4.3.1 Généralités
Peu d'analyses théoriques décrivant les eets de la réalimentation optique sur les carac- téristiques de la transmission (sensibilité, pénalité,...) sont disponibles dans la littérature. A contrario, de nombreuses études expérimentales visant principalement à démontrer des per- formances dynamiques en présence de réalimentation optique et ce sur plusieurs sortes de lasers ont été publiées. Pour information, ces résultats expérimentaux seront présentés au cours de ce chapitre puis comparés avec nos propres mesures. Les toutes premières études théoriques décrivant le comportement de la transmission en présence d'une ré exion externe (par exemple celle générée par un connecteur optique) ont été rapportées par Schikada et al [3][4]. Ils montrent que le bruit généré par la réalimentation optique augmente de façon signi cative la valeur de la pénalité en transmission et que, pour un débit optique donné, celle-ci peut prendre de faibles valeurs lorsque le bruit d'intensité ne dépasse pas une certaine limite. Un tel objectif peut ainsi être réalisé en utilisant un isolateur optique ayant un taux d'isolation adéquat. L'analyse théorique la plus complète et expliquant quantitativement le mécanisme de dégradation de la transmission en présence d'une ré exion est celle dévelop- pée par Clarke [5]. En utilisant des diodes lasers DFB et les équations d'évolutions (2.15), (2.16) et (2.23) en présence des bruits aléatoires de Langevin, Clarke montre qu'à partir d'un certain niveau de retour optique, le bruit d'intensité est largement dominé par le comporte- ment chaotique du laser. Aussi, il montre que la modulation d'intensité engendre des eets importants sur le comportement chaotique à la sortie du laser. Par exemple, si l'on raisonne
4.3. Transmission et réalimentation optique
sur un bit, la sensibilité à l'émergence du chaos sera plus importante lorsque le bit renvoyé dans le laser est diérent du bit émis. De ce fait, les performances en transmission des diodes lasers ont été évaluées numériquement pour des débits optiques allant de 0,5 GBit/s à 5 GBit/s. En n, Clarke montre qu'une nette dégradation de la pénalité apparaît systématique- ment lorsque le laser dépasse le seuil d'eondrement de la cohérence. Nous reviendrons plus précisément sur ce dernier point dans la suite de la discussion. L'évaluation des performances dynamiques d'un laser sous réalimentation optique est donc fondamentale pour les applica- tions industrielles. Ainsi, la connaissance du seuil d'eondrement de la cohérence apparaît comme une donnée capitale permettant de prédire le comportement ultérieur de la pénalité en transmission. Aussi, dans la suite de la discussion, nous montrerons que l'ensemble de nos résultats expérimentaux con rment les conclusions théoriques avancées par Clarke.
4.3.2 Description du montage expérimental
Le montage expérimental utilisé pour les mesures de transmission à 2,5 Gbit/s est re- présenté schématiquement sur la Fig. 4.2. Le laser est monté sur une embase HF dont la résistance de 25 Ω permet de minimiser les ré exions électriques au niveau du composant. Le composant est ensuite modulé par l'intermédiaire d'une pointe hyper-fréquence. Le signal modulant est obtenu à partir d'un générateur de séquences pseudo-aléatoires PRBS (i.e Pat- tern Random Bit Sequence) et envoyé sur l'alimentation du té de polarisation qui protège le générateur d'impulsion. La modulation du laser est réalisée à partir d'un signal composé de séquences pseudo-aléatoires (pattern) dont la longueur du mot est 2n− 1 (avec 7 ≤ n ≤ 23)
à une fréquence f donnée. Dans le cadre de la thèse, l'étude expérimentale est réalisée en posant n = 23 (la longueur du mot est donc 223− 1) et f = 2,5 GHz (modulation en STM16).
Bien évidemment, ces conditions expérimentales sont choisies a n d'être en accord avec les normes ITU. A n de compter les erreurs du signal pseudo-aléatoire, le signal optique modulé est ensuite envoyé sur un récepteur STM16, soit directement (mesure en back-to-back), soit après propagation dans une bre de transmission. Pour les applications à 1,3 µm, une bre à dispersion décalée est utilisée puisque la dispersion chromatique est nulle à cette longueur d'onde (pour une bre standard du type G. 652). Comme il l'a été indiqué en introduction, la dispersion chromatique de la bre est de 300 ps/nm, correspondant ainsi à une distance de propagation de 30 km à 40 km. En n, de manière à favoriser un bon couplage optique et à éviter les ré exions proches (< 10 µm), une bre lentillée de type FME (i.e Fiber Mode Enlarged) et traitée anti-re et à son extrémité est utilisée. Il est important de préciser que toutes les mesures de taux d'erreurs sont réalisées dans une cage de Faraday dans le but de s'aranchir des perturbations d'origine électromagnétique induites par les appareils de mesure. La réalimentation optique externe est générée dans le système de transmission en insérant une boucle supplémentaire au montage de base. Comme le montre la Fig. 4.2, cette
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Fig. 4.2 Schéma du montage expérimental utilisé pour les mesures de transmission sous réalimentation optique
boucle comprend les éléments suivants :
- a) un générateur de réalimentation optique constitué d'un coupleur 50/50 et dont l'un des bras est constitué d'un miroir mobile. Le déplacement du miroir permet de contrôler la quan- tité de réalimentation optique renvoyée dans le laser.
