Les composants pour la régénération optique

Les structures à base de matériaux semi-conducteurs permettent de géné- rer des eets non-linéaires et ont été largement employées pour la régénéra- tion optique : nous allons décrire successivement les absorbants saturables, les amplicateurs à semi-conducteurs (SOA) et les modulateurs à électro- absorption (MEA). Ce sont tous des régénérateurs de type I.

3.2.1.1 Les absorbants saturables

Les absorbants saturables sont des structures passives à base de semi- conducteurs à multi-puits quantiques qui utilisent l'eet d'absorption exci- tonique. Les composants employés sont intégrés dans une cavité verticale et constituent un miroir non-linéaire [56]. La saturation de l'absorption ex- citonique par la puissance optique permet l'obtention d'une porte optique non-linéaire partielle : pour une faible puissance incidente, la réectivité de l'absorbant saturable est faible donc le miroir ne rééchit pas la lumière ; au-dessus de la puissance optique de seuil, la réectivité est d'autant plus grande que la puissance incidente est forte.

Ainsi ce composant permet une régénération des 0 seuls. Il augmente aussi le taux d'extinction du signal par un traitement diérent des niveaux de puissance haut et bas.

L'intérêt de ces composants est double. D'une part, ce sont des disposi- tifs passifs ne demandant aucune source d'alimentation. D'autre part, grâce à leur large bande, il serait possible d'employer un même absorbant pour

plusieurs longueurs d'onde ; il faut toutefois eectuer un démultiplexage spa- tial pour utiliser diérents points du composant pour les diérents canaux, comme indiqué sur la gure 3.5. Enn les temps de réponse de ces compo- sants sont de l'ordre de la picoseconde ou en-dessous [57], ce qui autorise des applications potentielles jusque 160 Gbit/s.

Fig. 3.5  Régénération WDM à l'aide d'un absorbant saturable.

3.2.1.2 Les amplicateurs à semi-conducteurs

Les amplicateurs optiques à semi-conducteurs (SOA) peuvent présenter des non-linéarités fortes et un temps de réponse compatible avec des fonc- tions de traitement du signal haut-débit. Nous allons décrire ici leur emploi comme convertisseur de longueur d'onde.

La réalisation de cette fonction repose sur la saturation du gain des SOA. Lorsque la puissance optique du signal est supérieure à la puissance de satu- ration du SOA, l'inversion de population ne peut plus être maintenue par le pompage électrique et le gain diminue. L'inversion de population retourne à l'équilibre lorsque la puissance optique diminue et le gain retrouve son niveau initial - le gain petit signal. Ainsi l'injection d'un signal de forte puissance (pompe) permet de moduler le gain en fonction des données du signal. La modulation du gain peut être mise à prot pour réaliser une conversion de longueur d'onde : un signal de faible puissance (sonde) injecté conjointement au signal de pompe dans le SOA pourra donc être modulé par le gain du SOA. Il s'agit d'une modulation de gain croisée ; la gure 3.6 illustre cette fonction. A noter que la polarité des données est inversée.

Le temps de réponse de ce dispositif est dicté par le temps de recombi- naison des porteurs dans le SOA, de l'ordre de plusieurs dizaines de picose- condes. Ce temps peut être accéléré par pompage optique à l'aide d'un signal continu appelé sonde de maintien. La compatibilité pour des fonctionnements à 40 Gbit/s reste à démontrer. Une deuxième limitation au dispositif est le faible taux d'extinction du signal converti ; aussi cascader deux SOA permet

Fig. 3.6  Conversion de longueur d'onde par modulation de gain croisée dans un SOA

d'améliorer susament le taux d'extinction du signal [58].

Pour obtenir une régénération très haut débit, il faut insérer ce compo- sant dans des interféromètres non-linéaires de type NOLM ou Mach-Zehnder comme nous le verrons au paragraphe 3.2.2.1. Un autre eet est alors mis à prot : il s'agit de la conversion phase amplitude dans les SOA.

