Brevet FR2859056A1 — publié le 20050225

METHODE DE FORMATION D'UN SIGNAL OPTIQUE CODE SUIVANT UN FORMAT RETOUR A ZERO OU NON RETOUR A ZERO La présente invention concerne le domaine des transmissions de données numériques par des moyens optiques. Elle s'applique particulièrement à la transmission à des débits binaires élevées par fibres optiques et plus précisément porte sur une méthode de formation d'un signal optique codé à partir d'une modulation d'intensité d'une onde optique porteuse par des données binaires selon un format (non) retour à zéro. De manière connue, on cherche à augmenter la capacité des systèmes de transmissions optiques. Dans les systèmes actuels de transmission à fibres optiques de type (D)WDM (Dense Wavelength Division Multiplexing en anglais), on souhaite accroître l'efficacité spectrale, exprimée en bit/slHz, c'est-à-dire le rapport de la fréquence de modulation sur l'espacement fréquentiel entre canaux de transmission voisins tout en évitant un recouvrement spectral intercanal. Actuellement, un système DWDM utilise une modulation à un débit de 10 G:bs avec un espacement fréquentiel abaissé à 25 GHz, donnant un efficacité spectrale de 0,4 bit/s/Hz. Pour devenir compétitifs, les systèmes à 40 Gb/s doivent supporter un espacement fréquentiel intercanaux inférieur à 100 Hz, par exemple égal 50 GHz pour suivre la grille actuelle de normalisation donnée par l'UIT (Union Internationale des Télécommunications). Une modulation NRZ (non-retour à zéro) ou RZ (retour à zéro) est très fréquemment utilisée et implique de faire varier l'intensité de l'onde porteuse entre deux niveaux. Les variations de niveaux sont déclenchées à des moments imposés par une fréquence d'horloge et cela définit les cellules temporelles successives attribuées aux données binaires à transmettre. Selon l'usage, le niveau faible et le niveau élevé représentent respectivement les valeurs binaires '0' et 1'. L'impulsion NRZ dure le temps maximal alloué à chaque bit, soit un temps bit T, contrairement à une impulsion RZ. La figure 1 représente le spectre classique d'un signal optique codé NRZ et plus précisément la puissance optique P (en dB) en fonction de la fréquence f (en unités arbitraires). Ce spectre est caractérisé par une bande principale comportant un pic central maximum 1 associé à l'onde porteuse et deux bandes latérales symétriques 2, 3 de part et d'autre de ce pic 1 relatives au codage. Cette bande principale présente une largeur spectrale B à -10 dB environ égale à 59 GHz environ à 40 Gb/s. Aussi, un espacement à 50 GHz dans un système à 40 GHz conduirait à un chevauchement trop important des bandes principales de canaux adjacents. Cette diaphonie augmente le taux d'erreur de transmission de façon rédhibitoire. Toutefois, les deux bandes latérales 2, 3 contiennent des informations redondantes. Aussi, afin d'augmenter l'efficacité spectrale, il est connu de filtrer l'une d'elles. Une telle méthode est par exemple décrite à 10 Gb/s dans le document intitulé Vestigial side-band filtering at 10 Gbls using 12,5 GHz channel spacing demux", C.X. Yu et al, Electronics Letters, pp237-238, 2002. Cependant, un filtrage est difficile à mettre en oeuvre parce qu'il implique un ajustement précis et délicat de la position du filtre. Et la longueur d'onde de la porteuse, dépendant de la source laser, va varier au cours du temps etlou en fonction de la température de sorte qu'un asservissement du filtre au spectre est nécessaire. En outre, pour une bon fonctionnement, la forme de filtre doit être spécifique et est complexe à obtenir. Une autre solution connue pour une compression spectrale d'un signal codé est basée sur l'utilisation du format spécifique duobinaire ou PSBT (Phase-Shaped Binary Transmission en anglais) par exemple décrit dans le document intitulé "a 1580 nm band WDM transmission technology employing optical duobinary coding", Journal Lightwave Technology, ppl9l-30 199, 1999. En plus d'une modulation en intensité de type NRZ, ce format se caractérise par une modulation en phase sous forme de créneaux avec des changements de niveaux centrés dans les '0'. La hauteur et le signe des variations sont choisis par exemple en fonction de l'environnement d'un '0' c'est-à-dire suivant que ce dernier est entouré de 0', est à gauche ou à droite d'un groupe de '1', est isolé entre deux 1'. Une variation est généralement de l'ordre de n. Pour réaliser ce codage duobinaire, on emploie