8 Evaluation De L`effet Handicap De La PMD Sur Les Transmissions
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1. l oeil obtenus en sortie de PIN selon que la PMD soit prise en compte ou non b Fig 4 Diagrammes de l oeil en sortie a sans prise en compte de la PMD b avec prise en compte de la PMD La premi re information tir e de ces figures on voie bien que le signal de diagramme de l il a pr sente une bonne qualit par rapport au signal b Les facteurs de qualit et les TEB ont t calcul s dans les deux cas Q 14 1 TEB 10 Q gt 11 2 TEB 10 et la PMD a fait diminuer sa valeur de 20 pour 100 km de transmission Son influence n est donc pas extr mement importante car le TEB reste toujours sup rieur sa valeur critique 10 10 mais pour des longueurs de fibres plus importantes et par cons quent des valeurs du DGD plus grandes voire plus proches du temps bit des donn es son r le sera cons quent sur la qualit de transmission ceci c est l objet de la 2 simulation ii Pour la 2 partie de simulation on a tudi l influence de la PMD sur la qualit de transmission mais cette fois pour des d bits et des longueurs de liaisons diff rents les valeurs typiques des simulations sont 48 e Longueur de la fibre varie entre 50 km 10000 km e Le d bit de signal NRZ prend les valeurs 2 5 10 40 80 160 Gbps e Bir fringence lin ique 0 05ps km e Longueur de couplage Ikm La liaison simul e est toujours celle repr sent e sur la Figure 3 Ces simulations s2. norme devant l augmentation des d bits sur une partie des r seaux de la plupart des compagnies de t l communication La PMD est une quantit variable dans le temps qui d grade la largeur de bande passante de syst me et c est difficile de minimiser leur effet Elle affecte la fiabilit de r seau et devienne plus en plus g nante lorsque les d bits de r seau augmentent L impact de PMD a t not la premi re fois dans les transmissions analogiques dues la nature sensible du signal Mais puisque les r seaux migrent des vitesses plus lev es l effet devient plus important au point o il affecte maintenant quelques transmissions de courte distance m tro Plus les d bits binaires continuent augmenter l impact sur la fiabilit extension et la largeur de bande passante des syst mes optiques fibre monomode sera plus profond En plus cela la PMD est un ph nom ne al atoire et bas sur les statistiques et est souvent mesur e incorrectement 2 Rappels th oriques sur la bir fringence et la PMD De mani re id ale le mode fondamental qui se propage dans les fibres correspond en fait deux modes d g n r s de polarisations orthogonales En pratique les petits d fauts de g om trie et les petites anisotropies du mat riau provoquent la lev e de d g n rescence des deux modes la constante de propagation n est plus la m me pour les deux polarisations et l on parle alors de bir fr
3. PMD r side dans les variations tr s al atoires la fois de la grandeur et de l orientation de cette bir fringence Aussi pour reproduire des changements d orientation de la bir fringence COMSIS utilise pour ses calculs la pr sence de lames bir fringentes r guli rement espac es de la longueur de couplage et orient es les unes par rapport aux autres selon des angles al atoires La mesure principale est le DGD Il correspond au retard diff rentiel entre les tats principaux est donn par la relation 3 La condition primordiale pour que le d calage entre les composantes Ex et Ey en sortie de la fibre soit gal la valeur du DGD est que les axes de d composition Ex et Ey et les tats principaux soient confondus 7 8 vectorisation lame fibre Fig 2 Prise en compte de la polarisation d un signal et les doubles entr es et sorties des fibres 3 2 Impact de la PMD sur la qualit de transmission dans une liaison optique 3 2 1 Pr sentation de la simulation Dans cette simulation une modulation externe a t choisie dans le but d une compatibilit avec le d bit choisi 2 5Gbps 160Gbps le module de vectorisation du champ est utilis ici pour prendre en compte la polarisation du champ optique et le pr sent sous forme vectoriel et la lame bir fringente est utilis e pour produire de la bir fringence L tude a t r alis e sur l influence de la PMD sur la qualit de transmission e