3.2.1.3 Les modulateurs à électro-absorption

Il s'agit de guides optiques qui exploitent l'absorption excitonique dans les structures à multi-puits quantiques. Par injection d'une tension électrique transverse, l'eet Stark conné permet de moduler le pic d'absorption ex- citonique. La gure 3.7 représente le spectre d'absorption pour plusieurs tensions de polarisation : plus la tension appliquée est forte, plus l'atténua- tion à 1,55 µm diminue. La modulation du spectre d'absorption peut aussi être obtenue par l'injection d'une forte puissance optique dans le MEA : le signal incident est absorbé, créant ainsi des porteurs qui modient le champ électrique local et donc le spectre d'absorption.

Le temps de réponse de ces composants est inférieur à la dizaine de picosecondes, temps compatible avec un fonctionnement à 40 Gbit/s. Ils peuvent donc être employés en tant que porte optique non-linéaire rapide, tant en auto-modulation qu'en modulation croisée. Des démonstrations de

Fig. 3.7  Spectre d'absorption d'un MEA en fonction de la tension de polarisation

conversion de longueur d'onde ont été faites jusque 40 Gbit/s [59]. Enn un tel composant pourrait fournir une solution intégrée de conversion de longueur d'onde [60].

3.2.1.4 Combinaison de composants pour une régénération comp- lète

Nous allons présenter ici succinctement les résultats du projet Asterix obtenus au cours des travaux de thèse [54] et [55] au sein du laboratoire. Il s'agit en eet d'un bel exemple de combinaison de fonctions partielles pour obtenir une régénération complète.

Le régénérateur complet associe un absorbant saturable et un SOA. Le premier permet une amélioration du taux d'extinction du signal ; le gain du SOA est saturé par le passage des niveaux hauts de puissance et le SOA joue donc le rôle de limiteur de puissance. Enn un ltre optique en sortie du ré- générateur permet de limiter l'accumulation du bruit d'émission spontanée du SOA. Le fonctionnement complémentaire de l'absorbant saturable et du SOA est illustré par la gure 3.8.

L'ecacité de ce régénérateur pour améliorer la qualité du signal a été complètement caractérisée à 10 Gbit/s par son insertion dans une boucle à recirculation à pas variable. La boucle est constituée par un pas de 100 km de bre NZDSF dont la dispersion chromatique est intégralement compensée à chaque tour. L'emploi d'une boucle à recirculation à pas variable permet de contrôler la périodicité de la régénération. La gure 3.9 présente l'évolution du taux d'erreur binaire avec la distance de propagation pour diérents pas de régénération compris entre 100 et 600 km. Le potentiel du régénérateur a

Fig. 3.8  Fonctionnement du régénérateur composé d'un absorbant satu- rable (amélioration du taux d'extinction (à gauche)) et d'un SOA saturé (réduction des uctuations d'amplitude sur les symboles '1' (à droite)) clairement été démontré car les résultats montrent qu'il est possible de cas- cader 140 fois le régénérateur en obtenant un TEB de 1.10−8_{. La meilleure}

performance en termes de distance de propagation est de 20 000 km. L'étude a aussi permis de démontrer que la propagation est essentiellement limitée par l'accumulation de gigue temporelle.

Pour un fonctionnement à 40 Gbit/s, le temps de réponse du SOA devient un facteur limitant. En eet, il n'a pas été possible d'obtenir une régénération ecace avec ce dispositif à un débit de 40 Gbit/s. Toutefois il a été montré que le SOA est eectivement le composant critique : en le remplaçant par un dispositif à bre et ltre décalé, la distance de propagation a été plus que triplée. L'absorbant saturable est donc bien compatible avec un débit de 40 Gbit/s.

Le paragraphe suivant va présenter les régénérateurs optiques de type interféromètre non-linéaire et les dispositifs à bre.