630 pp. 630-634

Comparaison de la fiabilit6 op6rationnelle des modules optiques

6quipant les syst6mes 34 Mbit/s de France T616com Nicole GARNIER * Jeannine PAUGAM * Patrick G U Y M A R D **

R6sum6

L'dtude mende conjointement par le CNET et Alcatel CIT a pour objectif de mesurer et de comparer l'dvo- lution au cours du temps de la fiabilitd opdrationnelle des diffdrentes liaisons optiques (0,85 #m et 1,3 #m) multimodales d 34 Mbit/s de France Telecom, ainsi que celles des diffdrents moddles de composants optodlectro- niques utilisds. La trafabilitd sur la totalitd du cycle de vie de ces produits a dtd assur~e d l'aide d'une base de donndes implantde sur microordinateur. Les infor- mations sont enregistrdes depuis l'origine (janvier 85) jusqu'd la fin du premier trimestre 90. L'analyse des rdsultats obtenus intdgre les incidences du stockage et les analyses de ddfaillance effectudes sur les composants rejetds. Les rdsultats acquis sur les modules optiques d ~mission d 0,85/~m ont servi d l' dlaboration d'un projet de moddlisation pour les estimations de fiabilitd prdvi- sionnelle.

Mots cl6s : Fiabilit6, T616communication optique, D6faillance, Dispositif opto61ectronique.

of optoelectronic components used. Traceability on the entire product life cycle was performed using a micro- computer data base. Data was recorded from the begin- ning (January 1985) until the end of the first quarter of 1990. Analysis of the results obtained has taken into account the influence of storage and the failure analyses carried out on rejected components. The results obtained on 0.85 #m optical transmit modules have been used to elaborate a modelling procedure for reliability predic- tions.

Key words : Reliability, Optical telecommunication, Failure, Optoelectronic device.

Sommaire

I. Introduction. II. Evolution et comparaison de la qualit~

et de la fiabilitL III. Mod~lisation envisag~e. IV. Conclusion. Bibliographie (5 r~f ).

COMPARISON OF THE OPERATIONAL RELIABILITY OF OPTICAL EMITTERS

FITTED IN FRANCE TELECOM 34 Mbit/s SYSTEMS

Abstract

The purpose of the joint research programme conduc- ted by the CNET and Alcatel ClT on various France Tdldcom 34 Mbit/s multimode optical links (0.85 and 1.3 #m) is to assess their behaviour versus time, com- pare their operational reliability and the different types

' I . INTRODUCTION

Pour mener ~t bien cette 6tude, nous avons cr66 une

base de donn6es re la t ives / t chaque &ape de la vie des modules optiques.

La collecte des informations 616mentaires a n6ces-

sit6, de la part de France T616com et d 'Alca te l CIT, la

mise en place de proc6dures appropri6es pour arriver au

niveau le plus fin de tra~abilit6. Celle-ci est effective depuis la recette des modules optiques chez les fournis- seurs (constitution du dossier technologique/a la date de

* CNET-LAB-IFE, BP 40, F-22301 Larmion Cedex. ** Alcatel CIT, BP 6, Nozay, F-91620 La-Ville-du-Bois.

ANN TI~Lt~COMMUN, 45, n ~ 11-12, 1990 1/5

N. GARNIER. - FIABILITI~ OP~,ATIONNELLE DES MODULES OPTIQUES

recette pour chaque type de composant) puis lors de la fabrication des interfaces optiques (IO) constitution de la matrice (IO - composants optiques) avec enregistrement des num6ros de s6rie, de march6, du type de composant et du fournisseur.

Au cours des mises en service, on enregistre les dates de mise en trafic des liaisons, puis, lors du suivi en exploitation, les dates de d6rangement, les rap- ports de d6rangement et, apr~s r6paration, les compo- sants d6montfs font l'objet d'une analyse de d6faillance (Fig. 1).

L'ensemble de ces informations reprfsente environ 6 Mo de donn6es.

Le synoptique des liaisons 6tudi6es est foumi ci-apr~s (Fig. 2).

631

TERMINAL

I I

. . I L

L HGNE "Llaisons~urbaines

TERMINAL

E m I de

L U ~ I E

Longueur d'onde 0,85 #m

Composant 6mission DL

App. lin6ique (dB/km) 3,4

Po~6e enkm 10

1,3 /.Lm 1,3 #m

DL DEL

1,6 1,6

20 8

FIG. 2. - - Synoptique des liaisons h 34 Mbit/s sur fibre optique multimode.

Block diagram of typical 34 Mbit/s multimode optical fibre link.

