Le fonctionnement de notre société numérique s’appuie pour grande partie sur les capacités de transmission des réseaux à fibres optiques déployés dans le monde. Ces capacités par fibre optique atteignent plusieurs dizaines de Tbit/s sur des distances de plusieurs milliers de km.

Ce projet, initié depuis déjà quelques années, consiste à monter une expérience de travaux pratiques qui illustre les techniques modernes utilisées dans les liaisons sur fibre optique comme :

  • les formats de modulation en amplitude & en phase
  • la technique du multiplexage en polarisation (PDM)
  • la détection cohérente (détection en amplitude et en phase du champ optique)
  • les techniques du traitement numérique du signal (DSP)

Objectif du projet

L’objectif du projet est de réaliser une transmission sur fibre optique utilisant un laser modulé au format PDM-QPSK à un débit de 4 à 5 GSymboles/s sur des distances comprises entre (contrôlables) entre 200 et 2000 km (typiquement), avec une qualité exprimée en TEB (Taux d’Erreurs Binaires) inférieure à 10-5.

Description de l’expérience

L’expérience sera réalisée sur la base du schéma de la figure ci-dessous.

L’émetteur est constitué d’un laser monomode accordable (et de faible largeur de raie). Les données numériques sont transmises au format PDM-QPSK, à l’aide d’un modulateur électro-optique QPSK suivi d’un système optique pour réaliser du multiplexage en polarisation (partie PDM pour Polarization Division Multiplexing) des données.

La liaison sur fibre optique est émulée à partir d’une boucle à recirculation d’une longueur de 200 km et qui comprend 2 amplificateurs optiques type EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Elle est réalisée à l’aide de deux modulateurs acousto-optiques (AO) et d’un coupleur 3 dB (50/50).

Un mixeur cohérent assure la détection en amplitude et en phase, sur deux états de polarisation orthogonaux, des signaux transmis à travers la boucle à recirculation. Pour cela, un oscillateur local (laser mononomode dont la longueur d’onde est proche de celle du laser d’émission) est injecté dans le mixeur qui détecte des termes de battement avec le signal incident. Le récepteur cohérent délivre alors 4 signaux qui représentent des termes de battement entre le signal optique incident et l’oscillateur local selon deux polarisations orthogonales, en phase et en quadrature. Ces 4 signaux de sorties sont alors échantillonnés en temps réel à l’aide d’un oscilloscope numérique qui possède une bande passante analogique de 4 GHz et une fréquence d’échantillonnage de 25 GHz (sur les 4 têtes).

Pour retrouver les informations numériques transmises, il est alors nécessaire d’appliquer des étapes de traitement numérique (DSP pour Digital Signal Processing) sur les 4 signaux. Ces étapes sont essentielles par exemple :

  • pour retrouver l’évolution des états de polarisation et la relation entre les bases orthogonales utilisées à l’émission et à la réception,
  • compenser les distorsions linéaires introduites dans la fibre par les effets de dispersion chromatique
  • compenser la différence de fréquence et les variations de phase entre les lasers d’émission et de réception

Travaux réalisés

  • année 17-18 : réalisation de la partie émetteur : mise en œuvre du montage pour une modulation au format PDM-QPSK – Récepteur cohérent : montage du mixeur cohérent avec  réalisation d’un boitier pour générer l’ensemble des tensions d’alimentation – fonctionnement en détection Back-to-Back validé – Traitement numérique du signal (DSP) : programmation d’un égaliseur type CMA (Constant Modulus Algorithm) réalisé et validé (voir rapport d’Alix May) – Test des amplificateurs optiques et des modules lasers
  • année 18-19 : amélioration montage émetteur + réalisation multiplexage de polarisation – mise en œuvre + montage des switchs acousto-optiques + commande par carte Arduino – Réalisation du montage de la Boucle à recirculation – Traitements du signal après récepteur cohérent (cf rapport PIMs 18-19)

Objectifs de cette année

  • remettre en œuvre le montage complet
  • tester la boucle à recirculation (vérifier que la commande par la carte Arduino coïncide avec le nombre de tours à effectuer dans la boucle)
  • comprendre et améliorer les traitements numériques après détection
  • mesurer les performances de la liaison en configuration Back-to-Back, puis pour diverses longueurs de propagation
  • proposer une ébauche pour un futur sujet de travaux pratiques

Principaux Matériels à disposition

  • Un oscilloscope Tektronics 4 GHz, 4 x 25 GS/s
  • 2 amplificateurs optiques à fibre dopée Erbium (marque Keopsys)
  • 2 modules laser monomode, accordables en longueur d’onde
  • 1 modulateur QPSK et deux drivers
  • 1 générateur de signaux PRBS (Pseudo Random Bit Sequences) de marque ANRITSU
  • 1 générateur de signaux arbitraires AWG (Arbitrary Wave Generator) de marque Tektronics
  • 1 mixeur cohérent de 12 GHz de bande passante de marque PICOMETRIX
  • 2 modulateurs fibres de type acousto-optiques et les deux drivers associés
  • des composants fibrés : coupleurs 50/50, combineurs de polarisation, fibres à maintien de polarisation, …

Documents – Dossiers partagés

Des éléments de bibliographie, les rapports des groupes précédents, les programmes DSP… vous seront fournis.

