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Étude expérimentale d’un système DS-OCDMA cohérent
à réseaux de Bragg superstructurés
Ihsan FSAIFES1, Catherine LEPERS2, Renaud GABET1, Marc DOUAY2 et Philippe GALLION1
1 : Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications (GET/Télécom Paris, CNRS LTCI UMR 5141), 46 rue Barrault 75013 Paris.
2 : Laboratoire PhLAM, CNRS UMR 8523, Université de Lille I, 59650 Villeneuve d’Ascq.
[email protected]
Résumé : Nous analysons les performances en terme de taux d’erreurs binaires d’un système DS-OCDMA
cohérent à réseaux de Bragg superstructurés et nous montrons que le choix de codes quadratiques congruents
améliore le comportement du système face au bruit de battement multi-trajets et aux interférences entre
symboles.
1. Introduction
Ce travail s’inscrit dans le cadre d’un réseau optique où la bande passante de la fibre est partagée entre plusieurs
usagers. La topologie de ce type de réseau conduit à s’intéresser aux techniques d’accès multiple bien connues
en télécommunications comme techniques de partage des ressources entre différents utilisateurs. L’accès
multiple par répartition de code (CDMA pour Code Division Multiple Access) est considéré aujourd’hui comme
une solution attractive pour les futurs réseaux d’accès optiques haut débit [1]. La technique OCDMA permet à
plusieurs utilisateurs de partager le même canal optique sans gestion de temps ni de fréquence. Elle consiste à
affecter à chaque utilisateur un code d’étalement qui lui est propre. Elle apporte un accès multiple asynchrone,
un partage de ressources flexible entre les utilisateurs et elle est réalisée tout-optiquement grâce à des dispositifs
de codage/décodage optiques. Dans ce qui suit, nous analysons les performances d’un système OCDMA
cohérent à séquence directe à réseaux de Bragg superstructurés (S-FBG : Superstructured fiber Bragg grating) en
fonction des différentes sources de bruits présentes dans le système.
2. Codeurs/décodeurs OCDMA à réseaux de Bragg superstructurés
Deux familles de codes générées à partir d’un nombre premier "p" sont considérées : les séquences premières
(PS) et les codes congruents quadratiques étendus (EQC) [2]. Un S-FBG consiste en une concaténation de
réseaux de Bragg uniformes inscrits sur la même longueur de Bragg λB, séparés par des tronçons de fibre. Les
FBGs réfléchissent les impulsions incidentes qui représentent les chips à "1" du code. Les longueurs de fibre
entre deux réseaux successifs sont proportionnelles à la durée des chips à "0" du code (Fig. 1(a)). Les trois
impulsions principales du code sont ensuite transmises au décodeur adapté. Les différentes impulsions issues du
décodeur se superposent en amplitude complexe afin de construire la fonction d’autocorrélation (Fig. 1(b)).
3
S
Tp = Tc = 50 ps
Δ
L
-
F
B
T
c
G
1
Δ
L
2
P
λB
F
1
0
0
0
1
0
0
0
1
P
1
P
2
P
3
B
G
1
F
B
G
2
F
B
G
T
3
c
R1
R2
F
R3
o
n
c
n
e
t
a
i
o
m
n
d
p
l
’
i
t
a
u
u
t
d
o
c
c
e
o
o
r
m
r
é
p
l
a
t
i
o
n
l
e
x
e
Fig. 1 : (a) Génération de code, (b) Construction de la fonction d’autocorrélation pour un code PS (p = 3).
Les codeurs/décodeurs sont fabriqués en utilisant un interféromètre de Lloyd et un laser à argon ionisé en régime
continu émettant à la longueur d’onde λuv = 244 nm. Le principe de cette technique repose sur la division d’un
front d’onde UV en deux ondes qui interfèrent pour former des franges d’interférences limitées à la zone de
recouvrement entre les faisceaux directs et les faisceaux réfléchis. L’hydrogénation des fibres SMF 28 permet
d’augmenter la photosensibilité de la fibre optique et de réduire ainsi la durée d’inscription des réseaux de
Bragg. La photo-inscription des réseaux de Bragg commence par le réseau de plus faible réflectivité jusqu’à
celui de plus forte réflectivité suivant la courbe de cinétique de croissance des réseaux. Des codes PS et EQC de
longueur N = 9 chips et N = 15 chips respectivement ont été fabriqués. Les codes choisis présentent une structure
apériodique, i.e. la distance entre les chips à "1" n’est jamais la même. Les FBGs sont inscrits à la longueur
d’onde de Bragg λB = 1550.7 nm et présentent une longueur LFBG = 830 µm. La puissance moyenne réfléchie par
les codeurs/décodeurs est de 16 ± 1 %.
