Brevet FR2738431A1 — publié le 19970307

La présente invention est relative à un système pour la transmission longue distance d'impulsions optiques de type RZ (retour à zéro), du type de ceux qui utilisent l'amplification optique en ligne. Dans un système de transmission très longue distance utilisant l'amplification optique en ligne, l'un des principaux facteurs limitatifs du débit est la distorsion de propagation apportée par la fibre de transmission. Cette limitation provient de l'existence combinée de deux phénomènes dans les fibres optiques monomodes: la dispersion chromatique et les effets non- linéaires. Pour une analyse détaillée des principales caractéristiques de ces deux effets, on pourra avantageusement se référer à l'ouvrage suivant: [1] G.P. Agrawal, "Nonlinear fiber optics", Academic press, San Diego, 1989. La dispersion chromatique provient de la dépendance en fréquence de l'indice de la fibre et se traduit par des temps de propagation différents selon la longueur d'onde. De manière générale, la dispersion chromatique a tendance à élargir les impulsions des trains numériques. L'effet non linéaire le plus important dans une fibre de transmission avec les puissances optiques (quelques milliwatts) utilisées dans les premiers systèmes de transmission amplifiés longue distance est l'effet Kerr. Il traduit une dépendance linéaire de l'indice de la silice à la puissance optique. Il induit, pour des puissances de fonctionnement élevées (de l'ordre de ou supérieures à 1 W), un élargissement du spectre optique. Dans le cas o la dispersion chromatique est de type "anormal" (cas o une impulsion à une longueur d'onde donnée étant retardée par rapport aux impulsions de longueurs d'onde inférieures), les effets de la dispersion chromatique et de l'effet Kerr sur les impulsions transmises sont opposés. Dans le cas général, ceci conduit à des phénomènes dits "d'instabilité de modulation": les impulsions "éclatent" en impulsions très courtes au bout de 1000 à 2000 km et le spectre optique s'élargit considérablement. Dans le cas o la dispersion chromatique est de type "normal" (cas o une impulsion à une longueur d'onde donnée est retardée par rapport aux impulsions de longueurs d'onde supérieures), il n'y a pas d'instabilité de modulation, mais le spectre s'élargit de façon monotone au cours de la propagation et les impulsions s'élargissent fortement temporellement, ce qui crée des interférences inter-symboles. Des systèmes de transmission sous-marins très longue distance (6000 à 9000 km) sont d'ores et déjà installés et fonctionnent à un débit de 5 Gbits/s. Ces systèmes mettent en oeuvre un format de modulation NRZ et utilisent des fibres dites à dispersion décalée qui présentent une dispersion chromatique moyenne nulle aux alentours de 1,55 pm. Des débits supérieurs (10 Gbits ou plus) sont envisages avec des systèmes de transmission par solitons, qui font à l'heure actuelle l'objet de nombreuses recherches. Les solitons sont des impulsions RZ, qui sont définies précisément par leurs formes temporelle et spectrale et leur puissance pic et pour lesquelles l'effet Kerr et la dispersion chromatique se compensent, cette compensation se produisant pour des fibres de propagation à dispersion chromatique de type anormal. Les impulsions solitons ont donc la propriété de se propager sans modification de forme. Les transmissions optiques par solitons présentent toutefois l'inconvénient majeur de nécessiter un niveau de puissance en ligne relativement constant, la bande de puissance dans laquelle l'effet soliton est obtenu étant très limitée (3 à 4 dBm). Par ailleurs, la transmission solitons sur distance transocéanique ne peut s'effectuer à haut débit sans un minimum de contrôle en ligne, soit par filtrage, soit par modulation en intensité ou en phase. Le contrôle par filtrage nécessite des filtres relativement étroits. Le contrôle par modulation, qui consiste à remoduler optiquement en ligne les solitons, est parfois à l'origine d'une déstabilisation en fréquence des impulsions. L'invention propose quant à elle un système de transmission d'impulsions optiques de type RZ, qui est d'un type nouveau et qui permet de pallier ces inconvénients. Plus particulièrement, le système de transmission proposé par l'invention est caractérisé en ce que la dispersion chromatique moyenne de sa fibre de ligne est de type normal et en ce qu'il comprend des moyens de remise en forme répartis régulièrement dans la longueur de la ligne et comportant un modulateur qui est synchronisé sur le train d'impulsions qu'il reçoit et qui réalise d'une part une modulation d'amplitude, qui remet en forme temporellement les impulsions, et d'autre part une modulation en phase qui est décroissante en début d'impulsion et croissante en fin d'impulsion et qui remet en forme spectralement les impulsions. De préférence, il comporte également un filtre passe-bande qui stabilise les impulsions en amplitude. Des fibres de compensation de dispersion chromatique de type anormal sont avantageusement réparties dans la longueur de la ligne. