la transmission par solitons sur fibre optique soliton transmission on optical fibres

pp. 79-97 79

Patrick VANDAMME * Jean-Baptiste THOMINE ** Philippe GALLION ***

La transmission par solitons sur fibre optique Sofiton transmission on optical fibres

R~sum6

L'amplification optique a considrrablement modifi6 la conception des systOmes de transmission sur fibre optique, particulidrement celle des systdmes ?t grande distance tels que les systOmes transocOaniques. Elle a conduit ~t prendre en compte l'accumulation des effets de la dispersion chromatique et de I'automodulation de phase ainsi que celle du bruit d'rmission spontan~e amplifire. Dans ce contexte, la technique de transmission par solitons est une alternative attrayante pour la transmission de dObits 6levrs. Elle se heurte toutefois, dans sa mise en ~euvre, ~ des limitations principalement dues aux interactions non linOaires affectant le signal et le bruit. Les 6tudes actuelles visent ~t s'affranchir de ces limitations notamment par l'introduction de techniques de traitement optique en ligne plus ou moins complexes. Ces ~tudes sont illustr~es par un certain nombre de rrsultats obtenus au CNET dans ce domaine. Mots cl~s : Fibre unimodale, Soliton, T616communication optique, Amplificateur optique, Bruit fond, Programme recherche.

Sommaire

I. Introduction. II. La technique de transmission par solitons.

III. Les axes d'dtudes en transmission par solitons. IV. Conclusions et perspectives. Bibliographie (21 r~f ).

Abstract

Optical amplification has fundamentally changed the design of optical fibre transmission systems, especially transoceanic and other such long-haul systems. These changes have made it necessar~ to consider the cumulative effects of chromatic dispersion and self phase modulation as well as the effect of amplified spontaneous emission (ASE) noise. In this context, transmission using solitons is an attractive alternative for high bit- rate transmission. Its practical implementation is subject to limitations, howeve~ due primarily to non-linear interaction between signal and noise. Current research work is focused on overcoming these limitations, in particular through the introduction of on-line optical processing techniques of varying degrees of sophistication. This article looks at results achieved by CNET.

Key words : Single optical fibre, Soliton, Optical telecommunication, Optical amplifier, Background noise, Research program.

Contents

I. Introduction. II. Soliton transmission.

III. Main areas of research into soliton transmission. IV. Conclusions and prospects.

References (21 ref ).

I. INTRODUCTION I. INTRODUCTION

La tr~s large fen~tre de transparence de la silice (quelques dizaines de terahertz pour les plages associres aux longueurs d 'onde de 1,3 et 1,5 #m) a souvent donn6 aux fibres optiques la rrputation d'offrir une

Because of the very wide transmission window of silica (dozens of THz at wavelengths of 1.3 #m and

.5 #m) optical fibres have acquired the reputation of virtually unlimited bandwidth, while the low optical

* France Trldcom, CNET LAB, route de Trrgastel, F-22301 Lannion, France. ** France Tdlrcom, CNET PAB, 38-40, rue du G6ndral-Leclerc, F-92131 Issy-les-Moulineaux, France. *** France Trlrcom, Trlrcom Paris, 46, rue Barrault, F-75634 Paris Cedex 13, France.

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bande passante quasiment illimitEe tandis que les faibles puissances optiques mises en jeu entretenaient l'idEe d'un milieu de propagation parfaitement linEaire. Ainsi, les annEes 80 ont permis avec la ma~trise de la fibre monomodale et l'utilisation rendue possible de la plage

1,3 puis ~ 1,5 #m la rEalisation de systEmes de transmission qui allaient s'imposer face aux syst~mes sur c~bles coaxiaux et faisceaux hertziens.

Les avancEes considErables obtenues par la suite dans l'Etude des syst~mes cohErents, notamment sur la qualitE des sources, ont donne aux techniques de transmission sur fibre optique leur pleine maturitE, m~me si l'apparition des amplificateurs optiques en a largement rEduit l'intEr~t initial. Ainsi, hEriti~res de la radioElectricitE, les transmissions optiques ont vu leur dEveloppement base sur l'existence de trois notions a priori indEpen- dantes : le canal de transmission, le signal h transmettre et le bruit. Quelques derogations ~ ce grand principe sont bien stir apparues, comme les non-linEaritEs parasites ou le bruit quantique associE au signal requ, mais elles ont 6tE traitEes h la marge par un traitement perturbatif, car elles ne remettaient en cause ni les donnEes fondamen- tales du probl~me ni la stabilitE de ses solutions. Deux Evolutions technologiques majeures conduisent aujour- d'hui ~ reviser cette approche.

La premiere tient ~ l'apparition de dispositifs rapides autorisant le dEveloppement de syst~mes monomodes tr~s hauts debits (quelques Gbit/s). La silice constituant les fibres est un matEriau plut6t linEaire et les puissances optiques moyennes qu'elles vEhiculent sont relativement modestes. Cependant, la transmission de debits d'information ElevEs conduit ~t la propagation d'impulsions trEs br~ves et donc, ~ Energie donnEe, de puissance instan- tanEe assez importante (quelques dizaines de mW). Dans le coeur des fibres, leur Energie se trouve confinEe sur une section effective tr~s petite (quelques dizaines de #m2). I1 en rEsulte des champs optiques tr~s intenses et, par- tant, des non-linEaritEs significatives d'autant que leurs effets, m~me localement faibles, peuvent ~tre cumulEs sur de tr~s grandes longueurs (quelques centaines voire quelques milliers de km). Le signal affecte donc dans ce cas le canal de transmission.

La seconde est liEe ~ l'apparition des amplificateurs optiques permettant aujourd'hui de compenser l'attEnua- tion de la fibre. Ces amplificateurs engendrent Egalement de l'Emission spontanEe constituant en regime linEaire un bruit optique additif, amplifid ~ son tour dans les Etages amplificateurs situEs en aval, au m~me titre que le signal. Apr~s une d6tection quadratique (de puissance), ce bruit n'est Evidemment plus additif, le terme de bruit prEpondErant Etant un terme croisE entre signal et 6mis- sion spontanEe amplifiEe. Le bruit dominant cesse alors d'etre le classique bruit thermique de l'Electronique de photorEception.

Le soliton ou un traitement global de l'ensemble signal, bruit et canal.

Signal, canal et bruit sont aujourd'hui en interaction forte dans les Etudes de systEmes de communications

P. V A N D A M M E . -- SOLITON TRANSMISSION ON OPTICAL FIBRES

powers involved have given rise to the persistent idea of a perfectly linear propagation medium. So the 1980s, with complete command of the single mode fibre technology and the availability of first the 1.3 #m and later the 1.5 #m wavelengths, saw the implementation of transmission systems which would take over from coaxial cable and microwave systems.

Optical fibre transmission techniques have since come to full maturity through considerable progress made in studying coherent systems, especially the quality of the light sources employed. This remains true even though the introduction of optical amplifiers has virtually eli- minated their initial benefits. As the next generation after electrical transmission technology, fibre optic transmission technology has three independent aspects : the transmission channel, the signal transmitted and the noise affecting the signal. There are naturally excep- tions to this rule, such as spurious non-linearities and the quantum noise associated with the received signal, but they have been dealt with as a peripheral problem (using perturbation theory) because they do not threaten the validity of the fundamental data of the problem or the stability of its solutions. Today, two important technological trends are forcing us to rethink this approach.

The first is the introduction of high-speed devices enabling the development of very high bit rates (several Gbit/s) single mode systems. The silica from which the fibre is made is an essentially linear material and the average optical powers it conveys are relatively modest. However, transmission at very high bit rates entails the propagation of very short pulses so that, for a given energy, their instantaneous power is relatively high (a few dozen mW). In the fibre core this energy is confined within a very small cross-section (a few dozen #m2). This produces very intense optical fields and significant non-linearities, especially as these non-linearities, even though weak locally, can be aggregated over very long distances (hundreds or even thousands of kilometres). So in this case the signal affects the transmission channel.

The second trend is the introduction of optical amplifiers, which can now compensate for the attenuation of the fibre. These amplifiers also generate spontaneous emission which in a linear regime constitutes Gaussian optical noise and is also amplified in downstream amplifier stages, on the same basis as the signal. After quadratic (power) detection, the noise is obviously no longer Gaussian, the dominant form of noise being due to mixing between the signal and amplified spontaneous emission. The dominant noise is then no longer the thermal noise of the photoreceiver electronics, as in conventional receivers.

The soliton, or global treatment of the signal/noise/channel combination.

Strong interaction between signal, channel and noise is very much a characteristic of current optical communication system research. This interaction gives rise to many new properties, which many have found discon- certing, given the mind set resulting from the already lengthy history of transmission technology. This article

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optiques. I1 en r6sulte de nombreuses propri6t6s nou- velles et parfois mEme d6concertantes dans le r6f6rentiel culturel issu de l'histoire d6j?a longue des transmissions. Nous appuyant sur des m6taphores hardies, nous en don- nerons deux exemples.

Consid6rons tout d'abord un groupe de coureurs 6voluant sur un milieu d6formable, un matelas par exemple (*). Alors que le coureur le plus v61oce se porte en tEte du groupe, il se trouve contraint de gra- vir en permanence la d6pression mobile provoqu6e par le poids du groupe, voyant ainsi se r6duire ses vell6it6s

s'6chapper. A contrario, la descente permanente dans cette d6pression-6vite au moins rapide d'entre eux de se faire rapidement distancer. L'interaction du groupe avec le milieu tend donc ?t corrlger les diff6rences de vitesse entre coureurs. Pour une 61asticit6 du milieu donn6e, une action s6par6e sur le poids du groupe, la distance entre coureurs et la disparit6 de leur condition physique permet la formation d'un peloton stable au comportement quasi-corpusculaire.

De la m~me mani6re, dans une fibre optique, le champ 61ectrique, jouant un r61e similaire au poids du groupe de coureurs, modifie l'indice de r6fraction par un effet non lin6aire appel6 effet Kerr optique. Ce changement d'indice affecte en retour la propagation de la lumi~re. Dans certaines conditions, il est de nature ~ en corriger les effets de dispersion associ6s aux diff6rentes composantes spectrales de la lumi6re qui, elles aussi, se propagent avec des vitesses diff6rentes. I1 en r6sulte des impulsions de lumi~re d'enveloppe constante appel6es solitons. Les non-lin6arit6s corrigeant alors la dispersion, c'est donc bien le signal lui-m~me qui corrige les imperfections du canal.

Le deuxi~me exemple consid~re des rames de m6tro quittant, h intervalles r6guliers, leur t~te de station. Sou- raises aux al6as du trafic, notamment aux temps variables de mont6e et descente des voyageurs, leurs instants de passage aux diff6rentes stations deviendraient, en l'absence de r6gulation, de plus en plus impr6visibles

mesure qu'elles se rapprocheraient de leur terminus. De manibre similaire, l'6mission spontan6e des ampli-

ficateurs optiques produit des fluctuations d'amplitude du signal. En r6gime non lin6aire, ces fluctuations produisent des variations d'indice de r6fraction et, en cons6quence, des fluctuations de la fr6quence moyenne du signal que la dispersion convertit enfin en fluctuations des instants d'arriv6e. Cette variation proportionnelle la puissance optique et appel6 gigue de Gordon-Haus (**), peut conduire ?~ des d6gradations importantes des performances du systbme de transmission car il r6siste

toute tentative de masquage par augmentation de la puissance utile du signal.

