Modélsaton et caractérsaton de sources optques pour les réseaux d accès et métropoltans Khall Kechaou To cte ths verson: Khall Kechaou. Modélsaton et caractérsaton de sources optques pour les réseaux d accès et métropoltans. Autre. Télécom ParsTech, 1. Franças. <NNT : 1ENST74>. <pastel-99883> HAL Id: pastel-99883 https://pastel.archves-ouvertes.fr/pastel-99883 Submtted on Jun 14 HAL s a mult-dscplnary open access archve for the depost and dssemnaton of scentfc research documents, whether they are publshed or not. The documents may come from teachng and research nsttutons n France or abroad, or from publc or prvate research centers. L archve ouverte plurdscplnare HAL, est destnée au dépôt et à la dffuson de documents scentfques de nveau recherche, publés ou non, émanant des établssements d ensegnement et de recherche franças ou étrangers, des laboratores publcs ou prvés.
N : 9 ENAM XXXX 1-ENST-74 EDITE ED 13 Doctorat ParsTech T H È S E pour obtenr le grade de docteur délvré par Télécom ParsTech Spécalté Communcatons & Electronque présentée et soutenue publquement par Khall KECHAOU Le 13 décembre 1 Modélsaton et caractérsaton de sources optques pour les réseaux d accès et métropoltans Drecteur de thèse : M. Dder ERASME Co-encadrement de la thèse : M. Guy AUBIN Jury M. Geert MORTHIER, Prof, Department of Informaton Technology, Ghent Unversty, Belgum Rapporteur M. Joël JACQUET, Prof, Supélec Campus de Metz, France Rapporteur M. Pascal BESNARD, Prof, UMR Foton, Ennsat, France Examnateur Mme. Chrstelle AUPETIT-BERTHELEMOT, Prof, Xlm, France Examnateur M. Benot CHARBONNIER, Dr, Orange Labs, Lannon, France Examnateur M. Chrstophe KAZMIERSKI, Dr, III-V lab, France Invté M. Dder ERASME, Prof, Telecom ParsTech, France Drecteur de thèse M. Guy AUBIN, Dr, LPN, CNRS, France Co-drecteur de thèse T H È S E Télécom ParsTech Ecole de l Insttut Télécom membre de ParsTech 46, rue Barrault 75634 Pars Cedex 13 Tél. + 33 ()1 45 81 77 77 www.telecom-parstech.fr
Résumé Le déploement massf et contnu des servces FTTH (Fber To The Home) pour les usages personnels assocés au développement de nouvelles applcatons professonnelles a crée un beson ncessant de débts élevés et de portées étendues dans les réseaux optques de communcaton. Parm ses nombreuses conséquences pratques, cette évoluton a créé des contrantes mportantes pour la concepton des sources optques destnées aux réseaux métropoltans et d accès. Une demande pour des sources compactes, polyvalentes, de bas coût et de consommaton rédute a vu le jour dans ce contexte. Une des lmtes en performance est lée à la dsperson chromatque de la fbre qu en conjoncton de la dérve en fréquence (chrp) de la source empêche l augmentaton du débt ou de la portée. Le but de cette thèse consste à étuder expérmentalement et par la smulaton deux technques pour combattre les effets de la dsperson chromatque à travers l ngénere de la dérve en fréquence de la source. La premère technque concerne les lasers DFB (Dstrbuted Feedback Laser) modulés drectement. Dans un premer temps, un modèle complet et flexble d un laser DFB traté HR/AR(Hgh Reflecton/Ant-Reflecton) développé au cours de la thèse a été exploté pour confrmer l étude expérmentale des effets de phases du réseau de Bragg aux facettes sur le comportement de la dérve en fréquence. Les résultats ont montré l exstence de deux famlles de lasers défnes suvant la poston du mode d émsson par rapport à la bande nterdte. L étude de ces deux famlles présentant une dérve de sgnes dfférents a aboutt à un crtère de sélecton des lasers défectueux en transmsson. Dans un deuxème temps, une étude théorque et expérmentale a montré la stablsaton et le contrôle de la dérve en fréquence des DML (Drectly Modulated Laser) va la présence d une rétroacton optque externe ben ajustée. Le prncpe a été étendu aux lasers modulateurs ntégrés (EML : Electroabsoorpton Modulated Laser) où la rétroacton optque est mplémentée par la secton du modulateur présentant un tratement mparfat au nveau de sa facette sorte. Cette extenson a donné nassance à une soluton smple et orgnale pour contrôler le chrp des DML à travers une rétroacton optque ntégrée. La deuxème technque concerne le concept de la modulaton duale des EML (D-EML : Dual Electroabsorpton Modulated Laser) explotant l ajustement de la dérve en fréquence résultant de la juxtaposton d une modulaton de fréquence applquée sur le laser et une
modulaton d ntensté applquée sur le modulateur. Le D-EML permet faclement de générer des sgnaux à largeur spectrale rédute (SSB : Sngle Sde Band) capables d étendre la portée de transmsson au-delà de la lmte mposée par la dsperson sans augmentaton notable de consommaton, coût, et complexté. L évaluaton expérmentale et théorque des performances du D-EML a perms de prouver sa compatblté aux hauts débts (, 5 et 4 Gb/s) ans que son effcacté par rapport à la modulaton smple de l EAM (Electro- Absorpton Modulator). La modulaton duale a condut à une améloraton de la portée de plus de 6 % et de 3 % respectvement par rapport la modulaton smple de l EAM et du MZM (Mach Zehnder Modulator). L extenson de l utlsaton des D-EML pour la génératon des sgnaux SSB a été démontrée sur une large bande de fréquence. Ce potentel a été exploté en fn de thèse, sur le format de modulaton OFDM (Orthogonal Frequency Dvson Multplexng).
Abstract Today, hgher-speed and extended transmsson range optcal networks are becomng an ncessant need for the contnued deployment of FTTH (Fber to The Home) servces. Among ts many practcal consequences, ths evoluton has created sgnfcant constrants for the optcal sources desgn ntended for the access and metropoltan networks. In ths context, compact, versatle, low cost and low consumpton optcal sources are becomng a necessty. The am of ths thess s to study expermentally and by smulaton two technques n order to combat the chromatc dsperson effects through the frequency shft (chrp) engneerng of the source. The frst technque concerns drectly modulated DFB (Dstrbuted FeedBack) lasers. Frst, a complete and flexble model of an HR/AR-DFB laser (Hgh Reflecton/Ant Reflecton) developed durng the thess has been used to confrm the expermental study of the facet phase effect on the chrp behavor. The results showed the exstence of two laser s famles accordng to the poston of the lasng mode wth respect to the bandgap. The study of the two famles wth dfferent chrp sgns has led to the defnton of a selecton crteron of defectve transmsson lasers. Second, a theoretcal and expermental study showed the frequency shft stablzaton and control of DML (Drectly Modulated Lasers) due to the presence of a well adjusted external optcal feedback. The prncple has been extended to the EML (Electro-absorpton Modulated Laser) where the optcal feedback s mplemented by the modulator secton wth an mperfect treated output facet. Ths expanson has created a smple and orgnal way to control the DML chrp through ntegrated optcal feedback. The second technque concerns the dual modulaton concept of EML (D-EML : Dual Electroabsorpton Modulated Laser) explotng the adjustment of the chrp resultng from the juxtaposton of the frequency modulaton appled to the laser and the ntensty modulaton appled to the modulator. The D-EML easly generates sgnals wth reduced spectral wdth (SSB : Sngle Sde Band) able to extend the transmsson range beyond the lmt mposed by the chromatc dsperson wthout ncreasng consumpton, cost and complexty. Expermental and theoretcal evalutaton of D-EML performances has proven ts compatbtlty wth hgh bt-rates (, 5 and 4 Gb/s) and ts effectveness wth respect to the smple modulaton of the EAM (Electroabsorpton Modulator). The dual modulaton has led to a transmsson range
mprovement of over 6 % and 3% compared to the smple modulaton of the EAM and MZM (Mach Zehnder Modulator) respectvely. The extenson of the D-EML use for SSB sgnals generaton has been demonstrated over a wde frequency range. Ths potentel has been exploted at the end of the thess to generate SSB-OFDM (SSB-Orthogonal Frequency Dvson Multplexng) sgnals.
