Fibres et Telecom Partie II

LIOVIS

Michael Scherman

Ingénieur de Recherche ONERA

PLAN

1. Composants (briques élémentaires) 1. Coupleurs 2. Modulateurs 3. Multiplexeurs 4. Amplificateurs 5. Compensateurs 6. Emetteurs 7. Détecteurs

2. Réseaux optiques 1. Budget en Puissance 2. Caractérisation d’une ligne de transmission 3. Qualité d’un canal 4. Types de codage 5. Limitations

COMPOSANTS OPTIQUES FIBRÉS

Exemple de réseau

COUPLEURS

2x2 coupleur : • 3 dB coupleur: puissance partagée

à parts égales entre les deux guides • Splitter : 1 input, 2 outputs • Combiner : 2 inputs, 1 output

• Modules passif, symétriques • Deux guides d’ondes ou deux fibres

qu’on rapproche

COUPLEURS

Multiplexeur • Coefficient de coupage dépend de λ => Possibilité de Coupleur 1-n • Association de multiples coupleurs en Y

pour former un coupleur 1-> 2n Résonateur anneau • Equivalent fibré d’un interféromètre de

Fabry Perot • Utile pour cavité laser, effets non linéaires

MODULATEURS

Modulation directe : • Fréquence limitée • Modulation en fréquence parasite (couplage 𝜆, 𝑃 = 𝑓(𝐼)) Modulation externe : • Hautes fréquences • Introduit des pertes en entrée • Longueur d’onde stable

Plusieurs technologies : • Modulateurs de phase

• Cristal électro-optique • Modulation d’amplitude via interféromètre • Modules externes encombrants mais performants

• Modulateurs d’absorption • Electro-absorption : translation d’un bord de bande d’absorption vers les grandes • Semi-conducteur intégrable directement sur le chip de l’émetteur

• Déflecteurs • Cristal acousto-optiques

MODULATEURS

Mach Zehnder Effet électro-optique • Indice de réfraction modifié par un champ

électrique (Effet pockels) : Δ𝑛 ∝ 𝐸 ∝ 𝑉 • Cristal LiNbO3: fort effet à 1,3 µm et 1,55 µm

Interféromètre Mach Zehnder • Déphasage appliqué sur un bras d’un circuit

symétrique : ΔΦ =2𝜋

𝜆Δ𝑛 ∙ 𝑒

• Tension 𝑉𝜋 ⇒ déphasage de 𝜋 (qq V) Modulateurs commerciaux • Pertes par injection < 6 dB • Bande passante ~ 100 GHz (typ. 20 GHz) • Taux d’extinction ~ 20 dB

CONNECTEURS

Embouts pour connections provisoires/modifiables :

Connecteurs provisoires :

CONNECTEURS

Connections permanentes (splicing) : Fusion par arc électrique ou filament : • Raccord optimal et robuste • équipement couteux • Pertes ~0,02 dB Connection mécanique permanente : • Support mécanique de raccord entre les

deux fibres • Injection d’un gel d’adaptation d’indice

entre les deux bouts de fibre • Pertes ~0,2 dB

SWITCHS

Permet de router l’information vers un canal particulier MEMS • Micro-electro méchanical systems • Puce contenant matrice de micro miroirs • 1D : N voies => N² mioirs 2 positions • 2D : N² voies => 2N² miroirs ajustables en angle

Switchs commerciaux • Pertes par injection ~1 dB (typ. 0,7 dB) • Temps d’exécution ~ 1-100 ms • Durée de vie ~ 106-109 cycles

Prismes

MEMS

Moteurs pas-à-pas

ISOLATEURS OPTIQUES

Rotateur de Faraday : • Rotation de la polarisation du champ électrique

fonction du champ B et de la constante de Verdet du matériau

Isolateur optique : • Diode optique • Combinaison polariseur / rotateur / polariseur • Version espace libre ou fibrée • Composant optique non réciproque

Caractéristiques : • Isolation : 30-60 dB • Pertes d’insertion < 1dB • Dispersion des modes de polarisation (PMD) :

0,5-0,05 ps

CIRCULATEURS OPTIQUES

Circulateur : • Inspiré des circulateurs électroniques • Fonctionne sur le même principe que

l’isolateur de Faraday (composant non réciproque)