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma illustrant un mode de réalisation possible pour le système de transmission proposé par l'invention; - les figures 2a et 2b illustrent deux modes de réalisation possibles pour la récupération d'un signal d'horloge sur le signal optique se propageant dans le système de la figure 1; - les figures 3a et 3b illustrent les courbes caractéristiques de transmission et de phase en fonction de la tension de commande du modulateur du système de transmission de la figure 1, la figure 3c illustrant en fonction du temps la tension de commande appliquée à ce modulateur; - les figures 4a et 4b illustrent les fonctions de transfert en puissance et en phase de ce modulateur; - les figures 5a et 5b sont des graphes temporel et spectral d'une impulsion en entrée du système de transmission de la figure 1; - les figures 6a et 6b sont des graphes analogues à ceux des figures 5a et 5b pour la même impulsion après propagation en ligne et avant remise en forme; - les figures 7a et 7b sont des graphes temporel et spectral illustrant le signal optique en entrée des moyens de remise en forme du système de la figure 1; - les figures 8a et 8b sont des graphes temporel et spectral illustrant le signal optique en sortie des moyens de remise en forme, avant filtrage; - les figures 9a et 9b sont des graphes temporel et spectral illustrant le même signal après filtrage; - la figure 10 est un graphe sur lequel on a porté plusieurs courbes donnant les facteurs de qualité du système de transmission en fonction de la puissance en sortie de ses amplificateurs (en dBm), ces différentes courbes correspondant à différentes dispersions chromatiques en ligne; - la figure 11 est un graphe sur lequel on a porté les courbes facteurs de qualité/puissance en sortie des amplificateurs pour une dispersion chromatique en ligne donnée et différentes largeurs de filtre. Le système de transmission illustré sur la figure 1 comporte en ligne une fibre de propagation 1 dont la dispersion est de type normal, des amplificateurs 2 régulièrement répartis dans la longueur de la ligne, ainsi que des moyens pour la remise en forme temporelle et spectrale des impulsions. Ces moyens de remise en forme 3 comportent un modulateur 4 d'amplitude et de phase et un filtre 5 passe- bande. Le modulateur 4 est commandé par un signal d'horloge récupéré sur le signal optique se propageant dans les fibres 1. Un mode de réalisation possible de moyens pour la récupération de ce signal d'horloge est illustré sur la figure 2a. Sur cette figure, les moyens de récupération comportent un amplificateur optique 12 sur lequel un coupleur 11il dérive une portion du signal optique se propageant dans la fibre, un filtre passe-bande 13, une photodiode 14, ainsi qu'un filtre passe-bande électrique monté en sortie de la photodiode 14 et centré sur la fréquence correspondant au débit dans la fibre. En variante, ainsi qu'illustré sur la figure 2b, il peut être interposé entre le filtre 15 et la photodiode 14 un filtre passe-bande électrique 16 dont la fréquence correspond à 0,7 fois le débit dans la fibre, en série avec un doubleur de fréquence 17. Le modulateur 4 est par exemple un modulateur électro-absorbant (ou Niobate de Lithium). Ses caractéristiques sont illustrées sur les figures 3a à 3c. Ainsi qu'illustrée sur les figures 3a et 3b, la courbe de la transmission du modulateur 4 en fonction de sa tension de commande est décroissante, tandis que la courbe du déphasage de retard que le modulateur 4 impose aux faisceaux optiques qui le traversent, est croissante en fonction de la tension de commande. Ainsi qu'illustrée sur la figure 3c, la tension de commande en entrée du modulateur 4 est une tension sinusoïdale en fonction du temps, dont la tension minimale est la tension nulle. Avec une telle tension de commande, le modulateur 4 module la puissance optique des impulsions qu'il reçoit ainsi qu'illustré sur le graphe