Syst` emes de transmission optique et techniques de modulation
2.1 Pr´ esentation d’une liaison optique
Afin de r´eussir la communication entre points distants, il est n´ecessaire d’´etablir une liaison entre ceux-ci pour y faire transiter des informations. Ainsi, toute liaison, pour une bonne trans-mission n´ecessite un certain nombre de blocs pour ˆetre fonctionnelle.
En effet, la transmission de signaux lumineux sur la fibre optique requiert trois blocs essentiels : la fibre elle-mˆeme en tant que support de transmission et `a ses extr´emit´es, le bloc ´emetteur qui s’oc-cupe de la conversion du signal ´electrique en signaux lumineux et le bloc r´ecepteur qui convertit le signal lumineux en signal ´electrique. L’´emetteur se compose d’un modulateur et d’une source optique (en g´en´eral un laser), tandis que le r´ecepteur est compos´e d’un photod´etecteur (en g´en´ e-ral une photodiode) et d’un d´emodulateur. Ces diff´erents blocs seront pr´esent´es dans la section suivante, de mˆeme que quelques techniques de modulation dont l’OFDM.
Figure 2.1 –Chaˆıne de transmission optique.
2.1.1 Emetteur optique
L’´emetteur optique convertit le signal ´electrique qu’il re¸coit en un signal optique envoy´e dans le canal de transmission. Il est essentiellement compos´e d’une source optique (LED, LASER etc.) et/ou d’un modulateur optique.
2.1.1.1 Sources optiques
En transmission optique, il existe plusieurs types de sources optiques (LED ou LASER). Le laser est un proc´ed´e d’amplification de la lumi`ere et constitue l’un des composants essentiels dans les transmissions par fibres optiques. Les lasers pr´esentent un rayonnement coh´erent et une bande passante de modulation de plusieurs GHz, avec une puissance optique ´emise pouvant atteindre quelques Watts. Nous nous pencherons dans notre ´etude sur les lasers dont les performances ne sont plus `a prouver. On distingue de ce fait plusieurs types de lasers optiques caract´eris´es le plus souvent par leurs principes de fonctionnent, leurs performances et leurs coˆuts [25]. On distingue ainsi les lasers Fabry-Perot, VCSEL, DFB etc.
Le principal bruit dans les lasers `a semi-conducteurs est le RIN (Relative Intensity Noise).
Il est dˆu `a l’´emission spontan´ee. En effet chaque photon ´emis en ´emission spontan´ee ajoute une petite composante al´eatoire en phase au champ optique coh´erent et perturbe `a la fois l’amplitude et la phase du signal en sortie du laser de mani`ere al´eatoire. Les fluctuations d’intensit´e conduisent
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a un rapport signal sur bruit (SNR : signal to noise ratio) limit´e, alors que les fluctuations de phase conduisent `a une largeur de raie spectrale non nulle. Un effet important li´e au couplage phase-amplitude est l’effet chirp. Il s’agit de la d´eviation en fr´equence lors de la modulation au niveau de la source optique. Il en existe deux sortes : chirp adiabatique k et chirp transitoireαH. Si l’on consid`ere le signal optique ´emis par la source optique, le chirp adiabatique est d´efini par le d´ecalage de fr´equence entre deux ´etats d’intensit´es diff´erents [15].
2.1.1.2 Les modulateurs optiques
Le rˆole des modulateurs optiques est de transformer le signal ´electrique en un signal optique.
On distingue ainsi deux cat´egories de modulateurs optiques `a savoir : les modulations directes et les modulations externes.
La modulation directe se base sur la modulation de l’intensit´e du signal inject´e dans le laser.
Pour cette modulation, la puissance optique ´emise croˆıt en fonction du courant inject´e. Cette modulation est non seulement facile `a mettre en oeuvre mais aussi peu coˆuteux. Son inconv´enient r´eside dans le fait que la modulation d’amplitude obtenue par une modulation de l’intensit´e du courant d’alimentation engendre une modulation de fr´equence due au chirp. Le chirp ´elargit le spectre du signal optique et entraine une augmentation de l’effet de la dispersion chromatique. Le d´ebit maximal des donn´ees pouvant ˆetre transmises pour un taux d’erreur binaire (TEB) donn´e est donc limit´e.