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discusses two examples of such interaction, based on well-tried metaphors.

Consider first a group of runners running on a defor- mable medium such as a mattress, for example (*). Although the fastest runner leads the group, he has to keep climbing the moving depression created by the weight of the group, so he is impeded from increasing his lead. The slowest runner, on the other hand, is not left rapidly behind, because he has the advantage of conti- nually running down into this depression. Interaction between the group and the medium thus tends to correct the differences between the speeds of the runners. For a given elasticity of the medium, separately control of the weight of the group, the distance between the runners and the disparity between their physical conditions can be used to form a stable bunching of the runners, with quasi-corpuscular behaviour.

In an optical fibre, the intensity of the electric field has an effect similar to that of the weight of the group of runners, modifying the refractive index by virtue of a non-linear optical effect known as the Kerr effect. This change in the index in turn affects the propagation of light. Under some conditions it can correct the effects of dispersion associated with the various spectral components of the light which, like the runners, travel at different speeds. The result is light pulses with a constant envelope called solitons. As the non-linearities then correct the dispersion, it is truly the signal itself which com- pensates for the imperfections of the channel.

The second example of interaction concerns trains leaving a terminus at regular intervals. Affected as they are by such random variables as how long it takes for passengers to embark and disembark, the times at which the trains reach the various stations on the line would become more and more unpredictable as they approached the other terminus, unless some means of regulation were employed.

Similarly, spontaneous emission in optical amplifiers causes fluctuations in the signal amplitude. In a non- linear regime these fluctuations cause variations in the refractive index and consequently fluctuations in the mean frequency of the signal which, because of dispersion, are eventually converted into fluctuations in the time of arrival. This effect, which varies in proportion to the optical power and is known as Gordon-Haus (**) jitter, can seriously degrade system performance as it resists all attempts to compensate by increasing the power of the signal.

Using this approach, the signal is no longer a mere passive vector of information, but rather a means of protection against the imperfections of the channel, which leads to new problems, due amongst other things to coupling with sources of noise. Which brings us to the core of soliton transmission.

(*) Cette m6taphore est emprunt6e ~ L. E Mollenauer et G. Evang61ides, AT&T.

(**) Du nom de J. E Gordon et H. Haus, ~t l'origine de son identification.

(*) Th& metaphor was first put forward by L. F Mollenauer and G. Evangelides of AT&T.

(**) So named because of its discoverers, J. P. Gordon and H. Haus.

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Comme nous venons de l'illustrer, dans cette approche, le signal n'est plus un vecteur relativement passif de l'information mais peut devenir un moyen de se pr6munir contre les imperfections du canal, induisant par lh m~me des probl~mes nouveaux dus entre autres aux couplages avec les sources de bruit. Nous sommes 1~ au coeur de la technique de transmission par solitons.

Apr6s avoir rappel6 les apports fondamentaux de l'amplification optique aux transmissions sur fibres, les effets sur lesquels se fonde le soliton sont rappel6s dans le paragraphe II, ainsi que les limites naturelles aux- quelles il est soumis. Le contexte ainsi pr6sent6, les voies d'6tude actuelles devant permettre de s'affranchir de ces limites sont d6crites au paragraphe III et illustr6es par des r6sultats obtenus par le r dans le cadre du Projet Soliton. Enfin, le paragraphe IV esquisse quelques applications potentielles pour des phases d'6tudes ult6rieures.

II. LA TECHNIQUE DE TRANSMISSION PAR SOLITONS

ILl. L'6tat de l'art en transmission optique.

L'6tat de l'art en transmission optique est la cons6- quence de plusieurs 6volutions technologiques. Le passage de la fibre multimode ~t la fibre monomode a permis dans un premier temps de passer d'une port6e moyenne d'une dizaine de kilom~tres entre 6metteur et r6cepteur et de d6bits de quelques dizaines de Mbit/s ~ des port6es et d6bits sup6rieurs d'un ordre de grandeur. La disponi- bilit6 de lasers monomodes ~t r6seau distribu6 a encore augment6 la port6e en permettant d'utiliser la fen&re de longueur d'onde h 1,55 # m e t les progr~s sur les bandes passantes des composants 61ectroniques et opto- 61ectroniques autorisent maintenant l'obtention de d6bits de quelques Gbit/s. Pour &re plus pr6cis, citons quelques caract6ristiques de syst~mes install6s ou devant prochai- nement l'~tre :

�9 syst~mes terrestres ~t 2,5 Gbit/s avec des port6es de 90 km,

�9 syst~mes sous-marins ~t 560 Mbit/s avec des espacements de 130 km entre r6g6n6rateurs principalement, mais aussi quelques syst~mes ~ 2,5 Gbit/s avec des espacements de 80 km.

Le point commun ~ tous ces syst~mes, d6s lors que la distance sur laquelle on veut transporter l'information est sup6rieure ~ la port6e, est l'utilisation de r6g6n6ra- teurs opto61ectroniques comprenant un laser, une photodiode et un grand nombre de circuits int6gr6s. Tous ces composants devant fonctionner ?~ fort d6bit sont chers, complexes, d61icats ~ r6aliser e t a interfacer. Malgr6 les progr~s incontestables de l'61ec~tronique ~t large bande, il y a tout lieu de penser que le d6veloppement de ce type de r6g6n6rateur h des d6bits sup6rieurs h 2,5 Gbit/s sera cofiteux, voire incompatible avec les exigences de fiabilit6 pour les applications sous-marines.

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Section I1 of this article begins with a summary of the fundamental contributions of optical amplification to optical fibre transmission, and then goes on to discuss the effects which give rise to the soliton and the natural limitations on soliton transmission. Against this background, the article goes on to describe current research work which is aimed at overcoming these limitations (Section III), with some illustrations drawn from r research on solitons. Finally, Section IV outlines some potential application areas which will be the subject of future research.

II. SOLITON TRANSMISSION

ILl. The state of the art in optical transmission.

The current state of the art in optical transmission is the result of various technological advances. The transition from multimode fibre to single mode fibre was the first such change, increasing range (around 10 km) and bit rate (dozens of Mbit/s) by an order of magnitude. The availability of distributed array single mode lasers has further increased the range by using the 1.55 #m wavelength window, and increases in electronic and opto-electronic component bandwidths now allow bit rates in the Gbit/s range. To give an example, typical specifications of systems as currently installed or about to be installed include :

�9 terrestrial systems at 2.5 Gbit/s with 90 km range, �9 submarine systems at 580 Mbit/s, mainly with

repeater spacings of 130 km, although there are a few 2.5 Gbit/s systems which use a repeater spacing of 80 km.

All these systems use opto-electronic regenerators comprising a laser, a photodiode and a large number of integrated circuits when the total distance over which information is to be transmitted exceeds this range. All these components, operating at high bit rates, are expen- sive, complex and difficult to produce and interface with each other. Despite incontrovertible progress in broadband electronics, there is every reason to think that developing repeaters of this type for bit rates exceeding 2.5 Gbit/s will be costly and could even be incompatible with the reliability requirements of submarine applications.

However, bit rate requirements are constantly on the increase, at least on some routes : trunk networks and transoceanic links (Europe-USA and Japan-USA). The race for capacity will have to slow down eventually, or so it would seem, for reasons associated with the technological feasibility of opto-electronic regenerators for such applications. With a bandwidth of around ten Terahertz, the single mode optical fibre would seem to be condemned to maximum bit rates over long distances of just a few Gbit/s.

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Pourtant, les besoins en debit ne cessent d'augmenter, au moins sur certains axes : rEseaux interurbains et transmissions transocEaniques (Europe-USA et USA- Japon). Cette course ~ la capacit6 semblait finalement devoir se ralentir pour des raisons technologiques liEes

la faisabilitE des rEgEnErateurs optoElectroniques. Avec une bande passante d'une dizaine de terahertz, la fibre optique monomode semblait dEfinitivement condamnEe

vEhiculer, sur de longues distances, des debits maxi- maux de quelques Gbit/s.

II.2. La r~volution provoqu~e par l'amplification optique.

Les travaux sur l'amplification optique ne sont pas rEcents [1, 2] : son application aux fibres monomodes est EtudiEe depuis une quinzaine d'annEes et elle est mise ~ profit depuis longtemps dans le domaine des lasers de puissance. La veritable revolution de la fin des annEes 80 est l'apparition d'un amplificateur liable, facile ~ mettre en ~euvre, puissant, a faible bruit et, de plus, couvrant quasiment la moitiE de la bande passante de la fibre optique ~ 1,55 #m : l'amplificateur optique ~ fibre dopEe a l'erbium (AOFD). Le mode de fonctionnement en est extr~mement simple : une fibre optique dopEe ~t l'erbium est pomp#e optiquement des puissances raisonnables (quelques mW) par un laser semiconducteur. Le rEsultat est l'apparition d'un milieu amplificateur entre les longueurs d'onde de 1 530 nm et 1 565 nm. Les principaux probl~mes sont rEsolus : grace

l'aspect fibr~ de l'amplificateur, les pertes d'entrEe- sortie sont tr~s limitEes, les longueurs d'onde de pom- page (1 480 et 980 nm) sont tr~s proches des longueurs d'onde des lasers semiconducteurs classiques (d'ofa l'absence de probl~mes technologiques majeurs), les temps de saturation d'environ 1 ms stabilisent le gain sur la puissance moyenne du signal en Evitant ainsi les distor- sions, et enfin, au plus grand Etonnement des techno- logues de la fibre dopEe, des niveaux de bruit proches du minimum thEorique ont Et~ obtenus d~s le debut des recherches.

Ainsi, vers 1987/1988, un veritable outil aux innombrables fonctions a EtE offert aux concepteurs de syst~mes optiques. Son application peut-&re la plus importante est l'amplification en ligne. L'AOFD devient le concurrent direct du rEpEteur-rEgEnErateur actuellement utilisE. Lorsqu'aucune autre fonction n'est exigEe, pour- quoi conserver un Equipement compliquE comprenant un laser, une photodiode et pas moins de cinq circuits intEgrEs, alors que l'on peut le remplacer par un mor- ceau de fibre dop6e et un laser de pompe, ce qui aura en plus l'avantage (thEorique) d'etre insensible au debit et donc inchangE ~ chaque mise ~ niveau du syst~me. La comparaison est aisEe et les constructeurs d'Equipement ne s'y sont pas trompEs.

