MODULE COMPENSATEUR DE DISPERSION DANS LA BANDE C JNOG 2004 Paris, 26 Octobre 2004 MODULE COMPENSATEUR DE DISPERSION DANS LA BANDE C BASE SUR UNE FIBRE A DEUX COEURS CONCENTRIQUES F. Gérôme1, J.-L. Auguste1, S. Février1, J. Maury1, J.-M. Blondy1 L. Gasca2 , L. Provost2,3 Merci Monsieur le Président Bonjour à tous Je suis Frédéric Gérôme et je vais vous présenter la conception et la réalisation d’un module compensateur de dispersion pour l’application au WDM. Ce travail a été réalisé à l’IRCOM au sein de l’Equipe Optique Guidée et Intégrée, à l’Université de Limoges et fait l’objet d’une collaboration avec le centre de recherche d’Alcatel à Marcoussis. 1: Institut de Recherche en Communications Optiques et Microondes, UMR CNRS n°6615, Université de Limoges,123, avenue A. Thomas, 87060 Limoges – France 2 : Alcatel Research & Innovation, Route de Nozay, 91460 Marcoussis – France 3 : Avanex, Route de Villejust, 91625 Nozay – France Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 26 Octobre 2004

Dch=16 ps/(nm.km) Principe d’une fibre à deux coeurs concentriques Théorie Fibre de ligne Dch=16 ps/(nm.km) Conception n3 n1 n2 Coeurs dopés au Ge Gaine en silice pure Radius Solution fibre : utiliser une fibre à 2cc compensatrice de Dch Accord de phase 0 Point d’inflexion Évolution de neff du mode fondamental O A M C D Fabrication métrologie La fibre standard monomode installée dans les liaisons optiques a été optimisée pour fonctionner à 1300nm et présente donc une Dch positive de 16ps/(nm.km) à 1550nm, là où fonctionnent les systèmes du WDM. Cette valeur non nulle de Dch se traduit physiquement par un étalement temporel des impulsions ayant pour principal effet de limiter les taux de transmission. Pour lutter contre ce phénomène néfaste, l’idée conventionnelle retenue consiste à associer à la fibre de ligne un amplificateur et un module compensateur de Dch. Dans cette communication notre choix s’est porté sur l’insertion d’une fibre à 2cc compensatrice de Dch. Le profil d’indice d’une telle fibre se compose d’un cœur central étroit fortement dopé au Germanium entouré d’un cœur annulaire plus large mais moins dopé. La courbe suivante illustre l’évolution des valeurs de l’indice effectif du mode fondamental de la structure appelé aussi supermode, en rouge . On remarque un point d’inflexion sur cette courbe qui se produit à la longueur d’onde dite d’accord de phase. Cette longueur d’onde particulière est définie par le choix des paramètres optogéométriques de la fibre. Il est à noter, qu’il existe un autre supermode dont l’évolution modale est opposée à celle du premier. Mais, grâce à une injection sélective réalisé dans le cœur central de la fibre, il a été montré expérimentalement qu’avant la longueur d’onde de phase matching seul le supermode fondamental est existé. Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 26 Octobre 2004

Pente négative quasi linéaire Principe d’une fibre à deux coeurs concentriques Dispersion chromatique [ps/(nm.km)] Théorie Minimum de Dch Conception Fabrication métrologie Longueur d’onde (nm) “-1800 ps/(nm.km) chromatic dispersion at 1.55µm in a dual concentric core fibre”, J.L. Auguste, R.Jindal, J.M. Blondy, M. Clapeau, J. Marcou, B. Dussardier, G. Monnom, D.Ostrowsky, B.P. Pal, K. Thyagarajan Electron. Lett., vol 36, no. 20, 1689, (2000). Dispersion chromatique [ps/(nm.km)] Dispersion chromatique [ps/(nm.km)] 35 nm Evolution vers Sachant alors que la dispersion chromatique est définie comme étant la dérivée seconde de l’indice effectif par rapport à la longueur d’onde, on peut déterminer l’évolution de la courbe de dispersion chromatique, courbe qui présente un minimum de Dch négative, conséquence direct du point d’inflexion. Il a été montré par notre équipe que de fortes valeurs négatives de dispersion peuvent être obtenues avec ce genre de fibre : un exemple montre expérimentalement une valeur de –1800ps/(nm.km) à la longueur d’onde unique de 1550 nm. Or pour le WDM, il faut compenser la Dch n’ont plus à une seule longueur d’onde mais à toutes celles appartenant à la bande C dans un premier temps représentant 35nm. Pour cela il faut optimiser les paramètres optogéométriques de la fibre dans le but d’élargir la courbe de Dch pour obtenir une zone qui fait apparaître une pente quasi linéaire qui sera de signe opposée à celle des fibres de ligne, SMF ou NZDSF. (ce qui implique de travailler avant l’accord de phase) -1800ps/(nm.km) @ 1550 nm Longueur d’onde (nm) Longueur d’onde (nm) Pente négative quasi linéaire sur toute une bande de  Valeur très négative à une  unique Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 26 Octobre 2004

