principes et potentialités des technologies optiques · portée de 120km, avec une atténuation de...
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Principes et potentialitésdes technologiesoptiquesTutoriel du 2 décembre 2008
Philippe GALLION,Professeur à TELECOM ParisTech
1
Principes et potentialitésdes technologies optiques
Les fibres optiques et la bande passanteLa dispersion et le débitLes fonctionsLa couleurLes topologies
2
Principes et potentialitésdes technologies optiques
Les fibres optiques et la bande passanteLa dispersion et le débitLes fonctionsLa couleurLes topologies
direction ou services 3
Nécessité d’un guidage
Divergence naturelle des ondes par diffraction• θ de l’ordre de grandeur de λ /d• θ = 10-4 rd pour d = 5 mm et λ = 1µ
Grande directivité des ondes optiques• d >> λ• Liaisons sans visibilité difficiles
Décroissance du flux d’énergie proportionnelle au carré de la distance r• Elargissement Δd = λ θ = 10cm pour r = 1km
Absorption et turbidité de l’atmosphère
direction ou services 4
Cœur
Gainen1
2a
n1
n2 > n1
Gaine
Fibre optique
Silice pas chère et très ductile Changement d’indice par dopage (Bore ou Germanium) : Δn = 10-2 à 10-3
Diamètre 2a de 5 à 50µ >> longueur d’onde λ de l’ ordre du µ Diamètre extérieur 125µ Un revêtement confère de bonnes propriétés mécaniques Faible encombrement, faible poids, faibles rayons de courbures Guide diélectrique : pas de pertes intrinsèques par guidage
direction ou services
Loi de Snell Descartes
Réflexion totale pour
Réflexion sans pertes possible ,contrairement à la réflexion métallique En réalité la lumière va aussi dans la gaine
5
!
n1sin i
1= n
2sin i
2
!
sini2
>n1
n2
Réflexion totale
n1
n2
n1
direction ou services 6
!
n =1,45
"n =10#2
$MAX
=10°
Ouverture Numérique (ON)
Connexion• Aligner les cœurs• Aligner les axes
Connecteur : de 0.1 à 0.3dB Soudure : 0.05dB Réparations pénalisantes
direction ou services
Transparence dans le proche infra rouge (1250nm à 1650nn) Minimum d’atténuation à 1500nm (1,5µm) 1500nm correspond à une fréquence de 200THz 1nm correspond à 125Ghz
0,25dB/km Bande de 400nm soit 50THz Portée de 120km, avec une atténuation de 30dB
7
Un gisement fréquentiel énorme
direction ou services 8
Les bandes optiques (fibre en silice)
Bande XS (Xshort band) : 1250 à 1350nm
Bande S+ (short band) : 1450 à 1490nm
Bande S (short band) : 1500 à 1525nm
Bande C (conventional band): 1525 à 1565nm :
Bande d’amplification de l’ Erbuim
Bande L (long band) : 1568 à 1610nm
Bande L+ (long band) : 1610 à 1650nm
direction ou services 9
Fibres optiques en plastiquePlastic Optical Fiber (POF)
Fibres optiques en polymère• Cœur en Poly Méthacrylate de Méthyle (PMM)• Gaine en polymères fluorés
Transparence entre 600 et 850 nm, Atténuation de l’ordre de 10 dB/km Très gros diamètre de cœur : de 100µm à quelques mm, Connections faciles et connecteurs à bon marché
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Principes et potentialitésdes technologies optiques
Les fibres optiques et la bande passanteLa dispersion et le débitLes fonctionsLa couleurLes topologies
direction ou services
Ils existent de nombreux « modes » (rayon)• Diamètre 2a = 50µ >> λ• Différence d’indices élevée (Δn = 10-2)• Quelques centaines de modes
Tous modes n’arrivent pas en même temps• Elargissement des impulsions proportionnel à la distance
La bande passante est faible et elle diminue avec la distance
11
L
Rayon rapide
Rayon lent
Gaine
Cœur
Gaine
!
!
"# ($) =Ln
G
c
$2
2
Dispersion Inter-Modale
temps temps
!
Bande passante pour 1km( ) " quelques dizaines de MHz
direction ou services 12
!"(#) =Ln
G
c
#4
8
L
Gaine
Cœur
Gaine
!