C'est dans le domaine des liaisons sous-marines que les premiers syst~mes dits amplifies seront utilisEs : ils sont d~s maintenant en dEveloppement ~ des debits

II.2. The optical amplification revolution. Research on optical amplification is not all recent [1,

2] : its application to single mode fibres has been the subject of research for some 15 years and it has long been exploited in the field of power lasers. The real revolution (at the end of the 1980s) was the introduction of a reliable, easy to use, powerful and low-noise amplifier covering virtually half the bandwidth of the optical fibre at 1.55 #m : the erbium doped fibre amplifier (EDFA). The theory of this device is extremely simple : an optical fibre doped with erbium is pumped optically at moderate power levels (a few mW) by a semiconductor laser This produces an amplifying medium between wavelengths of I 530 nm and I 565 nm. The major problems are solved : because of the fibre nature of the amplifier, input-output losses are minimal, the pumping wavelengths (1 480 nm and 980 nm) are very close to the wavelengths of the standard semiconductor lasers (so avoiding major technological problems), the saturation times of around 1 ms stabilize the gain at the average power of the signal, so avoiding distortion, and (to the great astonishment of specialists in doped fibre technology !) noise levels close to the theoretical minimum have been achieved from the outset.

Accordingly, around 1987/1988, a practical tool with innumerable functions was made available to optical system designers. Its most important application is per- haps in-line amplification. The EDFA has become a direct competitor of the repeater. If no other function is required, why retain complicated equipment including a laser, a photodiode and not less than five integrated circuits if this can be replaced by a length of doped fibre and a pumping laser, a combination which also has the (theoretical) advantage of being insensitive to the bit rate and therefore remaining unchanged with each upgrade of the system. The comparison is a simple one, and equipment manufacturers have drawn the appropriate conclusions.

The first amplified systems will be used in submarine links. These are currently being developed for bit rates of 5 Gbit/s and should be laid in 1995/1996 over considerable distances (6 500 km in the Atlantic, and 9 000 km in the North Pacific) [21].

Obviously, replacing repeaters is not as easy as the previous paragraph might suggest and what might be seen by many as progress could also be seen as an in- opportune step backward towards the problems of analo- gue transmission : in an amplified system all line defects and noise are cumulative with distance and many phenomena, which are as yet largely unresearched because their effects are negligible over the shorter distances which were previously the norm, become extremely penalizing. The next section describes the major limitations on these new amplified systems.

II.3. Amplified system limitations.

11.3.1. Noise.

The first problem, inevitably, is the new concept of optical noise, which fibre system designers have not had

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de 5 Gbit/s et devraient atre pos6s en 1995/1996 sur des parcours de longueur consid6rable (6 500 km sur l'Atlantique et 9 000 km sur le Pacifique Nord) [21].

Evidemment, la substitution r6g6n6rateur-amplificateur de ligne n'est pas si ais6e que les lignes pr6c6dentes pourraient le laisser croire et ce que beaucoup consi- d~rent comme un progr~s peut aussi &re vu comme un retour inopportun vers les probl6mes de la transmission analogique : en mode amplifi6, tousles d6fauts et bruits de la ligne se cumulent avec la distance et de nombreux ph6nom~nes, peu 6tudi6s car n6gligeables sur les port6es pr6c6dentes, deviennent extr~mement p6nalisants. Le paragraphe suivant s'attache h pr6ciser les principales limites de ces nouveaux syst~mes amplifi6s.

II.3. Les contraintes des syst6mes amplifi6s.

11.3.1. Le bruit.

Le premier probl~me, le plus in6vitable, est l'apparition de la notion de bruit optique, toute nouvelle pour les concepteurs de syst~mes h fibre. Ce bruit est ajout6 au signal, se propage avec lui et va venir g6n6rer par l'in- term6diaire de la photodiode d'autres bruits d'amplitude, dits de battement, dans la r6ception 61ectronique, d'ota l'existence d'un niveau de rapport signal ~ bruit maximal conduisant hun taux d'erreur plancher [3]. Dans le cas ota plusieurs amplificateurs sont pr6sents en ligne, ces bruits s'accumulent et viennent d6grader le rapport signal ~ bruit au fur et h mesure de la propagation. En effet, supposant un amplificateur optique de gain G, il 6met un bruit optique de puissance PB dans la bande optique B0, soit :

(1) PB = 2(G - 1)huBoNsp,

o5 h est la constante de Planck, v la fr6quence optique e t Nsp un facteur plus grand que 1 traduisant un exc~s de bruit par rapport au minimum th6orique.

La somme de tous ces bruits sur une distance totale L fixe comprenant N amplificateurs s'6crit :

(2) Ptot = 2N(G - 1)hvBoN~p.

Le gain, suppos6 6gal aux pertes de la longueur l de fibre entre 2 amplificateurs cons6cutifs, s'6crit :

(3) a = e "z,

off c~ repr6sente l'affaiblissement lin6ique de la fibre. La puissance totale de bruit h l'entr6e du r6cepteur

vaut donc: L

(4) Ptot = 2huBoNsp(G- 1)T

= 2hvBoNspaL (~G)'G - 1

puissance de bruit proportionnelle h la distance de transmission, mais surtout fonction croissante du gain et donc de la distance entre amplificateurs. Pour cette raison, les


to consider before. This noise is added to the signal, is propagated with it and at the photodiode generates other noise (beat noise) in the electronic receive circuits, giving rise to a maximal signal~noise ratio yielding a floor bit error rate [3]. If there is more than one in- line amplifier the noise accumulates and degrades the signal~noise ratio as the signal is propagated. Assume an optical amplifier of gain G emitting optical noise of power PB in the optical bandwidth Bo :

(1) PB = 2(G - 1)hvBoNsp,

h is Planck's constant, v is the optical frequency and N s p

is a factor greater than unity representing an excess of noise over the theoretical minimum.

The sum of all this noise over a total fixed distance L comprising N amplifiers is written :

(2) Ptot = 2N(G - 1)hvBoNsp.

The gain, assumed equal to the losses of the length 1 of fibre between two consecutive amplifiers is written :

(3) G --- e at,

where c~ represents the coefficient of loss per unit length of the fibre. The total noise power at the receiver input is therefore :

L (4) /~ = 2hvBoNsp(G- 1)T

= 2huBoNspaL (~G)'G - 1

which is proportional to the transmission distance but, most importantly, an increasing function of the gain and therefore of the distance between amplifiers. For this reason long-haul amplified systems are designed with short repeater intervals (30 to 50 kin) rather than the 110 km of existing systems with repeaters.

There would seem to be no difficulty in increasing the output level of the amplifiers, and therefore the level of the signal, in order to increase the signal/noise ratio, but, as the next section shows, this leads to other propagation problems associated with the non-linear power characteristics of the fibre.

II.3.2. Propagation.

11.3.2.1. Modelling.

Propagation in a single mode fbre is affected by the fact that the refractive index of the fibre depends on the optical frequency of the signal (because of chromatic dispersion) and its instantaneous intensity (because of the Kerr effect). It is modelled by the following non- linear Schr6dinger equation provided that the typical width of the pulses is greater than 1 ps [4] :

OA j ~ 02A ct (5) O--~ + -~ /~2-~- + -~ A = jT IA[2 A,

where z is the propagation distance, t is the delayed time (to allow for the propagation speed), A(z, t) is the complex envelope of the optical field, /32 is related to the chromatic dispersion D of the fibre and 7 is the non-linear Kerr effect coefficient.

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systbmes amplifids sur longues distances sont conqus avec des espacements entre r6pdteurs faibles (de 30 50 km), au lieu des 110 km des systbmes r6gdndr6s actuels.

Dans l'absolu, il semblerait aisd d'augmenter le niveau de sortie des amplificateurs, donc du signal utile, pour augmenter le rapport signal ~ bruit, mais nous ver- rons dans le prochain paragraphe que l'on rencontre alors d'autres problbmes de propagation lids au comportement non lindaire en puissance de la fibre.

11.3.2. La propagation.

H.3.2.1. La moddlisation.

En premiere approche, la propagation dans une fibre monomode est affectde par le fait que son indice de r6fraction d6pend de la frdquence optique du signal (par la dispersion chromatique) et de son intensit6 instantande (l'effet Kerr). Elle est moddlisde par l'dquation suivante, dite de SchrSdinger non lindaire, dbs lors que la largeur typique des impulsions est supdrieure h la picoseconde [41:

OA j ~ 02A a (5) 0---~ + ~/J2--~- + ~ A=j~ / ]AIZA,

o~ zes t la distance de propagation, t le temps retard6 (pour tenir compte de la vitesse de propagation), A(z, t) l'enveloppe complexe du champ optique, /~2 est lid la dispersion chromatique D de la fibre et 7 est le coefficient d'effet non lindaire Kerr.

Omettant le terme lid ~ a, qui correspond h une attdnuation pure, il appara3t que, suivant la valeur de/32 et de la puissance en ligne, la dispersion chromatique ou l'automodulation de phase r6sultant de l'effet Kerr peut pr6dominer.

Pour des valeurs de dispersion ndgatives mSme faibles, il y a coopHation entre l'effet Kerr et la dispersion et les impulsions s'dlargissent tr~s vite, avec la consdquence sur le systbme d'apparition d'interf6rences entre symboles rapidement insupportables.

Quand la dispersion est positive, les deux effets ont plut6t tendance ~ s'opposer et il y a gdndralement apparition d'instabilit6 de modulation (explosion des impulsions en impulsions beaucoup plus fines et instables, et dlargissement ddmesurd du spectre optique).

H.3.2.2. Les consequences sur les systdmes.

Les systbmes de transmission terrestres actuels utilisent une fibre ayant une dispersion chromatique dlevde

1,5 #m (17 ps/nm.km). Leurs performances sont clai- rement limit6es par la dispersion, les effets non lindaires restant ndgligeables. L'dlargissement des impulsions dfi

la dispersion &ant proportionnel au carr6 de leur largeur, le ddbit maximal s'en trouve limitd h une dizaine de Gbit/s sur 100 km.

Pour les syst~mes amplifi6s transocdaniques, la fibre utilis6e (de conception plus r6cente) a une dispersion chromatique s'annulant dans la plage ~ 1,5 #m. Par ailleurs, les effets de l'automodulation s'accumulant avec la distance, ils ne peuvent plus ~tre ndgligds. L'existence des deux r6gimes de propagation suivant le signe de la

Omitting the term in ~, which represents pure attenuation, it appears that chromatic dispersion or self- phase-modulation resulting from the Kerr effect can predominate, depending on the value of/32 and the on- line power

For even low negative values of dispersion, there is cooperation between the Kerr effect and dispersion and the pulses widen very quickly, causing intersymbol interference that very quickly becomes unacceptable.

I f the dispersion is positive, the two effects tend to oppose each other and the usual result is modulation instability (explosion of the pulses into much narrower and unstable pulses, and excessive widening of the optical spectrum).

11.3.2.2. Consequences for systems.

Current terrestrial transmission systems use fibre having high chromatic dispersion at 1.5 #m (17 ps/nm. km). Their performance is clearly limited by dispersion and the non-linear effects remain negligible. Since the widening of pulses due to dispersion is proportional to the square of their width, the maximal bit rate is limited to around 10 Gbit/s over distances of 100 km.

