Systèmes de télécommunications optiques

1

Systèmes de télécommunications optiques

Eric Vourc’h [email protected]

Master2 E3A

2

☞ Notions fondamentales :

- Les signaux transmis

- La fibre optique

☞ Les données, la SDH

☞ Les émetteurs optiques

☞ Les récepteurs optiques

Présentation du cours

Plan

☞ Le multiplexage

en longueur d’onde

☞ Les amplificateurs optiques

☞ La compensation de

dispersion chromatique

☞ Exemples de systèmes

sous marins

☞ Les systèmes hybrides

optique/microondes

☞ Quelques repères historiques

3

Présentation du cours

Amplificateur Fibre

3

3

Données Données

Demultiplexeur

Emetteurs Récepteurs

Données Données

insertion extraction

d’une voie

(longueur d’onde)

Multiplexeur

… …

1

2

4

1

2

4

3

Canaux WDM

Données Données

Emetteur Récepteur

Liaison par fibre optique

Système de transmission numérique

par fibre optique

4

1958 Invention du laser

1962 Effet laser dans les semiconducteurs (mais courte durée de vie)

1966 Premières expériences de C. Kao (U.K.) sur les guides d’ondes optiques

en silice (attenuation: 1000 dB/km)

1970 Diodes laser en semiconducteur GaAs fonctionnant à température

ambiante ( attenuation de la lumière dans la silice : 20 dB/km @ =0.85 µm

(Corning))

1972 4 dB/km

1973 2 dB/km. Diode laser, durée de vie > 10,000 hours

1977 0.5 dB/km

1979 0.2 dB/km @ =1.55 µm

Quelques repères historiques

5

Fin des 1970s Démonstration des systèmes de transmission par fibre optique

1980 Premier système commercial à fibre optique (fibres multimodes)

Débit : 45 Mbit/s, distance entre répéteurs ~10 km, =0.85 µm (1ère

génération)

Début des 1980s Système commercial de 2nde génération @1.3 µm (pertes plus

faibles)

La dispersion dans les fibres multimodes limite le débit et la distance

entre répéteurs

1987 Systèmes à fibres monomodes (3ème generation )

Débit: jusqu’à 1.7 Gbit/s , distance entre répéteurs ~ 50 km, = 1.3 µm

1988 TAT-8 Première liaison optique transatlantique (2 x 280 Mbit/s @1.3 µm)


6

Fin des 1980s Invention de l’amplificateur à fibre dopée erbium (EDFA)

(simultanément @ Bell Labs & University of Southampton)

1990 Systèmes à 2.5 Gbit/s @ 1.55 µm disponibles commercialement

Faibles pertes @ 1.55 µm mais limitations dues à la dispersion chromatique

Début des 1990s Démonstration du multiplexage en longueur d’onde (WDM)

1995 TAT-12/13 (5 Gbit/s & EDFA)

Installation de systèmes terrestres WDM avec 4 à 8 (4ème génération)

Fin des 1990s SEA-ME-WE3: premier réseau optique sous-marin WDM

2001 TAT 14: 4 x 16 x 10 Gbit/s = 640 Gbit/s opérationnel


7

☞ Le support de propagation

☞ Signaux transmis

Données Données

Système de transmission numérique par fibre optique

Amplificateur Fibre

3

3

Demultiplexeur


Données Données


d’une voie

(longueur d’onde)

Multiplexeur

… …

1

2

4

1

2

4

3

Canaux WDM

Données Données

Notions fondamentales

8

Un champ E.M. est défini par trois vecteurs formant un trièdre direct :

Champ E.M.

cos0 0E E t k r

cos0 0H H t k r

k

Champ électrique

Champ magnétique

Vecteur d’onde

E

H

k

00 0

0

c fT

0

0

cf

0

0

2k

(rad/m) Dans le vide (m/s) (Hz)


Dans le vide, les champs E et H oscillent à la fréquence f0 (soit à la fréquence angulaire 0 = 2f0) et se

déplacent dans la direction du vecteur d’onde k0 avec une période spatiale, ou longueur d’onde, 0 = c/f0.