• Un des composants les plus utilisés (ombreuses applications)

Caractéristiques : • Isolation entre voies : 30-45 dB • Pertes d’insertion ~ 1dB • Dispersion des modes de polarisation (PMD) :

0,5-0,05 ps

CIRCULATEURS OPTIQUES

Existe en différentes géométries, et en version tout fibrée…

FILTRES DE BRAGG

Réseau de Bragg : • Variation périodique de l’indice de réfraction • Interférences à N ondes générées à chaque interface • Interférences constructives en réflexion sur une

bande spectrale très fine (Condition de Bragg) • Profil spectral dépend de Δ𝑛, Λ, 𝐿

Filtre de Bragg fibré : • Indice de cœur directement modulé par effet

photosensible • Illumination UV avec motif d’interférences ou

masque d’intensité • Faibles variation de Δ𝑛

Caractéristiques : • Faibles pertes : 0,1 dB • Finesse spectrale ~ 0,04 nm (5 GHz) • Facteur de rejection ~ 40 dB

MULTIPLEXEURS

MU

X D

EMU

X

1

2

3

4

N

i

1

2

3

4

N

i

1, 2, 3, …, N

Plusieurs types de multiplexage: • Temporel (téléphone)

Augmenter le débit d’information pour remplir la bande passante du canal

• Longueur d’onde • Spatial (modes, multi-cœur)

Augmenter la bande passante d’une structure en multipliant les canaux sur le même support physique

MULTIPLEXEURS

Multiplexage temporel : • TDM (Time Division Multiplexing) • Similaire au téléphone :

• donnée voix transmise à d0=64 kbit/s => TBit=15 µs • Hierarchie DS-1 :

• Amérique du Nord & Japon : Multiplexage de 24 canaux « voix » => 1,544 Mbit/s • Europe : Multiplexage de 30 canaux « voix » => 2,048 Mbit/s • 𝐵𝑃 > 𝑛 𝑑0 car Injection de codes correcteurs d’erreur

• Hierarchie DS-2 : multiplexage de 4 canaux DS-1 • Amérique du Nord & Japon : 6,312Mbit/s • Europe : 8,448 Mbit/s

• Hierarchie DS-3…

MULTIPLEXEURS

Synchronous optical Network (SONET)

500 000 communications téléphoniques en simultanément transmises sur une seule fibre

MULTIPLEXEURS

Multiplexeurs en longueur d’onde (WDM – Wavemength Division Multiplexing): • Quelques canaux de 𝜆 éloignés : coupleurs en X • Quelques canaux de 𝜆 proches : circuits avec filtres de Bragg • Grand nombre de 𝜆 : phasars

TDM + 100 chaines WDM => Transmission de 50 millions de conversations vocales simultanées sur une seule fibre

MULTIPLEXEURS

CWDM (Coarse WDM) : • canaux séparés de 20 nm entre 1270 nm et 1610 nm (bande E si fibres à faible pic OH) • Faible coût, robuste • Segments courts <100 km (Metropolitain) • Topologie : point à point ou maillage DWDM (Dense WDM) : • intervalle de 32 nm de la Bande C (dispersion et atténuation minimisée, ampli disponible)

• Écart inter-canal : • 200 GHz (1,6 nm), • 100 GHz (0,8 nm), • 50 GHz (0,4 nm), • 25 GHz (0,2 nm), • 12,5 GHz (0,1 nm)

UDWDM (Ultra Dense WDM) • Grandes artères >100 km (Long Haul) • Topologie : point à point avec nœud

Add/Drop + régénération ~80 km • Débit : 2-40 Gbit/s • Limites WDM : 0,1 Pbit/s

Lon

gue

Co

nve

nti

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nel

le

Sho

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Eten

du

e

Ori

gin

ale

Evolution techno WDM

• 1980 : Système monocanaux : 45 Mbits/s • 2001 : 273 canaux à 40 Gbit/s Capacité x 200 000 !