The more recent design of fibre used in transoceanic amplified systems exhibits a zero chromatic dispersion wavelength in the 1.5 #m window. As the effects of self- modulation are cumulative with distance, they can no longer be neglected. The existence of two different propagation regimes depending on the sign of the chromatic dispersion leads the system designer to work as close as possible to the zero dispersion wavelength of the fibre, with draconian consequences on the stability of production of line fibre and laser characteristics. The bit rate of the system currently being developed is 5 Gbit/s and it is generally accepted that it will be difficult to increase the bit rate above 10 Gbit/s with this technique. To illustrate the importance of these propagation phenomena, Figure 1 shows the same stream of pulses at 5 Gbit/s propagated over 6 300 km at three very similar wavelengths corresponding to D > O, D ~ 0 and D < O.

The possibility of self-compensation of the two propagation effects mentioned above will circumvent the intrinsic logic of the design of these systems, in which propagation is treated as a penalizing phenomenon. The key to this is the soliton, a special shape of pulse gua- ranteeing the ideal equilibrium.

H.3.2.3. The soliton.

The soliton is the solution to the problem of finding a stable equilibrium in this propagation regime. A soliton is a pulse of particular shape and width and of given power propagating in a fibre with given (positive) chromatic dispersion : when all conditions are satisfied, propagation is stable over infinite distance (neglecting the loss per unit length of the fibre, although this is present). To be more precise, the generic form of the soliton is [4] :

(6) A(z , t ) = v/-~ sech ~ ,

7/19 ANN. T~LI~COMMUN., 50, n ~ 1, 1995

86

dispersion chromatique conduit le concepteur de syst~me h travailler le plus pros possible de la longueur d'onde de dispersion nulle de la fibre, avec les cons6quences dra- coniennes sur la stabilit6 de production des caract6ris- tiques des fibres de ligne et celle des lasers d'6mission. Le d6bit du syst~me en cours de d6veloppement est de 5 Gbit/s et tout accr6dite l'id6e qu'il sera difficile de d6passer 10 Gbit/s avec cette technique. Pour illustrer l'importance de ces ph6nombnes de propagation, la figure 1 pr6sente le m~me train d'impulsions a 5 Gbit/s propag6 sur 6 300 km ~ trois longueurs d'onde tr~s peu diff6rentes correspondant aux cas D > 0, D ~ 0 et D < 0 .

La possibilit6 d'une auto-compensation des deux effets de propagation 6voqu6s pr6c6demment va permettre de s'6chapper de la logique propre ~i la conception de ces systbmes pour lesquels la propagation est trait6e comme un ph6nombne p6nalisant. Le soliton, impulsion particuli~re garantissant cet 6quilibre id6al, en est la c16.

H.3.2.3. Le soliton.

Le soliton est la solution h la recherche d'un 6quilibre stable dans ce r6gime de propagation. I1 s'agit en fait d'une impulsion de forme et de largeur donn6es, d'une puissance donn6e se propageant dans une fibre de dispersion chromatique (positive) donn6e : lorsque toutes ces conditions sont r6unies, il y a propagation stable l'infini (en omettant 6videmment le terme de perte lin6i- que de la fibre pourtant bien pr6sent). Plus pr6cis6ment, le soliton est une impulsion de forme g6n6rique [4] :

(6) A ( z , t ) = x / ~ s e c h ( t ) ,

o?a Pc, la puissance cr~te, et 7-, la largeur caract6ristique

de l'impulsion, sont li6es par 7-2 Pc =/32/7.

II.4. Les difficult~s et les limites de ia transmission par solitons.

II.4.1. Interaction entre solitons adjacents.

Le soliton est, comme son nom l'indique, une solution solitaire de l'6quation de Schr6dinger. Un train de solitons n'en est donc plus solution et on peut s'atten- dre h une propagation diff6rente. C'est effectivement le cas des solitons proches pouvant interagir tr~s fortement (ph6nom~nes d'attirance ou de r6pulsion) [5]. Pour limi- ter cette interaction, il est n6cessaire d'espacer fortement les impulsions successives, ce qui conduit ?~ l'utilisation d'impulsions beaucoup plus fines (facteur 5 h 10) que la dur6e d'un bit et donc, d'une certaine mani~re, h une r6duction de d~bit. La figure 2 illustre l'aspect fonda- mentalement solitaire du soliton : le soliton le plus gauche, isol6, se propage sur 14 000 km sans d6forma- tion notable, alors que le couple de droite se d6forme par attraction et r6pulsion.


i I I I i

0 200 400 600 800 1000 1200ps

FIG. 1. - - Formes d ' o n d e associ6es au message binaire ~< 0 1 1 0 1 0 , ~t l '6miss ion et apr~s 6 300 k m pour D = - 0,038 ps /nm.km,

0 et + 0,038 ps /nm.km (de bas en haut).

Fig. 1. - - Waveforms associated with the binary message r 011010 ~ as transmitted and after 6 300 km for D = - 0.038 ps/nm.km,

0 and + 0.38 ps/nm.km (bottom to top).

where Pc is the peak power and 7- is the characteristic width of the pulse, related by the equation rZc Pc --

92/%

11.4. Problems and limitations of soliton transmission.

11.4.1. Interaction between adjacent solitons.

As its name suggests, a soliton is a solitary solution of SchrSdinger's equation. A stream of solitons is therefore no longer a solution and different propagation can be expected. This is so in practice, since closely spaced solitons can interact very strongly (through attraction and repulsion phenomena) [5]. To limit such interaction successive pulses must be widely spaced, leading to the use of pulses five or ten times narrower than the bit interval and therefore to some loss of throughput. Figure 2 shows the fundamentally solitary nature of the soliton : the isolated soliton on the left propagates over 14 000 km without significant deformation, while the pair of solitons on the right is deformed by attraction and repulsion.

14- 12- 10 8 6 e -

4 -o 2

0 100 200 300 400 ps

FIG. 2. - - Propagat ion sur 14 000 k m de la f o n n e d ' o n d e soliton associ6e au messag e binaire << 1011 >>.

Fig. 2 . - -Propaga t ion over 14 000 km o f the soliton waveform associated with the binary message ~ 1011 ~,.

A N N . T ~ L ~ C O M M U N . , 5 0 , n ~ 1, 1995 8/19

P. V A N D A M M E . -- TRANSMISSION PAR SOLITONS SUR FIBRE OPTIQUE

11.4.2. Interaction avec le bruit des amplificateurs.

Comme dans les syst~mes classiques, le bruit optique a une influence tr~s limitative sur les performances des syst~mes h solitons. I1 y a bien entendu une d6gradation du rapport signal ~ bruit en r6ception. Un autre effet, propre aux solitons, est la gigue de Gordon-Haus d6j~ 6voqu6e [6]. Cette gigue induit un taux d'erreur plancher, tout comme le bruit. Sa variance proportionnelle ~ la puissance en ligne et asymptotiquement au cube de la longueur de la liaison est donn6e par :

(7) cr 2 = KGH Z(z 2 + 7, 4Z~),

D K G H : F - - ,

7

or, le facteur F d6pend des caract6ristiques d'att6nuation et d'amplification de la liaison et de celles de la fibre, 7- est la largeur h mi-hauteur du soliton et Zc est la longueur de dispersion. Les performances optimales en termes de taux d'erreur d'un syst~me ~ soliton r6sultent ainsi d'un compromis entre le rapport signal h bruit et le niveau de gigue de Gordon-Hans, tous deux croissant avec la puissance du signal. Ceci limite, en l'absence de compensation particuli~re, le d6bit admissible h environ 5 Gbit/s sur 9 000 km.

11.4.3. Le r~gime de soliton moyen.

En plus de l'introduction du bruit d'6mission spon- tan6e et de la gigue de position qu'il induit sur le signal, l'amplification optique, par sa nature localisde, conduit

une distribution non constante du niveau de signal en ligne, la variation relative de puissance optique sur un tron~on reliant deux amplificateurs pouvant d6passer un facteur 10. Elle semble a priori incompatible avec la possibilit6 d'6quilibre recherch6 dans lequel l'effet Kerr est directement fonction de la puissance optique. La robustesse du rdgime de propagation soliton aux stimuli ext6rieurs se traduit par un r6gime moyen de propagation qui tient compte de la puissance du signal moyenn6e spatialement sur la liaison [7, 8]. Au deuxi~me ordre, ce r6gime est toutefois affect6 par les variations de la puissance autour de cette valeur moyenne.

II.4.4. D~passer les limites induites par le bruit.

Le compromis pr~cit~ a ~t6 pr6sent6 pendant longtemps comme une limite r6dhibitoire pour la capacit6 d'un syst~me h solitons, limite d'ailleurs peu diff6rente de celle des syst~mes conventionnels. C'est la non-lin6a- rit6 qui enest h l'origine. C'est la nature non lin6aire du soliton qui va permettre de s'en affranchir. Diff6rentes techniques ont ainsi 6t6 propos6es dans la littdrature pour outrepasser l'effet d616t~re de la gigue de Gordon-Haus. Nous en donnons ici bri~vement les principes.

H.4.4.1. Rdduction de gigue par traitement en ligne.

La non-lindaritd de la fibre permet de diff6rencier le comportement des signaux de faible et forte intensit6s. Elle autorise donc une discrimination de comportement entre signal utile (fort) et bruits (faibles). L'exploitation

87

11.4.2. Interaction with amplifier noise.

As in conventional systems, optical noise has a strongly limiting effect on the performance of sol# ton systems. There is naturally a deterioration in the signal~noise ratio at the receiver Another effect, specific to solitons, is the Gordon-Haus jitter already mentioned [6]. This jitter induces a floor bit error rate, just like noise. Its variance which is proportional to the line power and asymptotically to the cube of the link length is given by the equation :

(7) c ~2 = KGH Z(Z 2 + 7, 4Z~),

D K G H = F - - ,

T

in which the factor K depends on the attenuation and amplification characteristics of the link and of the fibre, ~- is the FWHM (full width at half maximum) width of the soliton and zc is the dispersion length. Optimum performance in terms of bit error rate of a soliton system therefore represents a compromise between the signal~noise ratio and the level of Gordon-Haus jitter, both proportional to the power of the signal. Unless specifically compensated, this limits the usable bit rate to around 5 Gbit/s over a distance of 9 000 km.

11.4.3. The average soliton regime.

In addition to introducing amplified spontaneous emission (ASE) noise and position jitter into the signal, because of its localized nature, optical amplification leads to a non-constant distribution of the in-line signal level, the relative optical power variation over a amplifier span potentially exceeding a factor of 10. This seems incompatible with the possibility of equilibrium, which is what is required and whereby the Kerr effect is a direct function of the optical power The resistance of the soliton propagation regime to external stimuli is reflected in an averaged propagation regime which allows for the power of the signal averaged spatially on the link [7, 8]. At the second order effect level, this regime is however affected by variations of the power about this average value.

11.4.4. Exceeding the limits imposed by noise.

The above trade-off has long been seen as an unacceptable limit on the capacity of a soliton system, a limit which is moreover not very different from that of conventional systems. The root cause is non-linear#y, and it is the non-linear nature of the soliton which will provide the solution. The literature describes various techniques which have been proposed to overcome the deleterious effect of Gordon-Haus jitter The theory of these propo- sals is summarized below.