Dans le vide, longueur d’onde 0 (m), fréquence f0 (Hz), vitesse de propagation c (m/s) et « constante » de

propagation k0 (rad/s) sont liées par les relations suivantes


9

Notion de spectre

Si l’on s’intéresse au champ E de l’onde, celui-ci est caractérisée par son amplitude E0, sa fréquence f0 et sa

phase .

Etant donnée la relation 0 = c/f0, connaître la fréquence f0 est équivalent à connaître la longueur d’onde

0.

On parlera donc aussi bien de spectre en fréquence que de spectre en longueur d’onde.

Dans un milieu d’indice de réfraction n qui n’est pas le vide, l’onde ne se propage plus à la vitesse c, mais à la

vitesse v = c/n.

Dans ce milieu d’indice n la fréquence et la longueur d’onde du champ E.M. sont donc différentes de celles

dans le vide :

cos0 0E E t k r

cv f

n T

cf

n

c

nf (m) Milieu d’indice n (m/s) (Hz)

☞ Signaux transmis Notions fondamentales

10

Les télécommunications numériques par fibres optiques reposent sur la transmission de champs E.M. dont la

longueur d’onde (dans le vide) est de l’ordre de 1,55 µm (signaux optiques infrarouges).

Sachant que f = c/, la fréquence (dans le vide) de ces signaux est donc de l’ordre de 193 THz

(c/ = 3*108/(1,55*10-6))

Les fibres optiques classiquement utilisées (monomodes) permettent de transmettre des signaux dans la bande

de longueur d’onde de largeur = 120 nm, centrée sur 1550 nm.

Ceci correspond à une bande de fréquence f = 15 THz ,centrée sur 193 THz.

2

1 1c f cf c c

2

f c

2

cf

2

cf

Démonstration

Notion de spectre …


11

(m)

P (W)

f (Hz)

P (W)

f

cf

2

cf

Spectre en longueur d’onde Spectre en fréquence

f = 193 THz

= 15 THz

= 1550 nm

Rq : f = 1 THz = 8 nm

= 120 nm


12

Spectre des signaux optiques numériques transmis par fibre optique

Pour faire porter de l’information à une onde électromagnétique, il faut en faire varier, autrement dit en

moduler, l’un des paramètres (intensité, fréquence ou phase). En optique, classiquement, c’est sur l’intensité

de l’onde que l’on agit.

Le signal dont on veut faire varier l’intensité est appelé porteuse optique. Sa fréquence est d’environ

193 THz.


L’information que l’on veut transmettre est quant à elle un signal numérique (suite de zéros et de 1) dont la

fréquence, quoique potentiellement très élevée dans le domaine des microondes, est très inférieure à celle de

la porteuse. L’information est appelée signal modulant.

La modulation de l’intensité de la porteuse optique par le signal modulant consiste en la multiplication de

ces deux signaux.

Le signal résultant est, quant à lui, appelé signal modulé (ou porteuse modulée).


13

Fréquence porteuse 193 THz

t

t

1 0 1 0 1 t

formats de modulation numérique

t

t

Données numériques qq Gbit/s

Modulation par saut de phase

PSK : Phase shift keying

Modulation par saut de fréquence

FSK : Frequency Shift Keying

Modulation d’amplitude

ASK : Amplitude Shift Keying

OOK : On Off keying

Rappels ☞ Signaux transmis

14

Porteuse optique @ ~193 THz

t f

P

f

P

cos 2 00A f t

cos 2DSF A A if ti mModi

1 0 1 0 1 t

Signal modulé

1 0 1 0 1 t

Signal modulant fm qq GHz

Données

Spectre en

bande de base

Porteuse

optique

Produit de la porteuse

par le signal modulant

Modulation OOK d’une porteuse par un créneau


15

cos 2 cos 2 cos 20 0 00Port DSF A A f t A A if t f ti mMod

i

1

cos cos cos cos2

a b a b a b

cos 2 cos 200Port DSF A f t A A if ti mMod

i

0

1cos 2 cos 2 cos 20 0 00 2

Port DSF A A f t A f if t f if ti m mModi

A

Porteuse optique Spectre en bande de base transposé

autour de la porteuse f0 (de part et d’autre)