un modulateur fonctionnant en push-pull et commandé un codeur électrique couplé à un un filtre électrique passe-bas. Il s'agit typiquement d'un modulateur interférométrique de type Mach Zehnder piloté nécessairement sur ses deux bras avec des tensions de commande opposées. La génération d'un tel signal codé duobinaire est très compliquée, en particulier la détermination d'un point de fonctionnement fait intervenir un grand nombre de paramètres (tensions de polarisation, tension crête à crête etc) et nécessite un asservissement délicat réalisé autour du point de transmission minimum non nul. En outre, les performances de transmission sont nettement inférieures à celles d'un signal codé NRZ ou RZ notamment en termes de rapport signal à bruit ou de sensibilité c'est-à-dire de puissance nécessaire au niveau du récepteur pour obtenir un taux d'erreur donné. L'invention a pour but de fournir un signal optique codé de largeur spectrale réduite, simple à réaliser et de bonne qualité même à haut débit, par exemple à 40 GbIs. L'invention trouve particulièrement son application pour la transmission de signaux codés multiplexés en longueur d'onde. L'invention propose à cet effet une méthode de formation d'au moins un signal optique codé à partir d'une modulation d'intensité d'au moins une onde continue dite porteuse par des données binaires selon un format non retour à zéro ou retour à zéro, le signal codé présentant une bande principale de largeur spectrale donnée, caractérisée en ce que, afin de réduire la largeur spectrale, elle comprend une modulation de phase sous forme de variations de phase impulsionnelles positives et des variations de phase impulsionnelles négatives aptes à être sensiblement synchronisées respectivement avec les montées et les descentes de l'intensité modulée ou vice-versa. La méthode selon l'invention permet de s'affranchir du filtrage de bande. La modulation de phase selon l'invention est originale et plus simple à mettre en oeuvre que la modulation pour un format PSBT. Dans la pratique, on peut utiliser un modulateur de phase séparé d'un modulateur d'intensité et disposé en amont ou en aval. La modulation en phase selon l'invention n'empêche pas une modulation en phase supplémentaire de type 'chirp' telle qu'obtenue dans certains cas de schémas de modulation en intensité, par exemple lorsqu'on ne module qu'une électrode d'un modulateur Mach-Zehnder en LiNbO3 zcut . Dans un mode de réalisation avantageux, les variations de phase impulsionnelles présentent, en valeur absolue, un maximum compris entre 0, 5 et 1,8 radians et de préférence sensiblement égal à 0,75 radians. Cette gamme de variation garantit une qualité optimale de signal en terme de largeur de bande et donc une qualité optimale du signal en réception lorsque plusieurs longueurs d'onde à faible espacement fréquentiel sont multiplexées. Ainsi, une modulation de phase de faible amplitude suffit pour obtenir la compression spectrale. Ceci permet un gain en consommation d'énergie par une réduction de niveau de la tension de commande à appliquer au modulateur en phase et une diminution du coût des composants. Les variations de phase impulsionnelles positives et négatives peuvent être de préférence sensiblement symétriques, pour une simplicité de mise en oeuvre. La largeur à mi-hauteur des variations de phase impulsionnelles peut être supérieure ou égale à la moitié de la période de transmission, soit T12, 30 afin d'optimiser encore la compression spectrale. De préférence, la forme des variations de phase impulsionnelles peut être sensiblement triangulaire. Cette forme est préférée à une forme de type créneau avec un maintien du niveau transitoire de la phase. De préférence, le décalage temporel entre les variations de phase impulsionnelles et les montées ou les descentes peut être inférieur ou égal à 5 12% environ en valeur absolue de la période de transmission. Dans un mode de réalisation préféré, une pluralité de signaux codés étant formés suivant ladite méthode définie précédemment, cette dernière comprend en outre le choix d'un espacement fréquentiel pour les ondes porteuses inférieur au double du débit. Ceci est rendue possible par la compression spectrale obtenue. Par ailleurs, la méthode peut comprendre un filtrage après les codages et de préférence par un multiplexage à réseaux de dispersion angulaire ou par un multiplexage par entrelacement. Ce filtrage renforce la qualité de la transmission notamment en agissant au niveau des croisements entre bandes spectrales adjacentes. L'invention propose également un système de codage pour la mise en oeuvre de la méthode définie précédemment comportant pour chaque onde porteuse à moduler, des moyens de modulation de phase et des moyens de modulation d'intensité de préférence intégrés sur un même support. Dans un mode de réalisation préféré, les moyens de modulation en phase comprennent un modulateur électro-optique à base de niobate de lithium et les moyens de modulation en intensité comprennent un modulateur interférométrique de type Mach Zehnder de préférence à base de niobate de lithium. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après faite des modes de réalisation de l'invention, indiqués à titre d'exemple et en référence aux dessins d'accompagnement, dans lesquels: É la figure 1, déjà décrite, montre le spectre classique d'un signal optique codé NRZ uniquement, É la figure 2 montre le spectre d'un signal optique codé NRZ et modulé en phase conformément à l'invention dans un premier mode de réalisation préféré; É la figure 3 montre les modulations en intensité et en phase nécessaires pour l'obtention du spectre de la figure 2, É la figure 4 montre un exemple de générateur du signal codé NRZ et modulé en phase dont les caractéristiques sont présentées dans les figures 2 et 3, É la figure 5 montre un système de transmission de trois signaux 10 multiplexés codés NRZ et modulés en phase conformément à l'invention dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, É la figure 6 montre les spectres des trois signaux multiplexés transmis par le système de transmission de la figure 5; É les figures 7 à 9 montrent trois diagrammes de l'oeil, les deux premiers étant associés au système de transmission de la figure 6 et le dernier à un système de transmission en NRZ simple. La figure 2 montre le spectre d'un signal optique codé NRZ et modulé en phase conformément à l'invention dans un premier mode de réalisation préféré. Plus précisément, le spectre est montré en termes de puissance optique P (en dB) en fonction de la fréquence f (en unité arbitraire). Ce spectre est caractérisé par une bande principale comprenant un pic maximum 1' associé à l'onde porteuse et de deux bandes latérales asymétriques 2', 3' de part et d'autre de ce pic 1'. Cette bande principale présente une largeur spectrale B' à -10 dB réduite par rapport à la largeur spectrale classique B, et égale à 43 GHz environ à 40 GHz. Plus précisément, la bande latérale de gauche 2' est fortement réduite et toute l'énergie est quasiment concentrée sur la bande latérale de 30 droite 3'. L'espacement fréquentiel intercanaux à 50 GHz devient possible dans un système de transmission à 40 GHz tout en gardant la qualité de signal NRZ ou RZ. La compression de la bande résulte d'une modulation spécifique en phase surimposée à la modulation classique en intensité par exemple NRZ. La figure 3 montre les courbes C. et C2 représentant respectivement ces modulations d'intensité I (exprimée en unités arbitraires) et de phase p (exprimée en rad) au cours du temps t (exprimé en picosecondes). La modulation en intensité I est sous forme de créneaux avec des fronts de montée (symbolisé par une pointe de flèche) et de descente (symbolisé par une pointe de flèche double) raides. La modulation en intensité I est définie en fonction de la séquence suivante de données binaires: 011110101100100. Le temps bit vaut 25 ps pour le codage choisi à 40 GHz dans cet 15 exemple. La modulation en phase est sous forme de variations de phase impulsionnelles positives (pi et négatives cp2 conçues pour être sensiblement synchronisées respectivement avec les fronts montants et les fronts descendants de l'intensité modulée. Les variations de phase impulsionnelles positives et négatives pl, cp2 sont choisies sensiblement symétriques pour une simplicité dans la commande. Pour une réduction optimale de largeur de bande, les impulsions pi, cp2 sont calées sur les fronts. Toutefois un décalage temporel entre les variations de phase impulsionnelles et les montées et descentes est inférieur ou égal à 12% environ en valeur absolue du temps bit T soit un décalage de 3 ps par rapport au front, à 40 Gb/s. Dans ce même but, les impulsions pi, cp2 présentent de préférence un maximum à 0,75 radians. Une impulsion Dirac est insuffisante. Aussi, de préférence, on choisit une largeur à mi-hauteur