H.4.4.1. Reducing jitter by in-line processing.

The non-linearity of the fibre makes it possible to distinguish the behaviour of low-intensity and high- intensity signals. It therefore allows discrimination between wanted signals (high intensity) and noise (low

9/19 ANN. T~L~COMMUN., 50, n ~ 1, 1995

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de ce constat a conduit ~ des solutions plus ou moins complexes de traitement en ligne permettant de rEduire de mani~re significative les niveaux de gigue de position et de bruit d'amplitude. Deux techniques possibles sont le traitement en ligne dans le domaine spectral (par filtrage en ligne) et dans le domaine temporel (par modulation synchrone).

L'idEe du filtrage en ligne est simple [9, 10] : la gigue dtant issue des fluctuations en frEquence du soliton, des filtres optiques places tout au long de la ligne forcent le train de soliton h maintenir sa frEquence quasi-constante. Quant ~ la modulation en ligne, eUe resynchronise directement chaque impulsion par une modulation d'intensit6 p6riodique h la frEquence horloge, interdisant ainsi au soliton de s'Echapper de sa fen&re temporelle [11]. Ces traitements sont, au m~me titre que l'amplification, localis6s dans les rEpEteurs.

H.4.4.2. Le multiplexage en longueur d'onde.

Sous certaines conditions de fonctionnement (espacement frEquentiel entre canaux bien ma~trisE), le multiplexage en longueur d'onde de plusieurs trains de solitons induit des pEnalit6s mineures sur les performances (dues aux collisions entre solitons de canaux diffErents, donc se propageant ~ des vitesses diffErentes). Le debit total Etant rEparti entre les canaux, la gigue tolerable sur chaque canal est alors augmentEe du facteur de multiplexage [ 12].


intensity). More or less complex in-line processing solutions based on this observation can significantly reduce the levels of position jitter and amplitude noise. Two possible techniques are in-line processing in the spectral domain (by in-line filtering) and in the time domain (by synchronous modulation).

The idea of in-line filtering is a simple one [9, 10] : since the jitter is due to fluctuations in the frequency of the soliton, optical filters installed along the line force the stream of solitons to maintain a quasi-constant frequency. In-line modulation resynchronizes each pulse directly by periodic intensity modulation at the clock frequency, which prevents the soliton escaping from its time window [11]. Like amplification, this processing is localized to the repeaters.

11.4.4.2. Wavelength multiplexing.

Under some operating conditions (tightly controlled frequency spacing between channels), wavelength multiplexing of multiple streams of solitons results in minor performance penalties (due to collisions between solitons of different channels and therefore propagating at different speeds). Since the total bit rate is divided between the channels, the acceptable jitter on each channel is increased by the multiplexing factor [121.

IlL MAIN AREAS OF RESEARCH INTO SOLITON TRANSMISSION

III. LES AXES D'I~TUDES EN TRANSMISSION PAR SOLITONS

Les Etudes en mati~re de transmission par solitons portent naturellement sur les probl~mes de propagation prEcisEs dans le paragraphe prEcEdent mais couvrent Egalement les aspects de recherche lies aux composants et ~ la definition des syst~mes. Nous allons dans ce paragraphe presenter quelques axes d'Etudes majeurs dEve- loppEs par le CNET dans le cadre du projet Soliton et illustrer les rEsultats obtenus par quelques exemples. Le cadre est celui d'une transmission de type transocEa- nique, c'est-~-dire sur une tr~s longue distance (typiquement 9 000 km), application pour laquelle le soliton appara~t naturellement comme une solution potentielle aux probl~mes rencontres.

La figure 3 donne l'architecture gEnErale d'un sys- t~me optique de transmission avec amplification en ligne. Les ElEments constitutifs sont la source qui dElivre un signal optique porteur de l'information numE- rique h transmettre, la ligne de transmission propre- ment dite constituEe de tronqons de fibre et de rEpEteurs optiques dont la fonction de base est d'amplifier le signal, enfin le rEcepteur charge de la conversion optique-Electrique et de la detection du train numErique.

Research into soliton transmission is naturalh" c,n- cerned with the propagation problems mentioned in the previous section but also extends to aspects concerned with components and with system design. This sectimt describes some of the major research themes pursued at CNET in the context of the Sol#on project, with some examples to indicate the results obtained. The context is transoceanic transmission, i.e. transmission over very long distances (typically 9 000 km), in which the soliton seems a natural contender as a solution to the problems encountered.

Figure 3 shows the general architecture of an optical transmission system using in-line amplification. The

puissance k, k niveau moyen power~176 t ~ , . . J ~ean_le_v_ el . ..

trai filtre binaire I +TO +TO optique binary EDFA EDFA op~cal stream +OP +OP filter

FIG. 3. - - Archi tecture gEnErale d ' u n syst~me amplif i6 et dis t r ibut ion de la pu issance opt ique en l igne.

TO = t ra i tement optique.

Fig. 3. - - General architecture of an amplified system and distribution of optical power in the line.

OP = optical processing.

ANN. T~LI~COMMUN., 50, n ~ 1, 1995 10/19

P. V A N D A M M E . - - T R A N S M I S S I O N P A R S O L I T O N S S U R F I B R E O P T I Q U E

III.1. La source, 616ment critique d 'un syst~me /l solitons.

La source r6alise deux fonctions, le plus souvent en cascade : d'abord, la g6n6ration d'un train r6gulier d'impulsions optiques hun taux de r6p6tition 6gal au d6bit transmettre; ensuite, sa modulation par le train binaire d'information par masquage 6ventuel de ces impulsions. La difficult6 de r6alisation tient essentiellement ~t l'obtention de caract6ristiques spatio-temporelles de bonne qualit6 pour les impulsions de type soliton destin6es se propager par la suite.

Plusieurs techniques ont 6t6 explor6es depuis une dizaine d'ann6es : technique de commutation de gain d'un laser ~ semiconducteur, de blocage de modes 6ga- lement dans un semiconducteur ou bien dans un laser en anneau ~t fibre dop6e. Elles donnent de bons r6sultats en termes de qualit6 d'impulsions, mais manquent de stabilit6 dans le temps (blocage de modes) ou bien sont limit6es par leur bande passante (commutation de gain sur structures h semiconducteur multi61ectrodes).

Une technique alternative tr~s prometteuse consiste h utiliser des modulateurs ~ 61ectro-absorption ~ multi- puits quantiques tels que ceux d6velopp6s par le CNET Bagneux depuis quelques ann6es [13]. Ces modulateurs ont une bande passante extramement 61ev6e (nettement sup6rieure h 20 GHz) et pr6sentent la particula- rit6 d'avoir une fonction de transfert tension 61ectrique- puissance optique absorb6e fortement non lin6aire. Comme illustr6e h la figure 4, la technique de g6n6ration est alors la suivante : une lumi~re continue est inject6e dans le modulateur lui-m~me attaqu6 61ectriquement par un signal sinuso'fdal ~ la fr6quence horloge. Grfice h la caract6ristique non lin6aire, il y a alors g6n6ration d'un train impulsionnel en sortie comme le montre la figure 5 pour un d6bit de 10 Gbit/s. En jouant sur le biais 61ectrique continu du modulateur et sur le niveau d'attaque de la sinuso'fde, on peut ajuster la largeur des impulsions h la valeur requise. Des analyses r6alis6es au CNET, qui tiennent aussi compte de la modulation de phase parasite du modulateur, montrent que l'on peut obtenir des impulsions de tr~s bonne qualit6 en opti-

fonction de transfert dUmm~ /

transfert functmn~

~, Vb~s domaine ~lectrique electrical domain

,T(V} T(V(t)) l dimaine/ptiqu / optical domain

I

V(t)=V~k+ Vb,~ sin (2mf t)

FIG. 4. - - Sch6ma de principe de la g6n6ration d'impulsions par un modulateur/i 61ectro-absorption.

Fig. 4. -- Theoretical diagram of pulse generation by an electro-absorption modulator�9

11/19

89

component parts of the system are the source, which delivers an optical signal carrying digital information to be transmitted, the transmission line, which is made up of fibre sections and optical repeaters, the basic function of which is to amplify the signal, and the receiver which handles optical~electrical conversion and detection of the digital bit stream.

III.1. The source, the critical part of any soliton system.

The source has two functions, usually cascaded : generation of a regular stream of optical pulses with a repetition rate equal to the bit rate to be transmitted, and modulation of this stream of pulses by the information bit stream by selective masking of pulses�9 The implementation problem is essentially how to obtain good space~time characteristics for the soliton type pulses leaving the source.

Various techniques have been examined over the past decade : semiconductor laser gain switching, mode blocking in a semiconductor or in a doped fibre loop laser. These techniques give good results in terms of pulse quality, but lack stability (mode blocking) or have a restricted bandwidth (gain switching in multi-electrode semiconductor structures)�9

An alternative and highly promising technique is to use multiple quantum well electro-absorption modulators such as those developed by CNET Bagneux in recent years [13]. These modulators have an extremely high bandwidth (in excess of 20 GHz) and are unique in having an electrical voltage~absorbed optical power transfer function that is highly non-linear. As shown in Figure 4, the generation technique is as follows : continuous light is injected into the modulator which is driven by a sinusoidal electrical signal at the clock frequency. Because of its non-linear nature, an output stream of pulses is generated as shown in Figure 5 for a

50 rnv /div

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . �9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . !i . . . . . . . . . i�9

. . . . . . . . . ;.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . :

100 ps/div FIG. 5. - - Visualisation sur un oscilloscope large bande

d'un train de solitons au d6bit de 10 Gbit/s engendr6 par un modulateur h 61ectro-absorption.

Fig. 5 � 9 Broadband oscilloscope display of a stream of solitons at 10 Gbit/s generated by an electro-absorption modulator.

ANN. TI~LI~COMMUN., 50, n ~ 1, 1995

90

misant les param~tres Electriques. Ce type de source prEsente de multiples avantages : il est stable; il est possible d'intEgrer deux modulateurs dont l 'un assure la fonction de gEnEration des impulsions et l 'autre celle de codage, voire ult6rieurement deux modulateurs et le laser, auquel cas toutes les fonctions sont rEunies sans intermEdiaire en fibre optique. Le CNET Bagneux a ainsi rEalisE un tandem de modulateurs incluant une section amplificatrice dont la figure 6 montre le train de solitons codes obtenus au debit de 20 Gbit/s [14].

Ce type de source a 6tE utilisE avec succ~s dans les diffErentes exp6rimentations syst~me prEsentEes au paragraphe 111.3.

111.2. Etudes de propagation.

La propagation de solitons relbve d 'un Equilibre par- fait entre les effets de deux phEnom~nes principaux : la dispersion chromatique et l 'automodulation de phase. Tout autre phEnombne tend ~ nous Ecarter de cet Equi- libre thEorique. Ces phEnom~nes supplEmentaires peuvent ~tre classes en deux categories :

- - les phEnom~nes naturellement presents dans la fibre, entre autres ceux induits par l'attEnuation et l 'amplification compensatrice;

- - les traitements optiques introduits volontairement en ligne dans le but d'amEliorer la propagation, comme ceux rEduisant la gigue ou l'interaction.