Remercements Remercements Ce manuscrt est l aboutssement de tros années de recherche effectuées au sen du groupe «Télécommuncatons Optques» du département «Communcatons & Electronques» (Comelec) de Télécom ParsTech et au laboratore de Photonques de Nanostructures (LPN/CNRS). Je tens c à remercer toutes les personnes qu, par leur présence, leurs consels et leur amté, ont fat de ces années de thèse des moments agréables. Je tens tout d abord à remercer Monseur Dder Erasme, Professeur à Télécom ParsTech qu a proposé et a encadré ma thèse, pour son ade préceuse, ses consels fructueux et son suv de ce traval avec une extrême benvellance. Toute ma grattude et mes remercements vont à mon co-drecteur de thèse Monseur Guy Aubn ngéneur de recherche au laboratore LPN/CNRS. Travaller avec lu a été à la fos très enrchssant expérmentalement et facle humanement gràce à sa bonne humeur. Merc Guy pour tes consels, ta dsponblté, ta confance et ton assstance. Des remercements partculers vont à Monseur Bruno Thédrez, responsable du département Comelec et à Monseur Frédérc Grllot, Maître de conférences à Télécom ParsTech avec qu j a eu une collaboraton forte fructueuse au travers de nos dscussons et échanges d dées ans que pour leur lecture de ce manuscrt et leurs correctons dans la mesure du possble. Merc à Messeurs Kamel Merghem, ngéneur de recherche au laboratore LPN/CNRS et Jean-Guy Provost, ngéneur de recherche à III-V lab avec qu j a eu une ade permanente pour réalser les tests de mesures expérmentales. Les membres permanents du groupe Télécommuncatons Optques m ont perms de travaller tros ans dans de bonnes condtons. Merc à Yve Jaouen, Chrstophe Gosset, Mohamed-Essghar Chab pour leur bonne humeur communcatve et leur gentllesse qu font d eux des ams pour toujours. Je tens à remercer le Professeur Chrstelle Aupett-Berthelemot de m avor fat l honneur de présder le jury de ma thèse. Je remerce également mes rapporteurs les Professeurs Geert Morther et Joël Jacquet pour l attenton accordée à la lecture de ce manuscrt et leurs remarques pertnentes et constructves. J'exprme toute ma reconnassance à Messeurs Pascal Besnard et Benor Charbonner qu ont été les examnateurs de cette thèse ans qu'à Monseur Chrstophe Kazmersk qu a ben voulu juger ce traval. Un merc
partculer va à Chrstophe Kazmersk pour ses réponses préceuses à toutes mes questons et pour sa collaboraton durant toutes les années de ma thèse. Pour fnr, je tens à exprmer ma très profonde grattude et mes plus grands remercements envers ma femme Maram, mes parents et mes frères, pour leur amour, leur sacrfces, leur confance, leur souten, leurs encouragements,..., je ne sauras l exprmer à sa juste valeur au travers de ces quelques lgnes mas : merc à vous.
Tables des matères Table des matères Remercements... Table des matères... Lste des fgures... v Lste des tableaux... Introducton générale... 1 Bblographe... 8 1. Théore de la dévaton en fréquence : Orgnes & Effets... 11 1.1. Généraltés sur les lasers à contre-réacton dstrbuée (DFB)... 1 1.1.1. Les lasers à sem-conducteurs... 1 1.1.1.a. L amplfcaton optque... 13 1.1.1.b. L hétérojoncton... 14 1.1.1.c. Le courant seul... 16 1.1.. Les lasers à puts quantques (QW)... 16 1.1.3. Les lasers à contre-réacton dstrbuée (DFB)... 19 1.1.3.a. Prncpe... 19 1.1.3.b. Le réseau de Bragg... 1.1.3.c. Tratement haute réflexon et ant-reflet (HR/AR) des facettes de la cavté laser... 1.1.3.d. Noton de phases aux facettes... 1.. Prncpe de fonctonnement des modulateurs à électro-absorpton (EAM)... 7 1..1. Effet d électro-absorpton dans les matéraux massfs... 7 1... Effet d électro-absorpton dans les matéraux à puts quantques... 9 1..3. L effet Stark confné quantquement (QCSE)... 3 1.3. Etat de l art des lasers modulateurs à électro-absorpton ntégrés (EML)... 3 1.4. Orgnes phénoménologques et physques du phénomène de dévaton en fréquence observée lors d une modulaton (chrp)... 35 1.4.1. Les relatons de «Kramers-Krong»... 36 1.4.1.a. Cas des lasers à sem-conducteurs... 38 1.4.1.b. Cas des modulateurs EAM... 39 1.4.. Relaton entre la modulaton d ntensté et la modulaton de fréquence... 41 1.4..a. Cas des lasers à sem-conducteurs... 4
Tables des matères 1.4..b. Cas des modulateurs EAM... 45 1.4.3. Les orgnes du chrp... 47 1.4.3.a. Le chrp des lasers DFB... 48 1.4.3.b. Le chrp des modulateurs EAM... 53 1.5. Transmsson sur fbre optque d un sgnal modulé smultanément en ntensté et en fréquence... 56 1.5.1. La dsperson dans les fbres optques... 56 1.5.. Les effets négatfs du chrp sur la transmsson... 58 1.5.3. Méthodes trant avantage du phénomène de chrp dans la concepton d une transmsson sur fbre optque dspersve.... 61 1.5.3.a. La génératon des sgnaux SSB... 61 1.5.3.b. Le chrp dans le cas de la modulaton duale... 66 1.6. Concluson du chaptre... 68 Bblographe... 7. Modélsaton des lasers DFB... 76.1. Modèle d un laser DFB: formalsme matrcel... 76.1.1. Le formalsme des matrces de transfert... 77.1.1.a. Formulaton des matrces de transfert... 77.1.. Descrpton statque du laser... 8.1..a. Analyse au seul... 8.1..b. Influence de la température... 85.1..c. Analyse au dessus du seul... 86.1..d. Descrpton dynamque du laser... 96.. Modélsaton d un laser HR/AR-DFB soums à une rétroacton optque... 15..1. Théore de la rétroacton optque... 15... Modfcaton du modèle laser DFB... 16...a. Modfcaton de la condton d oscllaton... 16...b. Modfcaton des caractérstques statques au dessus du seul... 17...c. Modfcaton des caractérstques dynamques... 18.3. Modélsaton d un laser modulateur ntégré à modulaton duale (D-EML)... 19.3.1. Modélsaton des modulateurs EAM... 19.3.. Intégraton des modèles... 11.3.3. Comment augmenter le chrp adabatque des D-EML?... 113.4. Concluson du chaptre... 116 Bblographe... 117 3. Ingénere et contrôle du chrp des lasers DFB... 11