DEROULEMENT de la première semaine DEPhI

Afin de vous aider dans le déroulement de cette première semaine, qui se conclut par une présentation du groupe sur votre projet, nous vous présentons à la suite un agenda de la semaine. Comme vous le verrez, nous vous suggérons d’alterner des séquences de travail en équipe, avec des séquences de travail individuel. Ces dernières pourront être consacrées à des lectures, des analyses d’articles, voire des préparations d’une partie de la présentation… tâches essentiellement « individuelles » qui permettront à chacun-e de contribuer par, son travail, ses questionnements, ses apprentissages à faire avancer le projet.

Les objectifs de cette première semaine sont :

  1. Clarifier, comprendre et s’approprier le projet
  2. Se répartir le projet suivant des fonctions, des tâches – organiser le projet
  3. Préparer la présentation de vendredi
  4. Définir les objectifs de la deuxième semaine de DEPhI

LUNDI = TRAVAIL EN EQUIPE

  • Prendre connaissance du projet et des documents mis à la disposition du groupe
  • Comprendre et clarifier les objectifs du projet
  • Identifier les principales fonctions mises en œuvre dans l’expérience
  • Faire le point sur ce que l’équipe connaît ou croit connaître, et sur ce qu’elle ne connaît pas
  • Faire le point sur les informations disponibles dans les documents,

Etablir ensemble des pistes pour aborder le projet :

  • Etablir une liste de questions pertinentes sur le(s) montage(s) proposés, leurs performances, les matériels, les équipements…
  • Identifier les fonctions mises en œuvre dans l’expérience
  • Etablir une première ébauche des taches qui conduiront à la réalisation de l’expérience et de ses différentes fonctions
  • Faire une première ébauche sur l’organisation du groupe avec une première répartition des tâches liées au projet
  • Identifier les éléments d’information à recueillir pour la séance suivante en équipe : acquérir des connaissances autour des fonctions qui seront mises en œuvre dans le projet, comprendre le fonctionnement des composants et matériels disponibles et faire le point sur leurs performances, définir les performances du système à développer…
  • Commencer à se répartir les tâches identifiées au point précédent, notamment au travers de la lecture et l’analyse d’articles, de recherche d’information sur internet…

OBJECTIF pour la fin de la journée : chacun-e a connaissance du(es) sujet(s), des questions, des informations sur lesquels il-elle devra travailler durant la journée de mardi.

MARDI = TRAVAIL INDIVIDUEL

La journée est consacrée à collecter et analyser des informations autour des sujets et des questions assignées la veille pour chacun-e. L’objectif est que chacun-e puisse recueillir des informations. Il ne suffira pas de collecter de l’information, mais bien de l’analyser afin de préparer une synthèse pour le groupe. Cette phase est essentielle car elle permet à chaque membre de l’équipe de s’approprier les différents éléments du projet.

Les élèves verront une démonstration du TP dispersion chromatique afin d’avoir une vision technique générale d’une ligne de transmission sur fibre optique à l’aide et de comprendre l’une des problématiques.

MERCREDI = TRAVAIL EN EQUIPE

Mettre en commun les apprentissages, les synthèses, les analyses :

  • Mettre en commun ce que chacun a étudié, préparé, apporté
  • Examiner les réponses aux questions formulées lors de la séance de lundi
  • Proposer des réponses/solutions aux problèmes posés dans le projet

Affiner les objectifs du projet :

  • Poser/calculer quelques ordres de grandeurs (à partir des performances des composants et des instruments mis à disposition)
  • Consolider, compléter la liste des points/ des taches à réaliser, des objectifs qui semblent réalisables dans le cadre du projet
  • Consolider la répartition des taches/ des fonctions dans le projet
  • Définir les objectifs de la seconde semaine de DEPHY (selon un « qui-fait-quoi »)

Contenus de la présentation de vendredi :

  • Prendre connaissance des objectifs attendus et des contraintes liées à la présentation
  • Organiser le plan et le contenu de la présentation de vendredi
  • Se répartir les tâches, les éléments de la présentation à préparer par chacun-e

JEUDI = MATIN (TRAVAIL INDIVIDUEL ) – APRES-MIDI (TRAVAIL EN EQUIPE)

MATIN : Chacun-e prépare ses éléments, ses contributions pour la présentation (décidées la veille)

APRES-MIDI : Mise en commun du travail de présentation

  • Mettre en commun les éléments de présentation que chacun-e aura préparé le matin
  • Discuter de la cohérence et des objectifs de la présentation. Est-ce que la présentation est un bon reflet de votre niveau d’appropriation du projet ?
  • Faire une première répétition

VENDREDI = PRESENTATION

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