intensite conv-enables dépendant de la fibre, I'impulsion etant alors appelée soliton fondamental Un tel soliton se propagerait indefiniment sans déformation si cette intensité e tait p a r fa i t e m e n t realisee et m a i n t e n u e. Les fibres optiques présentent malheureusement aussi des pertes qui font decroitre progressivement cette intensité et il n 'a p p a r ait pas p r a t i q u e actuellement de compenser ces pertes par une amplification continue qui permettrait de maintenir une intensité d'impulsion constante C'est pourquoi l'on réalise une amplification périodique par des amplificateurs a fibres dopées. par exemple a l'erbium, inseres a intervalles réguliers dans une ligne constituee de fibres optiques. La succession de fibres s'étendant entre deux amplificateurs sera appelée ci-apres un segment. Cette amplification périodique fait varier alternativement l'intensite des impulsions entre deux valeurs extrêmes qui sont atteintes aux deux extremites de chaque segment.Cette intensité ne peut être egale a celle du soliton fondamental que d'une maniere transitoire et des déformations apparaissent Elles ont pour inconvenient essentiel d'entrainer la dispersion d'une partie de l'énergie et un elargissement moyen de l'impulsion au fur et à mesure de sa propagation a travers les segments Elles peuvent alors penaliser la transmission. Plusieurs dispositions ont ete proposées pour au moins limiter ces deformations dans le cas d'une telle amplification periodîque Selon une première telle disposition, deux conditions doivent être réunies LUne premiere condition est que la distance entre amplificateurs reste inferieure a la periode soliton Zc définie a la fin de la presente description La deuxieme condition est qu'une intensite moyenne des impulsions soit rendue égale sur le segment a l'intensite du soliton fondamental L'impulsion est alors appelée "soliton moyen" Son intensité varie entre d'une part une valeur initiale superieure a celle du soliton fondamental et atteinte a l'entrée de chaque segment, d'autre part une valeur finale inferieure a celle du soliton fondamental et atteinte a la sortie du segment. L'utilisation d'un soliton moyen permet de compenser des déformations initiales subies au voisinage de l'entrée du segment, des déformations finales subies au voisinage de la sortie du segment. La propagation d'un soliton moyen est notamment decrite dans un article 'Soliton Propagation in long fibers w ith Periodicall, Compensated Loss'. L F Mollenauer, Ji/P Gordon and M N Islam. IEEE journal of Quantum Electronis. Vol QE22. N: I. Januarv 1986 Mais. lorsque la distance entre amplificateurs s'accroit pour devenir voisine de la période soliton les déformations du soliton moyen s'accentuent C'est pourquoi une deuxième disposition a ete proposee pour limiter les déformations des impulsions dans le cas d'une amplification périodique Selon cette deuxième disposition connue la dispersion est rendue. en chaque point de la longueur de chaque fibre. approximativement égale a une dispersion optimale adaptee a l'intensite de l'impulsion en ce point et plus precisément telle que cette impulsion puisse continuer a constituer un soliton fondamental d'une fibre qui presenterait cette dispersion optimale Compte tenu d'une décroissance sensiblement exponentielle de cette intensité le long du segment. cette dispersion optimale présente elle aussi une decroissance sensiblement exponentielle Dans le cadre de cette deuxieme disposition connue il a ete propose de constituer les segments d'un svstème de transmission par des fibres a dispersion variable dans lesquelles la dispersion peut en tous points étre sensiblement egale a la dispersion optimale On peut lire a ce sujet un article OPTICS LETTERS /V ol 12. No l/januarv l')987. "Compensation of soliton broadening in nonlinear optical fibers w ith loss". Kazuhito Tajima pages 54-56 Une variation longitudinale continue de la dispersion peut en effet être obtenue gràce a une variation correspondante du diametre du coeur de la fibre, cette variation de diametre resultant elle même d'une variation temporelle des parametres d'etirage au cours de l'opération d'etirage qui forme la fibre a partir d'une préforme de diamètre tres superieur Une telle fibre a variation continue de dispersion presente cependant l'inconvénient d'avoir un coût de fabrication par kilomètre très supérieur a celui des fibres ordinaires dont la dispersion est longitudinalement constante C'est pourquoi il a ete par ailleurs propose de constituer chaque segment d'une ligne par une succession de fibres a dispersion constante en plaçant ces fibres par ordre de dispersions décroissantes et en choisissant ces dispersions de maniere a ce qu'elles suivent a peu près la décroissance de la dispersion optimale. Cette solution est consideree dans un article OPTICS LETTERS/Vol 19, No3/Februarv 1. 