Il des variations de phase impulsionnelles (pi, (p2 par exemple égale à la moitié du temps bit. La forme des variations de phase impulsionnelles cpi, (p2 est 5 sensiblement triangulaire. Dans une variante (non représentée), les variations de phase impulsionnelles positives (pl et les variations de phase impulsionnelles négatives 92 conçues pour être sensiblement synchronisées respectivement avec les fronts de descente et les fronts de montée. Dans cette configuration, l'énergie est concentrée vers les fréquences inférieures (bande latérale de gauche) au lieu des fréquences supérieures (bande latérale de droite). La figure 4 présente un exemple de générateur 10 du signal optique codé NRZ et modulé en phase dont les caractéristiques sont présentées dans les figures précédentes 2 et 3. Ce générateur 10 comporte successivement: - un laser 4 émettant une onde continue porteuse CW à une longueur d'onde par exemple dans la bande C ou L, - un modulateur de phase 5 commandé par un précodeur électrique 6 à 40 GHz à partir de la séquence de données D déjà 20 indiquée ci-dessus, - et un modulateur d'intensité 7. Si nécessaire, afin de compenser les pertes optiques engendrées par l'ajout du modulateur de phase, on peut augmenter la puissance du laser 4, ou rajouter un amplificateur optique. Le modulateur en phase 5 est un modulateur électro-optique et présente une structure guide d'onde et à base de niobate de lithium. L'application d'une tension variable sur l'électrode El de ce modulateur 5 va induire des variations d'indice de réfraction à l'origine des variations de phase de l'onde porteuse CW qui traverse le modulateur. Pour obtenir les variations de phase souhaitées (forme, largeur...) on ajuste la longueur du modulateur 5 et on tient compte de son efficacité. Naturellement, une donnée 1' entre deux données 1', ou une donnée 0' entre deux '0' ne doit pas créer de variation de phase. Un modulateur de phase à base de semi-conducteurs est également envisageable. L'onde porteuse modulée en phase se propage ensuite dans le modulateur d'intensité 7 qui est de préférence un modulateur interférométrique de type Mach Zehnder en niobate de lithium. Les moyens de commande sont classiques. Les électrodes E2,E3 des bras b1, b2 sont respectivement commandées à partir de la séquence de 10 donnée D et son complémentaire D*. Un modulateur à électro-absorption (EAM en anglais) est également envisageable. En sortie du modulateur d'intensité 7 on obtient le signal codé NRZ et modulé en phase s.. Dans une première variante, seule l'une des électrodes E2, E3 est commandée avec D ou D* indifféremment: le signal codé si est alors chirpé . Dans une deuxième variante, la modulation de phase est réalisée postérieurement à la modulation d'intensité. La figure 6 montre un système de transmission 100 transmettant trois signaux mutiplexés si à s3 qui sont codés NRZ et modulés en phase conformément à l'invention. Le système 100 comprend: - un ensemble 20 de trois générateurs 21, 22, 23 similaires au 25 générateur déjà décrit 10, - un multiplexeur en longueur d'onde Mux, - une ligne de transmission par fibre optique FO, - un démultiplexeur en longueur d'onde Demux par exemple un démultiplexeur à réseaux de dispersion angulaire dit AWG, 30 - un ensemble 20 de trois récepteurs 31, 32, 33. Ce système de transmission DWDM 100 à 40 Gb/s utilise un plan d'attribution avec un espacement fréquentiel équidistant à 50 GHz. Le spectre des trois signaux codés et multiplexés si à s3 est présenté en figure 3. Le spectre est montré en termes de puissance optique P (en dB) en fonction de la longueur d'onde (en unité arbitraire). Ce spectre présente trois pics maximum P1 à P3 à des longueurs d'onde porteuses distinctes Il, l c, 12 respectivement sensiblement égales à 1545,72 nm, 1546,12 nm, 1546,52 nm. Les figures 7 à 9 montrent trois diagrammes de l'oeil, les deux premiers étant associés au système de transmission de la figure 6 et le 10 dernier à un système de transmission en NRZ simple. Le premier diagramme de l'oeil Oel présenté en figure 7 correspond à celui obtenu pour le signal codé central s2 lorsque le multiplexeur Mux est un composant filtrant par exemple un multiplexeur à réseaux de dispersion angulaire dit AWG et de préférence de même nature que celui choisi côté démutiplexage. Un multiplexage avec un entrelaceur (interleaver en anglais) est également envisageable. Le deuxième diagramme de l'oeil Oe2 