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Des solutions à de nouveaux défis dans les réseaux optiques modernes avec perte dépendant de la polarisation

L’Ecole doctorale : Ecole Doctorale de l’Institut Polytechnique de Paris
et le Laboratoire de recherche SAMOVAR
présentent l’AVIS DE SOUTENANCE de Monsieur Arnaud DUMENIL

Autorisé à présenter ses travaux en vue de l’obtention du Doctorat de l’Institut Polytechnique de Paris, préparé à Télécom SudParis en :
Electronique et Optoélectronique
« Des solutions à de nouveaux défis dans les réseaux optiques modernes avec perte dépendant de la polarisation »

le vendredi 15 mai 2020 à 14h00

SOUTENANCE EN WEBCONFERENCE

Dispositions exceptionnelles durant la crise sanitaire liée au Covid19 : ordonnance n° 2020-351 du 27 mars 2020 - Arrêté du 21 avril 2020 -

NOR : ESRS2009945A


Membres du jury :

M. Badr-Eddine BENKELFAT , Professeur, Télécom SudParis, FRANCE - Directeur de thèse
M. Magnus KARLSSON, Professeur, Chalmers University of Technology, SUÈDE - Rapporteur
M. Darko ZIBAR, Associate Professor, Technical University of Denmark, DANEMARK - Rapporteur
Mme Iryna ANDRIANOVA , Professeure, ENSEA, FRANCE - Examinatrice
Mme Ghaya REKAYA-BEN OTHMAN, Professeure, Télécom Paris, FRANCE - Examinatrice
M. Elie AWWAD, Maître de Conférences, Télécom Paris, FRANCE - Encadrant de thèse

Résumé :

La demande de débit en augmentation constante requiert des canaux de communication fiables et robustes. Les réseaux optiques terrestres ainsi que les liens sous-marins représentent le cœur de l’infrastructure des télécommunications au niveau mondial, et transportent des centaines de canaux fréquentiels modulés à haut débit. Ces liens se composent non seulement de kilomètres de fibre mais aussi de composants optiques comme les amplificateurs à fibre dopée à l’erbium (EDFA) pour relever régulièrement la puissance des signaux atténués, ou encore des commutateurs sélectifs en longueur d’onde (WSS) qui routent le signal vers leur destination. Dans cette thèse, nous nous intéressons à une pénalité spécifique qui survient dans ces systèmes et qui réduit le débit d’information dans une propagation optique. Les composants optiques discrets présentent typiquement une anisotropie en polarisation : un déséquilibre de perte (ou gain) apparaît entre les deux polarisations d’un signal optique multiplexé en polarisation. Cet effet non unitaire appelé pertes dépendant de la polarisation (abrégé PDL en anglais) dégrade la qualité de transmission dans les systèmes optiques actuels et futurs. Dans le cadre des transmissions multiplexés en polarisation, nous caractérisons la perte de capacité induite par la PDL. Pour commencer, des modèles de canal sont attentivement étudiés et deux approches sont présentées : un canal avec des éléments PDL distribués avec un bruit également distribué, ou alors un canal équivalent simplifié en un seul élément. Nous analysons les limites fondamentales de communication associées à ces modèles. Nous montrons en outre que la capacité d’un canal PDL dépend en pratique de l’orientation de l’état de polarisation du signal incident. Nous passons ensuite en revue l’état de l’art de schémas de modulation atténuant l’effet de PDL puis nous proposons deux nouveaux schémas de modulation multi-dimensionnels qui augmentent la performance minimum et moyenne du canal. Ces deux modulations sont des transformations unitaires de symboles M-QAM qui n’utilisent pas de degrés de liberté autres que les quatre déjà utilisés pour chaque longueur d’onde (encodage en phase et quadrature de phase sur les deux états de polarisation). Nous proposons succinctement une extension de ces premiers résultats à des communications optiques plus généralement multiplexés en dimension spatiale et impactées par des pertes dépendantes de mode, qui présentent un déséquilibre de gain identique. Au-delà de la construction de modulations au niveau du transmetteur, nous étudions la perte de performance en présence de PDL d’une chaîne de traitement de signal conventionnelle et séquentielle par comparaison avec une égalisation et décodage joint. Cette perte additionnelle de capacité résultant du traitement séquentiel non optimal est évaluée pour différents formats de modulations ainsi que différents points de fonctionnement. Enfin, nous exposons une validation expérimentale des deux schémas de modulation proposés, aussi bien sur un élément de PDL seul ou sur un canal PDL distribué, et montrons comme attendu une robustesse augmentée vis-à-vis de la PDL.

Abstract :

Large amounts of ever-increasing global data traffic require sound and reliable communication channels. Optical terrestrial networks and submarine links are at the very heart of the global telecom infrastructure, and carry hundreds of frequency channels modulated at very high rates. These links include not only kilometers of fiber but also optical elements such as Erbium-Doped Fiber-Amplifiers (EDFA) to amplify periodically the attenuated signals and Wavelength Selective Switches (WSS) to route the signals to their assigned destinations. In this thesis, we explore a specific rate-degrading impairment of the optical propagation that raises in those systems. Discrete optical elements often exhibit a polarization anisotropy that emerges as a gain or loss imbalance between the two polarization tributaries of the polarization-multiplexed optical signals. This non-unitary effect called Polarization Dependent Loss (PDL) impairs the quality of transmission in current and next-generation optical systems. In the context of polarization-multiplexed signals, we assess the capacity loss induced by PDL. First, channel models are carefully studied and two approaches are described : a channel with distributed PDL elements and distributed noise or a simplified single-element equivalent channel. Making use of these models, we then analyze their fundamental limits of communications. We show that the PDL channel capacity depends in practice on the state-of-polarization orientation of the incident signal. We then review the state-of-the art of PDL-mitigating modulation schemes and propose two new multi-dimensional signaling schemes that enhance worst-case and average performance. These two modulations are unitary transforms of M-QAM symbols and do not make use of additional degrees of freedom apart from the four already-used dimensions per wavelength (in-phase and quadrature channels of two polarization states). We briefly extend these first results to space-division-multiplexed optical communications impaired by mode dependent loss (MDL) that present a similar gain imbalance. Beyond signal shaping at the transmitter side, we study the performance loss of a conventional, sequential signal processing chain at the receiver side in presence of PDL, in comparison with a joint equalization-decoding scheme. The additional capacity loss due to the mismatch sequential processing is evaluated for several modulation formats and at different operating points. Finally, we report an experimental validation of the two proposed signaling schemes, both on a single PDL element and on a distributed PDL channel, demonstrating the predicted enhanced robustness to PDL.