II. I~VOLUTION ET COMPARAISON DE LA QUALITI~ ET DE LA FIABILITI~

Lors des d6rangements sur les liaisons optiques, on comptabilise le nombre d'interfaces optiques 6chang6s et, apr~s r6paration, on en dfduit le nombre d'interfaces optiques r6ellement en d6faut, ce qui nous permet d'6va- luer les diff6rents taux (apparent, intrins~que) h la mise en service et de d6faillance en exploitation.

II.1. Mise en service.

(1)

avec :

L'fvaluation du taux de d6rangement ~ la mise en service (Fig. 3) est 6tablie ~t partir de la formule :

D1 ou D2 D/U en % - U '

D1 :nombre de d6rangements apparents

D2 : nombre de d6fauts intrins~ques

U :nombre d'unit6S mises en service.

I

module opt lque Stockage

Les taux de d6rangements apparents observ6s ~ la mise en service sont de l'ordre de 3% ~ 4% except6 pour l'interface optique r6ception (IO Rec) 0,85 #m dont le taux est compris entre 1% et 2%.

11.2. Exploitation.

L'6valuation du taux de d6faillance en exploitation (Fig. 4) est 6tablie h partir de la formule :

N1 ouN2 ( 2 ) - ,

A en 10-6/h, avec :

N1 =nombre de d&angements apparents

N2 = nombre de dgfaillances intrins~ques

t,~ = temps unitaire de fonctionnement.

11.3. Fiabilit6 des liaisons 0,85 #m.

Pour environ 4 000 liaisons install6es entre 1985 et 1990, le temps de fonctionnement cumul6 est de l'ordre de 92 millions d'heures. La ventilation des d6faillances

FIG. 1. - - Diagramme du cycle de vie des modules optiques.

Optical modules life cycle diagram.

2/5 ANN. T~a~OMMUN., 45, n ~ 11-12, 1990

632 N. GARNER. - FIABIL1TE OPI~RATIONNELLE DES MODULES OPTIQUES

0,85 l.tm 1,3 Fm 1,3 Fm IO emission DL IO emission DL IO emission DEL

D/U en % D/U en % D/U en %

�9 . , _ , _ , . , . , - , _ , . . _ , . , _ , _ , . , _ , . . _ , . . _ , . , _

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ o~ o o~ ~o o~

O/U en % I O reception D/U en % I O reception D/U en % I O r6ception

0 �9 - �9 - �9 - �9 - �9 - �9 - �9 - �9 - �9 - �9 - , - , - , - �9 - . -

o . o

D / U e n % liaisons D /Uen% liaisons D/Uen% liaisons

il il 4

1 | �9 - �9 - , - �9 - �9 - �9 - �9 - , - , - , . �9 . , _ , _ , . , .

l~o. 3. - - R6sultats ~t la mise en service.

Commissioning results.

0,85 Fm 1,3 Fm 1,3 l.tm ~, 10-6/h IO emission DL ~. 10-6/h IO emission DL X 10-6/h IO emission DEL

tn

0 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 ] . . . . . . . . . 0 " - r r ~O ~ ,~ ,~ ~ ~ ~ ~ ~ o ~o ~ o~ o~ o 0~ ~ ~ ~ ~ o

~. l O-~/h I 0 r6oeption X l O-~ I 0 reception X l O-~ I 0 reception

�9 . , - , . , - , _ , - 0 ! , - , _ , . , _ , - , -

o o o 0

~, 10-6/h liaisons ~, 10-6/h liaisons ~ 10-8/h liaisons

0 . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . . ~), �9 . , . . . . . . O) QO OO OO QO O)

FIG. 4 . - - R 6 s u l t a t s e n e x p l o i t a t i o n .

Operational results.

ANN. "IEL~OMMUN, 45, n ~ 11-12, 1990 3/5

N. GARN1ER. - FIABILITI~ OPI~RATIONNELLE DES MODULES OPTIQUES

), 10-9/h 40 000

30 000

20000

10 000

I I I I I I I

4 8 12 16 32 40 44 I I I I

20 24 28

L 36

FIG. 5. --Comparaison du taux de d6faillance instantan6.

Comparison of instantaneous failure rates.

48

I'-I module W m module X �9 module Y

ll ll I I I I I

52 56 60

633

montre que 86% de celles-ci sont imputables aux mo- dules optiques.

Chaque interface optique 6mission (IO Em) est 6qui- p6e d 'une t~te optique. On a utilis6 quatre types de t~tes optiques, toutes interchangeables, correspondant ~t des 6volutions technologiques (Fig. 5) :

Foumisseur A : t~tes optiques (modules Wet Z). Fournisseur B : t~tes optiques (modules X et Y).