4. fringence dans les fibres de transmission de type SMF sont de l ordre de B 10 soit une longueur de battement Lg 15 5 m 1550 nm 3 Pour pouvoir pr server l tat de polarisation de l onde au cours de sa propagation 1l faut recourir des fibres dites maintien de polarisation Dans ces fibres des contraintes sont provoqu es en utilisant des dopants ou des modifications m caniques dans leurs c urs lors de la fabrication Le degr de bir fringence B r sultant est relativement important et assez bien d fini L utilisation des fibres maintien de polarisation n cessite une identification pr alable des axes lent et rapide avant qu un signal lumineux ne soit inject dans la fibre Quand la direction de polarisation du signal lin airement polaris co ncide avec les axes lent ou rapide l tat de polarisation est pr serv au cours de la propagation Au contraire si la direction de polarisation est d cal e par rapport ces axes la polarisation volue avec une p riode gale la longueur de battement Lg Cependant le co t lev des fibres maintien de polarisation emp che leur utilisation syst matique dans les syst mes de transmission En plus de la g om trie de fibre interne la PMD galement est cr e par les forces externes telles que des courbures des torsions et pressions Les causes externes peuvent tre d pendant du temps particuli rement quand la fibre est d ploy e
5. Communication Science amp technologie N 9 Janvier 2011 COST Evaluation de l effet handicap de la PMD sur les transmissions optiques longues distances et haut d bit CHENIKA Abdelfettah TEMMAR Abdelkader OUALD SAADI Houcin BOUTALEB Abdelmadjid NIAR Saadedine Laboratoire des t l communications optiques INTTIC Route de S nia BP 1518 Oran M nouer 31000 Oran ALGERIE Tel 213 41 29 93 21 Fax 213 41 29 93 O8 achenika ITO dz a_temmar hotmail com Re u le 10 02 2010 Accept le 27 09 2010 R sum Le domaine des communications par fibres optiques est actuellement caract ris par une augmentation de la demande en terme de capacit de transmission On cherche transmettre de plus en plus de donn es et de nouvelles applications voient le jour Il persiste toutefois certaines limitations comme les effets dispersifs Parmi ces effets la dispersion modale de polarisation PMD est un largissement temporel des signaux li la d pendance de la vitesse de groupe la polarisation Dans cet article on pr sente l effet d gradent de la PMD sur la qualit d un syst me optique produit Bande passantex Longueur en basant sur la mesure de facteur et le taux d erreur bit du syst me TEB Mots cl s PMD Fibre optique Qualit de transmission Bir fringence Haut d bit D lai groupe diff rentiel Taux d erreur 1 Introduction La dispersion modale de polarisation PMD est un obstacle
6. dans le r seau Ici la fibre est soumise des conditions variables dans le temps changements de temp rature emplacement de c ble due aux vibrations m caniques comme des camions ou des trains passant tout pr s rendant la compensation de PMD difficile 46 Une caract ristique essentielle de ce ph nom ne r side dans son caract re al atoire tant donn qu il est principalement d origine extrins que et d pend de la qualit de la pose de celle ci La fibre optique appara t ainsi comme un milieu fluctuant La valeur moyenne du retard n est donc pas suffisante pour le d crire totalement et nous utiliserons donc des donn es statistiques La mesure principale est le DGD Differential Group Delay DGD B x Ly x VL 3 o B est la bir fringence lin ique Lx L sont respectivement la longueur de battement et la longueur de liaison 4 La mont e en d bit dans les syst mes de transmission par fibres optiques a fait appara tre des ph nom nes qui taient jusque l n gligeables C est le cas de la dispersion modale de polarisation notamment sur certaines fibres des anciennes g n rations d j install es le ph nom ne n tait pas pris en compte Jusque dans les ann es 90 Aussi de nombreuses fibres install es pr sentent des valeurs de PMD importantes De nombreux exemples de mesure sont donn s dans la litt rature En g n ral les r sultats montrent une tol rance de l ordre de 10 du