Tables des matères 3.1. Influence des phases aux facettes sur le comportement du chrp des lasers HR/AR- DFB... 1 3.1.1. Comportement statque des lasers HR/AR-DFB : Etude théorque... 1 3.1.1.a. Effet de la phase à la facette HR... 1 3.1.1.b. Effet de la phase à la facette AR... 13 3.1.. Comportement dynamque des lasers HR/AR-DFB : régme grand-sgnal... 135 3.1..a. Passage sous le seul... 136 3.1..b. Dynamque de porteurs lente... 138 3.1..c. La commutaton de gan (mpulson fables, mpulson géantes)... 139 3.1.3. Résultats expérmentaux... 141 3.1.3.a. Etude expérmentale en régme pett-sgnal... 141 3.1.3.b. Etude expérmentale en régme grand-sgnal... 143 3.. Contrôle du chrp des lasers DFB soums à une rétroacton optque externe... 144 3..1. Etat de l art... 145 3... Démonstratons expérmentales... 147 3...a. Cas des DML... 147 3...b. Cas des EML... 153 3..3. Démonstratons par la smulaton... 158 3.3. Concluson du chaptre... 164 Bblographe... 166 4. La modulaton duale à haut débt... 17 4.1. Caractérsaton expérmentale des D-EML... 171 4.1.1. Structure d un D-EML... 171 4.1.. Mse en œuvre de la platne d accuel des D-EML... 173 4.1.3. Mesure des caractérstques statques des D-EML... 174 4.1.3.a. La pussance de sorte en foncton de courant... 174 4.1.3.b. La longueur d onde d émsson en foncton de courant... 175 4.1.3.c. La longueur d onde d émsson en foncton de la tenson applquée... 176 4.1.3.d. La pussance de sorte en foncton de la tenson applquée... 177 4.1.4. Mesure des caractérstques dynamques des D-EML... 178 4.1.4.a. Mesure de la bande passante... 178 4.1.4.b. Mesure du chrp pett-sgnal... 18 4.1.4.c. Mesure du chrp grand-sgnal... 184 4.. Evaluaton théorque et expérmentale des performances de la modulaton duale à haut débt... 185 4..1. Augmentaton de la portée à 1 Gb/s : Etat de l art... 185 v
Tables des matères 4... Modélsaton de la modulaton des D-EML et smulaton de transmssons à haut débt sur fbre optque... 187 4...a. Etude par modélsaton de la contrbuton du chrp des D-EML à l augmentaton de la portée... 188 4...b. Résultats des smulatons de la modulaton duale à haut débt effectués par Thomas Anfray à Xlm... 195 4..3. Etude expérmentale de l applcaton des D-EML aux transmssons à haut débt... 4..3.a. Le montage expérmental... 4..3.b. Transmsson à Gb/s... 1 4..3.c. Transmsson à 5 Gb/s... 3 4..3.d. Transmsson à 4 Gb/s... 4 4.3. Génératon et transmsson des sgnaux SSB mono fréquence ou mult fréquence par le D-EML... 1 4.3.1. Etude des sgnaux SSB mono fréquence... 1 4.3.1.a. Dspostf expérmental... 1 4.3.1.b. Résultats expérmentaux... 11 4.3.. Etude des sgnaux SSB mult-porteuses : cas des sgnaux OFDM... 15 4.3..a. Montage expérmental... 15 4.3..b. Résultats expérmentaux... 16 4.4. Concluson du chaptre... 19 Bblographe... Concluson générale... 1 Annexe A Les relatons de «Kramers-Krong»... 8 Annexe B La réponse d une fbre dspersve... 33 Publcatons et communcatons de l auteur... 37 Lste des acronymes... 39 v
Lste des fgures Lste des fgures Introducton : Fgure 1: Comparason de l évoluton du trafc total cumulé des réseaux cœurs et de la capacté maxmale des systèmes de transmsson commercaux... 3 Chaptre 1: Fgure 1.1: schéma de la structure de bande et nveaux de Ferm du sem-conducteur... 13 Fgure 1.: schéma de la structure de bande et de la dstrbuton des porteurs dans une hétérojoncton... 15 Fgure 1.3: Caractérstque pussance/courant d un laser... 16 Fgure 1.4: puts quantque InGaAsP... 17 Fgure 1.5: Densté d états des électrons dans une structure à puts quantque comparée à celle des structures massves... 18 Fgure 1.6: Structure à puts quantques multples... 18 Fgure 1.7: schéma de prncpe d un laser DFB... 19 Fgure 1.8: Mode longtudnaux d un laser DFB avec des réflectvtés nulles sur les deux facettes... Fgure 1.9: Mse en évdence de la noton de phase aux facettes dans un laser HR/AR-DFB 3 Fgure 1.1: Schéma d un système d nterférence entre la facette HR et le réflecteur de Bragg pour le cas d un laser HR/AR-DFB... 4 Fgure 1.11: Répartton du champ optque et la varaton de son enveloppe d un laser DFB pour un déphasage ϕ HR de π... 5 Fgure 1.1: Varaton de l enveloppe du champ optque le long de la cavté d un laser DFB ayant un déphasage quelconque au nveau la facette HR... 6 Fgure 1.13: Fonctons d onde d un sem-conducteur massf soums à un champ électrque 8 Fgure 1.14: Spectre d absorpton d un matérau sem-conducteur massf soums à un champ électrque... 9 v
Lste des fgures Fgure 1.15: Structure de bande d un puts quantque à sem-conducteur sans champ électrque applqué à la structure... 9 Fgure 1.16: Structure de bande d un puts quantque à sem-conducteur en présence d un champ électrque applqué... 31 Fgure 1.17: Spectre d absorpton d un matérau sem-conducteur à puts quantques multple soums à un champ électrque... 31 Fgure 1.18: Représentaton schématque du spectre d absorpton d un modulateur EAM et de la contrbuton du changement d absorpton... 4 Fgure 1.19: Modélsaton smple d un modulateur par une combnason en cascade d un modulateur d ampltude et d un modulateur de phase... 45 Fgure 1.: Représentaton schématque des composantes adabatque et transtore du chrp dans les lasers DFB (a) et les modulateurs EAM (b)... 47 Fgure 1.1: Varaton du chrp des lasers DFB en foncton de la fréquence de modulaton.. 51 Fgure 1.: Représentaton schématque des phénomènes qu sont à l orgne du chrp adabatque des modulateurs EAM dans les EML... 54 Fgure 1.3: Schéma de la modulaton de phase mposée à la porteuse optque de l onde dans un modulateur EAM.... 55 Fgure 1.4: Schéma du comportement du chrp des modulateurs EAM sute à une modulaton d ntensté pour α H postf et négatf... 56 Fgure 1.5: Varaton du coeffcent de dsperson en foncton de la longueur d onde dans une fbre optque monomode standard... 58 Fgure 1.6: Dstorson temporelle d une mpulson d enveloppe gaussenne à 1 Gb/s avant (en contnu) et après propagaton (en pontllé) dans une fbre standard monomode... 59 Fgure 1.7: Schéma de l nterférence nter-symbole (ISI) ssue de la conjoncton du chrp de l émetteur et la dsperson de la fbre... 6 Fgure 1.8: Représentaton schématque des spectres de sgnaux modulés purement AM et FM des sgnaux SSB ssues du mélange AM et FM... 61 Fgure 1.9: Spectre optque smulé des sgnaux DSB (a) et SSB dans le cas de la suppresson de USB (b) et LSB (c)... 64 Fgure 1.3: Représentaton schématque du chrp des D-EML et sa contrbuton à l augmentaton de la portée de transmsson dans le cas d une modulaton duale Data/Data.. 67 Fgure 1.31: Représentaton schématque du chrp des D-EML dans le cas d une modulaton duale (push-pull)... 68 v
