La modulation duale à haut débit

Le déploiement actuel des services FTTH pour les usages personnels associé au développement de nouvelles applications professionnelles comme les échanges massifs de données, le stockage massif et le calcul distribué ont engendré de nouveaux challenges sur tous les segments du réseau optique de communication. Parmi eux, on trouve les contraintes pour la conception des sources optiques destinées aux réseaux métropolitains et d’accès, qui doivent être à la fois, compactes, polyvalentes, compatibles à haut débit, de bas coût et de consommation réduite. Les EML ont été développés dans ce contexte [1,2]. Ils sont vus couramment comme des dispositifs standards pour les liaisons d’accès à 10Gb/s (future génération du FTTH). Dans le cadre de la thèse, nous avons considéré des nouvelles applications avancées pour les EML dans la perspective d’une augmentation du débit au delà de 10Gb/s et de la portée des transmissions, ainsi que pour leur utilisation dans les applications de radio-sur-fibre et de modulation fréquentielle orthogonale (OFDM). Le travail de la thèse fait suite à une innovation, précédemment démontré, consistant à concevoir un double accès de modulation sur l’EML. En conséquence, le nouveau composant dénommé D-EML permet d’appliquer une modulation duale sur le laser et le modulateur. Nous avons exposé théoriquement dans le premier chapitre le principe de la modulation duale et sa contribution à l’augmentation du débit et de la portée de transmission à travers l’ajustement du chirp du laser et du modulateur, nécessaire pour le respect de la condition de la génération des signaux SSB. Ce chapitre présente des démonstrations expérimentales de plusieurs applications en transmission à haut débit du D-EML dont certaines sont confrontées aux résultats de simulation système utilisant le modèle complet du deuxième chapitre. Nous commençons par décrire la structure d’un D-EML, ses caractéristiques statiques et dynamiques. Nous présentons, par la suite, les résultats de simulation du comportement du chirp du D-EML issus du modèle présenté précédemment. Ces résultats permettent de montrer la capacité des D-EML à étendre la portée de transmission ainsi que leur efficacité par rapport à d’autres composants tels que les DML et les EAM. Ensuite, nous exposons les résultats théoriques et expérimentaux permettant d’évaluer les performances de la modulation duale, de prouver son adaptabilité aux hauts débits (20, 25 et de 40 Gb/s) et de quantifier sa contribution à l’amélioration de la portée de transmission.Enfin, nous montrons expérimentalement l’utilisation des D-EML pour la génération des signaux SSB pour les applications radio-sur-fibre ainsi que la possibilité de l’application d’une modulation OFDM dans un contexte SSB.