1994. "Av erage soliton propagation in peiodically amplified sy stems with stepwise dispersion- profiled fiber" WV Forvsiak. F MI Knox. and N J. Doran. Elle presente l'inconvenient de laisser subsister des deformations gênantes des impulsions. La presente invention a notamment pour but de limiter a la fois le coût d'une ligne a fibres optiques et les déformations subies par une impulsion au cours de sa propagation dans cette ligne Elle a egalement pour but de permettre d'augmenter le debit d'information, la distance de transmission franchissable par une telle ligne et/ou l'espacement entre les amplificateurs d'une telle ligne Dans ces buts elle a notamment pour objet un procéde de transmission optique dans lequel la transmission de solitons a travers une succession de fibres entraîne une décroissance progressive de l'intensité de ces solitons Selon cette invention on choisit la deuxième disposition connue précédemment mentionnee pour limiter les deformations de ces solitons Mais on limite d'une manière importante les incon enients de cette deuxième disposition connue en plaçant dans la succession de fibres au moins une premiere fibre presentant une décroissance longitudinale continue de dispersion et des fibres suivantes presentant des dispersions repectives longitudinalement constantes formant une suite décroissante A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va indiquer ci-après a titre d'exemple comment cette invention peut être mise en oeuvre Lorsqu'un même element est représente sur plusieurs figures il v est designe par les mêmes chiffres et, ou lettres de référence Lorsque deux elements sont designes par une même lettre suivie de chiffres différents, ces deux éléments sont d'une même nature et assurent des fonctions analogues. La figure I represente un systeme selon cette invention La figure 2 represente un segment du système de la figure I La figure 3 comporte deux diagrammes. l'un en trait tirete representatif de la variation longitudinale d'une dispersion optimale dans le segment de la figure 2, l'autre en trait plein representatif de la variation longitudinale de la dispersion locale effective dans ce segment, ces dispersions étant portées en ordonnées, les abscisses étant mesurées a partir d'une entrée de ce segment Conformement a ces figures un svsteme selon cette invention comporte au moins les éléments connus suivants - Au moins un segment tel que S2 comportant une succession de fibres F I Fb pour guider une lumière de ce systeme d'une entree t a une sortie 8 de ce segment. Une abscisse x est definie en chaque point de ce segment a partir d'une origine constituee par cette entree Les dites fibres presentent pour la lumiere du svsteme des pertes, des effets Kerr et des dispersions de vitesse de groupe de sorte que ce segment presente pour chaque abscisse respectivement un coefficient de pertes a. un coefficient de non linéarite et une dispersion locale DL Cette dispersion locale est typiquement une dispersion decalée et varie avec cette abscisse de la faç on décrite sur la figure 2. Typiquement les coefficients de pertes et de non linéarité sont à peu près constants Le coefficient de non linéarité peut cependant varier en fonction du diametre de coeur des fibres utilisées -Des elements 2 A. 1 en amont dudit segment pour injecter dans son entree t au moins une impulsion constituee de la lumiere du système Cette impulsion a une forme et une intensité initiales adaptées aux valeurs dudit coefficient de non linearite et de ladite dispersion locale pour constituer approximativement au cours de sa propagation dans ce segment un soliton fondamental subissant seulement des deformations limitées Son intensite décroit progressivement conformément à une loi de variation d'intensite définie au moins partiellement par ledit coefficient de pertes Une dispersion optimale est definie a chaque abscisse par cette loi de variation d'intensite compte tenu dudit coefficient de non linéarité. Elle est telle que ledit soliton fondamental ne subirait pas lesdites déformations si la dispersion locale restait à chaque abscisse egale a la dispersion optimale. Le coefficient de pertes a étant typiquement