7. elon deux polarisations orthogonales comme repr sent sur la figl La diff rence de temps de groupe est appel e temps de groupe diff rentiel ou DGD Differential Group Delay Perfect SM Fiber span a Cas d une fibre standard b Cas d une fibre id ale Fig 1 S paration temporelle d une impulsion en deux par la PMD On parle alors de dispersion modale de polarisation puisque des polarisations diff rentes se propagent des vitesses de groupe diff rentes Pendant que cette polarisation se propage le long de la fibre elle peut largir l impulsion qui peut entra ne le chevauchement avec d autres impulsions et par cons quence change sa propre forme jusqu ce qu elle soit ind tectable au r cepteur Ce ph nom ne li la dispersion modale de polarisation PMD a t tudi intensivement Communication Science amp technologie N 9 Janvier 2011 COST pendant les ann es 1990 cause de son caract re limitatif pour les syst mes de transmissions longue distance hauts d bits 2 Pour une valeur B donn e on d finit galement une longueur de fibre caract ristique appel e longueur de battement Lg qui correspond la p riode laquelle l nergie est chang e entre les deux modes fondamentaux au cours de la propagation 1 27 L m 2 B 28 B Toutes les fibres fabriqu es et install es sont naturellement bir fringentes Typiquement les valeurs de bir
8. ingence modale Le degr de bir fringence B de la fibre s value travers la diff rence entre les indices effectifs des deux axes par la relation 1 p AA ko n n 1 o P Pet n n repr sentent respectivement les constantes de propagation et les indices effectifs correspondant une onde polaris e selon les directions transverses z et y L axe pour lequel l indice effectif est le plus faible est appel axe rapide parce que la vitesse de groupe est la plus 45 grande pour une onde lumineuse se propageant dans cette direction Pour la m me raison l axe avec l indice effectif le plus grand est appel axe lent La bir fringence est une diff rence d indice de r fraction et donc une diff rence de constantes de propagation p entre deux polarisations orthogonales Quand on injecte une impulsion lumineuse dans une fibre bir fringente on excite les deux modes la fois Chacun se propage le long de la fibre avec des temps de groupe diff rents ce qui provoque l largissement de l impulsion la sortie de la fibre La bir fringence diff rence de vitesse de phase s accompagne en g n ral d une diff rence de vitesse de groupe qui est appel e dispersion modale de polarisation PMD en anglais Contrairement au ph nom ne de bir fringence la PMD d forme les impulsions La dispersion modale de polarisation a pour effet de s parer temporellement les impulsions s
9. n Dispersion in Single Mode Fibers IEEE Journal of Lightwave Technology November 1991 Vol 9 n 11 pp 1439 1456 AR Communication Science amp technologie N 9 Janvier 2011 COST 5 B Clouet tude de la dispersion modale de polarisation dans les syst mes r g n r s optiquement Th se doctorat UNIVERSIT DE RENNES I d cembre 2007 pp 62 64 6 IPSIS Manuel d utilisation du logiciel COMSIS 7 POOLE C D and WAGNER R E Phenomenological Approach to Polarization Dispersion in Long Single Mode Fibers Electronics Letters September 1986 Vol 22 N 19 pp 1029 1030 8 POTTIER Eric and SAILLARD Joseph Fondements math matiques de la polarim trie et son application au domaine du radar Annals of Telecommunications 1992 Vol 47 n 7 8 pp 314 336 50
10. n fonction de la longueur de transmission et le d bit de donn es NRZ Elle a t men e avec la liaison de r f rence Fig 3 Les r sultats pr sent s sont donc issus d une liaison constitu e d une fibre standard 47 G 652 SMF de longueur varie entre 50 km et 10000 km Les param tres caract ristiques de la PMD de la fibre SMF sont une bir fringence lin ique gale 0 05 ps km et une longueur de Emetteur i i i i i T i v ctorisation li A T li Communication Science amp technologie Canal de traisttussiot N 9 Janvier 2011 COST couplage gale 1 km Le d calage entre les composantes du champ est calcul en utilisant la relation 3 F cetteut Fig 3 Sch ma bloc de la liaison simul e 3 2 2 R sultats de la simulation 1 Pour la premi re partie de simulation on a tudi l effet de la PMD sur la qualit de transmission les valeurs typiques pour la liaison simul e sont e Longueur de la fibre 100 km e Bir fringence lin ique 0 05ps km e Longueur de couplage Ikm a Le signal d entr e est de type NRZ 50 avec un d bit de 40Gbps La liaison simul e est toujours celle repr sent e sur la Figure 3 Ces simulations sont r alis es avec les param tres de PMD d crits ci dessus et une valeur de DGD calcul e par COMSIS pour les caract ristiques de bir fringence donn e La Figure 4 repr sente les diagrammes de