Les Etudes de propagation concernent la modElisation, l 'analyse et la comprehension des effets ainsi engendrEs et leur quantification de faqon ~ pouvoir les prendre en compte dans l '6tude des syst~mes.

111.2.1. La th~orie des perturbations.

Les travaux du CNET ont principalement porte sur l 'exploitation de la thEorie des perturbations appliquEe h l'Equation de Schrtidinger non linEaire. ComplEtEe par une m6thodologie de calcul originale de la gigue totale affectant les solitons (c'est-~-dire la gigue incluant l 'interaction entre solitons), elle a pennis de quantifier l 'influence de nombreux phEnom~nes [15].

A titre d 'exemple, l 'apport de la modulation diffEren- tielle d 'amplitude ou de phase ~ l 'Emission visant rEduire l 'interaction entre solitons a ainsi pu 6tre EvaluE. De ces travaux, le CN~T a pu en conclure que la faisa- bilit6 d 'une liaison transocEanique au debit de 10 Gbit/s reposait impErativement sur l 'utilisation d 'un traitement en ligne efficace pour la reduction du bruit de position [16].

III.2.2. Le filtrage en ligne.

Des deux techniques de traitement en ligne prEsen- tees, le filtrage est le seul enti~rement passif. S'il laisse espErer des reductions de gigue importantes, il affecte Egalement le niveau de bruit et modifie les forces d ' interaction entre solitons. Une limite existe toutefois dans

P. V A N D A M M E . - - S O L I T O N T R A N S M I S S I O N O N O P T I C A L F I B R E S

bit rate of lO Gbit/s. By adjusting the DC electrical bias voltage of the modulator and the sinusoid input level the width of the pulses can be adjusted to the required value. Research work carried out at CNET, allowing for unwanted phase modulation in the modulator, shows that very good quality pulses can be obtained with optimized electrical parameters. This type of source has many advantages : it is stable; it is possible to integrate two modulators, one to generate pulses and the other to perform encoding; and it may even be possible in the future to integrate two modulators and the laser, in which case all these functions will be combined with no intermediary optical fibre. CNET Bagneux has made a tandem pair of modulators including a gain section producing the stream of coded solitons at 20 Gbit/s shown in Figure 6 [14].

This type of source has been used successfully in various system experiments described in Section 111.3.

FIG. 6. - - Diagramme de l'oeil d'un train de solitons au debit de 20 Gbit/s engendr6 et cod6 par un tandem

de modulateurs h 61ectro-absorption.

Fig. 6 . - Eye diagram of a stream of solitons at 20 Gbit/s generated and coded by a tandem pair

of electro-absorption modulators.

III.2. Propagation studies.

Soliton propagation represents a perfect balance between the effects of two main phenomena : chromatic dispersion and phase self-modulation. All other phenomena tend to detract from this theoretical equilibrium. These additional phenomena can be classified in two categories :

--phenomena naturally present in the fibre, including those induced by attenuation and the compensating amplification ;

- - deliberate optical processing intended to improve propagation, for example by reducing jitter and interaction.

These propagation studies are concerned with modelling, analyzing and understanding the effects generated by these means and quantifying them so that they can be taken into account in system design.

111.2.1. Perturbation theory.

The CNET research work is mainly centred on applying perturbation theory to the non-linear SchrEdinger equa-

ANN. TflL~COMMtrN., 50, n ~ 1, 1995 12/19


la sEvEritE du filtrage admissible, un filtrage trop Etroit pouvant conduire h une remontEe de bruit excessive et

une destruction des impulsions.

La thEorie des perturbations permet de quantifier l'effet du filtrage sur la gigue. Sa variance s'exprime alors par :

(8) 0-2 _-- KGH Z(Z 2 f ( k f z ) q- z12),

f ( x ) = ~ [ 2 x - 3 + 4e -= - e-2=],

off le paramStre kf reprEsente la sEvEritE du filtrage qui depend du rayon de courbure de la fonction de transfert des filtres au voisinage de la longueur d'onde du soliton. La variance devient alors asymptotiquement une fonction linEaire de la distance (au lieu de cubi- que). La figure 7 montre une comparaison des rEsultats obtenus en termes de gigue en fonction de la distance par simulation et en appliquant la relation (8) pour un ensemble caractEristique de param~tres. ExpErimentale- ment, par mesure sur boucle h recirculation (boucle dont le principe est dEcrit au paragraphe suivant), les rEsultats pour diffErentes sEvEritEs de filtrage ont confirmE le gain apportE par le filtrage. La figure 8 donne l'Ecart-type de gigue mesurE et calculE en fonction de la distance de propagation pour un filtrage a v e c kf ~ 0, 13 ?a un debit de 5 Gbit/s.

Une technique dErivEe permet d'utiliser des filtres nettement plus Etroits, et donc de diminuer considEra- blement la gigue, tout en rEduisant fortement le niveau de bruit. Les filtres sont alors disposes h des frEquences centrales IEg~rement dEcalEes les unes par rapport aux autres [17]. Le soliton, grace h ses propriEtEs non linEaires, glisse en frEquence, alors que le bruit et les perturbations (qui sont en regime linEaire) ne peuvent suivre et sont absorbEs par la cascade de filtres. La figure 9 montre la reduction importante de gigue obtenue avec un tel filtrage m~me pour des vitesses de glissement relativement faibles. Lh aussi, les rEsultats sont en bon accord avec la modElisation.

to

t X O ..~.m o

to

3 "'*"*'"

o I I 0 2000 4000 6000 8000

distance (km)

FIG. 7. - - Ecar t - type de la g igue en fonction de la d is tance pour un d6bit de 10 Gbit/s.

Courbe con t inue : express ion ana ly t i que ; courbe poin t i l lEe: rEsultats de s imulat ion.

Fig. 7. - - Standard deviation of the jitter as a function of distance for a bit rate of lO Gbit/s.

Continuous curve = analytical expression, dashed curve = simulation results.

91

tion. In conjunction with a novel method of calculating the total jitter affecting the solitons (i.e. the jitter including interaction between solitons), this has made it possible to quantify the influence of many phenomena [15].

For example, it has been possible to assess the benefit of differential amplitude or phase modulation at the source to reduce interaction between solitons. The results of the work have led CNET to conclude that the feasibility of a 10 Gbit/s transoceanic link is crucially dependent on the use of an effective in-line process to reduce position noise [16].

III.2.2. In-line filtering.

Of the two in-line processing techniques described, only filtering is entirely passive. Although it will hope- fully reduce jitter significantly, it also affects the noise level and modifies the forces of interaction between solitons. There is a limit on the permissible severity of the filter action. Excessively narrow filtering could increase noise strongly and destroy pulses.

Perturbation theory enables the effect of filtering on the jitter to be quantified. Its variance is then expressed by the equations :

(8) 0 -2 = KGH Z(Z 2 f (k fZ) + Z~),

f (x ) = ~ [2X -- 3 + 4e -x -- e-2X],

in which the parameter kf represents the severity of the filtering, which depends on the radius of curvature of the transfer function of the filters in the vicinity of the wavelength of the soliton. The variance then becomes asymptotically a linear function of the distance (rather than a cubic function). Figure 7 shows a comparison of the results obtained in terms of jitter versus distance by simulation and by using equation [8] for a characteristic set of parameters. In experiments using a recirculating loop (see next section), measurements for various seve- rities of filtering have confirmed the benefit of filtering. Figure 8 shows the standard deviation of the fitter as

16 . ......"'

14 .....

12 ........... . . ' * "

10 " . . . . ' "

. . / . . , . ,

.....

4

2

i ~ i i i I i i i

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 di stance (103km)

path (10Skin)

FIG. 8. - - Ecart- type de la g igue mesur6 en fonct ion de la dis tance pour un fi l trage fixe avec kf = 0,13 et un debi t de 5 Gbit/s.

O avec filtre (expErience) ; - - avec filtre (thEorie) ; ... sans filtre (thEorie).

Fig. 8. - - Standard deviation of the fitter measured as a function of distance for foced filtering with kf = 0.13 at a bit rate of 5 Gbit/s.

-~..~ ~.-~

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92

16

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i i I I i t t I i

1 2 3 4 5 6 7 8 9 distance (103kin)

path (10~km)

FIG. 9. - - Ecart-type de la gigue mesur6 en fonction de la distance pour un filtrage glissant dont les caract6ristiques sont : kf = 0,38

et une vitesse de glissement de 2,5 GHz/Mm.

D6bit de 5 Gbit/s. O avec filtre (exp6rience) ; - - avec filtre (th6orie) ; ... sans filtre (th6orie).

Fig. 9. - - Standard deviation of the jitter measured as a function of distance for a sliding frequency filter

with the following characteristics : kf = 0.38 and sliding rate = 2.5 GHz/Mm (bit rate 5 Gbit/s).

La ma~trise de ces techniques passe par une n6ces- saire quantification des tol6rances sur la dispersion des param~tres des filtres. Pour les filtres d6cal6s, s 'ajoute

la d6termination de la vitesse et du sens de glissement optimaux. Les travaux r6alis6s au CNET ont permis de

montrer que les performances des systbmes avec ill- trage sont relativement peu sensibles au bruit de position (en fr6quence) des filtres m6me pour les filtres d6cal6s,

ce qui cr6dibilise leur utilisation [18]. Typiquement, un 6cart-type de 5 GHz est acceptable sur la position de la fr6quence des filtres pour un d6bit transmis de 10 Gbit/s. La figure 10 montre l '6volution de l 'excbs de gigue en fonction de l '6cart-type du bruit de position des filtres pour trois distances de propagation. Les valeurs mesu-

r6es en boucle obtenues par modulation sinusoYdale de la position des filtres sont en bon accord avec celles r6sultant de la m6thode analytique d6velopp6e.

III.2.3. La modulation en ligne.

La modulation en ligne, qu ' i l est n6cessaire de sta- biliser par un filtrage compl6mentaire, conduit h u n r6sultat remarquable [11] : les niveaux de bruits et de gigue, croissant en d6but de propagation, se stabilisent

ensuite h des valeurs ind6pendantes de la distance. A titre

d' i l lustration, le CNET a mesur6 un niveau de gigue sur boucle ~ recirculation qui se stabilise ~ 2,5 ps, pour

un espacement entre amplificateurs de 70 km et un

d6bit de 10 Gbit/s [20]. Ce r6sultat ouvre la porte ~ la

notion de r6g6n6ration optique distribu6e. Classique- ment, la fonction (non lin6aire) de r6g6n6ration est avant tout un moyen d'61imination du bruit. Avec la propagation soliton, on dispose en quelque sorte d 'une r6g6n6ra- tion distribu6e tout au long de la liaison, dont l 'effet n 'es t

plus directement localis6 dans le r6p6teur.

P. VANDAMME. -- SOL1TON TRANSMISSION ON OPTICAL FIBRES

measured and as calculated as a function of the propagation distance for filtering with kf ~ 0.13 at a bit rate of 5 Gbit/s.