Lste des fgures Chaptre : Fgure.1: descrpton de la méthode des matrces de transfert... 77 Fgure.: Schéma d une pérode du réseau de Bragg... 78 Fgure.3: Poston des modes au seul d un laser DFB HR/AR pour dfférentes valeurs de κl... 83 Fgure.4: Poston des modes au seul d un laser DFB HR/AR pour dfférentes valeurs de ϕ HR et κl... 84 Fgure.5: Varaton de la densté de porteurs (a), de photons (b), des pertes nternes (c) et de la pussance de sorte (d) en foncton du courant de polarsaton... 88 Fgure.6: Algorthme de calcul des modes au dessus du seul du laser DFB... 93 Fgure.7: Processus de transmsson et de réflexon de l émsson spontanée... 94 Fgure.8: Spectre calculé d un laser DFB traté HR/AR... 95 Fgure.9: Réponse transtore en densté de photons (a) et de porteurs (b) d un laser HR/AR- DFB modulé drectement en régme pett-sgnal... 98 Fgure.1: Réponse AM d un laser d un HR/AR-DFB en régme pett-sgnal pour dfférents courants de polarsaton... 98 Fgure.11: Réponse FM en ampltude (a) et en phase (b) d un laser HR/AR-DFB en régme pett-sgnal pour un courant de polarsaton de 4 I seul,... 11 Fgure.1: Varaton du rapport (β/m) en foncton de la fréquence de modulaton... 1 Fgure.13: Algorthme de calcul de la réponse temporelle AM et FM en régme de modulaton grand-sgnal... 14 Fgure.14: Cavté laser soumse à une rétroacton optque... 15 Fgure.15: Coeffcents de transmsson T mesurés en foncton de la tenson nverse applquée au modulateur... 11 Fgure.16: Le paramètre de Henry mesuré en foncton de la tenson nverse applquée au modulateur... 111 Fgure.17: Structure d un laser modulateur ntégré à modulaton duale (D-EML)... 11 Fgure.18: varaton du CCR calculé en régme adabatque en foncton du courant de polarsaton d un laser DFB traté en AR (,1%) / HR (95%) pour pluseurs valeurs de κl. 114 Fgure.19: varaton du CCR calculé en en régme adabatque foncton du courant de polarsaton d un laser DFB traté en AR (,1%) / HR (95%) pour pluseurs longueurs de cavté L... 115 v
Lste des fgures Fgure.: varaton du CCR calculé en régme adabatque en foncton du courant de polarsaton d un laser DFB traté en AR (,1%)/HR (95%) pour pluseurs valeurs de phase à la facette HR... 116 Chaptre 3 : Fgure 3.1: Varaton au seul des pertes normalsées de la cavté (pertes DFB) calculées en foncton de l écart de Bragg normalsée pour un laser HR/AR-DFB pour pluseurs cas de phase ϕ HR de à π... 13 Fgure 3.: Spectre du laser smulé pour ϕ HR = π/ (a) et ϕ HR = 3π/ (b)... 14 Fgure 3.3: Varaton de l enveloppe du champ optque le long de la cavté laser pour ϕ HR = [π]... 15 Fgure 3.4: Dstrbuton longtudnale de la densté de photon (a) et de l ndce effectf de la cavté (b) pour un laser AR/HR-DFB pour ϕ HR =,4π (chrp rouge) et ϕ HR = 1,4π (chrp bleu)... 17 Fgure 3.5: Varaton au dessus du seul des pertes normalsées de la cavté (pertes DFB) calculées en foncton de l écart de Bragg normalsée pour un laser AR/HR-DFB et pour pluseurs cas de phase ϕ HR de à π... 17 Fgure 3.6: Varaton du CCR calculé en régme adabatque en foncton de la pussance de sorte pour pluseurs cas de phase ϕ HR pour un HR/AR-DFB... 18 Fgure 3.7: Evoluton de la dstrbuton longtudnale de l ndce effectf de la cavté en foncton du courant d njecton pour un laser AR/HR-DFB pour ϕ HR =,4π... 19 Fgure 3.8: Evoluton des pertes de la cavté (perte DFB) en foncton du rapport entre le courant d njecton (Bas Current) et le courant seul (Threshold Current) pour ϕ HR =,4π (red chrp) et 1,6π (blue chrp) pour un laser HR/AR-DFB... 13 Fgure 3.9: Varaton au seul des pertes normalsées de la cavté (pertes DFB) calculées en foncton de l écart de Bragg normalsée (coeffcent du detunng) pour un laser HR/AR-DFB pour pluseurs cas de phase ϕ AR et ϕ HR entre à π... 131 Fgure 3.1: Varaton du CCR calculé en régme adabatque en foncton du courant d njecton pour pluseurs cas de phase ϕ AR avec ϕ HR fxé à 1,6π pour un HR/AR-DFB... 13 Fgure 3.11: Spectre calculé proche du seul pour ϕ AR =,4π (a), ϕ AR =,65π (b) et ϕ AR = π (c), ϕ HR est fxé à 1,6π pour un HR/AR-DFB... 133 x
Lste des fgures Fgure 3.1: Varaton du CCR calculé en régme adabatque en foncton du courant d njecton pour pluseurs cas de phase ϕ AR à ϕ HR fxé à,4π pour un HR/AR-DFB... 134 Fgure 3.13: Comparason des réponses temporelles grands-sgnaux en pertes normalsées de la cavté (pertes DFB) applquée à deux lasers HR/AR-DFB ayant un chrp rouge pour ϕ HR =,6π (a) et bleu pour ϕ HR = 1,4π (b) à 1 Gb/s... 135 Fgure 3.14: Comparason des réponses temporelles grands-sgnaux en pussance de sorte applquée à deux lasers HR/AR-DFB ayant un chrp rouge pour ϕ HR =,6π (a) et bleu pour ϕ HR = 1,4π (b) à 1 Gb/s... 136 Fgure 3.15: Comparason des réponses temporelles grands-sgnaux en densté moyenne de porteurs applquée à deux lasers HR/AR-DFB ayant un chrp rouge pour ϕ HR =,6π (a) et bleu pour ϕ HR = 1,4π (b) à 1 Gb/s... 138 Fgure 3.16: Comparason des réponses temporelles grands-sgnaux en chrp applquée à deux lasers HR/AR-DFB ayant un chrp rouge pour ϕ HR =,6π (a) et bleu pour ϕ HR = 1,4π (b) à 1 Gb/s... 14 Fgure 3.17: Synoptque du banc de mesure de la réponse AM et FM en pett-sgnal... 14 Fgure 3.18: Varaton du CCR mesuré en régme adabatque en foncton de la pussance de sorte pour les lasers HR/AR-DFB relatfs à dfférentes phases aux facettes,valeurs de pénalté de transmsson par rapport au BtoB mesurées à un BER de 1-9 aprés 3 km de fbre SMF à,5 Gb/s... 14 Fgure 3.19: Synoptque du banc de mesure de la réponse AM et FM en grand-sgnal... 143 Fgure 3.: Profl temporal du chrp et de l ampltude du sgnal en régme grand-sgnal pour modulaton entre et 1 mw pour les lasers DFB présentant un chrp bleu (a) et rouge (b), Profl temporel de l ampltude calculé après km de propagaton à,5 Gb/s pour les lasers avec un chrp bleu (c) et rouge (d)... 144 Fgure 3.1: Schéma des dfférents régmes de rétroacton optque en foncton de la longueur de la cavté externe... 145 Fgure 3.: Schéma de la boucle de rétroacton optque externe... 148 Fgure 3.3 : Varaton de l ampltude (bleu) and de la phase (rouge) du CPR en foncton de la fréquence de modulaton pour le laser DFB sans rétroacton optque... 149 Fgure 3.4: Varaton de l ampltude (bleu) and de la phase (rouge) du CPR en foncton de la fréquence de modulaton pour pluseurs taux de rétroacton optque G γ,(a) G γ =1,4 1-6, (b) G γ =1,5 1-5, (c) G γ =1,6 1-4, and (d) G γ =5,5 1-3... 15 x
