Mélanges d’ondes

Les mélangeurs d’onde sont les dispositifs de conversion de longueur d’onde qui ont peut être été les moins étudiés mais qui présentent la plus grande transparence au débit. Cette catégorie comprend les processus acousto#optique, électro#optique ainsi que les processus non# linéaires de mélange d’ondes. Les deux premiers mécanismes ne sont pas bien adaptés aux réseaux actuels (et surtout au WDM). Par contre le mélange à quatre ondes (FWM pour Four Wave Mixing), qui utilise les non#linéarités d’ordre 3, et le la génération de fréquence somme (DFG pour Difference Frequency Generation), celles d’ordre 2, ont été largement étudiés.

Le principe des mélangeurs d’onde repose sur l’interaction possible de différentes ondes présentes dans un milieu non#linéaire dont résulte la création d’une ou plusieurs nouvelles fréquences. Les intensités des nouvelles ondes créées, dites « ondes conjuguées », sont alors proportionnelles au produit des intensités des ondes initiales. Leurs phase et fréquence sont également une combinaison linéaire de celles des ondes initiales∗∗. De plus, le mélange d’ondes

∗_{Laser à réflecteurs de Bragg répartis ou Distributed Bragg Reflector.}

∗∗_{Dans le mélange d’onde, la fréquence du conjugué utile est fc = (n#1)fp – fs où fp et fs sont les fréquences des} signaux d’origine (de pompe et de sonde) et où n=3 pour le FWM et n=2 pour la DFG.

préserve l’information en termes d’amplitude et de phase. Il ne semble également présenter aucune limitation en terme de débit et est parfaitement adapté aux réseaux WDM puisqu’il permet la multi#conversion la plus efficace. Enfin, les mélangeurs d’ondes peuvent n’entraîner aucune dégradation de l’OSNR pourvu que le matériau utilisé ne soit pas un matériau actif. Cependant, les non#linéarités dans ces types de matériaux ne sont pas excessivement élevées et le mélange d’ondes requiert alors de fortes puissances. Ainsi, des matériaux actifs, comme dans les SOA [217], ont été utilisés car présentant de plus fortes non#linéarités mais dans ce cas, l’OSNR est dégradé.

3.4.2.1

Mélange à quatre ondes

Le principe du mélange à quatre ondes a été expliqué dans le paragraphe 1.3.4.2.

L’un de ces principaux avantages est qu’il semble ne pas avoir de limitation par rapport au débit et s’adapte très bien aux différents formats [218]. De plus, il permet facilement le procédé de multi#conversion en utilisant simplement plusieurs signaux de pompe qui créeront plusieurs ondes conjuguées. Ainsi, une conversion NRZ à 10 Gbit/s via 3 signaux de pompe donnant naissance à 5 conjugués a été réalisée dans un SOA [219]. Une expérience similaire dans une fibre cette fois a été étudiée à 2,5 et 10 Gbit/s [220].

Cependant, le mélange à quatre ondes présente de nombreux inconvénients. Tout d’abord, ce processus est fortement dépendant de la polarisation même si certains dispositifs permettent de s’affranchir de ce problème [220].

De plus, son efficacité de conversion (son rendement) est limitée et décroît très vite avec l’écart en longueurs d’onde entre la pompe et la sonde. Pour pallier ce problème de très fortes puissances de pompe doivent alors être utilisées, ce qui pose des difficultés au niveau du filtrage. Une alternative, utilisant un NOLM, a cependant été proposé, permettant une conversion de longueur d’onde à 80 Gbit/s sur une transmission de 106 km de fibre standard [221].

Cette faible efficacité de conversion est une grande limite à la possibilité de cascadabilité des dispositifs. En fait, l’efficacité de conversion et la bande passante de ce processus sont étroitement liées à la dispersion et la longueur du guide. Plus la longueur est importante plus l’effet est important, mais l’atténuation et la dispersion limitent la longueur optimale. Une alternative consiste alors à utiliser de très fortes puissances de signaux de pompe. Mais dans ce cas, se pose la nécessité d’un filtrage sévère pour rejeter la pompe. Les meilleurs compromis doivent donc être trouvés entre les différents paramètres.