A technique derived from the above enables the use of much narrower filters, and consequential considerable reduction in jitter, whilst strongly reducing noise. The filters then have centre frequencies slightly offset relative to each other [17]. Because of its non-linear properties, the soliton frequency slides, whereas the noise and perturbations (which are linear) cannot follow this and are therefore absorbed by the cascade of filters. Figure 9 shows the significant reduction in jitter obtained with such filtering, even for relatively low sliding rates. Once again, these results agree closely with modelling.

Achieving a command of these techniques depends on quantifying filter parameter dispersion tolerances. In the case of offset filters, the optimum sliding rates and direction also need to be determined. Work carried out by CNET has demonstrated that the performance of systems using filtering is relatively insensitive to the (frequency) position noise of the filters, even for offset filters, which makes their use credible [18]. Typically, a standard deviation of 5 GHz is acceptable on the frequency position of the filters for a transmitted bit rate of 10 Gbit/s. Figure 10 shows the excess jitter as a

5

4

" ~ 3 ( p w.,. " I ( b

. - ~ 2

1

[] FI .15 " ~" "~ ''1~ []

t

I I I I I I i i I I I I

0 I 2 3 4 5 6 7 8 9 I0 I I 12

a (GHz)

FIG. 10. - - Ecart-type de la gigue mesur6 et calcul6 en fonction de l'6cart-type du bruit de position des filtres

et pour trois distances de propagation. O 8 M m , - - 8 m M , Z ] 4 M m , - - - 4 M m , O lmM .. . . 1Mm.

Fig. 10. - - Standard deviation of the jitter measured and calculated as a function of the standard deviation

of the filter position noise and for three propagation distances.

function of the standard deviation of the position noise of the filters for three propagation distances. Values measured on the loop with sinusoidal modulation of the position of the filters agree closely with those produced by the analytical method.

III.2.3. In-line modulation.

In-line modulation, which has to be stabilized using further filtering, yields a remarkable result [11] : the levels o f noise and jitter, which increase at the start o f

ANN. TI~LI~COMMUN., 50, n ~ 1, 1995 14/19

P. V A N D A M M E . -- TRANSMISSION PAR SOL1TONS SUR FIBRE OPTIQUE

III.3. Etudes des syst~mes de transmission.

L'objectif des 6tudes de syst~me est l'identification des points de fonctionnement possibles pour le d6bit h transmettre et la longueur de la liaison. Pour ce faire, le taux d'erreur par 616ment binaire est l'616ment de mesure principal, m~me s'il est difficilement accessible par des moyens non exp6rimentaux. Par ailleurs, dans la comparaison des points de fonctionnement, le crit~re de qua- lit6 retenu ne peut pas ~tre exclusivement technique et devra aussi int~grer des param~tres 6conomiques. D6fi- nition de l'architecture du syst~me, choix et dimension- nement du traitement en ligne, choix de l'espacement entre r6p6teurs, d6termination de la ou des longueurs d'onde de fonctionnement, du r6gime de fonctionnement des amplificateurs sont autant de tfiches d61icates s'appuyant sur une d6marche la plus exhaustive possible.

La notion de meilleur point de fonctionnement est par ailleurs indissociable de celle de marge. Ces derni~res ont pour but de quantifier les tol6rances du syst~me aux dispersions de production, au vieillissement des composants et ~ d'6ventuelles pannes.

Puisqu'il est difficile et extr~mement cofiteux de r6a- liser des prototypes (un prototype de syst~me sous-marin est une liaison de plusieurs milliers de kilom&res comprenant plus d'une centaine d'amplificateurs optiques), l'approche la plus int6ressante consiste h utiliser deux types d'outils : des simulateurs num6riques complexes et des boucles ~ recirculation au niveau exp6rimental. Le simulateur num6rique permet de d6finir des points de fonctionnement dont la validit6 est alors v6rifi6e exp6ri- mentalement sur la boucle ~ recirculation.

111.3.1. Les simulations.

L'int6gration num6rique de l'6quation de Schr6dinger non lin6aire est une op6ration cofiteuse en temps de calcul, mais les performances 61ev6es des ordinateurs modernes rendent r6aliste et utile son usage intensif. I1 est toutefois impossible de simuler toutes les configurations et un choix de param~tres type est effectu6 en se basant sur des approches analytiques et simplifi6es des ph6nom~nes mis en jeu. Typiquement, ce choix donne des valeurs raisonnables de dispersion chromatique et de puissance optique en ligne pour un d6bit donn& La simulation rentre alors en jeu en permettant une 6tude syst~matique des param~tres de traitement de ligne. C'est 6galement son rSle d'explorer les limites de validit6 des points de fonctionnement en fai- sant varier les param~tres type r6f6renc6s ci-dessus, ceci afin de fixer les tol6rances requises pour la r6alisation du futur syst~me. La figure 11, r6sultat d'une simulation effectu6e au CNET (une semaine de calcul sur station de travail), illustre la m6thodologie utilis6e. Des courbes de niveau d6cfivent les performances du syst~me (ici son facteur de qualit6) ~t 9 000 km pour une dispersion chromatique donn~e lorsqu'on fait varier la largeur des filtres optiques de ligne et la puissance de sortie des amplificateurs. I1 appara~t imm6diatement qu'il y

93

propagation, stabilize at values which are independent of distance. For example, CNET has measured a level of fitter on the recirculating loop which stabilized at 2.5 ps for a repeater spacing of 70 km and a bit rate of 10 Gbit/s [20]. This result opens the door to distributed optical regeneration. Conventionally, the (non-linear) regeneration function is primarily a means of eliminating noise. With soliton propagation there is, as it were, distributed regeneration all along the link, the effect of which is no longer localized in the repeater.

III.3. Transmission system research.

The objective of transmission system research is to identify possible operating points for the bit rate to be transmitted and the length of the link. For this, the bit error ratio is the main measurement indicator, even if it is difficult to obtain in a non-experimental situation. Also, in comparing operating points, the quality crite- rion adopted cannot be exclusively technical, and must also allow for economic parameters. Definition of the system architecture, choice and parametering of in-line processing, choice of repeater spacing, determination of operating wavelength(s), and the amplifier operating regime are all difficult tasks and the most comprehensive possible approach has to be adopted.

The concept of the optimum operating point is inseparable from that of margin. The objective of these concepts is to quantify the tolerance of the system to production dispersion, component ageing and possible malfunctions.

Because it is difficult and extremely costly to manu- facture prototypes (a submarine system prototype would be a link several thousand kilometres long incorporating more than a hundred optical amplifiers), the best approach is to use two types of tools : complex digital simulators and experimental recirculating loops. The digital simulator is used to define operating points whose validity is then verified experimentally using the recirculating loop.

111.3.1. Simulation.

Digital integration of the non-linear Schr6dinger equation is costly in terms of computer time, but the high performance capabilities of modern computers make its intensive use both realistic and beneficial. It is nevertheless impossible to simulate all configurations and a choice of model parameters is made based on simpli- fied analyses of the phenomena involved. This choice typically yields reasonable values of chromatic dispersion and on-line optical power for a given bit rate. Simulation then comes into play, providing a systema- tic investigation of the line processing parameters. It is also used to explore the limits of validity of the operating points chosen by varying the model parameters referred to above to define the tolerances required to construct the real system. Figure 11 is based on simulation carried out at r (requiring one week of workstation

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94

~=

Q

O O

FIG. 11. - - Courbes de n iveau du facteur de quali t6 en fonct ion de la largeur de filtrage et de la pu issance optique.

D6bit de 10 G b i t / s ; D = 0,4 p s / n m . k m ; filtrage gl issant 12 G H z / M m ; d is tance de 9 000 km.

Fig. 11. - - Leve l curves o f the f igure o f meri t as a func t ion o f f i l ter width and optical power.

Bi t rate = 10 Gbit/s, D = 0.4 ps/nm.km, sliding rate = 12 GHz/ Mm, distance = 9 000 kin.

a une largeur optimale de filtre (environ 0,9 nm) pour laquelle les performances sont bonnes sur la plus grande plage de puissance optique. Un point de fonctionnement optimal en termes de marge en puissance est ainsi iden- tifi6. L'op6ration peut &re r6p6t6e pour d'autres configurations de traitement en ligne et d'autres couples de param~tres [19].

111.3.2. Les exp6rimentations sur boucle.

Le principe des exp6rimentations sur boucle h recirculation est d'utiliser une longueur relativement courte de cha~ne de propagation (de quelques dizaines ~ quelques centaines de km) comprenant tous les 616ments utiles dans laquelle on fait passer le signal plusieurs fois pour simuler de grandes distances. La figure 12 repr6sente un sch6ma type de ce montage exp6rimental. Le fonctionnement cyclique est tr~s diff6rent de celui d'une liaison d6ploy6e et un appareillage particulier doit &re d6ve- lopp6 pour permettre l'observation des performances en fonction de la distance. Les r6sultats obtenus peuvent ~tre diff6rents de ceux attendus sur une liaison d6ploy6e mais permettent toutefois de valider expErimentalement bon nombre de r6sultats de simulation concemant les perturbations majeures comme le bruit et la gigue ou les points de fonctionnement 6voqu6s ci-dessus. Le CNET a r6alis6 de nombreuses exp6rimentations avec cette technique pour explorer les potentialit6s des diff6rentes techniques de traitement en ligne expos6es dans le paragraphe consacr6 aux 6tudes de propagation. Par exemple, la figure 13 pr6sente l'6volution du taux d'erreur en fonction de la distance pour deux types de traitement : le filtrage fixe (aux d6bits de 5 et 10 Gbit/s) et le filtrage glissant (10 Gbit/s), toujours avec une distance entre amplificateurs de 35 km. Ce r6sultat valide bien la supEriorit6 des traitements glissants, la distance limite de transmission h 10 Gbit/s pour un taux d'erreur de 10 -9 6tant ainsi port6e de 6000 km ~t plus de 27 000 km. Des exp6rimentations ont aussi 6t6 r6alis6es


time) and illustrates the method used. Level curves describe the performance of the system (in this instance its figure of merit) for a distance of 9 000 km and a given level of chromatic dispersion when the width of the in- line optical filters and the output power of the amplifiers are varied. It is immediately apparent that there is an optimum filter width (around 0.9 nm) at which performance is good over the widest range of optical powers. This identifies an operating point which is optimum in terms of power margin. The operation can be repeated for other line processing configurations and other pairs of parameters [19].

111.3.2. Loop experiments.

The principle of experiments conducted on a recirculating loop is to use a relatively short length of propagation link (from a few dozen to several hundred kilometres) incorporating all necessary components and around which the signal passes several times to simulate long distances. Figure 12 is a schematic of a typical experimental set-up of this kind. This cyclic operation is very different from that of a deployed link and special resources have to be developed to moni- tor performance as a function of distance. The results obtained can be different from those expected on a deployed link but nevertheless enable experimental vali- dation of a good number of simulation results concer- ning major perturbations such as noise and jitter or the operating points mentioned above. CNET has conducted many experiments using this technique to explore the potential of the various in-line processing techniques described in the above section on propagation research.

fibre AOFD

C coupleur

- ~ splitter ,,,I

I I I I receiver I

FIG. 12. - - Sch6ma type d ' une boucle h recirculat ion.

