Principes et potentialités des technologies optiques · Portée de 120km, avec une atténuation de 30dB 7 ... Compensation de la dispersion chromatique par la dispersion de guidage

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



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


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


!

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


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


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


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

10




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


!"(#) =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


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)


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

14

-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!#


-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

-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 > 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


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


Compensation de la dispersion chromatique par la dispersion de guidage


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


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)


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


!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


Propagation linéaire :

Propagation non linéaire :

21

Propagation non linéaire

22




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


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


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


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 »

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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)


Chirping dans un SOA

La fréquence optique diminue dans le front montant La fréquence optique augmente dans le front descendant

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Multiplexage temporel électrique (ETDM)

Multiplexage en longueur d’onde (WDM)

Multiplexage en longueur d’onde (WDM)


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


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


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


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


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


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)


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


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


Input Output

Génération de nouvelles fréquences par non linéarités

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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


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)


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)


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


Plan de fréquence optique

Plan de fréquence ATM PON


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• …


Merci de votre attention


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).

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