On peut enfin attirer l’attention du lecteur sur l’utilisation possible de nouveaux composants comme les fibres à cristal photonique [222] ou les guides intégrés en silice [223] qui pourraient rendre plus aisés le choix et l’application de ces compromis.

En terme de régénération, le FWM a été très peu étudié. Cependant, quelques études ont été menée sur les capacités régénératives du FWM dans les fibres [224, 225, 226, 227] et dans les SOA [228], [229].

Les avantages tels que la simplicité ou la transparence au débit et au format sont toujours aussi attractifs. Cependant, les inconvénients que sont la dépendance à la polarisation et les problèmes d’efficacité posent toujours problème.

Plus précisément, dans les SOA, quand le signal modulé a une puissance telle que les symboles ‘1’ saturent le gain du SOA, le processus de FWM permet d’obtenir un excellent taux d’extinction en sortie et ainsi qu’un OSNR correct mais il est limité par le temps de récupération du gain et ainsi ne permet pas d’accéder aux hauts débits. Son avantage ne réside alors que dans sa simplicité. Par contre, quand le signal modulé ne sature pas le gain du SOA, le processus est indépendant du temps de récupération du gain mais dans ce cas le taux d’extinction et l’OSNR sont dégradés. Il est à noter que dans les SOA, le processus de FWM ne permet une réduction du bruit d’amplitude seulement sur les ‘1’ ce qui ne constitue qu’une régénération partielle.

Les régénérateurs à base de FWM dans les fibres ne sont quant à eux jamais limités en débit puisqu’ils sont basés sur l’effet Kerr dont le temps de réponse est quasi instantané. De plus, l’OSNR n’est pas dégradé par un processus comme l’ESA des SOA vu qu’ici, le milieu est totalement passif. La fonction caractéristique, quant à elle, se rapproche plus de la fonction en marche d’escalier, avec deux non#linéarités permettant une réduction du bruit d’amplitude à la fois sur les symboles ‘1’ et ‘0’. Il a été démontré théoriquement et expérimentalement [226] que le FWM peut permettre une excellente amélioration du taux d’extinction. Cependant, ce type de régénérateur n’est absolument pas compact et très dépendant de la polarisation. De plus, comme tout mélangeur d’ondes, il est limité par les compromis entre les différents paramètres que sont les puissances, le choix de fibre, l’écart en longueur d’onde …

3.4.2.2

Génération de la fréquence somme

La technique de génération de la fréquence somme, ou DFG pour Difference Frequency Generation, utilise les non#linéarités d’ordre 2. Elle est la conséquence de l’interaction du matériau avec deux ondes.

Ce procédé offre la même transparence et le même excellent OSNR que le FWM dans les guides passifs mais il souffre de sa faible efficacité due à la difficulté d’obtenir l’accord de phase nécessaire à tout processus de mélange d’ondes (cf paragraphe 1.3.4.2 sur le phénomène de mélange à quatre ondes). Ainsi, cette technique est surtout réalisée dans des guides passifs en niobate de lithium (LiNbO3) [230, 231] car l’accord de phase est encore plus difficile à obtenir

dans les matériaux en semi#conducteurs. Cependant, de bonnes performances ont été obtenues dans des guides de type AlGaAs [232, 233].

Une solution au problème d’efficacité peut résider dans l’utilisation de composants à cristal photonique [190]. En effet, la génération de seconde harmonique existe dans les cristaux non centro#symétriques comme le niobate de lithium. Or les cristaux photoniques cassent le centre de symétrie des matériaux auquel ils sont associés. Ils permettent ainsi d’accentuer les non# linéarités d’ordre 2 déjà présentent dans certains matériaux centro#symétriques [234] ou d’en créer dans de nouveaux types de matériaux comme la silice (fibre), les semi#conducteurs amorphes [235, 236, 237 ou les plastiques.

Le procédé de mélange d’ondes, qu’il soit de type FWM ou DFG, est encore exploratoire en termes de conversion de longueur d’onde et surtout de régénération optique. Il présente en effet des atouts très attractifs mais ces inconvénients n’ont pas à ce jour permis de le rendre compétitif en comparaison des dispositifs interférométriques par exemple.