Or,

Calcul du spectre du Signal modulé


16


1 0 1 0 1

1 0 1 0 1 t

t

t f

P

f

P

cos 2 00A f t

cos 2DSF A A if ti mModi

f

P

0

1cos 2 cos 2 cos 20 0 02

A f t A f if t f if ti m mi

A

Signal modulant fm qq GHz

Signal modulé

Transposition du spectre

en bande de base

dans le domaine optique


17

Porteuse optique 193 THz t

t

1 1 0 1 0 t

Données numériques (Séquence PSA)

OOK

Modulation OOK d’une porteuse par une séquence PSA

Spectre d’une séquence PSA

Le spectre (DSP en V2/Hz) est la TF de l’autocorrelation du signal (séquence PSA).

L’autocorrélation d’une séquence PSA est un triangle de base TB périodisé tous les T.

Supposons des données aléatoires approximées par une séquence PSA, de temps bit TB, et

de période (de la séquence PSA) T

TB

1

0

1

0

-1

1

0

-1


18

1 1 0 1 0 t

Séquence PSA : s(t)

TB

2TB

T Autocorrélation Séquence PSA : css(t)

=

TF TF

sinc2 = sinc sinc

TB TB

2TB


19

-3/TB -2/TB -1/TB 0 1/TB 2/TB 3/TB

f

DSP (V2/Hz)

TF

2TB

T

TF

-3/TB -2/TB -1/TB 0 1/TB 2/TB 3/TB

f

DSP (V2/Hz)

2TB

Périodiser css(t) discrétiser TF{css(t) }

sinc2

sinc2

1/T

représentation

bilatérale


20

f

DSP (V2/Hz)

0 fB 2fB 3fB

sinc2

f-2fB f-fB f f+fB f+2fB f

t

t

1 1 0 1 0 t

Données numériques

(Séquence PSA)

ASK

Porteuse f

f f

TB

1

0

1

0

-1

1

0

-1

représentation

mono latérale


21

f

Spectre en longueur d’onde Spectre en fréquence

(m)

P

f

P

c

f

bande passante utile bande passante utile

2f

c

0 f0

Un signal optique transportant des données (canal)

occupe une certaine bande de fréquence (i.e. de ).

On parle d’occupation spectrale.


22

La polarisation d’une onde désigne l’orientation des champs (E,H).

Considérons le seul champ E et décomposons le en en Ex et Ey. Dans le cas général où ces deux composantes

sont déphasées de = cte qcq.

E

Ex

Ey

Ex

Ey

E

Polarisation circulaire :

Ex = Ey

= /2 (circulaire gauche*)

= 3/2 (circulaire droite**)

Polarisation elliptique :

Ex Ey

0 < < (elliptique gauche*)

< < 2 (elliptique droite*)

Polarisation rectiligne :

Ex Ey

= 0

=

E

Ex

Ey

= 0 =

(*) Gauche : sens trigo.

(**) Droite : inverse du sens trigo.

, cos0

E z t E t kzx x

, cos0

E z t E t kzy y

Polarisation


Dans un plan z (axe de propagation) donné, l’orientation (polarisation) de E va varier au cours du

temps et l’extrémité de E suivre une ellipse (E = (Ex2+Ey

2)).

Les polarisations rectiligne et circulaire sont des cas particuliers de la polarisation elliptique.


23

Polarisation


Polarisation circulaire Polarisation rectiligne

A un instant t0 donné l’extrémité des champs E(z,t0) se situe sur une certaine courbe.

Pour une polarisation rectiligne, cette courbe est une sinusoïde.

Pour une polarisation elliptique, cette courbe est une hélice.

z z

E(z,t0) E(z,t0)

Importance de la notion de polarisation dans les systèmes de télécommunicaions optiques :

Certains composants sont sensibles à la polarisation…


24

Nature

Principales

caractéristiques

▪ Faible atténuation ⇒ transmissions longues distances

Verres très purs → faible atténuation

Guides d’ondes diélectriques cylindriques en verre (SiO2: silice) très pur

▪ Grande bande passante ⇒ transmissions très haut débit

1970 : 20 dB/km

1979 : 0,2 dB/km@1,55 µm

Types de fibres Saut d’indice Gradient d’indice

r

a b

n1 n2

n1 n2

n1 n2

n0 n0

r 0 0

a b

n1

☞ Fibres optiques Notions fondamentales

25

Rappels… Etude des fibres

Approche géom.