présenté en figure 8 correspond à celui obtenu pour le signal codé central s2 lorsque le 20 multiplexeur Mux est un composant passif tel qu'un coupleur. Le troisième diagramme de l'oeil Oe3 présenté en figure 9 correspond à celui obtenu pour un signal codé central présentant uniquement un codage NRZ et avec un multiplexeur de type composant passif. Le premier diagramme de l'oeil Oel présente une grande ouverture et traduit la qualité du signal reçu en dépit de la modulation de phase. Le deuxième diagramme de l'oeil Oe2 présente une ouverture acceptable à la différence du troisième diagramme de l'oeil Oe3. La présente invention n'est pas limitée aux exemples et modes de 30 réalisation décrits et montrés et l'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes à la portée de l'homme du métier. L'invention s'applique aussi bien à un signal codé RZ en prévoyant si nécessaire des moyens pour assurer la synchronisation de la modulation de phase avec la modulation d'intensité en particulier lorsque les impulsions sont particulièrement étroites. L'invention s'applique aussi bien à un nombre supérieur à 3 de signaux multiplexés. REVENDICATIONS, 1. Méthode de formation d'au moins un signal optique codé (si à s3) à partir d'une modulation d'intensité d'au moins une onde continue dite porteuse (CW) par des données binaires (D, D*) selon un format non retour à zéro ou retour à zéro, le signal codé (si) présentant une bande principale de largeur spectrale donnée (B'), caractérisée en ce que, afin de réduire la largeur spectrale, elle comprend une modulation de phase sous forme de variations de phase impulsionnelles positives (91) et des variations de phase impulsionnelles négatives (92) aptes à être sensiblement synchronisées respectivement avec les montées et les descentes de l'intensité modulée (I) ou vice-versa. 2. Méthode de formation d'au moins un signal codé (si à s3) selon la revendication 1 caractérisée en ce que les variations de phase impulsionnelles (cp,, 92) présentent, en valeur absolue, un maximum compris entre 0,5 et 1,8 radians et de préférence sensiblement égal à 0, 75 radians. 3. Méthode de formation d'au moins un signal codé (si à s3) selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que les variations de phase impulsionnelles négatives et positives (cp,, 92) sont sensiblement symétriques. 4. Méthode de formation d'au moins un signal codé (si à s3) selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que la largeur à mi-hauteur (l) des variations de phase impulsionnelles (cp,, 92) est supérieure ou égale à la moitié de la période de transmission (T). 5. Méthode de formation d'au moins un signal codé (si à s3) selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que la forme des variations de phase impulsionnelles (cp,, 92) est sensiblement triangulaire. 6. Méthode de formation d'au moins un signal codé (si à s3) selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le décalage temporel entre les variations de phase impulsionnelles (91, 92) et les montées ou les descentes est inférieur ou égal à 12% environ en valeur absolue de la période de transmission (T). 7. Méthode de formation d'au moins un signal codé (si à s3) selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que, lorsqu'une pluralité de signaux codés sont formés suivant ladite méthode, elle comprend le choix d'un espacement fréquentiel pour les ondes porteuses inférieur au double du débit. 8. Méthode de formation d'au moins un signal codé (si à s3) selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que, lorsqu'une pluralité de signaux codés sont formés suivant ladite méthode, elle comprend un filtrage après les codages et de préférence par un multiplexage à réseaux de dispersion angulaire ou par un multiplexage par entrelacement. 9. Système de codage (10, 20, 21 à 23) pour la mise en oeuvre de la méthode définie selon l'une des revendications 1 à 8 comportant pour chaque onde porteuse (CW) à moduler, des moyens de modulation de phase (5) et des moyens de modulation d'intensité (7) de préférence intégrés sur un même support. 10. Système de codage (10, 20, 21 à 23) selon la revendication 9 caractérisé en ce que les moyens de modulation en phase (5) comprennent un modulateur électro--optique à base de niobate de lithium et en ce que les moyens de modulation en intensité (7) comprennent un modulateur interférométrique de type Mach Zehnder de préférence à base de niobate de lithium.