Bande passante pour 1km( ) ! quelques GHz
Fibres à gradient d’indice (GI)
L’indice décroît progressivement quand on d’éloigne de l’axe Les rayons ne sont plus rectilignes Gain d’un facteur théorique de 1000 Gain de quelques centaines en pratique
n(r/a)
r/a1
n
n(1-!)"=1
"=#
"=2
direction ou services
Les fibres optiques
Monomode• Petit coeur (10µm)• Petite différence d’indice (10-3)• Petite ouverture numérique (quelque °)• Connexion délicate• Un seul mode
• Grand débit• En silice• Réseau FTTH
Multimode• Gros coeur (de 50µm à quelques mm)• Grande différence d’indice ( 10-2)• Grande ouverture numérique (10°)• Connexion facile• Plusieurs centaines de modes• Correction par gradient d’indice• Débit limité• Souvent en polymère• Réseau indoor
Fibre MonomodeSingle Mode Fiber (SMF)
direction ou services
Les différentes composantes spectrales n’ont pas la même vitesse
Elargissement des impulsions par propagation
D est la dispersion de la fibre en ps/nm/km
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-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
-1,5
- 1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 -1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
-1,5
- 1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
temps temps
L
Dispersion de vitesse de GroupeGroup Velocity Dispersion (GVD)
!" = DL!#
direction ou services 15
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
-1,5
- 1
-0,5
0
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1
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1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
-1,5
- 1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Dispersion > 0 :
Dispersion < 0 :t
t
Dispersion de vitesse de GroupeGroup Velocity Dispersion (GVD)
Dispersion > 0 : Le bleu est le plus rapide Dispersion < 0 : Le rouge est le plus rapide D = 0 @ λ =1,3µ
D = 17ps/(nm.km) @ λ =1,5µ pour le minimum d’atténuation
0,8 1,0 1,41,2 1,6 1,8
- 10
- 20
0
10
20
0,6
Longueur d’onde en µm
direction ou services 16
t0.8 1.0 1.41.2 1.6 1.8
- 10
- 20
0
10
20
0.6
Wavelength in µm
Standard dispersion
Dispersion shifted
Flat dispersion
Dispersion de vitesse de GroupeGroup Velocity Dispersion (GVD)
Compensation de la dispersion chromatique par la dispersion de guidage
direction ou services
Mélange des impulsions successives Un débit numérique plus élevé implique :
• Impulsions plus proches et plus vulnérables• Impulsions plus courtes au spectre plus large
Pour les fibres en silice
• Fibre standard (SMF) à 1500nm : 60km de portée à 10Gb/s• Meilleures performances à 1300nm ou avec de la compensation• Dégradation avec une source laser bon marché (chirp)
17
!
Débit(GBit/s)[ ]2
Longueur (km)[ ] < 6000 Gb/s( )2
km
Limitation du débitdes fibres monomodes
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 tz
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 tz
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
direction ou services
Les différentes fibres optiques en silice Fibres standard (G652) Standard Monomode Fiber (SMF)
• Non Dispersion Shifted Fiber (NDSF)D = 0 @ λ = 1,310 µ et D =17 ps/(nm.km) @ λ= 1,550µ
Fibre à dispersion décalée (G653)• Dispersion Shifted Fiber (DSF)
D < 1 ps/(nm.km) @ λ = 1,550µ
Fibre à compensation de dispersion• Dispersion Compensation Fiber (DCF)
D = - 80 ps/(nm.km) @ λ = 1,550µ
Fibre G-655, NZDSF (Non Zero Dispersion Fiber)• Infrastructures terrestres et sous-marines longue distance
- TeraLight ® Alcatel
- TrueWave ® Lucent ,performances homogènes dans la bande 1528-1565 nm
- All Wave ® Lucent, spectre étendu 1300 nm-1400 nm - 1550 nm-1620 nm
- Leaf ® Corning…
Fibre G 657 supporte de très faibles rayons de courbure (indoor)
direction ou services 19
Non-linéarités dans les fibres optiques
Non-linéarités : effet Kerr optique• La lumière modifie l’indice de la fibre• La puissance optique moyenne est faible• Le champ électrique à des valeur crêtes importantes
- Confinement dans le cœur- Impulsions brèves
• Cumul des effets sur des grandes distances
Auto modulation de phase (SPM)
E = I exp j!
