Modélisation et conception de convertisseurs numérique/analogique pour les réseaux optiques métropolitains

Model and design of low-resolution digital/analog converters for metropolitan optical networks

• Auteur / Autrice : Sylvain Almonacil
• Direction : Nicolas Dubreuil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Photonique non Linéaire - Nokia Bell Labs [Paris-Saclay]
• Jury : Président / Présidente : Christelle Aupetit-Berthelemot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Dubreuil, Antonella Bogoni, Chigo Okonkwo, François Goudail, Patricia Layec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antonella Bogoni, Chigo Okonkwo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Convertisseurs numérique-analogique

Télécommunications optiques

Mots clés libres

Réseaux optiques fibrés

Conversion numérique-Analogique

Traitement numérique du signal

Optical fiber networks

Digital to analog conversion

Digital signal processing

Résumé

Les transmetteurs et récepteurs utilisés dans les réseaux optiques sont basés sur des convertisseurs numérique/analogique et analogique/numérique (CNA/CAN) qui réalisent l'interface entre les domaines électrique et optique et permettent l'usage intensif d’opérations de traitement numérique pour la génération des signaux ou la compensation des distorsions (linéaires ou non-linéaires) dues à la propagation. Dans le contexte des transmissions courtes-distances ou métropolitaines (<600 km), le coût et la consommation des transmetteurs et récepteurs deviennent non négligeables pour le lien optique dans son ensemble (40% de l'énergie électrique utilisée dans les opérations de traitement du signal porte sur les CNA/CAN). Concernant les CAN/CNA, les deux paramètres qui influent sur leur complexité, leur coût et leur consommation sont la résolution et la fréquence d'échantillonnage. Les réduire est donc une solution prometteuse. Durant ma thèse, j'ai étudié la possibilité d'utiliser des CNA de faible résolution dans les réseaux optiques métropolitains. Un CNA de faible résolution (typiquement 4 bits ou moins) est un convertisseur pour lequel le bruit de quantification ne peut pas être négligé et limite donc la performance du lien optique ainsi que son débit ou sa portée. Tout d'abord, j'ai proposé un modèle de performance prenant en compte le bruit de quantification. Ensuite, j'ai proposé d'intégrer dans les transmetteurs optiques des algorithmes de traitement du signal, dont j'ai évalué la performance. Ils sont utilisés pour augmenter artificiellement la résolution et servent donc de base pour la conception des réseaux optiques métropolitains. En dernier lieu, j'ai proposé deux architectures innovantes de transmission optique qui permettent soit d'augmenter le débit d'information à fréquence d'échantillonnage fixe du CNA et du CAN ou alors d'utiliser la modulation Sigma-Delta (1 bit de résolution) dans un lien optique transparent de bout en bout.

Optical transceivers (transmitters and receivers) rely on digital-to-analog and analog-to-digital converters (DAC/ADC), for which the electrical and optical interfaces enable the use of digital signal processing operations (DSP) for arbitrary signal generation and mitigation of in-line propagation effects or transceiver imperfections. In the context of short-reach and metropolitan optical networks (regional to national scale), the propagation distance is reduced (<600 km) and the transceiver becomes a non-negligible contribution to cost and power consumption of the overall optical link (40% of electrical power used for digital signal processing operations is for the DAC/ADC). Regarding the DAC/ADC, the two factors that influence their complexity, cost and power consumption are the resolution and the sampling rate. Hence, decreasing the resolution or the sampling rate are promising solutions. During my PhD thesis, I studied the possibility to use low-resolution DAC in metropolitan networks. A low-resolution DAC (typically 4 or less bits) is a converter for which the quantization noise cannot be neglected, limiting the link performance, hence the data rate or reach. First, I proposed a performance prediction model accounting for the quantization noise. Then, I focused on the transmitter and proposed to integrate DSP algorithms that artificially increase the physical resolution of the DAC and maximize the link performance. The performance gains are assessed and serves as a basis for the design of optical networks employing low-resolution DAC/ADC. Last, I designed two innovative transceiver architectures: one enabling to increase the data rate at constant sampling rate and the second one enabling end-to-end transparency by employing Sigma-Delta modulation and a novel demodulation technique for signal with 1 bit of vertical resolution.