6 paramètres optogéométriques à optimiser (rayons et dopants) Design d’une FDCC pour l’application WDM Cahier des charges : - Rapport de longueur ( k ) entre SMF/FDCC > 20 (ou NZDSF/FDCC >40) - Dispersion chromatique résiduelle < qql dizièmes de ps/(nm.km) sur la bande C Théorie dualité Conception Outils de simulation : Fabrication métrologie - Simulations basées sur la BPM 2D, la méthode matricielle et la méthode des éléments finis Données du problème : 6 paramètres optogéométriques à optimiser (rayons et dopants)  compensation de la pente et dispersion chromatique de la fibre de ligne La conception de cette nouvelle fibre appliquée au WDM doit répondre au cahier des charges suivant: Un rapport de longueur noté Kappa entre la fibre SMF et FDCC le plus important possible pour limiter la longueur utile de FDCC à insérer et pour obtenir une figure de mérite importante. Une dispersion chromatique résiduelle limitée à qql dizièmes de ps/(nm.km) sur tt la bande C. Il est à noter que ces 2 caractéristiques sont liées : plus Kappa sera fort et plus le résidu sera grand (20). Les simulations sont basées sur plusieurs logiciels : la BPM 2D, la méthode matricielle mais aussi sur la méthode des éléments finis. La difficulté majeure de ces calculs réside dans le fait que l’on a 6 paramètres à optimiser chacun ayant une influence sur la courbe de Dch c.a.d sur la valeur de la Dch et sur la pente. Il faut donc trouver une configuration intégrant tous ces paramètres de façon à égaliser le rapport des pentes au rapport des dispersions sur tt la bande C avec si possible la + grande Aeff de façon à limiter les futurs effets non linéaires. Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 26 Octobre 2004

Design d’une FDCC pour l’application WDM Théorie Conception Fabrication métrologie Conditions de fabrication simplifiées en présence d’un anneau plus étroit Bande C Un grand nombre de configurations a été trouvé. Le tableau ci-contre regroupe 2 profils retenus notés A et B, profils répondant aussi aux exigences expérimentales (comme la distance entre les 2 cœurs). Le premier présente une très faible dispersion chromatique résiduelle, de l’ordre du centième de ps/(nm.km) mais nécessite un cœur annulaire très large. Le second est moins performant en terme de dispersion chromatique résiduelle (10 fois plus forte) mais néanmoins ce profil correspond à un bon compromis entre les performances atteintes et la difficulté de fabrication. C’est pour cela, que nous avons choisi de réaliser ce second profil en accord avec le groupe Alcatel. La courbe de dispersion chromatique confirme la présence d’une largeur à mi-hauteur très importante : elle est passée d’une dizaine de nm à 200 nm, ce qui se traduit par l’apparition d’une pente quasi linéaire sur 35nm. Les valeurs des dispersions sont voisines de –300 ps/(nm.km) et permettent d’atteindre un rapport de longueur 20 égalisé sur toute la bande C. Il faut noter que ce rapport 20 semble correspondre pour ce type de fibre à un maximum compte tenu que l’on ne peut pas introduire des concentrations de dopant dans le cœur central beaucoup plus fortes que celle utilisée pour ce profil (autour de 40.10-3). Largeur à mi-hauteur : 200 nm Dch= - 320 ps/(nm.km) @ 1569nm k = 20 égalisé sur la Bande C Rapport limite  20 Pente linéaire sur 35nm Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 26 Octobre 2004