▪ Approche géométrique ⇐ valable uniquement si le diamètre a >>

▪ Equations de Maxwell

Condition de réflexion

totale interne

Ouverture numérique (ON)

si n2 ≃ n1 alors Soit la variation relative

d’indice à l’interface

☞ Fibres optiques

Pas de rayon transmis

n2sinΦ = et n sinθ =n sinθc 1 i 2 rn1

n2<n1

n1 n0 c r

i

c

22 2 2 22cos 1 sin 1

1 21 1 11

nn n n n nc c

n

sin sin cos0 1 1

ON n n ni r C

2 21 2

ON n n

1 2

1

n n

n

Fibre à saut d’indice


21nON

1

2

10

sin

2

sinsin

n

n

nn

c

cr

ri

26

Approche géom.

Dispersion multi-trajet (intermodale)

Exprimons le retard T entre les rayons incidents

d’angle = 0 et = i d’indice à l’interface

Fibre à saut d’indice

☞ Fibres optiques

c c

L

Li = L/sinc

▪ L distance parcourue par le rayon / = 0 ▪ Li = distance parcourue par le rayon / = i

1

sin1 0

Lc L Liv

n T T Ti c i

10 sin

L L n LiT T T L

i v c c

21

2

nLT

c n

T est l’élargissement d’une impulsion

après traversée d’une fibre de longueur L.

La dispersion intermodale limite le débit possible B=1/T0. Il faut que il faut que T < T0 ⇔ BT < 1

On a donc une limitation du produit débit.longueur

(Exple. : n1 =1,5 et < 0.002 ⇒ BL < 100 ( Mbit/s)-1 km)

22

1

n cBL

n


27

Approche géom.

Dispersion intermodale

Fibre à gradient d’indice

n2sinΦ = et n sinθ =n sinθc 1 i 2 rn1

n2<n1

n1(r) n0

La vitesse des rayons varie en raison des variations de n1(r). Un rayon incident très incliné (en

rouge) aura un trajet plus long mais une vitesse dans l’ensemble plus élevée qu’un rayon peu incliné

(en bleu).

n1 n2 0

r

Fibre à gradient d’indice optimisée, typiquement, BL < 100 ( Mbit/s)-100 km)

☞ Fibres optiques

⇒ amélioration possible du produit débit-longueur BL, de trois ordres de grandeur par

rapport à celui d’une fibre à saut d’indice à large cœur.


28

Les supports des transmissions optiques numériques longues distances sont des fibres monomodes. Ce sont

des fibres à saut d’indice dont le diamètre du cœur est comparable à la longueur d’onde des signaux

transmis.

Equations

de Maxwell Equation

de propagation

Coordonnées cylindriques

Approche E.M. Fibre à saut d’indice

z a

n1

n2

On résout les équations de propagation uniquement pour

les composantes Ez et Hz, on déduit ensuite les autres

composantes.


29

▪ Hypothèse de séparation

des variables

,j z

E F Z z f ez

' ' ' ,j z

H F Z z g ez

Avec () projection de la

«constante de propagation» sur z

On obtient un ensemble discret de solutions identifiées par des indices m et n.

☞ Fibres optiques

▪ Elimination des solutions non acceptables d’un point de physique.

▪ Application des conditions aux limites : continuité des composantes tangentielles de E et H

(E, Ez, H, Hz) à l’interface cœur-gaine (=a).

⇒ obtention d’un système de 4 équations à 4 inconnues.

▪ Les solutions correspondent à l’annulation du déterminant du système.


30

Les solutions des équations

de propagation sont les

modes de propagation

« Constante »

de propagation

Orientation du champ

mn() définis par (Polarisation)

⇔

▪ Les composantes Ez et Hz ne peuvent être toutes deux nulles ( pas de mode TEM dans les fibres).

