Simulation de composants optoélectroniques pour liaisons sur fibre optique courte distance Gigabit Ethernet

 

 

 

Introduction

 

Le besoin de l’industrie pour les connections entre ordinateurs de plus en plus rapides n’est pas comblé. C’est pourquoi il faut de nouvelles solutions pour les transferts d’informations, à très haut débit.

 

Le 10gigabit Ethernet marque la fin de l’utilisation du cuivre dans les transferts et le passage à la liaison optique. Cette technologie est déjà largement utilisée  pour le transfert d’information sur des très longues distances. Aujourd’hui on peut faire passer une quantité d’information très importante en un minimum de temps dans les fibres optiques.

En effet, l’optique, par ses propriétés, est indispensable pour de tels débits. On peut noter les principales caractéristiques de ces systèmes :

 

_il n’y a pas d’échauffement (pas d’interaction des photons avec le milieu)

_possibilité de grands débits

_dispersion et atténuation faibles

_pas d’interaction entre les différentes longueurs d’onde

 

Nous étudierons donc les caractéristiques des différents éléments permettant la mise en œuvre de l’Ethernet à 10 Gigabit : Les lasers, les jonctions, les fibres et les photodétecteurs, et modéliseront une liaison grâce à la conception assistée par ordinateur.

 

I – Etude des Liaisons optiques

 

 

Modélisation d’une liaison optique à l’aide du Logiciel COMSYS

     Le Logiciel ComSys nous permet d’étudier les composants formant une liaison optique, et d’apprécier l’influence de leurs différents paramètres sur la qualité de la liaison.
     Nous avons donc réalisé la modélisation d’une fibre optique simple et  observé l’influence de la fréquence sur le diagramme de l’œil :





    



 Voici l’entre que l’on impose à l’entrée de la fibre la fréquence est 1.5 GHz :

                          

On remarque que la longueur des créneaux varie pour modéliser la succession aléatoire des bits 0 et 1.
Voici la réponse du système :
                                    
Lorsque les successions 0-1-0 sont rapprochées le système n’a pas le temps d’atteindre sa valeur maximale correspondant au 1 après le système.
Voici le diagramme de l’œil correspondant :
                                 
Les traits noirs correspondent à la prise de valeur pour l’échantillonnage. À cette fréquence on distingue encore facilement le niveau 0 et le niveau 1.Le débit de 1 gigabit/s peut donc être atteint avec un laser une fibre optique et un photo détecteur en série.


  Passons maintenant à une fréquence 10 fois plus élevée ;
le diagramme de l’œil ainsi obtenu est le suivant :
                              
Les traits noirs correspondent à la prise de valeur pour l’échantillonnage.
L’œil c’est très sensiblement refermé et la détection du niveau 0 et du niveau 1 se fera avec un nombre d’erreurs critique. La valeur de 10 gigabit/s est donc une valeur limite pour la technologie optique et nous allons maintenant tenter de voir plus en détail l’influence des paramètres des lasers et des fibres sur le signal au fur et a mesure de son parcours dans cette chaine de transmission.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II – Utilisation des lasers VCSEL

 

 

Laser VCSEL

 

 

 

1) Intérêt 

 

Les diodes lasers VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) introduisent une nouvelle génération de diodes laser à cavité non plus horizontale, mais verticale. Ils présentent un intérêt économique du fait de pouvoir, contrairement aux diodes laser conventionnelles, être testées directement sur tranche.

De plus, grâce à leur faisceau d’émission non pas en ellipse mais circulaire, leur couplage aux fibres optiques est rendu à la fois plus simple et plus efficace. Les VCSEL sont disponibles à une longueur d’onde de 850 nm et, depuis peu, à 1 310 nm.

Ces lasers sont incontournables pour l’intégration de composants optiques dans un module électronique. En effet, ils répondent aux exigences de miniaturisation  d’un circuit électrique, et peuvent donc être disposés sur une carte. L'écart typique entre deux émetteurs est de ~ 100µm, ce qui permet une disposition en matrices, ou la création de nombreuses liaisons optiques en parallèle (ordinateurs…).

 

 

2) Modélisation du fonctionnement d’un laser VCSEL à l’aide de Maple

 

Le fonctionnement des lasers VCSEL est régit par des équations différentielles couplées. Celles-ci prennent en compte les phénomènes d’émission induite, d’émission spontanée, et d’absorption, en faisant un bilan du nombre de porteurs et de photons.

Les équations différentielles considérées dans notre modélisation sont :

 

 

 

 

 

Avec   N : nombre de porteurs dans la cavité

            S : nombre de photons dans la cavité

            tp : Durée de vie des photons en seconde (2*10-12 s)

            tn : Durée de vie des porteurs en seconde (5*10-9 s)

            b : Fraction d’émission spontanée sans unité (2*10-4)

            e : Facteur de compression de gain normalisé (5*10-7)

            Gn : Gain différentiel, supposé constant (2*104 s-1)

            No : Nombre de porteurs à la transparence (3*108)

            Q : Charge de l’électron (1.6*10-19 V)

 

            Les constantes utilisées dans notre modélisation informatique sont entre parenthèses. Il y a deux étapes dans la modélisation :

_Réponse du laser au cours du temps, à intensité constante.