Lste des fgures Fgure 3.5: Varaton du CPR mesuré en régme adabatque à 5 MHz en foncton du taux de rétroacton optque externe... 151 Fgure 3.6: Varaton du rapport β/m mesuré en foncton de la fréquence de modulaton pour le cas soltare (courbe rouge) et et pour un taux de rétroacton d envron G γ =1,5 1-5 (courbe bleu)... 151 Fgure 3.7: Varaton du CPR thermque mesuré en foncton de la fréquence de modulaton pour le cas soltare (a) et en présence de rétroacton optque (b)... 153 Fgure 3.8: Réducton du chrp des lasers par la rétroacton optque externe contrôlée (puce A)... 155 Fgure 3.9: Réducton du chrp des lasers par la rétroacton optque externe contrôlée (puce C)... 156 Fgure 3.3: Spectre optque mesuré à la sorte de l EML (puce A)... 157 Fgure 3.31: Varaton du rapport β/m mesuré en foncton de la fréquence de modulaton pour dfférents taux de rétroacton optque... 157 Fgure 3.3: Effet de la rétroacton optque sur la bande passante AM des lasers DFB... 158 Fgure 3.33: CPR calculé dans le régme adabatque en foncton de la pussance de sorte pour pluseurs condtons de rétroactons, κl =,8... 16 Fgure 3.34: (a) Zoom sur la fgure 3.33 (b) CPR calculé dans le régme adabatque en foncton de la réflectvté effectve du coté de la facette AR... 161 Fgure 3.35: CPR calculé dans le régme adabatque en foncton de la pussance de sorte pour pluseurs condtons de rétroactons, κl=,5... 163 Fgure 3.36: Réponse AM calculé d un laser à bote quantque en présence d une rétroacton optque externe contrôlée... 164 Chaptre 4 : Fgure 4.1: schéma de la structure d un D-EML conçu pour la modulaton duale... 171 Fgure 4.: Vue sur embase des puces D-EML... 17 Fgure 4.3: La platne d accuel des D-EML... 174 Fgure 4.4 : La pussance de sorte mesurée en foncton du courant du D-EML... 175 Fgure 4.5 : Spectre optque du D-EML... 175 Fgure 4.6: La longueur d onde d émsson mesurée en foncton du courant d njecton pour deux valeurs de tensons applquées pour le D-EML... 176 x
Lste des fgures Fgure 4.7: La longueur d onde d émsson mesurée en foncton de la tenson applquée pour pluseurs courants de polarsaton... 177 Fgure 4.8: La pussance de sorte en foncton de la tenson applquée pour un courant de polarsaton de 8 ma du D-EML, T= C... 177 Fgure 4.9: schéma du dspostf de mesure de bande passante du laser DFB et du modulateur EAM... 179 Fgure 4.1: Réponse AM du laser DFB en foncton du courant de polarsaton pour une tenson applquée de V (a), et -V (b)... 18 Fgure 4.11: Réponse AM du laser DFB en foncton de la tenson de polarsaton de l EAM pour un courant de 6 ma (a) et de 11 ma (b)... 181 Fgure 4.1: Réponse AM du modulateur EAM en foncton du courant de polarsaton du laser DFB pour une tenson applquée de -V... 181 Fgure 4.13: Evoluton du rapport ~ b m (en module et en phase) mesuré par le VNA en foncton de la fréquence de modulaton pour le laser DFB... 18 Fgure 4.14: Réponse AM et FM du laser DFB mesurés par le VNA... 183 Fgure 4.15: Evoluton du coeffcent de couplage phase-ampltude (paramètre de Henry α H ) en foncton de la tenson applquée au modulateur EAM... 184 Fgure 4.16: Réponses AM et FM du laser DFB mesurés en régme grand-sgnal à 1Gb/s. 185 Fgure 4.17: Schéma d un CML... 186 Fgure 4.18: Réponse temporelle calculée en pussance de sorte, chrp et de phase d un laser DFB modulé en fréquence à 1Gb/s. Fgure 4.19: Réponse temporelle calculée en pussance de sorte, chrp et de phase d un modulateur EAM à 1 Gb/s... 189 Fgure 4.: (a) Réponse temporelle en ntensté et en chrp d une séquence NRZ applquée à l EAM à 1 Gb/s avant propagaton (b) Réponse temporelle en ntensté d une séquence NRZ applquée à l EAM à 1 Gb/s avant et après 8 km de propagaton... 191 Fgure 4.1: Réponse temporelle en pussance, chrp et de phase du D-EML à 1Gb/s... 19 Fgure 4.: Réponse temporelle en chrp et en phase d un D-EML à 1 Gb/s sans (a) et avec (b) optmsaton du pont de fonctonnement, Réponse temporelle en ntensté du D-EML à 1 Gb/s avant et après 18 km de propagaton sur une fbre monomode standard sans (c) et avec (d) optmsaton du pont de fonctonnement, m IM = 1.... 193 Fgure 4.3: Réponse temporelle en ntensté du D-EML à 1 Gb/s avant (bleue) et après (rouge) 18 km de propagaton sur une fbre monomode standard pour m IM = 1 (a), m IM =,7 (b) et m IM =,4 (c)... 194 x
Lste des fgures Fgure 4.4: Réponse temporelle calculée en chrp et en phase d un D-EML à 1 Gb/s pour m IM =,7(a) et m IM =,4 (c), Réponse temporelle en ntensté du D-EML à 1 Gb/s avant et après 18 km de propagaton pour m IM =,7 (b) et m IM =,4 (d)... 194 Fgure 4.5: Allure schématque de l évoluton du BER en foncton de la pussance optque reçue... 195 Fgure 4.6: Fermeture de l œl pour dfférentes dstances de transmsson pour le cas d une modulaton smple et duale à 1 Gb/s et Gb/s... 197 Fgure 4.7: BER smulé en foncton de la dstance de transmsson à 1 Gb/s (A), Gb/s (B), 5 Gb/s (C) et 4 Gb/s (D)... 198 Fgure 4.8: BER smulé en foncton de la pussance optque reçue à 1 Gb/s (A), Gb/s (B), 5 Gb/s (C) et 4 Gb/s (D)... 199 Fgure 4.9: Dspostf expérmental pour la mesure du BER à, 5 et 4 Gb/s... Fgure 4.3: Mesure du retard temporel entre la modulaton AM du modulateur et FM du laser, (a) modulateur modulé seul, (b) laser modulé seul... 1 Fgure 4.31: Améloraton de la qualté de transmsson ndute par la modulaton duale à Gb/s mesurée sur la sensblté du photorécepteur en BtoB et à 39,7 km... Fgure 4.3: Effet de la modulaton duale sur le dagramme de l œl à Gb/s... 3 Fgure 4.33: Effet de la réducton du courant du laser à 5 Gb/s :... 4 Fgure 4.34: Incdence de la tenson de polarsaton (effet de pré-chrpng)... 5 Fgure 4.35: Effet de la modulaton duale sur le dagramme de l œl à 4 Gb/s en BtoB (a) et après 7 km (b)... 5 Fgure 4.36: Effet de l augmentaton de portée à paramètres constants de sources... 6 Fgure 4.37: Comparason des performances de dfférentes sources de modulaton (EAM et D-EML) pour un pont de fonctonnement fxe... 7 Fgure 4.38: BER mesuré en foncton de la pussance optque reçue par la photodode après 1 et 1 km de fbre SMF à 4 Gb/s... 8 Fgure 4.39: Spectre du sgnal modulé en NRZ à la sorte du MZM (a) et du D-EML (b)... 8 Fgure 4.4: Comparason des performances de dfférents sources de modulaton : MZM (λ MZM = 1534 nm) et D-EML à 4 Gb/s... 9 Fgure 4.41: Dspostf expérmental de génératon des sgnaux SSB par le D-EML... 1 Fgure 4.4: (a) Spectre d un sgnal SSB généré par le D-EML pour une fréquence, (b) Réponse temporelle en ntensté et en fréquence... 11 Fgure 4.43: Spectre d un sgnal SSB généré par le D-EML à dfférentes fréquences de modulaton... 1 x