3. Banc expérimental
Le banc expérimental utilisé pour la caractérisation des codeurs/décodeurs OCDMA et la mesure des
performances du système en taux d’erreur binaire (TEB) est présenté dans la figure 2. Le premier étage comporte
un laser DFB avec modulateur à électroabsorption (ILM) permettant au laser de fonctionner en régime pulsé. Le
train d’impulsions a une périodicité de 100 ps et les impulsions une largeur à mi-hauteur de 50 ps égale à la
durée d’un chip (Tp = Tc ). Le train d’impulsion issu de l’ILM est modulé par un signal de format RZ de rapport
cyclique 1:N où N = 4, 8,16 provenant d’un générateur d’impulsions (GI1). Le second étage est composé d’un
générateur d’impulsions PRBS (GI2) qui permet d’émettre un train pseudo aléatoire représentant les bits
d’informations. Le train de données est ensuite amplifié par un amplificateur EDFA et transmis aux différents
codeurs. Les données à l’entrée des codeurs 1 et 2 sont décorrélées par une section de fibre qui génère un retard
temporel supérieur au temps de cohérence du laser DFB ; les deux utilisateurs peuvent donc être considérés
comme émis par deux lasers différents ce qui est le cas dans un réseau d’accès optique. Les deux signaux codés
sont superposés et le signal DS-CDMA résultant est ensuite transmis vers le décodeur 1 adapté. Un atténuateur, à
la réception, est utilisé afin d’ajuster la puissance du signal reçue durant la mesure du TEB.
Générateur de
Fréquence
10 GHz
100001…
2.5 Gb/s
1000000001…
1.25 Gb/s
100000000001… 1 Gb/s
Générateur de
Fréquence
Générateur
d’impulsion 2
Générateur
d’impulsion 1
décorrélation
des données
PRBS (27 - 1)
ILM
Booster
EDFA
PC
PC
Modulateur
Electro-Optique
(MEO 2)
Modulateur
Electro-Optique
(MEO 1)
Premier Étage
(Génération du train RZ)
Second Étage
(Génération du séquence PRBS)
Codeur 2
Interférant
Décodeur 1
Pré-Amplificateur
Détecteur
d’erreurs
(TEB)
Codeur 1
Récepteur
15 GHz
Filtre
Passe
Bande
Atténuateur
Fig. 2 : Banc expérimental pour la mesure du TEB avec multiplexage de deux utilisateurs.
La figure 3 montre les séquences de codes apériodiques obtenues expérimentalement ; nous remarquons que,
dans ce cas, les impulsions sont d’égale amplitude. Nous observons quelques impulsions d'amplitude
relativement faible à droite du code. Elles sont générées par les cavités Fabry-Perot formées entre les différents
FBGs constituant les codeurs/décodeurs.
(a)
1 0000 10 1 0
(b)
1 000000 1 00 1 0 0 0 0
Fig. 3 : Réponses expérimentales de codeur, décodeur et de la fonction d’autocorrélation pour les codes (a) PS, (b) EQC.
En réalité, les codeurs/décodeurs à réseaux de Bragg superstructurés se comportent comme des interféromètres à
ondes multiples [3]. D’autre part, le temps de cohérence du laser DFB τc = 10- 6 ps est largement supérieur au
temps chip Tc = Tp = 50 ps et au temps d’intégration du détecteur TD = 67 ps [4]. Dans ce cas, des interférences
constructives et/ou destructives peuvent se produire quand les impulsions des différents trajets se superposent
dans le même temps chip. Les fonctions d’autocorrélation obtenues sont alors en amplitude complexe. Nous
observons que les lobes secondaires à gauche du pic de la fonction d’autocorrélation ne subissent pas les effets
de cohérence. Par contre, à droite du pic principal de la fonction, les lobes secondaires ont une puissance quasinulle à cause du bruit dû aux battements multi-trajets (Fig.3).
