All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, ##### tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s Soutenance de thse Mathieu Lefranois 6 dcembre 2007 Institut dOptique, Palaiseau All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####2 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Transmission de donnes numriques par fibre optique Systme de transmission optique Permet de transporter des informations numriques via une propagation par fibre optique Pertes en ligne rduites : 0.2 dB/km (4%/km) Cble lectrique : >10 dB/km Possibilit dun dbit binaire lev : > 10 Gbit/s cble lectrique : 17 dB) Codes correcteurs derreurs (FEC) : BER 10-3 (Q ~ 10 dB) BER 10-12 avec un sur-dbit de 7 % metteurRcepteur Diagramme de loeil 0 01 00110 Signal Propagation Bit erron : erreur de dtection 001 00100 All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####9 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Effets de propagation : lattnuation Ncessit dune amplification priodique du signal Gnration de bruit optique dmission spontane amplifie Limitation par le bruit faibles puissances Rcepteur z Psignal Pbruit metteur All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####10 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 La dispersion chromatique : dcalage temporel des diffrentes composantes spectrales dun signal aprs propagation Ncessit de fibres compensatrices de dispersion (DCF) ou autres dispositifs (conjugaison de phase optique,) La dispersion de polarisation : largissement temporel d la birfringence de la fibre Effets de propagation : la dispersion Dispersion cumule (ps/nm) z metteurRcepteur All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####11 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Dphasage du signal suivant son intensit puis dformation par la dispersion chromatique. Limitant fortes puissances Effets croiss : interactions entre deux ou plusieurs canaux Effets intra-canaux : interactions au sein dun mme canal Effet Kerr + dispersion Effets de propagation : effets non-linaires (effet Kerr) metteurRcepteur t 1 2 Dispersion t Dispersion tt All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####12 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Formats de modulation Codages optiques des donnes numriques lectriques Modulation possible de lintensit et/ou de la phase de londe porteuse optique Chaque format de modulation est plus ou moins tolrant au bruit et aux diffrents effets de propagation Modulateur Donnes Signal laser continu I t Signal modul I t Symboles I f All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####13 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Familles de formats de modulation Formats moduls en intensit : NRZ (Non Return to Zero) Formats moduls en phase DPSK (Differential Phase-Shift Keying) et RZ-DPSK DQPSK : codage sur 4 niveaux de phase Dtection diffrentielle : interfrence entre deux symboles conscutifs Doublement de la tolrance au bruit optique Formats duobinaires : PSBT (Phase-Shaped Binary Transmission) 0tt0t I t I f rzdpsk 0tt0t I t I f 0t t I t 0 0 I f I t I f 20 dB Dtection directe All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####14 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Plan de la prsentation 1. Transmission dinformations par fibre optique 2. Techniques daugmentation progressive de la capacit 3. tude de nouvelles technologies pour les systmes sous-marins 40 Gbit/s par canal 4. Validation exprimentale de lutilisation du dbit de 40 Gbit/s dans un systme conu pour 10 Gbit/s All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####15 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Augmentation progressive de la capacit Systme initial : systme WDM 10 Gbit/s par canal et 50 GHz despacement entre canaux (densit spectrale dinformation 0.2 bit/s/Hz). Modulation NRZ Action mene : substitution, au rythme de la demande, dun canal NRZ 10 Gbit/s par un canal 40 Gbit/s en conservant la mme grille spectrale Augmentation progressive de la densit spectrale dinformation donc de la capacit du systme Permet de suivre laugmentation de la demande en capacit Canaux 10 Gbit/s ISD 0.2 bit/s/Hz f I 50 GHz f I 50 GHz Canaux 10 Gbit/s Canaux 40 Gbit/s 0.2 s ISD s 0.8 All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####16 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Augmentation du dbit augmentation de la largeur spectrale du canal Des formats de modulation faible encombrement spectral doivent tre utiliss pour la modulation 40 Gbit/s Multiplex mixte 10 Gbit/s 