Profil d’indice FDCC WDM Fabrication de la FDCC WDM Préforme primaire WDM Théorie Conception Fabrication métrologie fibrage Comparaison des paramètres optogéométriques Profil d’indice FDCC WDM F ext = 149 µm Limite de mesure Profil théorique Profil mesuré En accord avec l’étape de simulation précédente, une préforme se rapportant au profil B a été fabriquée par le groupe Alcatel. Cette préforme a ensuite été étirée à l’IRCOM avec un diamètre extérieure choisi de façon à obtenir des valeurs de dispersion et de pente proches des valeurs théoriques, le tout dans la bande C. Sur cette figure, j’ai reporté les paramètres optogéométriques du profil théorique en rouge et ceux du profil mesuré en noir. On peut noter une très bonne concordance des différentes valeurs. Enfin il est important à se rappeler, qu’après cette étape de fabrication nous pourrons ajuster de façon précise la longueur d’onde d’accord de phase en enroulant la fibre sur un diamètre adapté.  Adjuster l0 en enroulant la fibre Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 26 Octobre 2004

PenteFDCC : -1,3 ps/(nm2.km) Caractérisation de la FDCC WDM FDCC WDM (200 m) Soudure SMF/FDCC faibles pertes injection sélective Théorie SMF (1m) SMF (1m) Conception Dispersion chromatique mesurée par la méthode du retard de phase (CD 300 EG&G) Fabrication métrologie zoom PenteFDCC : -1,3 ps/(nm2.km) DFDCC  -350 ps/(nm.km) Dans le but de mesurer la dispersion chromatique de la fibre fabriquée et de respecter les conditions d’insertion réelles, nous avons soudé en entrée et en sortie d’un tronçon de 200m de fibre à 2cc, 2 fibres SMF. De plus, en entrée le cœur de la fibre SMF doit être aligné avec le cœur central de la fibre dispersive pour exister uniquement le supermode fondamental avant la longueur d’onde d’accord de phase. La mesure de dispersion chromatique proprement dite est réalisée par l’appareil CD 300 du laboratoire qui fonctionne sur la méthode du retard de phase. Le zoom de la courbe de dispersion ainsi obtenue montre la très bonne concordance entre les valeurs mesurées et théoriques. La pente est évaluée à –1,3 ps/(nm2.km) et la dispersion chromatique à –350 ps/(nm.km) à 1550 nm, ce qui permet d’obtenir un rapport des pentes et des dispersions entre la fibre à 2cc et SMF de 22 égalisé sur toute la Bande C. Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 26 Octobre 2004

Caractérisation de la FDCC WDM Pertes des connectiques Théorie Autour d’1 dB dans la bande C (peut être amélioré en utilisant des multirefusions par exemple) Conception Pertes de propagation Fabrication métrologie Autour d’1.2 dB/km dans la bande C  Figure de mérite : 300 ps/(nm.dB) à 1550 nm Mesure de l’Aire Effective Les pertes de connexion entre la fibre à 2cc et la fibre SMF sont évaluées autour du dB dans la Bande C. Cette valeur peut être améliorée en réalisant des multi-refusions ou en remplaçant la fibre SMF par une fibre ayant un profil d’indice adapté à celui de la fibre FDN. Les pertes de propagation sont mesurées autour d’1,2 dB/km dans la Bande C, ce qui donne une Figure de mérite (rapport entre les pertes et la dispersion chromatique) de 300 ps/(nm.dB) à 1550 nm. Une autre caractéristique importante à déterminer est la valeur de l’Aeff. Pour cela, un banc de mesure en champ proche a été mis au point : - En entrée grâce à une source accordable et à un tronçon de fibre SMF amorce, on injecte de façon préférentielle la lumière dans le cœur central. - en sortie on place une fibre SMF servant de détecteur installée sur un ensemble mobile pouvant se déplacer sur un axe horizontal et vertical, ce qui permet d’obtenir une image en 2D. L’Aeff est alors évaluée à 33µm2 à 1550 nm, valeur supérieure à la théorie due à un surplus d’énergie dans le cœur annulaire. x y Banc de mesure en champ proche Aeff : 33 µm2 à 1550 nm Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 26 Octobre 2004