La modulation externe consiste `a inscrire les donn´ees `a transmettre sur un signal optique continu qui sera ensuite modul´e grˆace `a un modulateur externe. Le modulateur est command´e par une tension externe v(t), repr´esentative de l’information `a transmettre. Cette tension appli-qu´ee au modulateur a pour propri´et´e de modifier le facteur de transmission d’intensit´e optique en sortie. A l’oppos´e de la modulation directe, la modulation externe contribue `a la r´eduction
modulateurs externes permettent de ce fait d’augmenter la distance de transmission. Deux types de modulateurs externes sont couramment utilis´es : le modulateur Mach-Zehnder (MZM) et le modulateur `a ´electro-absorption (EAM)[26].
2.1.2 La fibre optique
La fibre optique est un guide d’onde di´electrique circulaire permettant la transmission d’un signal sur de tr`es grandes distances. Ce guide d’onde a pour particularit´e, la transmission des informations par la lumi`ere. La fibre optique est constitu´ee de diff´erentes parties : le cœur pour confiner l’´energie lumineuse et propager le signal et la gaine pour aider `a la propagation du signal. Des revˆetements de protection pour prot´eger la fibre contre d’´eventuelles cassures et autres d´esagr´ements. Le cœur et la gaine optique sont responsables de la propagation du signal lumineux
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a travers la fibre. On distingue les fibres optiques monomodes et multimodes. Les fibres multimodes (multimode fiber ou MMF) ont des dimensions grandes par rapport `a la longueur d’onde, ce qui permet `a plusieurs modes de se propager par opposition aux fibres monomodes (un seul mode propag´e). Ces derni`eres sont plus ch`eres mais offrent une plus grande bande passante [27]
(figure2.2).
Figure 2.2 – Image d’une fibre optique [28].
En se r´ef´erant `a la variation de l’indice de r´efraction dans la fibre, on distingue deux groupes de fibres `a savoir : la fibre `a saut d’indice (l’indice de r´efraction reste constant dans le cœur de la fibre et change `a l’interface cœur-gaine) et la fibre `a gradient d’indice (variation d´ecroissante non lin´eaire de l’indice de r´efraction depuis l’axe de la fibre vers la gaine optique) [27]. Lors de la propagation des ondes dans la fibre, le signal subit plusieurs d´egradations dues `a l’att´enuation, la dispersion et aux effets non lin´eaires. Les effets non-lin´eaires principaux sont l’effet Kerr et l’effet Raman-Brillouin qui se traduisent par une d´ependance entre la phase du signal et sa puissance, et qui conduisent aussi `a une auto-modulation de phase. Ces effets sont peu importants lorsque la puissance inject´ee est faible [29].
2.1.3 R´ ecepteur optique
Le r´ecepteur optique a pour rˆole de recevoir le flux lumineux provenant de la fibre et de le convertir en un signal ´electrique qui sera envoy´e vers le circuit de d´emodulation. Il est compos´e d’une photodiode , d’un amplificateur, d’un convertisseur courant-tension, ainsi que d’un filtre.
L’´el´ement principal du r´ecepteur est le photod´etecteur qui a pour rˆole la conversion du signal optique en signal ´el´ectrique. Nous distinguons deux types de photo-d´etecteurs `a savoir les photo-d´etecteurs PIN et les photo-d´etecteurs `a avalanche (APD).
La photodiode PIN est une diode qui se pr´esente avec une large zone intrins`eque (i) (zone tr`es faiblement ou non dop´ee) comprise entre les zones extrins`eque positif (p) et extrins`eque n´egatif (n) d’o`u l’appellation p-i-n. Elle facilite la prise en compte de l’usage des bandes passantes ´elev´ees [25].
Figure 2.3 – Sch´ema de principe de la photodiode PIN
La photodiode APD quant `a elle est une photodiode PIN avec un facteur d’avalanche. Dans cette photodiode, les ´electrons cr´e´ees dans la zone intrins`eque sont multipli´es par effet d’avalanche.
En effet lorsque les porteurs acc´el´er´es dans le champ ´electrique atteignent des vitesses tr`es grandes, il se cr´ee des porteurs suppl´ementaires par collision, et permettent ainsi l’obtention d’un courant photo´electrique particuli`erement ´elev´e : on parle de claquage par avalanche. La photodiode PIN est plus stable que l’APD en pr´esence des fluctuations de temp´erature et de la tension appliqu´ee.
Le gain de l’APD est 10 `a 1000 fois sup´erieur `a celui de la photodiode PIN. Aujourd’hui, les photodiodes PIN et APD utilis´ees dans les communications par fibres optiques ont une bande passante ´electrique allant au-del`a de 60 GHz et couvrent toutes les fenˆetres de longueurs d’onde [30].