40 Gbit/s : effets de propagation non-linaires trs contraignants Les canaux 40 Gbit/s doivent tre tolrants au voisinage de canaux 10 Gbit/s et/ou de canaux 40 Gbit/s espacs de 50 GHz Contraintes lies cette technique All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####17 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Formats faible encombrement spectral Transmission binaire profil de phase contrl (PSBT) Saut de phase de t chaque 0 cod spectre plus troit Ne ncessite quune dtection directe Excellente tolrance la dispersion chromatique Peu tolrante aux dfauts de lmetteur Modulation diffrentielle en phase sur 4 niveaux (DQPSK) 2 bits cods par symbole Modulation optique dbit moiti Bonne tolrance au bruit Excellente tolrance aux dispersions chromatiqueet de polarisation Gnration et dtection trs complexes Quen est-il de leur tolrance aux effets non-linaires au sein dun multiplex mixte 10/40 Gbit/s ? 0 t0 0t I tf I I f Spectre PSBTSpectre NRZ I f I t u Spectre DQPSK All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####18 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 tude numrique des formats DQPSK et PSBTtude de la tolrance dun canal 40 Gbit/s PSBT ou DQPSK Au voisinage de canaux identiques 40 Gbit/s Au voisinage de canaux NRZ 10 Gbit/sSynthse de plusieurs configurations terrestres possibles Systme 10 x 100 km Profil de dispersion double priode Fibre de ligne : dispersion 4 ps/nm/km ou 17 ps/nm/km 01000 Distance (km) Dispersion cumule f I 50 GHz Multiplex hybride 10/40 Gbit/s f I 50 GHz Multiplex 40 Gbit/s 50 GHz esp. All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####19 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 01234-12 -6 0 6Puissance d'entre (dBm)Pnalits (dB)01234-12 -6 0 6Puissance d'entre (dBm)Pnalits (dB)4 ps/nm/km17 ps/nm/km WDM 10/40 Gbit/s WDM 10/40 Gbit/s WDM 40 Gbit/s WDM 40 Gbit/s Tolrance aux effets non-linaires de la DQPSK Pnalits en facteur Q rapport signal sur bruit constant Forte dgradation du seuil non-linaire de la DQPSK lorsquelle est entoure de canaux NRZ 10 Gbit/s Dgradation ~5 6 dB Totalement inadapte sur NZDSF Limitations par le bruit M. Lefranois et al., OFC07, JThA44, Mars 2007 All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####20 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Tolrance aux effets non-linaires de la PSBT PSBT trs peu pnalise par le voisinage de canaux 10 Gbit/s M. Lefranois et al., OFC07, JThA44, Mars 2007 01234-12 -6 0 6Puissance d'entre (dBm)Pnalits (dB)01234-12 -6 0 6Puissance d'entre (dBm)Pnalits (dB)WDM 10/40 Gbit/sWDM 10/40 Gbit/s WDM 40 Gbit/sWDM 40 Gbit/s 4 ps/nm/km17 ps/nm/km All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####21 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Confirmation exprimentale sur NZDSF (800 km) Trs peu de dgradation de la performance de la PSBT due au voisinage de canaux NRZ 10 Gbit/s (RZ)-DQPSK inutilisable dans cette configuration PSBT recommande pour les configurations hybrides Limite FEC 04Puissance des canaux NRZFacteur Q (dB) -4 8 15 11 7 Puissance du canal PSBT (dBm) Facteur Q (dB) 15 11 7 04 -4 8 Puissance du canal RZ-DQPSK (dBm) Limite FEC Puissance des canaux NRZG. Charlet, M. Lefranois et al., ECOC06, Mo 3.2.6, Sept. 2006 All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####22 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Plan de la prsentation 1. Transmission dinformations par fibre optique 2. Techniques daugmentation progressive de la capacit 3. tude de nouvelles technologies pour les systmes sous-marins 40 Gbit/s par canal 4. Validation exprimentale de lutilisation du dbit de 40 Gbit/s dans un systme conu pour 10 Gbit/s All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####23 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Systmes sous-marins de nouvelle gnration 40 Gbit/s par canal tude de la propagation dun signal compos uniquement de canaux 40 Gbit/s Densit spectrale dinformation considre : 0.4 bit/s/Hz (100 GHz despacement entre canaux 40 Gbit/s) Suprieure celle des systmes 10 Gbit/s Prdominance des effets non-linaires intra-canaux Systmes tudis : Systmes sous-marins conventionnels conus pour 10 Gbit/s utiliss 40 Gbit/s par canal Systmes sous-marins de nouvelle gnration avec conjugaison de phase optique en milieu de ligne All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####24 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 -5000050000 2000 4000 6000Distance (km)Dispersion cumule (ps/nm)1550 nm Composs dune succession de blocs : 6 tronons de fibre NZDSF- :3 ps/nm/km ( 1550 nm) 