_Etat de la réponse à un temps donné, en fonction de l’intensité (constante).

 

 

3) Résultats de cette modélisation

 

 

Réponse temporelle du laser à intensité constante.

 

Avec i=80mA, on obtient :

 

 

Au bout d’un certain temps, on remarque que la réponse se stabilise, et devient constante. Cela montre que pour une intensité constante, on obtient une émission constante. Le système atteint son équilibre vers 1ns. On remarque aussi que les photons n’apparaissent qu’une fois que le nombre de porteurs est suffisamment grand. 

 

 

Etat de la réponse à un temps donné, en fonction de l’intensité

 

 

En prenant comme valeurs de N et S leur valeur à l’équilibre (régime permanent), on obtient :

 

 

On voit alors apparaître un seuil autour de I0=10 mA. Pour des valeurs inférieures à I0, la valeur de S est très faible. Cependant, une fois ce seuil dépassé, S augmente linéairement avec I.

Pour N :

 

Avant le seuil de 10 mA, le nombre de porteurs augmente linéairement avec l’intensité, et après le seuil, le nombre de porteurs se stabilise. On remarque donc que lorsque le nombre de porteurs atteint une certaine valeur, le laser émet des photons, et le nombre de porteurs reste constant. Ainsi, l’énergie apportée sert, avant I0, à créer des porteurs (exciter les atomes), puis, après I0, l’énergie apportée sert à émettre des photons.

 

 

Recherche de l’intervalle d’intensité à utiliser pour le laser VCSEL

 

On veut transmettre un signal numérique a travers notre fibre optique, il est donc nécessaire de pouvoir distinguer deux états très distincts : un état haut et un état bas. Ces états doivent rester discernables lorsque l’on récupère le signal à la sortie de la fibre optique.

 

Nous allons tester deux cas différents :

 

  1. Le niveau bas est en dessous du seuil d’allumage du laser, et le niveau haut est au dessus.
  2. Le minimum d’intensité (et donc le niveau haut) est au dessus du seuil.

 

Premier cas :

 

            On choisit un courant nul pour intensité minimale.

On obtient alors le résultat suivant :

 

 

            On voit apparaître le seuil de déclenchement du laser. Il faut donc un certain temps au laser pour s’allumer, ce qui risque d’entraîner des retards pouvant être très gênant lorsque l’on travail à des fréquences élevées. En effet, lorsque l’intensité est en dessous du seuil, le nombre de porteurs diminue. Ainsi, lorsque l’intensité repasse au dessus du seuil, il faut attendre un certain temps pendant lequel le nombre de porteur augmente jusqu’au seuil démission.

 

Deuxième cas :

 

            L’intensité minimale est à présent supérieure au seuil d’éclairement.

 

On obtient :

 

 

 

            A présent, on ne voit plus d’effet de retard du au franchissement du seuil. L’éclairement du laser suit maintenant les variations de l’intensité. On remarquera qu’il y a encore une petite variation du nombre de porteurs, mais elle n’a manifestement pas d’influence sur S.

 

            Il est donc évident qu’il faut se placer dans le second cas pour avoir une bonne conversion du signal. On choisira donc à l’avenir une intensité d’entrée qui restera toujours supérieure à 0.01 A.

 

Test de l’émission du laser pour différents types de signaux

 

            Voici les résultats obtenus avec un signal d’entrée en créneau. On observe les deux cas présentés pour l’intervalle de courant :

Premier cas :

 

 

Deuxième cas :

 

On remarque que l’on a le même comportement qu’en entrée sinusoïdale, vis à vis du franchissement du seuil.

            Pour mieux apprécier la séparation de la transmission de l’état haut et de l’état bas, nous utiliserons des signaux en créneaux.

 

Influence du paramètre e :

 

Voici la courbe que l’on obtient pour un e faible :

 

 

Il y a donc des oscillations parasites. Le paramètre agit donc comme un amortissement. Mais sa valeur dépend de chaque laser.

 

Etude fréquentielle

 

Dans tous les cas précédents, nous nous sommes placés à une fréquence relativement raisonnable. Nous allons à présent tester le comportement du laser pour différentes fréquences.

 

 

En imposant une fréquence 30GHz, on obtient :

 

 

 

On se place ici à une fréquence très élevée. On s’aperçoit que le signal de sortie n’est plus du tout fidèle au signal de sortie, et donc l’information n’est plus transmise correctement.

Il faut donc travailler à des fréquences plus faibles. En essayant différentes fréquences, on s’est aperçu que la transmission était correcte jusqu’à 10 GHz avec ce modèle.