Lste des fgures Fgure 4.44: Réponse fréquentelle d une fbre SMF standard de longueur 75 km sute à la propagaton des sgnaux générés par le laser DFB, le modulateur EAM et le D-EML... 14 Fgure 4.45: Montage expérmental de génératon des sgnaux OFDM à travers le D-EML 16 Fgure 4.46: (a) Spectre des sgnaux OFDM applqués au laser DFB (a) et au modulateur EAM (b), allure temporelle du sgnal OFDM (c), densté de probablté du sgnal (d)... 17 Fgure 4.47: (a) Spectre du sgnal OFDM reçu après 1 km de propagaton sur une fbre SMF, (b) allure temporelle du sgnal OFDM reçu, (c) densté de probablté du sgnal reçu 18 Fgure 4.48 : (a) Réponse du canal par sous-porteuse après 1 km de propagaton sur une fbre SMF, (b) Varaton de l EVM par sous-porteuse... 19 Concluson : Fgure : Structure du ΦEML... 7 Annexe A: Fgure A.1 : Dstorson du champ électrque ndut par le nuage d électron représenté par un atome solé...9 Annexe B: Fgure B.1: Réponse calculée d une fbre dspersve après la propagaton d un sgnal modulé en AM et FM en foncton de la portée... 34 Fgure B.: Réponse calculée d une fbre dspersve après la propagaton d un sgnal modulé en AM et FM en foncton de la portée.33 Fgure B.3: Réponse calculée d une fbre dspersve après la propagaton d un sgnal SSB..... 34 xv
Lste des tableaux Lste des tableaux Chaptre 1: Tableau 1: Etat de l art des EML dans le marché des Télécoms (λ=1,5 μm)... 34 Tableau : Etat de l art des EML en cours de développement dans les laboratores de recherche... 35 Chaptre : Tableau 3: Paramètres de smulaton du laser DFB HR/AR à 1 puts quantques... 85 Chaptre 4: Tableau 4: Portée de transmsson en foncton du débt pour une pénalté de dsperson de db... 196 Tableau 5: Performances de la modulaton duale aux hauts débts... 9 Tableau 6 : Evoluton des ponts de fonctonnement du D-EML pour mantenr le contexte SSB pour des fréquences de modulaton entre 6 GHz et 11 GHz... 13 Tableau 7: Evoluton des ponts de fonctonnement du D-EML pour mantenr le contexte SSB pour des fréquences de modulaton entre 3 GHz et 6 GHz... 13
Introducton générale Introducton générale Contexte scentfque L évoluton des servces gourmands en bande passante pour les usages personnels tels que la télévson à la demande/haute défnton, le partage des vdéos, les jeux en réseau, le télétraval et la vdéoconférence a stmulé l exploson des transmssons de données à travers le réseau Internet. Cette exploson, assocée au développement de nouvelles applcatons professonnelles comme les échanges massfs de données, le stockage massf et le calcul dstrbué, a crée un beson ncessant en débt et en portée dans les systèmes de télécommuncatons nfluençant tous les éléments des systèmes et réseaux de transmsson. Depus leurs premers déploements, les réseaux de télécommuncatons optques ne cessent de répondre aux exgences crossantes de bande passante et de capacté, grâce à la large bande passante des fbres optques (quelques dzanes de THz) qu permettent de supporter les débts élevés. Les réseaux de transmsson par fbre optque sont classfés selon la portée en réseaux d accès, métropoltans et cœurs. Dans la hérarche des télécommuncatons, les réseaux d'accès sont concernés drectement par les évolutons nécessares en débt et en portée. En effet, ls sont caractérsés par l'nteracton entre des technologes de réseau basées sur dfférents supports de transmsson tels que le support flare, le support rado ou la fbre optque. La transmsson de données flares qu domne la parte d accès du réseau optque devent un goulot d étranglement à cause de l augmentaton crossante de demande des servces. L mplémentaton de l accès nternet à haut débt et de la technologe FTTH (Fber To The Home) permet de résoudre les problèmes de capacté et de garantr la rapdté et la convvalté des servces domestques et professonnels tout en encourageant la smultanété de leur usage. Les réseaux optques d accès sont prncpalement basés sur l archtecture GPON (Ggabt Passve Optcal Networks) ou EPON (Ethernet PON) et sur la technologe de multplexage temporel (TDM : Tme Dvson Multplexng Access) dans laquelle les canaux alloués à chaque utlsateur raccordé sont multplexés en utlsant des ntervalles de temps successfs (TS : Tme Slot). En France, ls proposent actuellement aux abonnés 1 Mb/s en flux descendant et 1 Mb/s ou 1Mb/s en opton en flux montant. 1
Introducton générale Les réseaux métropoltans (MAN : Métropoltan Area Network) agrègent le trafc provenant des réseaux d'accès, avant sa transmsson sur de longues dstances. Les MAN, basés sur les technologes de transmsson optque, sont caractérsés par une connectvté mportante et une dstance lmtée comprse dans une plage d envron 1 km à envron km. Les réseaux métropoltans dovent supporter dfférents protocoles de communcaton, ce qu nécesste une nteracton étrote entre la geston du trafc et l nfrastructure du réseau. Les réseaux cœurs, de type terrestres ou sous-marns, permettent de raccorder pluseurs MAN sur des dstances supéreures à km. Pour les réseaux d accès et métropoltans, le passage vers de plus fortes capactés condut à des exgences strctes sur le contrôle des coûts en termes d nvestssement et des dépenses opératonnelles et plus récemment sur tout ce qu concerne la consommaton énergétque. Pour ce fat, les concepteurs des réseaux d accès sont concentrés sur l utlsaton de l nfrastructure exstante (TDM-GPON) en rason de son coût rédut de déploement et de mantenance. L objectf actuel des nouvelles génératons des réseaux d accès (NGPON : Next Generaton PON) est d assurer un débt en lgne centrale vers l abonné de 1 Gb/s avec une portée dentque au GPON typquement de l ordre de km ou allongée avec un maxmum de 6 km. Concernant, les réseaux métropoltans et cœurs, la forte capacté est obtenue par l ntroducton de la technque de multplexage en longueur d onde (WDM : Wavelength Dvson Multplexng). Cette technque permet d augmenter le débt grâce à la superposton de pluseurs canaux (pluseurs longueurs d onde) sur une même fbre. Une comparason de l évoluton effectve et prévsonnelle jusqu à l année du trafc total cumulé des réseaux optques de transport et de la capacté maxmale des systèmes de transmsson déployés est llustrée par la fgure 1 [1]. On observe que l ntroducton de la technque WDM en 1995 a entraîné une évoluton rapde de la capacté des systèmes de transmsson permettant de dépasser le trafc total des réseaux de transport entre deux années spécfques et envron 8. Ces dernères années (à partr de 8), la capacté maxmale transportée par les réseaux de télécommuncatons optques est en évoluton rapde avec le déploement massf et contnu des servces FTTH. Les débts actuels de 1 Gb/s/canal dans les réseaux métropoltans et 1 Gb/s/canal pour les réseaux cœurs avec un débt total dépassant les 1 Tb/s ne peuvent plus supporter le trafc total prévu qu dépassera 1 Tb/s au-delà de 15 (fgure 1). Le trafc de données (notamment du trafc IP) représente la force motrce de l augmentaton future de la capacté des réseaux. Pour fare face à la crossance phénoménale