1 tronon de fibre +18 ps/nm/km ( 1550 nm) Non-compensation de la pente de dispersion (positive pour les deux fibres) Profil de dispersion : -5000050000 2000 4000 6000Distance (km)Dispersion cumule (ps/nm)1550 nm tude des systmes sous-marins NZDSF All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####25 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Influence de la non-compensation de la pente de dispersion 40 Gbit/s Diffrences significatives de dispersion cumule lintrieur mme du spectre du signal modul 40 Gbit/s Source de dformations temporelles et de pnalits A 40 Gbit/s, la compensation de la pente de dispersion par canal est indispensable pour atteindre de trs longues distances (>5000 km) Dispersion cumule 450 ps/nm aprs 7000 km 100 GHz (0.8 nm) 10 dB Puissance -3-2 -10 123 Frquence normalise au dbit 0 1 2 3 0200400600 Pente de dispersion rsiduelle (ps/nm) Pnalits (dB) 7000 km 5000 km DPSK RZ-DPSK All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####26 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Transmission sur 10500 km, formats (APol) RZ-DPSK 40 Gbit/s : rsultats numriques Seuils nonlinaires similaires pour chaque canal pour un format donn RZ-DPSK et APol RZ-DPSK trs tolrants aux grandes excursions de dispersion APol RZ-DPSK adapt aux trs longues distances 01234-10 -8 -6 -4 -2 0Puissance d'entre (dBm)Pnalits (dB)1535 nm1550 nm1565 nm10500 km RZ-DPSK RZ-DPSK polarisation alterne(APol RZ-DPSK) X Y z Pente de dispersion compense M. Lefranois et al., Electronics Letters 42, Fv. 2006 All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####27 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Systmes sous-marins nouvelle gnration avec conjugaison de phase optique Systme sous-marins de nouvelle gnration +D/-D : Compos de tronons identiques : 2/3 fibre +D , 1/3 fibre -D Fibre +D : faibles pertes (~0.18 dB/km), peu de non-linarits Fibre -D : compense la dispersion et la pente de dispersion de la +D Mais problmes pratiques de ralisation de ces systmes (soudures +D/-D difficiles) Ide de ltude : simplifier la ligne optique tout en amliorant le systme Suppression de la fibre -D : pertes rduites de 1 dB et pas de soudures +D/-D Compensation de dispersion assure la place par conjugaison de phase optique en milieu de ligne All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####28 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Conjugaison de phase optique (OPC) Gnration dun signal conjugu obtenu par interactions non-linaires entre un signal incident et un signal de pompe dans un milieu non-linaire (cristal PPLN) Spectre symtrique au spectre du signal incident par rapport la frquence de pompe La conjugaison de phase optique quivaut : Une inversion du signe de la dispersion chromatique cumule Une inversion du signe du dphasage induit par les effets non-linaires 1:Doublage de frquence Pompe Signal conjugu Signal incident PPLN e ei epes2ep 0 Pompe Canaux incidents 2:Gnration de londe conjugue : ei = 2ep- es Canaux conjugus All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####29 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Systme +D/OPC simul : caractristiques 96 tronons de 66 km de fibre +D seule Dispositif de conjugaison de phase optique plac au milieu de la ligne Signal modul en RZ-DPSK 40 Gbit/s OPC +D 66km +D 66km +D 66km +D 66km Tx Rx x48 x48 Dispersion cumule (ps/nm) Distance (km) OPC 60000 6000 0 All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####30 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Rsultats numriques (40 Gbit/s RZ-DPSK) Amlioration significative du seuil non-linaire du systme +D/OPC en mono-canal par rapport celui du systme +D/-D correspondant Dgradation du seuil non-linaire en WDM mais reste meilleur que celui du systme +D/-D en WDM M. Lefranois et al., JNOG07, JE2 01234-8 -4 0 4 8Puissance d'entre (dBm)Pnalits sur le facteur Q (dB)+D/-D +D/OPC WDM 100 GHz Pnalits (dB) 0 1 2 3 4 Puissance dentre (dBm) -8 -40 48 01234-8 -4 0 4 8Pnalits (dB)+D/-D +D/OPC Mono-canal Puissance dentre (dBm) All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####31 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Vrification exprimentale sur 4x100 km Dispositif exprimental de conjugaison de phase optique insr au milieu de la ligne (aprs 200 km) Transmission sans erreur obtenue aprs 400 km Problmes de stabilit du signal conjugu et de rcupration dhorloge Signal bande C red non conjugu blue conjugu bande red bande blue Signal bande C TM TETM Cristal PPLN Pompe 1550 nm polarise bande C red Coupleur signal/pompe Circulateur