- b) un contrôleur de polarisation (ou boucles de Lefèvre) disposé entre la diode laser et le générateur de rétroaction optique. Le contrôleur de polarisation est constitué de deux boucles quart d'onde (situées aux extrémités) et d'une boucle demi-onde (située au centre du dispo- sitif) [6].
- c) un analyseur de polarisation (polariseur tournant) permettant de décrire l'ellipse de pola- risation de l'onde en sortie du coupleur. Cette dernière est alors représentée par une sinusoïde dont les maxima et les minima sont proportionnels au grand axe et petit axe de l'ellipse.
- d) un oscilloscope sur lequel est visualisée la sinusoïde correspondant à un état de polarisa- tion donné.
4.3. Transmission et réalimentation optique
- e) un analyseur de spectre optique (ASO) ou de bruit d'intensité (RIN) permettant d'identi- er les principaux régimes de fonctionnement du laser en présence de réalimentation optique.
L'analyse de la transmission en présence de réalimentation optique nécessite un contrôle ri- goureux de la polarisation de l'onde retour et ce pendant toute la durée de l'expérience. En eet, a n de pouvoir étudier les diérents eets induits par la rétroaction optique, il est né- cessaire que la polarisation de l'onde retour (i.e de l'onde réinjectée dans la cavité laser) soit celle du mode émis (i.e Transverse Electrique (T.E))[7]. Si la polarisation de l'onde retour est Transverse Magnétique (T.M), les eets de la rétroaction optique se trouvent considérable- ment atténués et l'étude ne présente plus d'intérêt. La méthode de réglage de la polarisation de l'onde retour développée au cours de la thèse s'appuie sur la recherche d'un zéro (absolu) [8]. En eet, il est plus facile de minimiser les eets de la rétroaction optique sur le laser (TM) puis de basculer en mode TE, que de chercher directement à les maximiser. Ainsi, dans un premier temps, on visualise le mode principal du laser DFB sans réalimentation optique avec l'analyseur de spectre optique (ASO). Puis, on enregistre la trace de ce spectre pour une valeur P de puissance xée. On règle ensuite le taux de rétroaction optique de façon à pouvoir en observer les eets sur le spectre du laser. Ensuite, l'onde retour est polarisée en mode TM en utilisant les boucles de Lefèvre et plus particulièrement la quart d'onde a n de superposer les deux spectres avec et sans réalimentation optique. Les diérentes sensibilités des lasers à la rétroaction optique ainsi que les incertitudes expérimentales font que la superposition peut être di cile à obtenir dans certains cas. Ainsi, une légère variation ε, qui doit être mini- misée, peut apparaître entre les deux spectres. La polarisation TM est obtenue lorsque qu'il y a superposition des deux spectres. Cette première étape étant terminée, l'onde réinjectée dans la cavité en présence de rétroaction optique est polarisée Transverse Magnétique. A n d'obtenir la polarisation TE de l'onde retour, il su t d'eectuer une rotation de 45◦ de la
polarisation de l'onde émise à l'aide des boucles de Lefèvre grâce à la boucle demi-onde. En raison d'un aller-retour dans les boucles de Lefèvre, cette opération se traduit par une rotation totale de 2×45◦ de l'onde retour. La rotation de 45◦ recherchée est obtenue lorsque
la sinusoïde (visualisée à l'oscilloscope après le polariseur tournant) est déphasée de 90◦, la
hauteur des maxima et des minima restant inchangée. Un décalage sur l'oscilloscope (± 10 % de la période) de la sinusoïde autour du réglage optimum n'engendre pas de variations de plus de 1 dB sur la mesure du seuil d'eondrement de la cohérence du laser ainsi que sur les oscillations de relaxation (observées à l'analyseur de bruit (RIN)). Avec cette méthode, la sensibilité du réglage des boucles de Lefèvre s'avère nettement supérieure à celle basée sur la recherche d'un maximum du bruit d'intensité du laser qui peut converger vers des maxima secondaires. Pour conclure, précisons également qu'un isolateur optique est placé après le générateur de réalimentation optique de façon à s'aranchir des ré exions parasites prove-
nant du système de transmission. En n, une longueur de cavité externe Le (distance entre la
facette d'émission du laser et le miroir mobile) mesurée optiquement à 13 m est utilisée dans cette expérience. Ceci correspond à un temps d'aller-retour τ dans la cavité externe (avec τ = 2Le
c et c la célérité de la lumière dans le vide) de 90 ns. Cette valeur, inférieure au temps
de cohérence du laser (cf. Chap. 2), permet dans un premier temps de se concentrer sur les eets d'une réalimentation optique cohérente.