3. Mesure du TEB et performances du système
Pour étudier les performances du système face au bruit de battements multi-trajets (BBM) et aux interférences
entre symboles (IES), nous faisons varier le débit par utilisateur entre 1 et 2.5 Gb/s. La durée d’une impulsion
codée est Tcode = NTc. La durée de l’impulsion issue d’un décodage adapté et non adapté résultant respectivement
des fonctions d’auto et d’intercorrélation est 2Tcode. Afin d’éviter les IES, la durée d’un bit Tbit doit être
supérieure à 2Tcode. Quand Tbit < 2Tcode, des interférences entre symboles apparaissent. La figure 4(a) présente la
forme du signal décodé pour différents débits dans le cas d’un code PS apériodique (Tcode = 9*50 = 450 ps). Le
bruit de battements multi-trajets (BBM) est observé quand les impulsions primaires et celles issues des trajets
multiples se superposent dans un temps chip. Pour un débit de 1 Gb/s, les signaux décodés sont largement
séparés (Tbit = 1000 ps) et l’IES n’affecte pas le système. Quand on augmente le débit (Dbit = 1.25 Gb/s et
2.5 Gb/s), les données sont séparées respectivement par Tb = 800 ps et Tb = 400 ps. L’IES devient plus important
et un bruit de battement (BB) entre les différentes impulsions qui se superposent dans un temps chip, peut se
produire. Un TEB de 10-9 est mesuré à un débit de 1 Gb/s et 1.25 Gb/s avec les codes PS. A 2.5 Gb/s, un
TEB = 10-8 est obtenu avec une pénalité de 7dB causée par les interférences entre symboles (Fig.5(a)). On note
ici que les performances des systèmes OCDMA dépendent des codes utilisés et de leurs caractéristiques. Le bruit
de battements multi-trajets ainsi que les interférences entre symboles peuvent être réduits par un choix approprié
de codes. La figure 4(b) présente la forme du signal décodé en fonction du débit en utilisant un code EQC
apériodique. Le niveau de bruit BBM et IES est moins important que celui observé lorsqu’on utilise un code PS.
Ceci est dû au fait que les codes EQC sont plus longs, présentent de meilleures propriétés de corrélation et sont
par conséquent moins sensibles aux effets de cohérence. La figure 5(b) présente les mesures du TEB dans les
configurations dos-à-dos, mono-utilisateur et deux utilisateurs avec les codes EQC. Un TEB = 10-9 est obtenu à
1 Gb/s et à 1.25 Gb/s. A 2.5 Gb/s, en configuration deux utilisateurs, un plancher est observé à cause de
l’accumulation des IAM, BBM et IES. Dans un contexte multi-utilisateurs, les performances seront améliorées
en utilisant un seuillage optique avant la détection afin de minimiser les interférences d’accès multiples [5].
2Tcode
Tbit
2Tcode
Tbit
BBM
IES+BBM
BB
(b)
(a)
Fig. 4 : Données décodées pour différents débits : (a) code PS (b) code EQC.
2.5 Gb/s
1 Gb/s
1.25 Gb/s
(b)
(a)
Fig. 5 : Mesures du TEB pour différents débits : (a) code PS (b) code EQC.
4. Conclusion
Nous avons analysé les performances d’un système DS-OCDMA à réseaux de Bragg superstructurés en terme de
taux d’erreur binaires. Nous avons montré que le choix des codes quadratiques congruents qui possèdent de
meilleures propriétés de corrélation, permet d’améliorer les performances du système face aux interférences
entre symboles et aux bruits de battement multi-trajets. Les interférences entre symboles sont réduites grâce à
l’étendue des codes EQC et le bruit de battements multi-trajets est moins important grâce à leur structure
apériodique.
5. Références
1 J.A. Salehi, IEEE Trans. Commun, 37 (1989), 824.
2 S.V. Maric, Electron. Lett, 29 (1993), 538.
3 I. Fsaifes et al, OSA AO, 46 (2007), 456.
4 X. Wang et al, JLT, 22 (2004), 2226.
5 R. P. Scott et al, IEEE PTL, 23 (2004), 2186.