Introducton générale et contnue de la demande de servces FTTH, l est nécessare de réalser un saut technologque dans tous les mallons des réseaux optques, et plus partculèrement des réseaux d accès et métropoltans. En effet, une augmentaton du débt par canal au-delà de 1 Gb/s accompagnée d une portée plus étendue devent une nécessté future pour ces réseaux afn de résoudre les problèmes de capacté crossante, et donc de garantr un accès à large bande passante. Tb/s 1 1 1,1 Trafc total cumulé des réseaux cœurs aux Etats-Uns Capacté des systèmes de transmsson commercaux,1 199 1 Année Fgure 1: Comparason de l évoluton du trafc total cumulé des réseaux cœurs aux Etats-Uns et de la capacté maxmale des systèmes de transmsson commercaux [1] Les systèmes de transmsson à haut débt Un système de transmsson par fbre optque à haut débt demande la mse en œuvre de technologes sophstquées pour tous les composants qu le consttuent. Pour mémore, on rappelle que les composants nécessares pour réalser un système de transmsson optque pont à pont sont dvsés en tros groupes : les émetteurs optques, la lgne de transmsson et les récepteurs optques : L émetteur optque assure deux types de fonctons qu sont respectvement la génératon et la modulaton du sgnal. La génératon de la lumère cohérente est obtenue en utlsant des lasers à sem-conducteurs pompés électrquement. La foncton de modulaton consste à convertr le sgnal électrque de données à transmettre sur le support optque. Les émetteurs sont placés à l entrée de la lgne de transmsson formée par une fbre optque monomode pour assurer l njecton du sgnal optque modulé. Les caractérstques lnéares des fbres optques monomodes sont prncpalement l atténuaton [], la dsperson chromatque [] et la dsperson en mode de polarsaton (PMD : Polarzaton Mode Dsperson) [3]. La convergence vers les systèmes à 3
Introducton générale haut débt à portée étendue est souvent lmtée par les effets de la fbre monomode et notamment le phénomène de dsperson chromatque. En effet, l correspond à la varaton des vtesses de groupe des dfférentes composantes spectrales des sgnaux optques transms. Les effets de la dsperson sont donc l élargssement temporel des mpulsons transmses et l nterférence entre les mpulsons adjacentes connue sous le nom d nterférence nter-symbole (ISI : Inter-Symbol Interference) permettant ans de dégrader le dagramme de l œl à la récepton et de lmter la dstance de transmsson. Les récepteurs optques placés à la sorte de la fbre, assurent la détecton du sgnal transms par une transformaton opto-électrque du sgnal optque reçu dans une photodode. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes unquement ntéressés aux émetteurs optques. En effet, leur rôle devent très mportant avec l augmentaton du débt par canal dans le système de transmsson. En conséquence, des contrantes concernant la smplcté, le fable coût, la maîtrse de la consommaton et la réducton de l encombrement s mposent pour la concepton des sources optques destnées aux réseaux métropoltans et d accès. La foncton clé d un système de transmsson optque à haut débt est relatve à l opératon de modulaton au nveau des émetteurs optques. Deux stratéges peuvent être utlsées pour réalser cette opératon. Il s agt de la modulaton drecte et de la modulaton externe. La modulaton drecte d un laser à sem-conducteurs est la méthode la plus smple pour générer un sgnal optque modulé. Dans le cas d une modulaton numérque d ntensté (IM : Intensty Modulaton), le courant d njecton du laser est modulé par un sgnal électrque de données condusant à une modulaton drecte de la pussance optque de sorte. Assocée à la modulaton IM pure, une varaton ndésrable de la fréquence d émsson du laser se produt lors de l opératon. Cette dérve en fréquence, appelée «chrp» est relée aux fluctuatons nternes des porteurs de charge ntervenant dans le processus de génératon laser : la varaton du courant d njecton cause un changement de la densté de porteurs dans la cavté (régon du gan du laser) qu détermne son ndce de réfracton effectf [4]. La modulaton du courant d njecton entraîne donc une modulaton de l ndce condusant à une modulaton de phase et donc de fréquence d émsson laser (chrp). La dérve en fréquence des lasers à sem-conducteurs peut être décrte par le facteur de couplage phase-ampltude du matérau qu tradut la relaton lant le gan et l ndce de réfracton à travers la densté de porteurs dans la cavté. La dérve en fréquence des lasers n est pas vsble dans la forme du sgnal modulé en ntensté, mas elle se manfeste plus dans l élargssement du spectre du sgnal optque. 4
Introducton générale Les lasers à contre-réacton dstrbué (DFB : Dstrbuted FeedBack Laser) sont les lasers à sem-conducteurs les plus largement utlsés dans les réseaux d accès et métropoltans à cause de leur rendement monomode, leur talle, leur fable coût, leur consommaton rédute et leur forte pussance de sorte. Les lasers DFB sont caractérsés par la présence d un réseau de Bragg le long de la cavté entre les deux facettes clvées d un laser Fabry-Perot (FP) qu crée une varaton pérodque d ndce de réfracton du matérau [5]. La sélectvté modale provent de l effet de fltrage lé à la structure pérodque du réseau de Bragg [5]. Les transmssons numérques à haut débt utlsant des lasers DFB modulés drectement (DML : Drectly Modulated Laser) sont fortement nfluencées par la dérve en fréquence résultante de l opératon de modulaton. En effet, après propagaton, la conjoncton entre la dérve en fréquence et la dsperson chromatque de la fbre entraîne une lmtaton de la portée de transmsson à cause de l ISI ndute. Dans le but de dépasser la lmte de portée de transmsson mposée par la dsperson et d augmenter le débt, pluseurs travaux de recherche sont concentrés sur le contrôle de la dévaton en fréquence (chrp) des lasers DFB. Des expérences récentes ont montré la réducton de la dérve en fréquence des DML par l annulaton du facteur de