▪ Lorsque m = 0 alors l’une ou l’autre des composantes Ez et Hz est nulle.

▪ Si Ez et Hz non nuls, les modes sont désignées par EHmn ou HEmn selon que Ez ou Hz est dominant.

E

H

HE11 TE01

TM01 HE21

a HE21

b

Lignes de champ des

premiers modes guidés

L’orientation des champs

définit le mode …

Ez = 0 mode TE

Hz =0 mode TM


31

11()

V

n1

n’ = /k0

n2

1 2

0 1 2 1 2

n

k n n n n

()

1 1 221

an n nV

c n

dépend des

caractéristiques

de la fibre optique

Diagramme de dispersion

☞ Fibres optiques

Diagramme de dispersion mn()


32

Pour des caractéristiques données de la fibre optique, une plage de f, , où la fibre est

monomode et une plage où l’énergie de l’onde peut se répartir sur plusieurs modes de

propagation.

☞ Fibres optiques

En pratique les signaux à transmettre ont une longueur d’onde contenue dans une certaine

plage . On choisit donc pour les transmettre une fibre dont les dimensions et les indices

sont tels qu’elle soit monomode dans la plage considérée.


33

11()

V

n1

n’ = /k0

n2

1 2

0 1 2 1 2

n

k n n n n

()

1 1 221

an n nV

c n

dépend des

caractéristiques

de la fibre optique

n’ n’

Diagramme de dispersion

n’ varie en fonction de c.a.d. de

⇒ v = c/n’ varie en fonction de Dispersion

Pas de fréquence

de coupure fréquence

de coupure


34

Cette dispersion, ou variation d’indice a deux origines : la dispersion modale et la dispersion du matériau.

D = Dmat + Dguide

Dispersion matériau Dmat : liée aux propriétés physiques du matériau constitutif de la fibre.

Dispersion du mode guidé Dguide : liée à la géométrie du guide d’onde (fibre) : variant avec (), l’indice

n() du mode guidé varie donc en conséquence.

Caractéristiques de fibres monomodes

L’expression dispersion chromatique désigne le fait que l’indice de réfraction de la fibre optique est fonction

de la longueur d’onde qui s ’y propage.

La vitesse de propagation vg de l’onde (vitesse de groupe) étant fonction de l’indice de réfraction n du milieu

de propagation (v = c/n), après avoir parcouru une longueur L de fibre, deux longueurs d’ondes espacées de

se verront retardées de g :

g = D.L. D dispersion en ps/(nm.km)

☞ Fibres optiques

Dispersion ps/nm.km


35

La dispersion chromatique provoque l’étalement des impulsions temporelles et par conséquent des

interférences entre symboles.

Elle limite donc le la portée ou le débit des liaisons.

t t

Dispersion chromatique D

Cependant, s’agissant des fibres optiques monomode, des techniques qui permettent

d’en compenser efficacement la dispersion chromatique.

☞ Fibres optiques

Caractéristiques de fibres monomodes Dispersion ps/nm.km

Impulsions

optiques


36

La biréfringence (2 valeurs d’indices de réfraction n selon deux axes) se manifeste dans les fibres ou de

portions de fibres rendues asymétriques en raison de contraintes mécaniques (écrasement, perturbations

externes).

☞ Fibres optiques

Il en résulte une dispersion de polarisation (Polarization Mode Dispersion : PMD) dont la valeur,

correspondant à une moyenne du couplage aléatoire, est donnée en ps/km.

Typiquement ces valeurs sont de l’ordre de 0.1-1 ps/km.

La PMD est un phénomène qui devient critique pour les systèmes de transmission à 40 Gbit/s.

La biréfringence provoque la décomposition du signal en deux modes dont l’un est appelé mode rapide (fast

mode) et l’autre mode lent (slow mode). A l’arrivée, un retard entre la projection du champ sur l’axe rapide

et celle sur l’axe lent.

Le couplage entre le mode lent et le mode rapide est un phénomène aléatoire, comme le sont les contraintes

mécaniques subies par les fibres (perturbations externes).