SPM
direction ou services 20
!0(t)-d "/dt
t
t
I (intensité) Impulsion
t (temps)
" =-kz (phase)
Automodulation de phase
"Chirp" fréquentiel
tz
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Auto modulation de phase
tz
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Dispersion avec D > 0
Auto-modulation de phaseSelf Phase Modulation (SPM)
L’auto-modulation de phase peut compenser une dispersion positive
direction ou services
Propagation linéaire :
Propagation non linéaire :
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Propagation non linéaire
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Principes et potentialitésdes technologies optiques
Les fibres optiques et la bande passanteLa dispersion et le débitLes fonctionsLa couleurLes topologies
direction ou services 23
Interfaces optique/électrique
Emission laser• Conversion des électrons en photons• Puissance optique proportionnelle au courant • Puissance optique 1mW (0dBm) environ• Courant de seuil
Photo détection• Courant proportionnel à la puissance optique (1A/W)• Bruit thermique : -30dBm pour un BER de 10-9
• Perte de la couleur Dynamique de 25 à 30dB
• Atténuation• Partage• Connexions
Les conversions O/E et E/O sont peu avantageuses• Goulet d’étranglement pour la bande passante• Rendement énergétique faible
direction ou services
Gain• Typiquement 20 dB à 30 dB• Facteur de bruit minimal de 3dB
Technologies• Semi-conducteur (SOA)
- Pompage électrique
• Fibres optiques dopées à l’Erbuim (EDFA)- Pompage optique ( à 1480nm ou à 980nm)
• Amplificateur Raman- Utilisation de la fibre de transmission- Amplification distribuée- Pompage optique (λ +13,2THz )
24
!
G =Puissance optique de sortie
Puissance optique d'entrée
Les amplificateurs optiques
Equilbrage spectral du gain
direction ou services
Pré- amplification
Amplification en ligne
Compensation des pertes par répartition Amplification en ligne (booster) Traitement «tout optique» de l’information
Utilisation des amplificateurs optiques
Photo
détecteur
Amplificateur
électronique
Signal optique
Amplificateur
optique
Fibre optique
Emetteur Récepteur...
Amplificateuroptique Filtre optique
direction ou services
Auto modulation de phase (SPM)
Modulation de phase croisée (XPM)
Perturbations pour les systèmes et les réseaux de communications Effets intéressants pour les systèmes de traitement « tout optique »
26
E = I exp j!
SPM
E1 = I1 exp j!1 E2 = I2 exp j!2
XPM
Auto Modulation de Phase (SPM)et Modulation de Phase Croisée (XPM)
direction ou services 27
Chirping dans un SOA
La fréquence optique diminue dans le front montant La fréquence optique augmente dans le front descendant
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Principes et potentialitésdes technologies optiques
Les fibres optiques et la bande passanteLa dispersion et le débitLes fonctionsLa couleurLes topologies
direction ou services 29
Multiplexage temporel électrique (ETDM)
Multiplexage en longueur d’onde (WDM)
Multiplexage en longueur d’onde (WDM)
direction ou services 30
Une des premières tentatives
Le multiplexage en longueur d’onde(WDM) est une vieille idée !
Rê Horaky(le Soleil à midi)transmet un faisceaulumineux multicolore à Tapéret(800-900 B.C.)
Le Louvre, Paris
direction ou services
Intérêts du WDM pour les liaisons à grand débit
Moins de câbles Amplification collective Relaxe des contraintes liées à l’augmentation des débits
• Electronique rapide• Dispersion chromatique• Dispersion polarisation• Non linéarités
Utilisation des anciennes fibres dispersives Montée en débit modulaire (Capex reduction) Utilisation de la longueur d’onde comme dimension supplémentaire
direction ou services 32
Le WDM pour les liaisons à grand débit
Multiplexage en longueur d'onde (WDM)• Moindre efficacité spectrale• Moins de contraintes sur l'électronique• Moins de contraintes sur la dispersion• Complexité
Multiplexage temporel (ETDM)• Grande efficacité spectrale• Fortes contraintes sur l'électronique• Forte limitations par la dispersion
EXFO, guide to WDM technology testing
direction ou services
Augmentation du débit global
Augmentation du débit par canal• 10 Gbit, 40 Gbit/s…• Taille optimale du grain ?• Limitation par la dispersion et les non-linéarités
Resserrement des canaux• 100Ghz, 50 GHz, 25 GHz …• Limitations par les effets non linéaires• Limitation par les Mux/demux• Nombre élevé de canaux à gérer