Fig. 12. - - Typical recirculating loop schematic.

For example, Figure 13 shows the bit error rate as a function of distance for two types of processing :fixed filtering (at 5 and 10 Gbit/s) and sliding filtering (at 10 Gbit/s), with an amplifier spacing of 35 kin. This result confirms the superiority of sliding processing, the limiting transmission distance at 10 Gbit/s for a bit error ratio of 10 -9 being increased from 6 000 km to more than 27 000 km. Experiments have also been

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4

-5

-6 m,m

c~ -7

O

-8

-9

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x

~ 1 J , l

0 5 10 15 20 25 30 35 distance (lOSkm)

path (103km)

FIG. 13. - - Evolu t ion du taux d 'e r reur mesur6 en boucle

40

en fonction de la distance pour des filtrages en l igne fixe et glissant.

�9 5 Gbit /s filtre en l igne fixe ; O 10 Gbit /s filtre en l igne fixe ; 10 Gbit /s filtre en l igne glissant.

Fig. 1 3 . - Measured loop bit error ratio as a function of distance for fixed and sliding frequency in-line filters.

avec un traitement par modulation en ligne. Dans ce cadre, les 6quipes du CNET se sont attach6es a augmenter le plus possible la distance entre amplificateurs [20] (actuellement de 35 ~ 45 km dans les syst~mes trans- oc6aniques) et ont obtenu une propagation sur une distance infinie (c'est-h-dire des performances ind6pen- dantes de la distance) ~ 10 Gbit/s avec un espacement record de 105 km entre amplificateurs. L'absence d 'er- reurs pendant le temps de mesure permet d 'en d6duire un taux d'erreur inf6rieur ~ 10 -9 apr6s 100 000 km. La figure 14 montre l'6volution, ou plut6t la non-6volu- tion d 'un train cod6 de solitons enregistr6 h diff6rentes distances, lorsqu'on utilise cette configuration.

95

conducted with in-line modulation processing. In this context the CNET objective has been to increase as much as possible the amplifier spacing [20] (currently from 35 to 45 km in transoceanic systems) and CNET has obtained propagation over an infinite distance (i.e. perjbrmance which is independent of distance) at 10 Gbit/s with a record amplifier spacing of 105 km. The absence of errors during the measurement period indicates a bit error ratio below 10 -9 after 100 000 km. Figure 14 shows the change (or rather the non-change) in a coded stream of solitons monitored at various distances when this configuration is used.

FIG. 14. - - Evolution d 'une s6quence de solitons au d6bit de 10 Gbit/s en tonction de la dis tance : technique de modula t ion en l igne,

espacement entre amplif icateurs de 105 km.

Fig. 1 4 . - Trend of a sequence of solitons at 10 Gbit/s as a function of distance : in-line modulation technique,

amplifier spacing 105 kin.

IV. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Les syst6mes transoc6aniques ont constitu6 le domaine d'application privil6gi6 de la transmission soliton pour au moins deux raisons :

- - leur tr~s longue port6e rend leur r6gime de fonctionnement naturellement non lin6aire;

- - aucune contrainte d'infrastructure d6coulant des syst~mes d6j~ d6velopp6s n 'est impos6e sur la constitu- tion du syst~me, ce qui autorise une certaine flexibilit6 de conception.

Simple ligne de transmission point ~ point, c 'est l 'application de base exploitant au mieux mais uniquement les propri6t6s de propagation du soliton. Les autres applications potentielles du soliton concernent la transmission avec contraintes mais aussi la commutation optique.

Nous en donnons ici deux exemples.

IV.I. Les liaisons terrestres fi longue distance.

Les r6seaux terrestrcs ?a haut d6bit actuels sont orga- nis6s en r6seau maill6 et mettent en oeuvre des syst~mes

IV. CONCLUSIONS AND PROSPECTS

Transoceanic systems have been the preferred field of application of soliton transmission for at least m,o reasons ."

- - t h e i r very long range makes their operating regime naturally non-linear;

- - no infrastructure constraints resulting from systems previously developed apply to the construction of the system, which confers some flexibility on the design process.

A simple point-to-point transmission line, the transoceanic link is the basic application making the best possible use of the propagation qualities of the soliton, and only those qualities. Other potential applications of the soliton concern compelled transmission and optical switching.

Two examples are given below.

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r6g6n6r6s, la port6e maximale 6tant typiquement de 90 km. L'introduction pr6visible de l'amplification optique dans ces r6seaux va sensiblement en modifier les contraintes de port6e. Les r6flexions actuelles men6es au niveau europ6en font r6f6rence ~t des syst~mes de transmission acheminant plusieurs gigabits par seconde sur des distances de l'ordre de 1 000 ~ 2 000 km. Bien que ces distances soient sensiblement inf6rieures ~ celles des systbmes sous-marins, la conception de tels syst6mes n6cessite des 6tudes particuli~res qui, entre autres, devront prendre en compte les deux contraintes sui- vantes. La premibre est un positionnement des r6p6teurs bas6 sur l'infrastructure existante, c'est-h-dire acceptant des espacements variables et pouvant atteindre 90 km. La seconde est la compatibilit6 avec une fibre de ligne dont la dispersion des parambtres critiques sera peut-~tre plus d6favorable que celle de la fibre d'un c~ble sous- matin.

On envisage pour ces syst~mes des d6bits dans la plage 10-40 Gbit/s. Ils constitueraient la charpente d'un super-r6seau pan-europ6en, aliment6 en ses noeuds par les r6seaux nationaux existants.


IV.1. Long-haul terrestrial links.

Present day high bit rate terrestrial networks are organized as meshed networks using regenerative repeaters, the maximum range without repeaters being typically 90 km. The foreseeable introduction of optical amplification into such networks will significantly alter the range constraints. Current thinking in Europe refers to multi-Gbit/s transmission systems spanning distances in the order of 1 000 to 2 000 km. Although these distances are significantly shorter than those of submarine systems, the design of such systems calls for specific studies which must allow for the following two constraints, among others. The first is a positioning of the repeaters based on the existing infrastructure, i.e. accommodating variable spacings up to 90 km. The second is compatibi- lity with a line fibre for which the dispersion of critical parameters may be less favourable than for a submarine cable fibre.

Bit rates from 10 to 40 Gbit/s are envisaged for these systems. They will constitute the framework for a pan-European super network with nodes fed by existing national networks.

IV.2. Les r~seaux locaux.

A l'autre extr6mit6 dans l'6chelle des distances, les r6seaux locaux ~ tr~s haut d6bit (typiquement 100 Gbit/s) conduisent eux aussi, m~me sur des distances de quelques dizaines de km, ?~ des probl~mes de propagation pour lesquels le soliton peut ~ nouveau &re une solution 616gante. En effet, les fonctions d'insertion-extraction n6cessaires pour les entr6es-sorties du r6seau peuvent 6tre r6alis6es en utilisant une autre caract6ristique des solitons. Construisant le signal v6hicul6 par multiplexage temporel de signaux au d6bit 616mentaire, ces derniers peuvent &re extraits du signal global ou ins6r6s dans les intervalles de temps disponibles. Les proc6d6s optiques

mettre en oeuvre utilisent la robustesse de l'impulsion soliton et sa caract6ristique de phase constante sur toute sa dur6e, ce qui la rend facilement commutable. La seule contrainte d'un tel r6seau, par exemple de structure en anneau, reste la gestion de sa synchronisation. En plus des fonctions de commutation, les moyens de r6cup6rer optiquement, c'est-~-dire sans conversion optique-61ec- trique, l'information de synchronisation en tous points du r6seau doivent alors ~tre ma~tris6s.

IV.2. Local area networks.

At the other end of the scale of distances, very high bit rate (typically 100 Gbit/s) local area networks also suf- fer from propagation problems to which the soliton may provide an elegant solution, even over distances of only a few dozen kilometres. The drop and insert functions required for network entry~exit can be performed using another feature of solitons. Constructing the transmitted signal by time-division multiplexing of signals at the basic bit rate, these signals can be extracted from the aggregate signal or inserted into available time slots. The optical methods employed rely on the ruggedness of the soliton pulse and its feature of constant phase throughout its duration, which makes it easy to switch. The only constraint on any such network, using a ring structure, for example, is synchronization management. In addition to switching functions, means for optical recovery of the synchronization information at any point in the network (i.e. without optical~electrical conversion) also have to be developed.

IV.3. Vers la r~g~n~ration optique.

L'op6ration de rEg6n6ration 61ectrique du signal, fon- dement de la transmission num6rique, a permis de rendre les performances des syst~mes de transmission quasiment ind6pendantes de la distance. Pour les raisons que nous avons rappelEes, l'amplification optique constitue une 6tape importante dans l'6volution des syst~mes sur fibres, m~me si elle remet en cause cette ind6pendance. Avec la transmission par solitons, c'est la possibilit6 de

IV.3. Towards optical regeneration.

Electrical signal regeneration, the basis of digital transmission, has made the performance of transmission systems virtually independent of distance. For the reasons explained in this article, optical amplification constitutes an important stage in the evolution of fibre systems, even if it does threaten this distance indepen- dence. Soliton transmission holds out the promise of

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r6g6n6rer optiquement, c'est-~t-dire sans conversion vers l'61ectrique, qui se dessine. Elle a 6t6 d6j~t exp6riment6e sous forme distribu6e. La r6g6n6ration optique localis6e, aussi bas6e sur l'exploitation des propri6t6s non lin6aires des impulsions transmises, constitue un objectif ambi- tieux mais r6aliste. Elle doit donner h la transmission tout optique tous les b6n6fices attendus d'un systbme de transmission num6rique. C'est un domaine d'6tudes majeur de ces prochaines ann6es.

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optical regeneration, i.e. without converting the signal to electrical form. Experiments have already been conducted on distributed optical regeneration. Localized optical regeneration, also based on use of the non-linear properties of the pulses transmitted, constitutes an ambi- tious but nonetheless realistic target. It should lead to all optical transmission with all the benefits expected of a digital transmission system. This will be a major research area for the next few years.

REMERCIEMENTS

Les r~sultats exposes dans cet article ont dtd obtenus par les diff6rentes ~quipes du CNET PAB, laboratoire de Bagneux et CNET LAB & Lannion impliqu~es dans le pro jet Soliton. Les auteurs de cet article les remercient pour les discussions nombreuses et fructueuses qu'ils ont pu avoir lors de l' exploitation de ces r~sultats.

Manuscrit refu le 9 novembre 1994.

ACKNOWLEDGMENTS

The results described in this article were obtained by the various teams working at CNET PAB, Laboratoire de Bagneux and CNET LAB and involved in the Soliton project. The authors of this article are grateful to them for the many and fruitful discussions held when analyzing these results.

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la transmission par solitons sur fibre optique soliton transmission on optical fibres

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