Biréfringence

Axe lent

Axe rapide

tPMD

Fibre optique

Caractéristiques de fibres monomodes Dispersion de polarisation


37

0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8

Longueur d’onde (µm)

100

50

10

5

1

0,5

0,1

0,05

0,01 A

ttén

uati

on

(d

B/k

m)

P(z=L)=P(z=0)e-L

1,55 µm 1,3 µm

Atténuation dB/km

Fenêtre 1,3µm 1,55µm

230,7 THz* 193 THz

Bande

passante

96 nm

12 THz

120 nm

15 THz

Atténuation 0,5 dB/km 0,2 dB/km

(*) 1 THz= 1012 Hz

96 nm 120 nm

2

cf

f = 1000 GHz = 8 nm

☞ Fibres optiques

Caractéristiques de fibres monomodes Atténuation


Effets non linéaires …

38

Principale caractéristiques des fibres les plus utilisées

Fibre plastique Fibre multimode en silice Fibre monomode en silice

Type Saut d’indice (1) Gradient d’indice (2) Gradient d’indice (4) Saut d’indice (5)

Diamètre du cœur

Diamètre de la gaine

0,25-1,5 mm 120 µm

230 µm

50-100 µm

125-140 µm

8-10 µm

125 µm

Ouverture numérique 0,46

55 degrés

Longueurs d’onde de

fonctionnement

650 nm 650 nm

1,3 µm

850 nm

1,3 µm

1,3 µm

1,55 µm

Atténuation 150-300 dB/km 10 dB/km@850 nm

10 dB/km@1,3 µm

2,4-2,5 dB/km@850 nm

0,4-0,5 dB/km@1,3 µm

0,5 dB/km@1,3 µm

0,2 dB/km@1,55 µm

Bande passante 2,5 Gbit/s.500m

10 Gbit/s.100m

400-600MHz.km@850 nm

400-1200MHz.km@1,3 µm

Dispersion 17ps/(nm.km)

Lieu de déploiement Immeubles

Réseaux locaux

Immeubles

Réseaux locaux

Immeubles

Réseaux locaux

Réseaux longues distances

(1) Datasheet Luxeri Fibres optiques plastique (2) Fibre Lucina de Asashi Glass (3&4) Datasheet SEDI Fibres optiques


39

☞ La SDH …

☞ Les données transmises

Les données numériques : la SDH

Données Données

Demultiplexeur


Données Données


d’une voie

(longueur d’onde)

Multiplexeur

… …

1

2

4

1

2

4

3

Canaux WDM

Données Données



Amplificateur Fibre

3

3


40

• Codages

• Perturbations

Bruit des composants optiques et électroniques

Bande passante limitée des composants

• Les hiérarchies numériques

PDH

SDH

Les données numériques :

41

Codage

source

Codage

canal

Codage

en ligne Decodage

source

Decodage

canal

Decodage

en ligne

H B

Perturbations : filtrage et

bruit dans les composants

Codage source : compression de l’information, ou comment transmettre le moins

de données binaires possibles (symboles codés par des mots de longueur variable,

alogorithme de Huffman …)

Codage canal : redondance pour la correction des erreurs causées par le bruit

additif du canal (but : améliorer le BER).

Codage en ligne : mise en forme des données sous forme d’impulsions. Un des

critères de choix du code en ligne est le rapport largeur de spectre/débit binaire.

Les données numériques Codages

42

Critères de choix d’un code en ligne :

Rapidité de modulation

Sensibilité au bruit

Occupation spectrale

Récupération d’horloge en réception (lié au spectre du code :

il est bon que celui-ci présente une raie à la fréquence d’horloge)

Les caractéristiques spectrales sont importantes


43

f 0 fs 2fs f

0

Filtrage

t t

0 fs

f

DSP DSP

s(t)

H(f)

e(t)

TF{corree}

+b(r) = e(t)*h(t)

Emission Réception Canal

h(t) b(t)

2 distorsions

filtrage bruit additif

Comment les erreurs sont commises :