MULTIPLEXEURS

Bulle des Télécom

MULTIPLEXEURS

Module intermédiaire - Optical Add/Drop Multiplexer (OADM) : • Rejette ou rajoute du signal sur le canal d’une longueur d’onde donnée,

sans toucher aux canaux des autres longueurs d’ondes sur la même fibre

• Reconfigurable OADM (ROADM) : switchs + OADM Réseaux complexes, chaque emeteur peut atteindre n’importe quel

recepteur avec un circuit tout optique

MULTIPLEXEURS

SDM (Space DM) Fibres multicoeurs : • Fibres multicoeurs • 2017 : 1 Pbit/s (5000 vidéos HD en 1s) sur 205

km via fibre 32 coeur Few mode fibers : • modes spatiaux différents guidés dans une

fibre à « quelques modes » (few modes fiber) • Débit fibre x400 sur courte distance • CaiLabs • 2017 : Record du monde 10 Pbit/s (KDDI

Research) 25000 blueRays en 1s ou 100 milions de

personnes à 100 Mbits/s (ADSL~10 Mbits/s)

Réseaux mixtes

http://www.zdnet.fr/services/test-bande-passante/

AMPLIFICATEURS

EDFA

Amplificateurs tout optiques : • Nécessaire pour compenser périodiquement

l’atténuation dans les fibres ~100 km • Plus performants que les répéteurs basés sur

détection/remise en forme/ré-émission car • Suppose une connaissance du format de

modulation et du débit de données • Un régénérateur par canal (si WDM ou SDM)

• Amplification compatible WDM, préserve la phase • Technologies :

• Dopage Erbium: bandes C et L • Dopage Thulium: bande S • Dopage Praseodyme: ~1300 nm • Raman : large bande • Semiconducteurs

• Mais : • Amplification limitée par effets non-linéaires • Systèmes analogiques => réglage précis • Amplification du bruit et rajout d’ASE • Signaux remis en forme en bout de ligne

AMPLIFICATEURS

Amplificateur dopé Erbium (EDFA) • Par émission stimulée (milieu à gain laser) • large bande spectrale qq 10s nm • Gain ~ 30 dB • Puissance sortie ~ 17 dB • (EDFA de puissance, 𝑃𝑜𝑢𝑡~36 𝑑𝐵𝑚) • Bruit > 3 dB (typ. 5 dB) • Dispersion ~ 0,06 ps/nm

1,48 µm

AMPLIFICATEURS

Gestion de la puissance en entrée : • Canal DWDM à 10 dBm => 1 mW • 40 canaux DWDM à 10 dBm => 40 mW (= 10 + 10 log (40) = 26 𝑑𝐵𝑚)

• Si 𝑃𝑖𝑛𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖

= 10 𝑑𝐵𝑚, chaque canal doit être en dessous de 10 − 10 log 40 = −6 𝑑𝐵𝑚 (250 µ𝑊)

• L’ajout ou la suppression de canaux DWDM doit être pris en compte en amont dans le bilan énergétique total

Platitude de la courbe de gain : • Optimisable via filtre en entrée • Ou dopants et longueur de fibre Présence d’ASE : Milieu à gain sans cavité laser Emission spontanée amplifiée

AMPLIFICATEURS

Amplificateur Raman • Très grande bande passante • Platitude du gain < 2dB • Fonctionne dans n’importe quelle fibre en silice (pas de dopant) • Décalage Raman Silice = 13,2 GHz ~93 nm @ 1455 • Gain distribué => meilleure gestion des effets non linéaires • Processus peu efficace : forte puissance de pompe (~500 mW) pour gain modeste (10 dB) • Ajout de bruit ~ 1 dB

COMPENSATEURS

Compensateurs de dispersion : • en fin de parcours pour décompresser le

signal étalé sous l’effet de la dispersion

• Fibres à dispersion négative (DCF ou Non Zero Dispersion NZD-) : ~ 102 -103 ps/(nm*km) • Fort dopage (ex: GeO2) • Absorption augmente

• Réseau de Bragg chirpé utilisé avec

circulateur : pas du réseau variable. • Dispersion : +/- 103-105 ps/nm

EMETTEURS

Cahier des charges : • Accordabilité longueur d’onde centrale • Pureté spectrale (largeur spectre) pour

permettre modulation HF • Puissance et stabilité long terme • Sortie fibrée et intégration rack

LED ou LASERS DFB (Distributed FeedBack) diode laser : • Diode laser avec Réseau de Bragg intégré

dans la cavité laser (dans le guide d’onde voire dans le milieu à gain)

