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Génération et traitement du signal optique basés sur le filtrage linéaire de phase-seule dans les domaines temporel et spectral.

Maram Qartavol, Reza (2016). Génération et traitement du signal optique basés sur le filtrage linéaire de phase-seule dans les domaines temporel et spectral. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en télécommunications, 242 p.

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Résumé

Les exigences sans cesse croissantes du trafic de données dans les services de télécommunication conduisent à un besoin continu de capacités de réseau plus élevés. Dans ce scénario, le débit binaire dans un canal de longueur d’onde ainsi que le nombre de canaux ne cessent d’augmenter dans les réseaux de télécommunication grâce aux progrès des technologies de transmission optiques. Aujourd’hui, les systèmes de multiplexage en longueur d’onde (WDM pour wavelength division multiplexing en anglais) supportent des capacités de transmission d’environ 14 Tbit/s, des milliers de fois plus élevé que la capacité de toute autre liaison de transmission (par exemple ondes radio et téléphonie), ce débit est réalisé par le multiplexage de plusieurs centaines de longueurs d’onde avec un débit binaire de ~ 40 Gbit /s par canal. Cependant, le signal lumineux porteur d’information doit être converti à un signal électronique compatible avec les routeurs/commutateurs dans les réseaux de télécommunication. Dans cette conversion, le débit d’information est considérablement ralenti en raison du déséquilibre de bande passante entre la transmission optique et les routeurs électroniques. Le traitement du signal optique est une solution alternative potentielle très prometteuse aux problèmes liés à l’électronique. Récemment, un effort considérable a été investi dans le développement des méthodes optiques ultrarapides de traitement du signal pour les applications dans les réseaux de fibre optique, les plateformes de traitement de l’information et d’informatique optique à haute vitesse. Cependant, en pratique, la vitesse de traitement est seulement une des plusieurs questions importantes à prendre en considération lors du déploiement de nouvelles technologies de traitement. L’une des principales raisons pour lesquelles le traitement électronique du signal est préféré actuellement sur d’autres alternatives, en particulier sur le traitement du signal optique, est que les appareils électroniques consomment relativement moins d’énergie. Contrairement à l’électronique, la plupart des processeurs optiques proposés à ce jour, typiquement basés sur des effets "non linéaires", nécessiteraient une consommation d’énergie peu pratique, plus élevée de plusieurs ordres de grandeur que celle des processeurs électroniques lorsqu’ils sont utilisés dans des situations réelles et à pleine échelle. En effet, la performance énergétique médiocre des méthodes de traitement du signal optique entrave considérablement leur capacité à offrir une solution pratique et compétitive pour le traitement du signal Afin de maintenir une pénétration accrue de l’optique dans les futurs systèmes de traitement et aider à réaliser la transition de technologie de l’électronique à l’optique dans les plateformes de traitement de l’information et de calcul, des processeurs optiques écoénergétiques innovants doivent être conçus et développés pour effectuer les tâches nécessaires, idéalement avec une perte minimale de l’énergie du signal d’entrée et une utilisation réduite de l’alimentation externe supplémentaire. Dans cet objectif, il faut étudier la possibilité d’utiliser des techniques linéaires purement passives pour le traitement du signal optique, en évitant l’utilisation de mécanismes actifs et /ou non linéaires conventionnels dans les dispositifs de traitement du signal. Ces mécanismes nécessitent une alimentation externe suffisamment élevée et/ou consomment/dissipent une partie importante de l’énergie du signal entrant. En revanche, le traitement du signal basé uniquement sur des composants optiques linéaires passifs, offre la possibilité de mettre en oeuvre des circuits de traitement qui permettent fondamentalement une consommation nulle de l’énergie du signal tout en évitant l’utilisation d’une source supplémentaire de lumière. Dans cette thèse, je considère l’utilisation des procédés purement linéaires pour manipuler les profils temporel et spectrale du signal sous test, à savoir la modulation temporelle linéaire et le filtrage spectral linéaire, respectivement. La manipulation désirée peut être produite sur le profil amplitude du signal sous test par modulation temporelle d’intensité ou filtrage spectral d’amplitude. Si aucun gain supplémentaire n’est utilisé dans le système ciblé (régime passive), la modulation d’intensité ou le filtrage d’amplitude produit nécessairement une perte d’une partie de l’énergie du signal d’entrée. En fonction de la fonctionnalité ciblée, les pertes de modulation/filtrage peuvent être considérables. En revanche, l’énergie du signal peut être entièrement préservée si seule la phase du signal est manipulée dans le domaine temporel, c.-à-d. par filtrage spectrale de phase. Dans l’ensemble, les nouveaux systèmes de traitement optique des signaux proposés dans ma thèse sont basés sur une combinaison appropriée de la modulation temporelle linéaire de phase-seule et les processus de filtrage spectral, conduisant à la mise en oeuvre de la fonctionnalité souhaitée avec un rendement énergétique optimisé. Ce résultat est obtenu sans compromis sur les avantages de traitement du signal intrinsèque à l’optique. Dans les processeurs proposés dans cette thèse, l’énergie du signal entrant est efficacement redistribuée pour construire le signal de sortie ciblé sans l’utilisation d’aucune puissance optique externe supplémentaire. J’utilise cette approche pour la mise en oeuvre d’une série d’importantes fonctionnalités de traitement du signal. En particulier, dans le chapitre 2, nous utilisons la combinaison des effets Talbot temporel et spectral, impliquant la modulation de phase temporelle et le filtrage de phase spectrale, pour contrôler et programmer le taux de répétition et l’énergie par impulsion associée d’une source laser impulsionnelle à faible taux de répétition d’impulsions. Dans le chapitre 3, nous démontrons une nouvelle approche tout-optique efficace énergétiquement pour la conversion de format de données de télécommunication optique: retour-à-zéro (RZ) au non-retour-à-zéro (NRZ). Cette approche a été mise en oeuvre expérimentalement avec un débit binaire de 640 Gbit/s. Nous démontrons également d’autres nouvelles approches de récupération des signaux d’horloge de base et sous-harmonique à partir de signaux de données de type tout-ou-rien (OOK pour on-off-keying en anglais). Ce travail de recherche peut ouvrir de nouvelles perspectives importantes pour la mise en oeuvre d’autres processeurs optiques critiques avec une efficacité énergétique sans précédent, dépassant les limites de consommation d’énergie des technologies optiques actuelles sans perdre leur avantage en matière de vitesse de traitement.