Fournisseurs

T~tes optiques

Quantit6 en exploitation

Nombre de d6faillances

A

W

765

304

Z X

167 1220

45 211

B

Y

2200

165

La quantit6 de tStes optiques en exploitation ayant 6t6 mises en service au cours du temps (de 1985 ~ 1990), la seule m6thode dont nous disposons pour 6tudier la variation du taux de d6faillance instantan6 est la m6thode actuariale [1 et 2].

Le taux de d6faillance instantan6 A(tz) s 'est ime par la formule :

?zi (3) A( t i ) - N i ( t , + l - t d '

A(ti) : estimateur du taux de d6faillance instantan6, ni :nombre de t&es optiques d6faillantes dans la tranche

d'~ge ( t i+l - t ,) , Ni : n o m b r e de t~tes optiques qui ont fonctionn6 au

moment du recensement, pendant un temps au moins 6gal h t i ,

t i+l - t i : tranche d'~ge (2 mois pour notre 6tude). A l 'aide de cette m6thode, nous avons 6valu6 et com-

par6 le taux de d6faillance instantan6 pour les diff6rents types de t~tes optiques. La taille de l '6chantillon du mo- dule Z du fournisseur A 6tant trop faible, ce module n ' a pas 6t6 retenu pour cette comparaison (Fig. 5) [3].

I1 a 6t~ proc6d6 ~ des analyses de d~faillance des composants d6mont6s afin de classifier les types de d6fauts rencontr6s (Fig. 6).

Les interfaces optiques r6ception (IO Rec) sont 6qui- p6s d 'un seul type de photodiode ~ avalanche (AID). En

~ e d~'ype Ph6nom~ne l~faut D6faut faut d'usure catalectique non confirm6

T tes optiques

W 85% 6% 9% X 70% 20% 10% Y 85% 12% 2%

P~partition en % In UODULtX I 100 "1 In m~uttY I 408060 ~ L e w

20 0

Catalectique D~gradation Non confirm6 FiG. 6. - - Analyse de d6faillance.

Failure analysis.

raison de la faible quantit6 d'AID d6faillantes, il n ' a pas 6t6 proc6d6 h l '6tude d6taill6e par la m6thode actuariale. Pour ce type de composant, le taux de d6faillance en exploitation (2) est de 300.10-9/h.

11.4. Fiabilit6 des l iaisons 1,3 # m .

Pour 1 700 liaisons (800 DL et 900 DEL) install6es entre 1987 et 1990, le temps de fonctionnement cumul6 est de l 'ordre de 24 millions d'heures.

Pour ces liaisons, le recul d'exp6rience n 'est pas encore suffisamment important pour proc6der h la m~me analyse que pour le cas pr6c6dent.

Les modules optiques sont d 'un seul module et d 'un seul fournisseur. Les premiers r6sultats obtenus (2) sont les suivants :

DL DEL APD 1,3/zm 1,3 #m 1,3 #m

en fits 450 180 850

4/5 A_wN. ~LflCOMMLrN., 45, n ~ 11-12, 1990

634

IlL MODI~LISATION ENVISAGI~E

Pour la mod61isation, il n'est retenu que les r6sultats acquis sur les modules optiques 6mission h 0,85 #m.

I1 faut noter que les premieres fournitures concernent essentiellement le foumi~seur A, module W. Elles ont eu le stockage le plus important (entre 18 mois et 2 ans) et, de plus, les proc6dures de recette, les fili6res de caract6dsation et la mise en oeuvre des syst~mes ont 6t6 modifi6es pour tenir compte de l'exp6rience acquise.

C'est pourquoi nous ne retiendrons pas, pour la mod61isation, les premieres livraisons de ce module. N'ayant que 3 ann6es d'observation sur le module Y il n'est pas retenu pour la mod61isation.

Les courbes (Fig. 7) montrent, pour les 2 modules retenus, l'6volution du taux de d6faillance instantan6 en fonction du temps. La constatation sur l'6volution du A aboutit fi la combinaison de 2 lois : la loi exponentielle et la loi log-normale. C'est-&-dire un A sensiblement constant pendant une p6riode 6gale h 18 mois et une variation de ce A sur 30 mois pour tendre fi nouveau vers ce A constant. Module W : Ac = 9- lO-6]h; /~naax : 12. lO-6]h. Module X : Ac = 4. lO-6/h; Amax = 8, 5. lO-6]h.

ao-%

10

5

0 0,1

~. 10-~/h

n module W

. . . . . . . i . . . . , , , , i

1 10

N. GARNtER. - FIABILITI~ OPI~RATIONNELLE DES MODULES OPTIQUES

les interfaces optiques r6ception. La r6sultante au niveau des liaisons aboutit fi un facteur 2 en faveur du 1,3 #m.