de la figure 4a, en atténuant plus fortement le début et la fin des impulsions et en transmettant leur composante milieu. Les impulsions sont ainsi remises en forme temporellement. Simultanément, ainsi qu'illustré sur le graphe de la figure 4b, le modulateur 4 induit sur les impulsions un déphasage de retard qui est décroissant en début d'impulsion et croissant à sa fin. Ainsi qu'on le comprendra en référence aux figures 5a, 5b et 6a, 6b, cette modulation en phase comprime le spectre élargi par effet Kerr. Les figures 5a et 5b donnent la forme caractéristique des courbes de puissance en fonction du temps et en fonction de la longueur d'onde pour une impulsion optique en entrée du système de transmission selon l'invention, la porteuse du signal ayant été représentée sur la figure 5a. On suppose dans cet exemple que les impulsions en entrée du système sont sans variation de phase. Comme on peut le constater sur les figures 6a et 6b, après propagation dans la fibre 1 de la ligne, l'impulsion est temporellement et spectralement élargie lors de sa propagation, un début d'impulsion étant élargi vers des valeurs de longueur d'onde hautes tandis que la fin de l'impulsion est élargie vers des valeurs de longueur d'onde basses. La modulation de phase que réalise le modulateur 4 compense ces distorsions spectrales. Elle agit sur le début et la fin de l'impulsion pour ramener les hautes et basses valeurs de longueur d'onde en début et fin d'impulsion sur la longueur d'onde centrale du milieu d'impulsion. Le filtre passe-bande 5 permet quant à lui de stabiliser l'action de modulation d'amplitude en limitant les fluctuations d'amplitude des impulsions. Il est par exemple réalisé à partir de couches interférentielles ou en utilisant le principe Fabry-Perot. Sa bande passante dépend du nombre de fois o le filtrage est appliqué et de la finesse spectrale des impulsions transmises. On a illustré sur les figures 7a et 7b les représentations temporelles et spectrales d'un signal optique arrivant sur les moyens de remise en forme 3. Ce signal correspond à une impulsion déformée par sa propagation et bruitée. Après traitement par le modulateur 4, le signal correspond à une impulsion comprimée temporellement et spectralement, et bruitée (figures 8a et 8b). Le bruit est supprimé par le filtre 5 (figures 9a, 9b). Ainsi, la largeur du filtre et le taux de modulation en amplitude et en phase étant convenablement choisis, les impulsions sont régénérées, et en particulier réaffinées à la fois temporellement et spectralement. Cette remise en forme compense les distorsions et pénalités liées à la propagation dans la fibre de ligne et au bruit émis par les amplificateurs optiques présents dans la ligne. Selon un aspect complémentaire particulièrement avantageux, des fibres de compensation de dispersion chromatique de type anormal sont réparties régulièrement en ligne. Ces fibres permettent de supprimer ou d'atténuer substantiellement les pics qui correspondent à des impulsions parasites apparues au cours de la propagation. Elles ont en effet la propriété de comprimer plus fortement les impulsions de grande amplitude que les impulsions de petite amplitude, générant ainsi l'analogue d'un gain différentiel entre les impulsions qui correspondent au signal binaire et les impulsions parasites. Les différents moyens de remise en forme qui viennent d'être décrits sont disposés régulièrement dans la longueur du système. On notera que si les impulsions en entrée de la ligne ne correspondent pas exactement à l'état d'équilibre, elles sont amenées à converger vers cet état après propagation sur une certaine longueur de la ligne. Par exemple, pour une transmission sur une longueur de l'ordre de 9000 km, on choisira une distance entre amplificateurs 2 de 40 km. Les filtres 5 et les modulateurs 4 sont avantageusement disposés environ tous les 200 km. La fibre optique 1 transmet à la longueur d'onde de 1,55 pm et est une fibre à dispersion chromatique décalée qui en moyenne est de type normal à la longueur d'onde de fonctionnement et dont la valeur absolue est avantageusement de l'ordre de 0,2 à 0,4 ps/nm/km. Elle présente une section efficace de 50 pm2 et une constante de non linéarité Kerr de 3 x 10-20 m2/W. Son coefficient d'atténuation est de 0,2 dB/km. Les amplificateurs 2 sont des fibres dopées en Erbium qui amplifient entre 1528 et 1570 nm. Leur gain est de 8 dB. Leur facteur d'excès de bruit est de 3 dB. Un tel système permet de transmettre avec une bonne qualité de