Transmission de deux modes spatiaux en temps réel avec un transpondeur

Afin de prouver la faisabilité du multiplexage de mode spatial faiblement couplé avec des éléments déjà existants, j’ai réalisé la transmission de données dans deux modes spatiaux (LP01 et LP02) en utilisant deux transpondeurs commerciaux à 200 Gbit/s net par canal fréquentiel et modal. Cette transmission est possible grâce au caractère non dégénéré des modes LP01 et LP02 et nécessitant donc un MIMO 2×2 standard. Un seul canal à la longueur d’onde 1535,82 nm a été utilisé sur deux modes, le débit net total est donc de 400 Gbit/s. Le format de modulation du signal est le PDM-16QAM, plus complexe que le PDM-QPSK donc plus exigeant en termes de diaphonie comme nous l’avons vu dans la partie 1.3.3. Ici, un coupleur divisant le signal en deux est suffisant et les signaux des deux modes sont rendus indépendants grâce à l’utilisation de longueurs de fibres monomodes différentes. Le multiplexeur-démultiplexeur utilisé est le multiplexeur six modes basé sur le convertisseur multi-plan (partie 2.1.2.4). Contrairement à la transmission précédente de six modes spatiaux où les puissances des modes en entrée de la fibre faiblement multimode sont égales, les puissances d’entrée des deux modes spatiaux ont été ajustées ici afin de mesurer la même valeur de diaphonie pour ces deux modes. La valeur théorique de diaphonie, obtenue par l’équation (86) cidessous et les matrices de diaphonie (Tableau 8 et Tableau 10), est de -18,2 dB mais en optimisant le réglage du multiplexeur-démultiplexeur sur ces deux modes seulement, j’ai réussi à obtenir une diaphonie de -18,8 dB entre les deux modes LP01 et LP02.

𝑃 = 𝐷 ∗ (𝐷 )²⁰∗ 𝐷 ∗ 𝑃 (88)

Figure 56 : Montage expérimental de la transmission en temps réel avec transpondeurs commerciaux

M

u

x

1:2

D

em

u

x

LP01

LP02

Les résultats en termes de facteur Q² pour ces deux modes dans la configuration un mode seul (en pointillé) ou deux modes (en plein) sont représentés sur la Figure 57 pour plusieurs puissances de sortie. Comme précédemment, les résultats sont comparés à une transmission monomode entre émetteur et récepteur. Les imperfections de l’émetteur et du récepteur sont de nouveau modélisées par une source de bruit. Ici, la valeur de bruit correspondante est de -22 dB comme il est représenté sur la Figure 57. Pour la configuration avec 20 km de fibre faiblement multimode, les mesures expérimentales en trait plein sont proches de la courbe théorique pour une diaphonie de -17,1 dB en violet pointillée, correspondant à la somme dans le domaine linéaire de la diaphonie des imperfections des instruments (de -22 dB) avec la diaphonie de la ligne de transmission (de -18,8 dB). Les deux valeurs de diaphonie des modes LP01 et LP02 sont égales, j’ai donc représenté sur la figure seulement ma courbe violette correspondant à la valeur de diaphonie -17,1 dB et j’ai désigné cette égalité de diaphonie dans la légende par LP01_th = LP02_th. Cela permet donc de valider le modèle de la partie 1.3 pour le format de modulation 16QAM.

Tous les résultats représentés dans cette figure correspondent à une transmission sans erreur puisque le transpondeur commercial ne peut donner des mesures de facteur Q² que sur des transmissions sans erreur. Cette expérience valide donc la possibilité d’utiliser l’approche de modes faiblement couplés pour augmenter le débit transmis par un facteur deux et avec un transpondeur commercial déjà existant. Le MIMO 4×4 étant une version améliorée du MIMO 2×2, les nouvelles technologies dans le domaine de l’électronique permettront probablement la transmission d’un nombre supérieur de modes spatiaux en temps réel dans les prochaines années.

Figure 57 : Facteur Q² en fonction de la puissance de sortie de chaque mode 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 -23 -21 -19 -17 -15 -13

Théorie sans diaphonie Référence

Référence_th (XT=-22) LP01 seul LP02 seul LP01 LP02 LP01_th=LP02_th 3dB F a c te u r Q ² [d B ] Pout [dBm]

Résumé du chapitre 2

La transmission de données par le multiplexage de mode avec l’approche de modes faiblement couplés demande d’optimiser les différents éléments de la ligne de transmission.

Le premier élément nécessaire est le multiplexeur de mode spatial permettant de réaliser la conversion et la combinaison des modes spatiaux avant injection dans la fibre. Deux multiplexeurs ont été comparés pendant ma thèse : un multiplexeur basé sur des lames de phase binaires et un multiplexeur basé sur le convertisseur multi-plan. Le premier utilise une technologie dont le principe est relativement simple et avec une sélectivité de mode assez satisfaisante avec une diaphonie moyenne de -15 dB pour un multiplexeur 6 modes mais avec des pertes atteignant 10,1 dB et -13,9 dB pour un multiplexeur 3 modes et 6 modes respectivement. En revanche, le multiplexeur basé sur le convertisseur multi-plan est une technologie donnant de meilleures performances en termes de pertes et de diaphonie induite. Le multiplexeur six modes caractérisé lors de ma thèse induit un maximum de 7,4 dB de pertes et -16,3 dB de diaphonie modale en moyenne.

Un autre élément absolument nécessaire est la fibre faiblement multimode susceptible de faire propager les six modes spatiaux utilisés lors de ma thèse : les modes LP01, LP11a, LP11b, LP21a, LP21b et LP02. Cet élément optique induit des pertes et de la diaphonie lors de la propagation de la lumière dans celle-ci. De plus, les différentes connexions apparaissant dans la ligne de transmission comme les soudures induisent des pertes mais surtout de la diaphonie entre les modes.

La conséquence directe de cette dernière observation est la limitation de la distance de transmission à cause des imperfections de la fibre optique. De plus, l’utilisation de multiplexeur induisant de la diaphonie ne permet pas de réaliser des transmissions de six modes avec un format de modulation très efficace comme le 16QAM. J’ai ainsi réalisé la première transmission de six modes spatiaux sur 40 km d’un signal PDM-QPSK à 32 Gbaud avec un traitement numérique moyennement complexe grâce à l’approche de modes faiblement couplés.