T(C) All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####32 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Montage exprimental Coupleur signal/pompe PPLN Circulateur Contrle temp. PPLN Filtre dentre Filtre de sortie Entre signal Sortie signal All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####33 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Plan de la prsentation 1. Transmission dinformations par fibre optique 2. Techniques daugmentation progressive de la capacit 3. tude de nouvelles technologies pour les systmes sous-marins 40 Gbit/s par canal 4. Validation exprimentale de lutilisation du dbit de 40 Gbit/s dans un systme conu pour 10 Gbit/s All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####34 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Schma exprimental Systme 44 x 100 km fibre TeraLight (8ps/nm/km) avec 80 canaux 10 Gbit/s moduls NRZ, espacement 50 GHz (0.2 bit/s/Hz), puis 40 canaux 40 Gbit/s moduls APol RZ-DPSK, espacement 100 GHz(0.4 bit/s/Hz) DPSK 1 DGE C Rx 39 2 40 100km DCF 100 km DCFDCF 100km 100km DCF 11x RZAPol NRZ 1 79 2 80 NRZ 40 x 80 x ou 2 23 - 1 2 23 - 1 Int. 3dB Polarizationscrambler 43Gbit/s DPSK 1 TeraLight TM 4x100 kmTeraLight Rx 39 2 40 100km Booster Pr-amplificateur DCF 100 km DCFDCF 100km 100km DCF 11x RZAPol 10.7Gbit/s NRZ 1 79 2 80 NRZ 40 x 40 Gbit/s 80 x 10 Gbit/s 40 Gbit/s 10 Gbit/s 2 23 - 1 2 23 - 1 Int. 3dB polarisationBrouilleur degalis. gain All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####35 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Rsultats Rsultats similaires 10 Gbit/s avec modulation NRZ et 40 Gbit/s avec modulation APol RZ-DPSK en conservant la mme ligne optique Le choix dun format de modulation adquat peut suffire amliorer les performances dun systme 681012141525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 156514121081525 1565Wavelength (nm)4,400km681012141525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 15651412108Q-factor (dB)Wavelength (nm)1525 15653,200km6.008.0010.0012.0014.001525.00 1535.00 1545.00 1555.00 1565.0040G10G6.008.0010.0012.0014.001525.00 1535.00 1545.00 1555.00 1565.0040G10G681012141525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 156514121081525 1565Wavelength (nm)4,400km681012141525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 15651412108Q-factor (dB)Wavelength (nm)1525 15653,200km6.008.0010.0012.0014.001525.00 1535.00 1545.00 1555.00 1565.0040G10G6.008.0010.0012.0014.001525.00 1535.00 1545.00 1555.00 1565.0040G10GFacteur Q (dB) Longueur donde (nm)Longueur donde (nm) 3200 km4400 km Limite FEC Limite FEC G. Charlet, M. Lefranois et al., Elec.Lett. 41, Oct. 2005 All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####36 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Conclusions tude de diffrentes techniques permettant une utilisation viable des systmes 40 Gbit/s par canal Augmentation progressive de la capacit : le format PSBT est fortement recommand pour la modulation 40 Gbit/s en prsence de canaux voisins 10 Gbit/s Systmes sous-marins WDM 40 Gbit/s par canal : utilisation imprative de la modulation en phase du signal (formats ~-DPSK) Systmes NZDSF : utilisation 40 Gbit/s possible, avec compensation de la pente de dispersion par canal Systmes +D/OPC : utilisation 40 Gbit/s potentiellement possible, accompagnant une simplification des systmes +D/-D All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####37 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Perspectives et ouvertures Systmes sous-marins avec conjugaison de phase optique Validation exprimentale terminer Tests de fiabilit pousss ncessaires Utilisation 40 Gbit/s dun systme prvu initialement pour 10 Gbit/s Technique valide exprimentalement, dveloppement possible 3 publications journal, 7 communications en confrence, 4 brevets Sujets de recherche amont apparus pendant la thse Dtection cohrente Dbit par canal de 100 Gbit/s All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####38 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 Remerciements Et aussi : Sbastien, Jean-Pierre, Robert, Jean-Christophe, Emmanuel, Christian, Philippe, ric, Thibaut, Franois, Gabriel Patrice Hak Jrmie Oriol All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####38 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 All Rights Reserved Alcatel-Lucent 2006, #####39 | tude de technologies avances pour loptimisation des systmes de transmission optique multiplexs en longueur donde au dbit de 40 Gbit/s | M. Lefranois, 6 dcembre 2007 www.alcatel-lucent.com