transmission un train d'impulsion RZ modulé à 10 Gbits/s avec des impulsions de largeur à mi hauteur de 18 ps. On notera que sans moyen de régénération, les performances d'un tel système de transmission sont très mauvaises au bout d'environ 1000 km. Sur la figure 10, on a représenté plusieurs courbes de facteur de qualité en fonction de la puissance en sortie des amplificateurs 2, dans le cas o la fibre 1 présente une dispersion chromatique moyenne qui est de type normal et égale en valeur absolue à 0,2ps/nm/km (courbe D1), à 0,3ps/nm/km (courbe D2), à 0,4ps/nm/km (courbe D3). On rappelle que le facteur de qualité d'une ligne est défini par m(l) m(0) Q = a(1) +a (0) o m(l) et m(0): respectivement moyenne des niveaux des 1 et des 0 reçus. a(l) et a(0): respectivement écart-type des niveaux des 1 et des 0 reçus. Ainsi qu'on peut le voir sur ces courbes, le facteur de qualité Q de la ligne est supérieur à 10 pour une large gamme de puissance en sortie des amplificateurs 2, et ce pour les trois valeurs de dispersion chromatique des trois courbes D1, D2 et D3. Pour ces trois valeurs de dispersion, le système proposé par l'invention permet une bonne qualité de transmission pour des variations de puissance d'amplification de l'ordre de 9 dBm, alors que les systèmes de transmission par solitons n'acceptent, pour des distances interamplificateurs analogues, que des variations d'amplification comprises entre 3 à 4 dBm. On se réfère maintenant à la figure 11 sur laquelle sont portées des courbes de facteurs de qualité en fonction des puissances de sortie des amplificateurs 2 pour des filtres 5 présentant différentes largeurs de bande spectrale, dans le cas d'une fibre de transmission dont la dispersion chromatique moyenne est de type anormal et est égale en valeur absolue à 0,4 ps/nm/km. Les courbes F1 à F4 correspondent respectivement à des largeurs de bande de 0,2 nm, 0,3 nm, 0,4 nm et 0,5 nm, les courbes F5 à F7 correspondant respectivement à des largeurs de bande de 1 nm, 2 nm et 5nm. On voit sur cette figure que les tolérances en largeur de filtre du système proposé par l'invention sont particulièrement élevées, le facteur de qualité Q étant dans tous les cas supérieurs à 10 sur une large gamme de puissance d'amplification. Par conséquent, comme on l'aura compris à la lecture de cette description, le système proposé par l'invention permet d'atteindre des hauts débits, tout en présentant l'avantage d'autoriser des marges en puissance et des tolérances en dispersion chromatique et en largeur de filtres beaucoup plus élevées que les systèmes de transmission par solitons. Un tel système peut être utilisé pour une transmission monocanal ou encore pour d'autres applications, par exemple des applications multiplexées mettant en oeuvre un multiplexage de canaux par polarisation. REVENDICATIONS 1. Système pour la transmission d'un train d'impulsions optiques de type retour à zéro, comportant une ligne optique (1), ainsi que des moyens d'amplification (2) et des moyens de remise en forme (3) des impulsions répartis dans la longueur de ladite ligne, caractérisé en ce que la dispersion chromatique moyenne de la fibre (1) de la ligne est de type normal et en ce que les moyens de remise en forme (3) comportent un modulateur (4) qui est synchronisé sur le train d'impulsions qu'il reçoit et qui réalise d'une part une modulation d'amplitude, qui remet en forme temporellement les impulsions, et d'autre part une modulation en phase qui est décroissante en début d'impulsion et croissante en fin d'impulsion et qui remet en forme spectralement les impulsions. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre passe-bande (5) qui stabilise les impulsions en amplitude. 3. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des fibres de compensation de dispersion chromatique de type anormal sont réparties dans la longueur de la ligne. 4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre (1) de la ligne est une fibre à dispersion décalée, dont la dispersion chromatique moyenne est de type normal et de valeur absolue de l'ordre de 0,2 à 0,4 ps/nm/km. 5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de remise en forme (3) sont répartis environ tous les 200 km dans la longueur de la ligne. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur d'onde de transmission de la fibre (1) de la ligne est de 1,55 pm 7. Utilisation du système de transmission selon l'une des revendications précédentes pour la transmission longue distance monocanal ou multiplexée.5