Bilan des modules.

Les modules 0,85 #m et 1,3 #m ont 6t6 install6s respectivement ~ compter de 1985 et 1987. Pour la comparaison nous n'avons retenu que les r6sultats sur un temps de fonctionnement cumul6 6quivalent.

Emission.

On observe un facteur 6 en faveur du module (DL 1,3 #m) par rapport au meilleur module 0,85 #m. Les meilleurs r6sultats obtenus pour les modules 1,3 #m concernent les DEL.

R~ception.

On observe un facteur 2 en faveur du module (APD 0,85 #m) par rapport au module (APD 1,3 /zm).

Mod~lisation.

L'ensemble de ces r6sultats serviront ~ l'6tablissement des premieres estimations de fiabilit6 pr6visionnelle qui seront int6gr6es dans la remise ~ jour du Recueil de donn6es de fiabilit6 du CNET [5].

REMERCIEMENTS

Nous tenons d remercier tout particulidrement les membres du service du trafic de I'~quipement et de la planification de la direction de la production pour la fourniture de donn~es ; l'~quipe du laboratoire d'ana- lyse de d~faillance des composants opto~lectroniques du Centre national d'~tudes des t~ldcommunications de Lannion ; les personnes d'Alcatel CIT d~partement trans- mission sur cdbles pour leur contribution ~ cette ~tude.

Manuscrit rer le 6 juillet 1990, acceptd le 10 septembre 1990.

10

5:

0 . . . . . . . . J . . . . . . . . ;

0,1 1 10

FIG. 7. - - Mod~lisation envisag~e.

Predicted modelling.

Ces r6sultats rejoignent les travaux effectu6s par M. Carri6re et pr6sent6s au 5 e colloque A/# de Biar- ritz [4].

IV. CONCLUSION

Bilan des liaisons.

La comparaison de fiabilit6 pour les 2 longueurs d'ondes (0,85 # m e t 1,3 #m) donne un facteur 4 en faveur du 1,3/zm pour les interfaces optiques 6mission, mais par contre un facteur 2 en faveur du 0,85 #m pour

BIBLIOGRAPHIE

[1] SCHWOB (M.), PEYRACX-m (G.). Trait6 de fiabilit6. Masson, Paris (1969), 426 p.

[2] LIGERON (L C.), DELAGE (A,), NEFF (M.). La fiabilit6 en exploita- tion : organisation et traltement des donn6es. Techniques et docu- mentation, Lavoisier, Pads (1984).

[3] GARNmR (N.), GUYMARD (P.). Fiabilit~ des t~tes optiques 6quip6es de diodes laser fi 0,85 # m dans les syst~mes optiques 34 Mbit/s de e France Tdldcom. 6 Colloque International de fiabilit~ et de maintenabilit~ (1988), pp. 431-435.

[4] CARRmRE (C.). Taux de d~faillance instantan6 et fiabilit6 de com- posants ou modules opto-61ectroniques, 5 e Colloque International de fiabilit~ et de maintenabilit~ (1986), pp. 354-359.

[5] ***. Recueil de donn~es de fiabilit~ du CNET. CNET (1983), Lannion B.

BIOGRAPHIE

Nicole GARNER, n6e le 9 novembre 1944 ~ Pads, Ing6nieur dipl6m6e de l'6cole polytecb.nique f6minine (1967), charg~e du groupe fia- bilit6 pour les mat6dels de Wansmission, de vid6ocommunicadon et radiocommunication avec les mobiles au d6partement fiabilit6, analyse de d6faillances, mesure (LAB/IFE/FAM) du CNET Lannion B.

Jeannine PAUOAM, n6e le 29 juin 1934 ~ Brest, participe anx 6tudes men6es au sein du groupe fiabilit6 pour les materiels de transmis- sion (LAB/~./FAM) du CNE'r Lannion B.

Patrick GUYMARD, n~ le 5 aoQt 1953 ~ Pads, charg6, au sein de la direction qualit~ organisation informatique d'Alcatel-crr d6parte- ment transmission sur c~bles, du traitement statistique des r6sultats d'exploitation.

ANN. TI~L~COMMUN., 45, n ~ 11-12, 1990 5/5