couplage phaseampltude à travers un fort taux de rétroacton optque externe [6]. D autres concepts consstent à casser l nterdépendance entre la modulaton IM et FM des DML afn de pouvor contrôler séparément leurs effets. Parm ces concepts, on cte les CML (Chrp Managed Laser) basés sur un DML assocé à un fltre optque externe fonctonnant comme un dscrmnateur FM/AM accordé précsément à la longueur d onde de fonctonnement [7,8]. La modulaton externe consste à moduler la lumère à la sorte du laser avec un composant spécfque comme les modulateurs électro-optques de type Mach-Zehnder (MZM : Mach-Zehnder Modulator). La séparaton de la foncton de génératon et de celle de modulaton apporte une soluton pour amélorer la portée lorsque le chox du modulateur externe se porte sur un composant présentant un fable effet de dévaton en fréquence. Néanmons, l utlsaton des modulateurs externes (exemple du MZM) dans les réseaux d accès et métropoltans engendre des coûts et un encombrement supplémentare, et une consommaton plus élevée. Les modulateurs à électro-absorpton (EAM : Electro-Absorpton Modulator) sont basés sur la modulaton de coeffcent d absorpton des matéraux sem-conducteurs. L atout mportant de ces modulateurs tent en la possblté de les ntégrer de façon monolthque avec les lasers DFB. Cela permet de rédure l encombrement et les pertes optques d nserton et 5
Introducton générale d obtenr un composant extrêmement compact appelé EML (Electro-absorpton Modulated Laser). Les EML sont largement utlsés pour une modulaton numérque d ntensté (IM). Leur bande passante électrque de modulaton est très élevée pouvant attendre 8 GHz [9]. La dévaton en fréquence qu accompagne cette modulaton d ntensté étant nettement mons forte que dans le cas des DML, leur utlsaton dans les systèmes permet d attendre des portées typques de l ordre de 8 km à 1 Gb/s. Grâce à leur talle rédute, leur bas coût et leur fable consommaton énergétque, les EML ont trouvé un large succès ndustrel pour les transmssons télécoms à haut débt marqué par leur compéttvté potentelle pour les applcatons à 4 Gb/s et les systèmes à quatre longueur d onde 4 5 Gb/s pour les applcatons 1 Gb Ethernet [1]. Plan de la thèse Le traval de la thèse consste à étuder deux technques pour combattre les effets de la dsperson chromatque de la fbre à travers l ngénere de la dérve en fréquence des émetteurs optques avec comme objectf l augmentaton du débt et de la portée. La premère technque consste à prévor et contrôler la dérve en fréquence des DML afn de rédure son mpact sur la qualté du sgnal après la propagaton de ce derner dans une fbre optque. En présence du réseau de Bragg des lasers DFB, les non-lnéartés spatales d ndce (SHB : Spatal Hole Burnng) dans la cavté laser évoluent avec le courant d njecton et nfluencent consdérablement le comportement de la dérve en fréquence de ces composants [11,1]. Dans ce contexte, une premère parte du traval de la thèse est consacrée à la prévson de la dérve en fréquence des DML, à travers l étude théorque et expérmentale de son comportement en foncton des effets de SHB. Dans la contnuté de nombreuses études théorques et expérmentales tratant de la rétroacton optque externe sur le comportement des DML [6, 13 16], une nouvelle approche a été consdérée dans l objectf d accroître la portée de lasons par fbre optque. Elle consste à ajuster le nveau de rétroacton optque afn d aboutr au contrôle de la dévaton en fréquence de ces DML pour l adapter aux besons d une transmsson sur fbre optque. L augmentaton de portée et de débt obtenue par l ajustement de la dérve en fréquence et plus précsément de la modulaton de la fréquence (FM) dans le but de rédure la largeur du spectre du sgnal modulé fat l objet de la deuxème technque étudée. 6
Introducton générale Cette technque est basée sur la modulaton duale des EML. Proposé par Km en 6 [17], ce concept consste à juxtaposer la modulaton FM applquée sur le laser et IM applquée sur le modulateur afn de séparer les contrôles respectfs des deux effets. Il permet donc de générer, d une façon plus souple des sgnaux modulés avec des spectres réduts grâce à un ajustement adéquat du rapport IM/FM. La modulaton duale des EML reprse dès 9 par les ntateurs du traval de la thèse a prouvé son effcacté à 1 Gb/s avec une portée de transmsson à 113 km [18], encore amélorée ensute jusqu à 18 km [19]. En conséquence, ce concept a donné nassance à un nouveau composant dénommé D-EML (Dual Electroabsorpton Modulated Laser) dont l nnovaton ntrodut le double accès de modulaton sur l EML. En s appuyant sur cette nnovaton, la deuxème parte du traval de la thèse est consacrée à l évaluaton expérmentale et théorque des performances de la modulaton duale aux hauts débts ans que son utlsaton dans les applcatons de rado-sur-fbre ou de modulaton fréquentelle orthogonale (OFDM : Orthogonal Frequency Dvson Multplexng). La thèse est organsée en quatre chaptres. Nous commencerons par un chaptre ntroductf qu présente de manère détallée le phénomène de dérve en fréquence, ses orgnes physques et son comportement pour le cas des lasers DFB et des modulateurs EAM. Ce chaptre a pour but d explquer l nfluence de la dérve en fréquence sur la portée de transmsson dans une fbre optque dspersve. Le deuxème chaptre sera consacré à l exposé d un modèle orgnal flexble de laser DFB. Ce modèle développé au cours du traval de la thèse est basé sur le formalsme des matrces de transfert (TMM) adaptable à des structures complexes varées et faclement ntégrable avec d autres modèles de composants optoélectronques. Il est capable de prendre en compte les non-lnéartés spatales de la cavté (SHB) que ce sot pour le calcul des performances du laser au seul ou pour la descrpton de son comportement statque et dynamque au-dessus du seul. Une extenson du modèle permet de prendre en compte l effet d une rétroacton optque externe. Nous termnons ce chaptre par l exposé de l extenson de ce modèle au cas des EML à travers une numérsaton du comportement du modulateur EAM. Ans, la modulaton duale pourra être étudée et l explotaton du modèle amènera, va une étape de smulaton système, à la détermnaton des condtons optmales d utlsaton. Le trosème chaptre portera, dans un premer temps, sur l analyse théorque et expérmentale des effets du SHB sur le comportement de la dérve en fréquence des lasers 7