constant, la loi de variation de l'intensite I de l'impulsion en fonction de l'abscisse x est du type 1 (x)= I o)e-ax l'intensité a I'entree du segment étant 1(o) Le coefficient de non linearite etant en outre typiquement lui aussi constant ou peu, ariable. il en résulte que la dispersion optimale DM varie au moins approximativement selon la loi DN1(x) = DM.1(o)e-ax Si la dispersion s'eloivgne de la dispersion optimale les deformations sont d'autant plus importantes que l'écart avec la dispersion optimale est important Il y a donc interét a ce que la dispersion locale décroisse globalement avec l'abscisse de maniere a limiter les valeurs d'un écart de dispersion constitue a chaque abscisse par la différence entre cette dispersion locale et la dispersion optimale. -Enfin des éléments en aval dudit segment pour recevoir ladite impulsion a la sortie de ce segment et pour utiliser cette impulsion Conformement a la presente invention la succession de fibres dudit segment comporte. de l'entrée a la sortie de ce dernier, d'abord un groupe d'au moins une fibre à dispersion variable F I dans laquelle la dispersion locale DL decroit continuement en fonction de l'abscisse, d'une valeur initiale DA a une valeur finale DB. Elle comporte ensuite une succession de plusieurs fibres à dispersion constante F2 F6 dans chacune desquelles la dispersion locale DL est constante et constitue une dispersion de cette fibre Les dispersions des fibres de cette succession forment une suite decroissante D2 Do La presente invention permet de limiter efficacement les déformations des impulsions parce qu'elle utilise une fibre a dispersion variable là ou des écarts de dispersion d'une amplitude typique (2.8 ps/nmkm dans le cas d'un espacement entre amplificateurs de 180 km) provoqueraient des déformations importantes Lne telle fibre à dispersion variable permet en effet de supprimer presque totalement les écarts de dispersion sur toute sa longueur. Cette invention permet en même temps de limiter le coût de realisation du segment parce qu'une fibre a dispersion variable, particulierement coûteuse. n'est utilisée que sur une petite fraction initiale de la longueur du segment Cette fraction initiale a typiquement une longueur comprise entre I et 1 u km environ pour un segment de 60 à km env iron Des ecarts de dispersion ayant ladite amplitude typique, par exemple I ps/nm km peuvent par contre être toleres sur la fraction restante de la longueur du segment Compte tenu des dispersions des fibres disponibles sur un chantier, les ajustements de dispersion dans cette fraction peuvent être faits, non seulement par la sélection et l'ordre de succession des fibres, mais aussi par le choix des longueurs des fibres mises en place. Les longueurs doivent être choisies telles que le rapport L-iZo soit supérieur a 1 Zo etant la période soliton et Li la longueur de la fibre mise en place On sait que Zo =(, 2).Zc. Zc etant la longueur caracteristique du soliton et valant Zc= 0.322 (2c/;2) dt2 /Di. avec t= longueur d'onde de la lumière utilisée. c = vitesse de la lumrniere. dt= largeur a mi-hauteur de l'impulsion soliton. Di = dispersion chromatique de la fibre mise en place. Typiquement. et comme représente. un système de transmission selon la presente invention comporte les elements connus suivants -Un émetteur 2 pour recevoir des informations à transmettre 3 et pour émettre en réponse des impulsions constituées de la lumiere du systeme Ces impulsions sont aptes a constituer approximativement des solitons fondamentaux au long du segment Elles sont mutuellement identiques. et elles portent l'information a transmettre -Une ligne avant typiquement une grande longueur pouvant atteindre plusieurs milliers de kilometres Cette ligne comporte une succession alternee de dits segments S I, S40 et d'amplificateurs AI A39 en serie lUn premier segment S I de cette succession reçoit ces impulsions de l'émetteur 2 Ces impulsions constituent approximativement des solitons fondamentaux tout au long de ce premier segment. Chaque amplificateur AI reçoit ces impulsions avec une intensité diminuee par les pertes d'un segment précédent (SI) et il les transmet a un segment suivant avec une intensité accrue telle que ces impulsions constituent approximativemnt de solitons fondamentaux dans ce segment suivant - Enfin un recepteur 4 recevant les impulsions en sortie du dernier segment S40 de ladite ligne Il fournit en réponse des informations transmises qui. dans la mesure ou le svsteme fonctionne correctement, correspondent