44

t

t

t

Emission

Echantillonnage

Décision

Réception Comparaison à un

seuil

1 1 0 1 0

0 1 1 1 0

Transitions du canal

Comment les erreurs sont commises…


45

Le BER est

fonction du

S/N reçu

Principales sources de bruit : amplis optiques et électriques

Perturbations liées au bruit

Les données numériques Perturbations

46

Symboles Mots codés Mots reçus Détection

des transition

Correction

des erreurs

0 0 0 NON NON

1 1 1 NON NON


des transition

Correction

des erreurs

0 00 00 NON NON

1 11 01 OUI NON

10 OUI NON

11 NON NON

Codage sans répétition

Codage par double répétition


Codage canal (pour le traitement des erreurs liées au bruit)

47


des transition

Correction

des erreurs

0 000 000 NON NON

1 111 001 OUI OUI

010 OUI OUI

011 OUI OUI

100 OUI OUI

101 OUI OUI

110 OUI OUI

111 NON NON

Transmission en Bande de base Codage canal

Codage par triple répétition

Codage canal (pour le traitement des erreurs liées au bruit)

48

● Exemple : le code NRZ binaire (Non Retour à Zéro)

t V.a1

V.a0

1 1 0 1 0

Ts

t

h(t) forme d’onde

V

. . ( )k kS a V h t

Le spectre (DSP) d’un code

NRZ binaire s’annule les

multiples de 1/Ts où Ts est le

temps symbole


Codage en line

49

● Exemple : Le code RZ binaire :

a1V

a0V

0 1 1 0 1

t

Ts

t

h(t) forme d’onde

V 0,1ka

La forme d’onde h(t) est un signal de durée T consistant en une porte de durée Ts (0<<1) suivie

d’un retour à zéro de durée (1-)Ts.

. . ( )k kS a V h t

La raie à 1/Ts est utile pour

la récupération d’horloge

en réception.


Codage en line

50

Codage

source

Codage

canal

Codage

en ligne Decodage

source

Decodage

canal

Decodage

en ligne

f 0 fs 2fs

f 0

Filtrage t

H B

t

2 perturbations Le bruit additif des citcuits électroniques et optiques

Le filtrage dû à la bande passante limitée des composants

0 fs

f

DSP DSP


51

Perturbations liées à la limitation en bande passante des composants…

Considérons maintenant l’effet du filtrage (bande limitée des composants opto.) sur

les symboles reçus.

Empiètement des symboles

adjascents sur le

signal (symbole) utile détecté à t0.

Interférences Entre

Symboles (IES)

Dégradation du TEB

Canal à bande

limitée

Décision

t0

t

Impulsions

émises

t

1 0 1 1 1 1

Seuil


52

Diaramme de l’oeil :

L’observation à l’oscilloscope de la superposition des symboles reçus

(rémanence ) est appelée diagramme de l’oeil.

Dans un canal de bande B fixée, l’ du débit symbole l’ de l’IES et

donc la fermeture du diagramme de l’oeil :

2,5 kbit/s 20 kbit/s

Même B canal

Perturbations liées à la limitation en bande passante des composants…


53

En présence de bruit le diagramme de l’oeil aura également tendance à se fermer

2,5 kbit/s 20 kbit/s

Même B canal


54

Ouverture verticale : marge de bruit

Pente : sensibilité aux erreurs de

synchronisation

Meilleur instant de décision

Le rapport entre l’épaisseur des traits et l’ouverture verticale est

une indication du rapport signal sur bruit, et donc du TEB.

Mais le diagramme de l’oeil reste une mesure approximative de la

qualité de la transmission numérique.


55

t

Ts

0 1 0

t0 t0+Ts t0+2Ts

Aux instants de décision

pas d’IES

0( ) 0 0r t mT m

Critère de Nyquist

Critère de Nyquist portant sur l’expression temporelle des impulsions reçues


56

Objectif : pas d’IES aux instants t0-nT de prise de décision

(peu importe ce qui se passe aux autres instants)

(1) Critère de Nyquist : l’expression temporelle des

impulsions doit s’annuler kT (T temps symbole)

(2) En traduisant le critère de Nyquist dans le domaine

fréquentiel on obtient la condition équivalente relative au

spectre des impulsions (reçues).