11. ont r alis es avec les param tres de PMD d crits ci dessus Les r sultats de cette tude sont report s sur les figures 5 7 Fig 5 Influence de la PMD sur le facteur Q en fonction de la longueur de la liaison pour des d bits diff rents Fig 6 Influence de la PMD sur le facteur Q en fonction de d bit pour des longueurs diff rentes N 9 Janvier 2011 COST 100 200 300 500 1000 5000 10000 Fig 7 Influence de la PMD sur le TEB en fonction la longueur de la liaison et de d bit La figure 5 pr sente l influence de la PMD sur le facteur Q en fonction de la longueur de la liaison pour des d bits diff rents on remarque bien que plus la longueur de la liaison augmente la qualit de transmission diminu ceci est du par l augmentation de DGD subit Ainsi pour la figure 6 qui montre bien l influence de la PMD sur le facteur Q en fonction de d bit pour des longueurs diff rentes on voit que la qualit de signal diminue tr s rapidement lorsque le d bit augmente ceci r sulte de la diminution de temps entre impulsions ce qui rendre les interf rences inter symboles plus probable La figure 7 pr sente l influence de la PMD sur le TEB en fonction la longueur de la liaison pour des d bits diff rents les r sultats montrent que pour les d bits 2 5 10 Gbps les liaisons peuvent atteindre 10000 km est la qualit de transmission reste bonne parce que le TEB subit est toujours inf rieur sa valeu
12. r critique 10 10 Or pour des d bits sup rieurs 40Gbps les longueurs de liaisons ne peuvent pas d passer les 250 km pour que le syst me pr sente une bonne qualit 4 Conclusion La Dispersion Modale de Polarisation pr sente un handicape important dans les syst mes de transmissions par fibre optique et vue son caract re al atoire il n existe pas de mod le de pr diction simple pour l interpr ter donc reste le facteur majeur limitant le d bit de transmission sur fibres monomodes alors que la dispersion chromatique est parfaitement g r e par les techniques de compensation exemple DCF La PMD est un param tre non n gligeable dans les transmissions par fibre optique 40 Gbps pour des longueurs au del de 250 km et doit tre imp rativement int gr e dans les simulations des liaisons 49 aD ph 404 Yu 5 Bibliographie 1 I Kaminow Polarization in optical fibers IEEE J Quantum Electron QE 17 pp 15 22 1981 2 E Lichtman Performance limitations imposed on all optical ultralong lightwave systems at the zero dispersion wavelength J Lightwave Technol 13 pp 898 905 1995 3 H Kogelink R M Jopson L E Nelson Polarization mode dispersion in Optical Fiber Telecommunications IVB Systems and impairments I Kaminow and T Li Academic Press 2002 pp 725 861 4 FOSCHINI G F end POOLE C D Statistical Theory of Polarizatio
13. temps bit pour le format NRZ et de 15 du temps bit pour les formats RZ Si l on consid re que ce ph nom ne devient g nant partir de 10 du temps bit une PMD de 10 ps resp 2 5 ps est la limite tol rable pour un d bit de 10 Gbit s resp 40 Gbit s 5 3 Simulations L ensemble de simulations pr sent es ci dessous sont faites pour tudier l influence de la PMD sur la qualit de signal de r ception Ceci en utilisant le simulateur COMSIS Avant de passer aux simulations 1l faut d abord pr senter comment utiliser ce simulateur pour tudier la PMD 3 1 Prise en compte de la PMD en utilisant COMSIS Pour prendre en compte le ph nom ne de PMD dans la liaison simul e avec COMSIS il est n cessaire de d composer le signal en deux parties repr sentant ses polarisations Ceci est r alisable en utilisant le bloc Vectorisation Champ du Communication Science amp technologie N 9 Janvier 2011 COST logiciel qui permet d obtenir le champ optique sous forme vectorielle et aussi de prendre en compte sa polarisation Ce mod le Fig 2 poss de une entr e et deux sorties La mod lisation de la fibre se fait alors en utilisant le m me bloc Fibre Optique Monomode du logiciel mais qui est s lectionn avec deux entr es et deux sorties Fig 2 6 Les param tres consid rer dans COMSIS pour simuler la PMD sont la bir fringence lin ique et la longueur de couplage En effet la description de la
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