Caractérisation de la FDCC WDM  Réalisation d’un module compensateur de dispersion chromatique Théorie k = 22 SMF (2.2 km) FDCC (100 m) SMF (1m) Conception Fabrication métrologie  Mesure de la dispersion chromatique résiduelle Variation maximale de 0.4 ps/(nm.km) sur la bande C La dernière étape consiste à créer le module compensateur de dispersion en respectant la valeur Kappa. Pour cela, 2.2km de fibre SMF est associé à un tronçon de fibre FDN 22 fois moins important soit 100m. La mesure de dispersion chromatique donne le graphique suivant. On constate que la dispersion chromatique de l’ensemble du module est quasi nulle avec une variation maximale de 0.4 ps/(nm.km) sur toute la Bande C. Résultat très proche de la valeur théorique attendue de 0.3 ps/(nm.km) 0.3 ps/(nm.km) théoriquement Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 26 Octobre 2004

Dépôt d’un Brevet (Alcatel / IRCOM) Conclusion gerome@ircom.unilim.fr  MCVD solution : Fibre à deux coeurs concentriques avec Pertes de propagation 1.2 dB/km dans la bande C (FM = 300 ps/(nm.dB)) Pertes de connectiques 1 dB dans la bande C Dispersion chromatique résiduelle limitée à 0.4 ps/(nm.km) sur la bande C Dépôt d’un Brevet (Alcatel / IRCOM) Autres solutions pour >20 ? 1 seule fibre à 2cc unique MCVD ... Difficile Association de fibres à 2cc MCVD ... Possible 1 seule fibre microstructurée air-silice particulière ... adaptée (présentation demain) En conclusion, Pour lutter contre un phénomène néfaste à la transmission d’information qu’est la dispersion chromatique positive des fibres de ligne, nous avons étudié dans cette communication une solution particulière : l’insertion d’une fibre à 2cc dopé au Germanium. Le profil d’indice de réfraction de cette fibre a été optimisé puis fabriqué par le process MCVD pour obtenir expérimentalement un rapport de longueur important de 22, rapport égalisé sur toute la Bande C. Dans cette bande de 35nm, les pertes de propagation ont été mesurées autour d’1.2 dB/km et les pertes de connexion sont proches du dB. Cette dernière valeur pouvant être réduite avec l’utilisation d’une fibre à petit cœur. Enfin, un module compensateur de dispersion a été réalisée en associant 2,2km de fibre SMF à 100m de la fibre conçue. La dispersion chromatique totale du module obtenue est quasi nulle avec une variation maximale de 0.4 ps/(nm.km) sur toute la Bande C. Tous ces résultats associés à la possibilité d’ajuster les caractéristiques de la fibre par l’enroulement ont permis le dépôt d’un Brevet. Parallèlement d’autres solutions ont commencé à être étudiées dans le but d’obtenir de meilleurs performances en terme de rapport de longueur. On a vu qu’en utilisant une seule fibre à 2cc MCVD on se trouvait limité à 20. Par contre l’utilisation en cascade de plusieurs de ces fibres pour compenser indépendamment la pente et la dispersion permet d’augmenter ce rapport mais reste difficile à mettre en œuvre expérimentalement. C’est pourquoi on s’est orienté vers une autre solution qui repose sur la conception d’une nouvelle fibre compensatrice. Cette fibre sera basée sur une fibre microstructurée particulière là où les portions d’air vont permettre de créer de fortes différences d’indice et donc d’atteindre de fortes dispersions. Je vous présenterai plus en détails nos résultats demain en début d’après midi. je vous remercie de votre attention Equipe Optique Guidée et Intégrée - F.Gérôme - Paris le 26 Octobre 2004