• La longueur d’onde dépend du courant de diode

Transmetteur optique complet :

EMETTEURS

DWDM Thorlabs

RECEPTEURS

Photodétecteurs rapides : • Bande passante : jusqu’à 60 GHz • Diodes GaAs • Pré-amplification ou amplification par avalanche

Sources de bruit : • Bruit thermique (agitation de e- dans semi-conducteur) • Bruit de grenaille, bruit de photons (caractère corpusculaire des photons et

électrons) • Courant d’obscurité

Récepteur optique complet :

RECEPTEURS

Communications optiques A. Migan – 2007/2008

LIAISONS INTERCONTINENTALES

99,8% du trafic intercontinental transite via 366 cables sous marins Rendues possibles par les technologies d’amplificateurs « tout optique »

Telegeography.com

submarinecablemap.com/

Pose cables sous-marin : https://www.youtube.com/watch?v=gWJWtGwrF9I Réparation cable sous-marin : https://www.youtube.com/watch?v=TWaVrj9-aWE

RESEAUX

WAN : World Area Network

MAN : Metropolitan Area Network

LAN : Local Area Network

BUDGET EN PUISSANCE

Pour prévoir un réseau optique, il est nécessaire d’effectuer un budget en puissance (avec des marges).

BUDGET EN PUISSANCE

CARACTERISATION D’UNE LIGNE DE TRANSMISSION

OTDM : Optical Time Domain Reflectometer • Injecte des impulsions optiques en entrée de circuit • Analyse la lumière rétro-diffusée. • Permet d’obsever :

• Atténuation continue liée à la propagation dans la fibre • Les pertes localisées à des interfaces ou des connections • Des éventuelles ruptures • Le bout du circuit fibré

Diagramme de l’Œil : • Renseigne sur le niveau de discernabilité :

• Entre 2 bits successifs • Entre les niveaux haut et bas

Taux d’Erreur Binaire (TEB) : • Seuil de décision optimal : ID

• Probabilité de faire une erreur de décision entre les niveaux haut et bas

• Critère final de performance d’une liaison

QUALITÉ D’UNE LIAISON

ID

1,E-15

1,E-14

1,E-13

1,E-12

1,E-11

1,E-10

1,E-09

1,E-08

1,E-07

1,E-06

1,E-05

1,E-04

1,E-03

1,E-02

1,E-01

1,E+00

0 1 2 3 4 5 6 7 8Q

BIT

ER

RO

R R

AT

E

BER typiques : • Téléphone : BER ~10−6 • Data : BER ~ 10−9 • Sécurisée: BER ~ 10−12

QUALITÉ D’UNE LIAISON

Codes correcteurs d’erreurs : • Permet de diminuer le BER par des artifices

algorithmiques • Cout en bande passante (bits rajoutés) • Ex : +7% de bande passante (10,32->11 Gb/s) => +50% distance de transmission (80->120 km)

Puissance équivalente au bruit : NEP (Noise Equivalent Power) tq SNR=1 en 𝑊

𝐻𝑧

𝑆𝑁𝑅 =𝑃 ²

𝐵𝑒(𝑁𝐸𝑃)² avec 𝐵𝑒 la bande passante électrique du détecteur

CODAGE DE L’INFORMATION

Format de modulation • NRZ : Non retour à Zéro :

• chaque symbole code pour 1 bit • Spectre = sinus-cardinal de largeur

Δ𝜈 =2

𝑇𝐵= 2𝑑 avec 𝑇𝐵 : durée bit, 𝑑: débit

• RZ : Retour à Zéro • Spectre deux fois plus large que NRZ • Utilisé pour liaisons haut débit > 10Gbit/s • Possibilité de retrouver facilement la

fréquence d’horloge ASK PSK

QPSK Multilevel QPSK

Modulation et Détection cohérentes

CODAGE DE L’INFORMATION

Efficacité spectrale : • Nombre de bits transmis en 1s sur une bande passante de 1Hz • WDM + ASK ⇒ 0,8 bit/s/Hz (40 Gbits/s sur 50 GHz par canal) • QPSK + polarisation multiplexing ⇒ >3 bit/s/Hz

Limite de Shanon

Les effets NL cassent l’efficacité spectrale à haut SNR

CODAGE DE L’INFORMATION

CODAGE

LIMITATIONS