 

 

 

Cas limite : 10 GHz

 

 

 

III – Transport du signal dans la fibre optique

 

            Nous allons à présent étudier l’influence de la fibre optique sur la transmission du signal. Ainsi, nous allons récupérer les signaux de sortie du laser obtenus précédemment, et leur faire subir les modifications subies dans la fibre.

 

            La fibre se comporte comme un système linéaire invariant imposant au signal une dispersion dont le taux est proportionnel à la longueur de la fibre, ce qui a pour effet de brouiller le signal. De plus, le signal s’atténue dans la fibre.

 

Avant toute chose, Signalons l’existence de deux types de fibres optiques : la fibre multimode (la plus ancienne) et la fibre monomode (nouvelle et plus performante). Nous allons tenter d’analyser les contraintes sur le choix de fibres et les solutions proposées

 

Hypothèses :

 

Dispersion du signal

 

Comme dans tout matériau réel (transparent ou non), il y a un peu de dispersion dans les fibres optiques. Nous allons donc constater la dégradation du signale due a la dispersion, et en déduire de nouvelles contraintes sur le domaine d’utilisation de notre liaison optique (fréquence, longueur…).

La fibre étant considérée comme un SLI, il suffit de connaitre sa réponse impulsionnelle pour déterminer le signal de sortie de la fibre.

Ayant supposé que la réponse impulsionnelle d’une fibre est une gaussienne de temps caractéristique t0, centrée en 0, on va obtenir le signal de sortie en effectuant une convolution entre le signal de sortie du laser, et la gaussienne.

 

Nous prendrons comme valeur de  pour la modélisation : 10-10 s.m-1.

 

            Nous allons étudier l’influence de la dispersion pour des longueurs de fibres différentes (sans tenir compte de l’atténuation):

 

Pour une longueur de 1 km :

 


La déformation du signal ressemble de façon flagrante au résultat obtenu avec la simulation sur Comsys.

 

Pour une longueur de 5 km :

 

 

Pour une longueur de 15 km :

 

 

Remarque : ne respectant pas les échelles d’amplitude, on ne s’attachera qu’à la comparaison

        des formes et déphasages entre les signaux.

 

On observe donc que pour une longueur d’un kilomètre, le signal est encore fidèlement transmis, ce qui n’est pas le cas pour les fibres de 5 et 15 kilomètres, pour lesquelles le signal de sortie est déphasé, et est grandement déformé. En effectuant de nombreux test, on observe que le signal n’est plus fidèle au signal d’entrée au-delà de 2km.

 

Les dispersions intermodale et chromatique n’ont pas été étudiées ici.

 

 

 

Atténuation du signal

 

            L’atténuation du signal dépend de la nature de la fibre essentiellement en fonction de sa nature (monomode ou multimode).

Le choix de la fibre optique utilisée est principalement imposé par la longueur d’onde du signal transmis. Ainsi, pour des signaux de longueur d’onde entre 800nm et 1300nm, on est contraint d’utiliser une fibre multimode, alors que pour des signaux de longueur d’onde de 1280 à 1640 nm, on peut utiliser une fibre monomode.

 

L’atténuation d’une fibre optique s’exprime en dB/km et est définie par :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pour la fibre multimode, les valeurs moyennes utilisées pour évaluer les bilans de ligne sont :
·     850 nm atténuation linéique 3dB/Km
·     1300 nm atténuation linéique 1 dB/Km

Pour la fibre monomode, les valeurs moyennes utilisées pour évaluer les bilans de ligne sont :
·     1310 nm atténuation linéique 0,45 dB/Km
·    1550 nm atténuation linéique 0,28 dB/Km

 

            Il apparait donc clairement que la fibre monomode est plus performante, et permet de transporter l’information plus loin sans relais.

            Il faut aussi noter que la fibre monomode est plus économique.

 

Vient alors une question légitime : pourquoi utilise-t-on encore des fibres multimodes dans nos liaisons optiques à base de lasers VCSEL ?

La réponse vient des limites technologiques actuelles des VCSEL qui ne peuvent pas émettre à des longueurs d’onde supérieures à 1000 nm (domaine des fibres multimodes). Cependant, l’émission des VCSEL à 1500 nm fait actuellement l’objet de recherches.

 

Pour les graphes suivant, les échelles ne sont pas les mêmes pour 2 traits différents d’un même schéma. On effectuera des simulations avec des longueurs de fibre de 1km (condition extrême de notre étude courte distance).

 

Les liaisons optiques actuelles utilisant les lasers VCSEL sont donc modélisées avec une atténuation de 3dB/km :

 

 

 

Cependant, on peut aussi modéliser la liaison avec une atténuation de 0,2dB/km en prévision de futurs liaisons optiques :

 

            Pour les deux schémas, les tracés de même couleur ont la même échelle, et on peut donc les comparer. On vérifie que l’atténuation est beaucoup plus faible dans la fibre monomode (atténuation de 0.2dB/km).