Génération optique de signaux hyperfréquences pour la transmission de données dans les réseaux optiques

Optical Microwave Signal Generation for Data Transmission in Optical Networks

• Auteur / Autrice : Christian Daniel Muñoz-Arcos
• Direction : Angélique Rissons, Gloria Margarita Varón Durán
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes optoélectroniques
• Date : Soutenance le 26/06/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE en cotutelle avec Universidad nacional de Colombia
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Optronique, laser, imagerie physique, environnement Spatial (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département électronique, optronique et signal
• Jury : Président / Présidente : Carlos Andrés Perilla-Rozo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Angélique Rissons, Gloria Margarita Varón Durán, Carlos Andrés Perilla-Rozo, Catherine Algani, Zeno Toffano, Fabien Destic, Gustavo Adolfo Puerto-Leguizamon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Algani, Zeno Toffano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à émission par la surface à cavité verticale

Micro-ondes

Mots clés libres

Bruit de phase

Commutation de gain

Harmonique

Micro-Ondes

Oscillateur optoelectronique

Peigne de fréquence

Vcsel

Frequency comb

Gain switching

Harmonic

MIcrowave

Optoelectronic oscillator

Phase noise

Vcsel

Résumé

La croissance des services de télécommunications et l’augmentation du trafic de données à l’échelle mondiale favorise le développement et l’intégration de différents réseaux de transmission de données. Un exemple de ce développement est constitué par les réseaux de fibres optiques, qui sont actuellement chargés d’interconnecter les continents par des liaisons longues avec des taux de transfert importants. Les réseaux optiques, ainsi que les réseaux supportés par d’autres moyens de transmission, utilisent des signaux électriques à certaines fréquences pour la synchronisation des éléments du réseau. La qualité de ces signaux est un facteur décisif dans la performance globale du système, c’est pourquoi leur bruit de phase doit être aussi faible que possible.Ce document décrit la conception et la mise en œuvre d’un système optoélectronique pour la génération de signaux micro-ondes à l’aide de diodes laser à cavité verticale (VCSEL) et son intégration dans un système de transmission optique de données. Compte tenu du fait que le système proposé intègre un laser VCSEL directement modulé, une caractérisation théorique et expérimentale a été élaborée sur la base des équations d’évolution du laser, de mesures dynamiques et statiques, et d’un modèle électrique équivalent de la région active. Cette méthode a permis l’extraction de certains paramètres intrinsèques du VCSEL, ainsi que la validation et la simulation de ses performances dans différentes conditions de modulation.Le VCSEL utilisé émet en bande C et a été sélectionné en considérant que cette bande est couramment utilisée dans les liaisons à longue distance.Le système proposé est constitué d’une boucle fermée qui déclenche l’oscillation grâce aux sources de bruit des composants et module le VCSEL en fort signal pour générer des impulsions optiques (gain switching). Ces impulsions optiques, qui dans le domaine des fréquences correspondent à un peigne de fréquences optiques, sont détectées pour générer simultanément une fréquence fondamentale (déterminée par un filtre passe-bande) et plusieurs harmoniques.Le bruit de phase mesuré à10 kHz de la porteuse à1,25 GHz est de -127,8 dBc/Hz, et constitue la valeur la plus faible signalée dans la littérature pour cette fréquence et cette architecture.La gigue et la largeur d’impulsion optique ont été déterminées lorsque différentes cavités résonantes et différents courants de polarisation étaient utilisés.

The massive growth of telecommunication services and the increasing global data traffic boost the development, implementation, and integration of different networks for data transmission.An example of this development is the optical fiber networks, responsible today for the inter-continental connection through long-distance links and high transfer rates. The optical networks, as well as the networks supported by other transmission media, use electrical signals at specific frequencies for the synchronization of the network elements. The quality of these signals is usually determined in terms of phase noise. Due to the major impact ofthe phase noise over the system performance, its value should be minimized.The research work presented in this document describes the design and implementation of an optoelectronic system for the microwave signal generation using a vertical-cavity surface emitting laser (VCSEL) and its integration into an optical data transmission system. Considering that the proposed system incorporates a directly modulated VCSEL, a theoretical and experimental characterization was developed based on the laser rate equations, dynamic and static measurements, and an equivalent electrical model of the active region. This procedure made possible the extraction of some VCSEL intrinsic parameters, as well as the validation and simulation of the VCSEL performance under specific modulation conditions.The VCSEL emits in C-band, this wave length was selected because it is used in long-haul links. The proposed system is a self-initiated oscillation system caused by internal noise sources,which includes a VCSEL modulated in large signal to generate optical pulses (gain switching).The optical pulses, and the optical frequency comb associated, generate in electrical domain simultaneously a fundamental frequency (determined by a band-pass filter) and several harmonics. The phase noise measured at 10 kHz from the carrier at 1.25 GHz was -127.8dBc/Hz, and it is the lowest value reported in the literature for this frequency and architecture.Both the jitter and optical pulse width were determined when different resonant cavities and polarization currents were employed. The lowest pulse duration was 85 ps and was achieved when the fundamental frequency was 2.5 GHz. As for the optical frequency comb, it was demonstrated that its flatness depends on the electrical modulation conditions.The flattest profiles are obtained when the fundamental frequency is higher than the VCSELrelaxation frequency. Both the electrical and the optical output of the system were integrated into an optical transmitter.The electrical signal provides the synchronization of the data generating equipment,whereas the optical pulses are employed as an optical carrier. Data transmissions at 155.52Mb/s, 622.08 Mb/s and 1.25 Gb/s were experimentally validated. It was demonstrated that the fundamental frequency and harmonics could be extracted from the optical data signal transmitted by a band-pass filter.