Elargissement de la bande• Elargissement de la bande des EDFA• Utilisation de la bande L• Amplification Raman• Limitation par le bruit et la disponibilité des pompes
direction ou services
Amplificateurs à fibres dopée à l’Erbuim(EDFA)
WAVELENGTH (nm)
40
40 Channel Capability Standard Amplifier
Optical Bandwidth2.0 THz16.1 nm
191.50 THz,1565.50 nm
196.25 THz,1527.60 nm
40 40 16
WAVELENGTH (nm)
96 Channel Capability C-Band Gain Flattened Amplifier
Optical Bandwidth4.8 THz38.3 nm
direction ou services 35
Réseaux de guides (AWG)
MMI
Réseaux de Bragg (FBG)
Le contrôle fin de λ passe par celui de la température (12,5 GHz/K)
Les multiplexeurs (Mux)démultiplexeur (Démux)
direction ou services 36
Utilisation la longueur d’onde• Séparation montant/descendant• Séparation des utilisateurs• Séparation des services• Séparation des fournisseurs d’accès• Augmentation de la capacité• Augmentation du nombre d’utilisateurs
Assigner la longueur d’onde• Statique (Démux) ou dynamique (Routeur en λ)
• Routage ou sélection par filtrage
Intérêts du WDMpour les réseaux d’accés
direction ou services 37
Le contrôle fin de λ passe par celui de la température (12,5 GHz/K) Le CWDM est à très bas coût
CWDM versus DWDM
C (coarse) DWDM
D (Dense) DWDM
direction ou services 38
Input Output
Génération de nouvelles fréquences par non linéarités
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Principes et potentialitésdes technologies optiques
Les fibres optiques et la bande passanteLa dispersion et le débitLes fonctionsLa couleurLes topologies
direction ou services 40
Point à point (P2P)
Sur la même fibre ou sur 2 fibres séparées• Longueur d‘onde descendante à 1500nm• Longueur d‘onde montante à 1300nm
Beaucoup de fibre Zone à forte densité Réparation facile Pas de partage optique Upgradabilité Ressources fréquentielles disponibles
• CATV• Nouveau services• Différents fournisseurs
direction ou services 41
Point à Multipoint (P2MP)
Coupleur optique passif 1 vers N (de 16 à 128) Moins de fibres Zone à faible densité Partage de la puissance réduisant la portée
• Utilisation possible d’amplificateurs optiques Erbium Gestion électrique de la ressource optique commune Synchronisation
• Distance variable des ONU Mode broadcast du flux descendant Voie montante
• Laser sans couleur (Interférences optiques entre lasers à éviter)• Super continuum (Spectrum slicing)
direction ou services 42
Réseaux WDM
Chaque longueur d’onde est un canal (presque) indépendant• Diaphotie• Non linéarités
Amplification collective Pas de partage de la puissance optique en mode routage Duplication du mode broadcast sur le tronçon commun Mux/démux passifs ou actifs Même longueur d’onde montante ou descendante
• Composants actifs réfléchissants (ampli ou modulateur)
direction ou services 43
Réseaux optiques passifs
ATM PON
ATM PON ext GPON EPON
Norme
ITU G983.1 ITU G983.3 ITUG984 IEEE802.3
Débi t
montant/descendant
155/622Mb/s 2,5Gb/s 1,25/2,5Gb/s 1,25/2,5Gb/s
Longueur d’onde
montante/
descendante
1260 à 1360
/1480 à 1580nm
1260 à 1360
/1480 à 1500nm
1310/1490nm 1310/1490nm
Nombres de
branches
3 2 6 4 (64) 128 16 (64)
Protocole ATM ATM GEM (ATM,
Ethernet,TD)
Ethernet
Cellule 53 bytes 53 bytes 53-1518
bytes
64-1518 bytes
Bilan de liaison 20 à 30 dB 30 dB 28dB 20dB
Ampli Erbuim
Synchronisation
Band for CATV and
future services
direction ou services 44
Plan de fréquence optique
Plan de fréquence ATM PON
direction ou services 45
Conclusion
Ressource fréquentielle quasi illimitée Equité par rapport à la distance Symétrie montant/descendant Gestion de la longueur d’onde Amplification optique Place pour de nouveaux services
• CATV• …
Perspectives• Gestion dynamique de la longueur d’onde• Communications numériques optiques : FEC• Technique optiques cohérentes : QPSK, DPSK…• Radio over Fiber (RoF)• OCMA• …
direction ou services
Merci de votre attention
direction ou services
Professeur, à TELECOM Paris Tech, Philippe GALLION enseigne les communications et lesréseaux optiques dans de nombreuses institutions françaises et étrangères.Il est auteur de250 publications et communications scientifiques internationales et de nombreux ouvragespédagogiques. Il est expert auprès de différentes instances internationales, membre ducomité scientifiques de nombreuses revues conférences et acteur dans de nombreux projetsnationaux et européens. Il est le Chairman du Chapitre Français de IEEE Laser and ElectroOptics Society (IEEE, LEOS).