Abstract

The ever-increasing data traffic requirements in telecommunication services lead to a continuous need for higher network capabilities. In this scenario, the bit rate of one wavelength channel and the number of channels keep increasing in telecommunication networks thanks to the advancement of optical transmission technologies. Nowadays, wavelength division multiplexing (WDM) systems support transmission capabilities of about 14 Tbit/s, through multiplexing of several hundred wavelengths with a single channel bit rate of ∼ 40 Gbit/s, thousands of times higher than any other transmission link (e.g. direct radio and telephone links) capacity. However, light information has to be converted to electrons when accessed by electronic routers/switches in the telecommunication networks. In that conversion, information is significantly slowed down due to the bandwidth imbalance between the optical transmissions and electronic routers. Optical signal processing is a very promising potential alternative solution to the problems associated with electronics. Recently, there has been a significant effort toward the realization of ultrafast optical signal processing methods for applications in next-generation fiber-optic networks and high-speed information processing and optical computing platforms. However, in practice, processing speed is only one of the several important issues to be considered when deploying new processing technology. One of the main reasons why electronic signal processing is preferred presently over other alternatives, particularly over optical signal processing, is that electronic devices consume a relatively smaller amount of energy. Unlike electronics, most optical processors proposed to date, typically realized using “nonlinear” effects, would require unpractical power consumption, orders-of-magnitude higher than that of their electronic counterparts, when used at a real-world scale. Indeed, the poor energy performance of optical signal processing methods greatly hinders their capability to offer a practical, competitive solution for signal processing. In order to keep optics penetration deeper into future processing systems and help to realize the technology shift from electronics to optics in information processing and computing platforms, innovative energy-efficient optical signal processors should be designed and developed to perform the needed tasks ideally with minimal loss of the input signal’s energy and reducing the use of supplementary external power. To this end, one needs to explore the possibility of using purely passive and linear techniques for optical signal processing, avoiding the use of conventional active and/or nonlinear mechanisms in the signal-processing engines. These mechanisms require a sufficiently high external power and/or consume/dissipate significant energy from the incoming signal. In sharp contrast, signal processing based on only linear, passive optical components offers the possibility of implementing processing circuits that fundamentally enable no signal power consumption while avoiding the use of any additional optical light source. In this Thesis, I consider the use of purely linear processes to manipulate the temporal and spectral profiles of a signal under test, namely linear temporal modulation and linear spectral filtering, respectively. The desired manipulation can be produced on the amplitude profile of the signal under test through temporal intensity modulation or amplitude spectral filtering. If no additional active gain is employed in the target system (passive scheme), intensity modulation or amplitude filtering necessarily wastes some of the input signal’s energy. Depending on the target functionality, modulation/filtering losses can be considerable. In sharp contrast, the signal energy can be fully preserved if only the signal phase is manipulated in the time domain, i.e., by temporal phase modulation, and/or in the frequency domain, i.e., by spectral phase filtering. Generally, the novel optical signal-processing schemes proposed in my Thesis are based on a suitable combination of phase-only linear temporal modulation and spectral filtering processes, leading to the implementation of the desired functionality with an optimized energy performance. This is achieved without trading the signal processing advantage intrinsic to optics. In my newly proposed processors, the incoming signal’s energy is effectively redistributed to build up the target output signal without using any additional external optical power. I am using this approach for implementation of a range of important signal processing functionalities. In particular, in Chapter 2, we use the combination of the temporal and spectral Talbot effect, involving temporal phase modulation and spectral phase filtering, to control and program the repetition-rate and associated energy per pulse of a low-rate laser source. In Chapter 3, we demonstrate a novel energy-efficient approach for all optical return-to-zero (RZ)-to-non-RZ (NRZ) telecommunication data format conversion, experimentally implemented at a bit rate of 640 Gbit/s, and novel approaches for base-rate and sub-harmonic clock recovery of on-off-keying (OOK) data signals. This research may open new, important perspectives for implementing other critical optical signal processors with unprecedented energy efficiency, overcoming the energy-consumption limitations of present optical technologies without trading their processing speed advantage.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Azaña, José
Mots-clés libres: consommation d’énergie; signal optique; modulation électro-optique; filtrage linéaire
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 26 avr. 2017 13:37
Dernière modification: 26 avr. 2017 13:37
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/5118

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