Caractérisation expérimentale des D-EML

Structure d’un D-EML

Le D-EML (Dual-Electroabsorption Modulated Laser) est une source optique composée d’un laser DFB et d’un modulateur EAM intégrés monolithiquement sur la même puce (EML) possédant deux accès indépendants de modulation (figure 4.1). Le D-EML, spécifiquement conçu pour appliquer la technique de la modulation duale, est basé sur des matériaux à puits quantiques en AlGaInAs et fabriqué par notre partenaire industriel « III-V lab ». Le laser est conçu pour avoir un fort indice de modulation FM et un faible indice de modulation AM tandis que le modulateur est conçu contrairement. De cette façon, il est possible de moduler électriquement par deux signaux séparés le laser et le modulateur afin d’ajuster par un contrôle des amplitudes de modulation, les dérives en fréquence du laser (chirp) et du modulateur et permettre ainsi d’augmenter la portée de la transmission par fibre optique. La conception et l’intégration d’une structure flexible d’un « dual driver » électrique permettant l’équilibrage et le retard relatif des deux modulations est un élément clé pour faire fonctionner le D-EML dans une configuration de modulation duale en Data Data . Le « driver » se compose d’une architecture modifiée par rapport à un « driver » standard pour fournir le réglage en phase et en amplitude des données nécessaires pour l’optimisation expérimentale et déterminer les conditions précises d’utilisation du composant. Dans une première étape, le « dual driver » est considéré comme un élément distinct par rapport à l’EML destiné à fonctionner dans un package séparé. L’intégration de ce driver sera faite dans une deuxième étape après une phase de test et d’optimisation. Pour commencer les expérimentations, nous avons utilisé notre propre circuit de commande décrit dans le paragraphe 4.2.3 de ce chapitre. La puce D-EML testée est similaire à celle utilisée précédemment dans d’autres travaux (J. Petit et al) pour évaluer les performances de la modulation duale à 10 Gb/s. La longueur de la section laser est environ de 470 μm (10 puits quantiques) alors que celle du modulateur est de 75 μm. Le modulateur EAM intégré possède une large bande passante supérieure à 30 GHz. Le facteur de couplage du réseau de Bragg kL est de l’ordre de 1,4 (k ~ 30 cm-1) minimisant l’effet de la rétroaction optique au niveau de la facette du modulateur. L’image des puces D-EML fournies par notre partenaire industriel (III-V lab) est représentée dans la figure 4.2.Le modulateur EAM est connecté à travers un guide d’onde coplanaire terminé par une charge de 50 W. Un ruban d’or de largeur 50 µm est utilisé pour connecter le guide d’onde et le modulateur EAM. Le laser DFB est connecté à travers une ligne microstrip se terminant par une résistance en série de 47 W. La connexion entre la ligne microstrip et le laser DFB est aussi assurée par un ruban d’or de 50 µm de large. Les deux lignes d’accès RF ont une entrée coplanaire qui permet la connexion avec des sondes coplanaires. Le caractère critique du travail tient dans la détermination des conditions précises et optimales d’utilisation du D-EML pour chaque application visée et dans la maîtrise des structures matérielles permettant de les mettre en œuvre. Ceci impose une connaissance très fine du comportement en modulation du composant afin de développer les stratégies de modulation équilibrées. Le D-EML a prouvé sa grande utilité pour la transmission à 10 Gb/s [3,4] et peut être encore compatible à haut débit pour les systèmes radio-sur-fibre et même pour la modulation de type OFDM. L’optimisation du schéma de la modulation duale ( Data Data ) est un véritable défi qui peut être obtenu sur la base des caractérisations théoriques et expérimentales qui représentent un aspect important de la procédure. Avant d’évaluer les performances de la modulation duale, nous avons effectué des mesures expérimentales préliminaires des caractéristiques statiques et dynamiques du D-EML dans le but de déterminer le débit limite que nous pouvons envisager. 

Mise en œuvre de la platine d’accueil des D-EML 

La caractérisation des puces D-EML nécessite une platine d’accueil différente de celle des simples EML. Cette platine doit permettre d’acheminer les signaux électriques RF qui vont attaquer le laser et le modulateur à travers deux circuits de commande différents (figure 4.3). Pour ce faire, nous amenons deux accès électriques haute-fréquence pour le laser et le modulateur à l’aide de deux sondes coplanaires constituées chacune d’une pointe « signal » entre deux pointes « masse » (G-S-G : Ground-Signal-Ground). La lumière émise par le D-EML est collectée à l’aide d’une fibre micro-lentillée placée dans un système de couplage XYZ qui assure la stabilité mécanique de la plateforme de test. Par la suite, la fibre est liée directement à un isolateur pour empêcher le retour de lumière dans la puce. La régulation de la température est assurée à l’aide d’un module Peltier placé entre le support de la puce et le radiateur. Ce module sert à évacuer la chaleur engendrée par le passage du courant dans le laser. Une thermistance permet de capter la température du composant. Le contrôleur de température qui gère le module Peltier et la thermistance permet donc de maintenir une température constante du D-EML et donc d’éviter le problème des effets thermiques lors de la caractérisation.