Cette annexe présente une synthèse des principaux formats de modulation susceptibles d’être utilisés pour les différents d’un système de transmission WDM, en mettant l’accent sur le spectre d’un signal modulé selon ces formats. La connaissance de ce contexte est importante pour déterminer les caractéristiques souhaitables des OPM présents et futurs, en particulier leur résolution spectrale, la nature du traitement nécessaire pour remonter aux principaux paramètres du signal comme sa longueur centrale et sa puissance.
Depuis plusieurs années, les formats de modulation utilisés en télécommunications optiques connaissent de profondes évolutions.
Jusque qu’en 2007 la totalité des systèmes commerciaux utilisaient une modulation binaire en amplitude (format du type OOK) et, dans la plupart des cas, un format de modulation du type NRZ avec un débit de 2,5 Gbit/s ou 10 Gbit/s. Ce format NRZ s’était imposé grâce à sa simplicité de mise en œuvre (un seul modulateur externe) et son faible encombrement spectral : la bande spectrale utilisée (GHz) 0,7 débit (Gbit/s). Sa plus grande sensibilité aux effets non linéaires (par rapport à d’autres formats moins compacts spectralement), ne l’a pas en pratique pénalisé, notamment parce que l’usage des codes correcteurs d’erreurs (FEC) s’est répandu dans tous les systèmes de transmission terrestres. Lorsqu’à partir de la fin des années 90, les laboratoires des équipementiers ont commencé à travailler sur la génération de systèmes à 40 Gbit/s, prévue pour succéder aux systèmes 10 Gbit/s NRZ, leurs recherches ont continué à se placer dans le cadre d’une modulation OOK, par contre le choix du format de modulation a donné lieu à beaucoup de travaux.
En effet, lorsque le débit passe de 10 à 40 Gbit/s :
la puissance crête transportée dans la fibre augmente (d'un facteur 4 pour une même puissance moyenne/temps bit), ce qui augmente les effets non linéaires lors de la propagation ;
la dispersion chromatique joue un rôle plus important de fait de l'élargissement du spectre de chaque canal ;
on souhaite que le passage de 10 à 40 Gbit/s se traduise par une meilleure efficacité spectrale du multiplex WDM (par exemple passer d'un système à 10 Gbit/s au pas de 50 GHz à 40 Gbit/s au pas de 100 GHz, voire 50 GHz).
Ainsi les équipementiers recherchent des formats permettant un bon compromis entre densité de puissance et encombrement spectral. Il n'y a pas de solution simple à cette question car il y a beaucoup d'effets non linéaires qui interviennent et beaucoup de paramètres pour définir l'ingénierie d'un système de transmission optique.
146
Figure A3. 1 : Classification des principaux formats de modulation utilisés en communications optiques [123].
Dans ces conditions, de nombreux formats de modulation avancés ont été étudiés pour les applications à 40 Gbit/s. Une classification des principaux formats de modulation est donnée dans la figure A3.1 .
Figure A3. 2 : Spectre de différents formats de modulation étudiés pour les systèmes à 40 Gbit/s [123].
La figure A3.2, tirée de [123], illustre le spectre des principaux formats de modulation qui ont été envisagés lors des premiers développements de systèmes à 40 Gbit/s par canal :
147
NRZ-OOK, RZ-OOK, CSRZ-OOK, DB, RZ-AMI, VSB-NRZ-OOK (modulation d’amplitude), NRZ-DPSK, RZ-DPSK et DQPSK (modulation de phase différentielle).
Les développements récents des transmissions optiques sont marqués par un fort regain d’intérêt pour les techniques de détections cohérentes, dont l’étude avait été abandonnée au début des années 90 suite à l’apparition des amplificateurs optiques à fibre. Les techniques mises au point ces dernières années bénéficient des progrès de l’intégration optoélectronique et de ceux de l’électronique qui permet d’implanter dans les récepteurs optiques des algorithmes capables de relaxer certaines spécifications des composants optiques (par exemple la stabilité en fréquence des sources) et de compenser a posteriori les dégradations résultants de défauts de propagation tels que la dispersion chromatique ou la PMD.
Ces progrès ouvrent la voie vers l’utilisation de modulations à plusieurs états, permettant d’augmenter l’efficacité spectrale des systèmes de transmission optiques. Une première a été franchie avec le développement des systèmes à 40 Gbit/s par canal au format « Pol Mux DQPSK » qui permettent d’atteindre 4 bits/Symbole binaire (en tenant compte du multiplexage en polarisation). Avec ce format, qui a marqué une étape important dans l'évolution des systèmes à 40 Gbit/s, l’encombrement spectral du canal et la forme générale du spectre sont proches de ceux d’un canal « classique » à 10 Gbit/s au format NRZ.
L’étape suivante porte sur le développement de système permettant de transporter des flux 100 GigaEthernet, soit un débit compte tenu des encapsulations définies en normalisation, de 112 Gbit/s. Le format PolMux DQPSK permet de travailler à 28GBaud/s. Cette valeur devrait être compatible avec le peigne ITU au pas de 50 GHz. Au-delà (400Gbit/s, 1 Tbit/s,…), il est probable que les systèmes bénéficieront de formats de modulation à meilleure efficacité spectrale (par exemple 16 QAM (Quadrature Amplitude Modulation : Modulation de deux porteuses en quadrature) ou plus) mais l’encombrement spectral de ces canaux ne sera pas compatible avec un espacement de 50 GHz entre canaux voisins. Cette évolution, ainsi que la probable cohabitation dans une même fibre de canaux ayant des débits ou des formats différents a conduit de nombreux laboratoires à étudier l’intérêt d’un multiplexage optique flexible en longueur d’onde (i.e. sans grille de référence ou avec une grille beaucoup plus étroite que la plupart des canaux).
Tous les formats de modulation mentionnés ci-dessus sont des formats mono- porteuse. Depuis quelques années, plusieurs équipes s’intéressent à des formats multi- porteuses, au premier rang des quels figure l’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Ce format, bien connu dans le domaine de la radio et les transmissions sur support de Cuivre, tire partie de l’orthogonalité de sous-porteuses séparées d’un écart en fréquence égal à l’inverse d’un temps symbole. Compte tenu de la bande étroite de chaque sous-porteuse, celle-ci n’est pratiquement pas affectée par la dispersion chromatique ou la PMD. Le développement de l’OFDM optique impose des exigences sur les sous-ensembles électroniques qui font que, au moins pour le moment, il n’a pas encore été déployé. Néanmoins les performances en laboratoire de ces systèmes ont beaucoup progressé ces
148
dernières années. Le spectre d’un canal OFDM a en première approximation une allure rectangulaire, ressemblant ainsi à du bruit blanc dans la bande occupée par le canal.
149