aux dites informations qu'il fallait a transmettre B) RE VENDI C AT10N S 1- Procede de transmission optique a solitons dans lequel des solitons sont transmis a travers une succession de fibres et v subissent une décroissance progressive de leur intensite, cette decroissance de l'intensite des solitons étant accompagnée par une décroissance de la dispersion chromatique de ces fibres, ce procède étant caractérise par le fait que l'on place dans la dite succession de fibres d'une part au moins une première fibre (FI) présentant une décroissance longitudinale continue de sa dispersion chromatique, d'autre part une pluralite de fibres suivantes (F2 F6) présentant des dispersions chromatiques respectives (D2 D) 1lonzitudinalement constantes formant une suite longitudinalement decroissante 2- Systeme de transmission optique a solitons, ce système utilisant une lumiere et comportant -au moins un segment (S2) comportant une succession de fibres (FI F6) pour guider la dite lumière d'une entrée (6) a une sortie (8) de ce segment. une abscisse (x) étant definie en chaque point de ce segment a partir d'une origine constituee par cette entree. les dites fibres presentant pour ladite lumiere des pertes. des effets Kerr et des dispersions de vitesse de groupe de sorte que ce segment presente pour chaque dite abscisse respectivement un coefficient de pertes (a). un coefficient de non linéarité et une dispersion locale (DL). cette dispersion locale étant une dispersion decalee et variant avec cette abscisse, -des elements (2 AI) en amont dudit segment pour injecter dans la dite entrée (6) de ce segment au moins une impulsion constituee de la dite lumière et avant une forme et une intensité initiales adaptées aux valeurs dudit coefficient de non linearite et de ladite dispersion locale pour que cette impulsion constitue approximativement au cours de sa propagation dans le segment un soliton Il subissant seulement des detformations limitees. l'intensite de cette impulsion decroissant progressivement conformement a une loi de variation d'intensité définie au moins partiellement par ledit coefficient de pertes, une dispersion optimale etant definie a chaque abscisse par ladite loi de variation d'intensite compte tenu dudit coefficient de non linearité et étant telle que ledit soliton ne subirait les dites deformations qu'à un degré minimal si ladite dispersion locale restait a chaque abscisse égale à ladite dispersion optimale. ladite dispersion locale decroissant avec ladite abcisse de manière à limiter les valeurs d'un écart de dispersion constitue a chaque abscisse par la différence entre cette dispersion locale et la dite dispersion optimale, et -des elements en aval dudit segment pour recevoir ladite impulsion à ladite sortie de ce segment et pour utiliser cette impulsion. le dit systeme etant caracterise par le fait que ladite succession de fibres dudit segment comporte, de sa dite entrée jusqu'a sa dite sortie d'abord un groupe d'au moins une fibre a dispersion variable (F l) dans laquelle ladite dispersion locale (DL) decroit continuemenu en ftonction de ladite abscisse. -puis une succession de plusieurs fibres a dispersion constante (Fl F I dans chacune desquelles la dite dispersion locale ( DL) est constante et constitue une dispersion de cette fibre. les dispersions des fibres de cette succession formant une suite décroissante (D2 D6) 3- Systeme selon la revendication 2, ce svstème comportant -un émetteur (2> pour recevoir des informations à transmettre (3) et pour emettre en réponse des impulsions constituées de ladite lumiere. aptes a constituer des dits solitons fondamentaux. mutuellement identiques, et porteuses de ladite information a transmettre. -une ligne comportant une succession alternée de dits segments (SI AI. S40) et d'amplificateurs (AI A39) en serie. un premier segment ( S I) de cette succession recevant ces impulsions dudit emetteur et etant tel que ces impulsions constituent sensiblement des solitons fondamentaux dans ce premier segment. chaque dit amplificateur (A 1 recevant ces impulsions avec une intensité diminuée par les pertes d'un segment precédent (SI) et les transmettant a un segment suivant avec une intensite accrue telle que ces impulsions constituent sensiblement des solitons fondamentaux dans ce segment sui ant. et - un recepteur (4) recevant lesdites impulsions en sortie d'un dernier segment (S40) de ladite ligne et fournissant en reponse des informations transmises correspondant aux dites informations a transmettre