(3) Il en découle une condition nécessaire (mais pas

suffisante) pour que le critère de Nyquist soit respecté :

B f/2 (f = fréquence symbole)

Quid du spectre ?


57

Les données numériques PDH

Hiérarchie plésiochrone

Niveau hiérarchique

1.5 Mbit/s

2 Mbit/s

6 Mbit/s

8 Mbit/s

34 Mbit/s

45 Mbit/s

140 Mbit/s

Débits de hiérarchies PDH

européenne et américaine :

plusieurs normes ou hiérarchies organisant le transport de données.

La hiérarchie numérique asynchrone PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy)

transporte des flux de données dont les débits sont définis avec une certaine tolérance

(voir tableaux). Les horloges des générateurs de données étant supposés quasi-

synchrones (plésiochrones).

USA

UE

Niveau hiérarchique Débit nominal Tolérance

2 Mbit/s 2,048 Mbit/s

50.10-6 ( 50 bit/s )


30.10-6


20.10-6


15.10-6

Hiérarchie PDH européenne : débits et tolérances

58


Multiplexage plésiochrone

Le multiplexage temporel consiste générer un flux numérique (données binaires : 0 et 1) de haut débit

à partir de flux de bas débit.

Le multiplexage plésiochrône procède par entrelacement de bits.

Quant au multiplexage synchrône il procède par entrelacement d’octets (byte).

Prenons l’exemple du multiplexage de 4 canaux à 2 Mbit/s sous forme d’un canal à 8 Mbit/s.

En raison des écarts de débits entre les 4 canaux à 2 Mbit/s, le multiplexage plésiochrône requière, deux étapes :

▪ la justification : insertion de bits de bourrage

▪ le multiplexage (proprement dit) :entrelacement de bits

2

8

Multiplexage


2,045 Mbit/s

2,048 Mbit/s

2,047 Mbit/s

2,049 Mbit/s

2,053 Mbit/s

AAAAA

BBBBB

CCCCC

DDDDD

ABCDABCDABCDABCD

Justification

Insertion

de bits de bourrage

Données

+ bits de bourrage Bits entrelacés

(info+bourrage)

Débit identique

> Aux débits nominaux Flux plésiochrônes

59


2

8

2

8

8

34

34

140 2

8

2

8

8

34

MUX

MUX

MUX

2 Mbit/s

140 Mbit/s

8 Mbit/s

34 Mbit/s

Ici le terme multiplexage sous entend à la fois la justification (stuffing)

et l’entrelacement de bits (interleaving).

Génération d’un flux à 140 Mbit/s par multiplexage de flux à 2 Mbit/s et 8 Mbit/s

60


2 Mbit/s

140 Mbit/s 140/34

140 Mbit/s

34/8

8/2

34/140

8/34

2/8

2 Mbit/s

Déjustification

La PDH présente l’inconvénient majeur de nécessiter de démultiplexer l’intégralité d’une

trame pour simplement en extraire un affluent de bas niveau.

61

Développement d’un nouveau standard aux USA

SONET (Synchronous Optical Network)

Trame de base : OC-1 (Optical Carrier-1) @ 45 Mbit/s

Les données numériques SDH

▪ Quand ? A la fin des années 80.

▪ Pourquoi ? Le manque d’une norme internationale.

▪ La possibilité de réaliser des transmissions optiques à un débit > 2,5 Gbit/s

avait été démontrée, cependant, le débit maximum prévu par la hiérarchie

PDH américaine était limité à 45 Mbit/s.

Conséquence

Origines de la SDH

62

Principales caractéristiques

• - Surdébit (Overhead) de trame (10% du débit) gestion des flux plus efficace que

pour la PDH

• - L’augmentation du débit n’est pas une contrainte pour les systèmes optiques

• - La SDH est une solution globale face à plusieurs problèmes de transmission

• - Plusieurs types de données peuvent être transportées par la SDH (PDH,ATM,IP)

1988: Normalisation par le CCITT* (maintenant ITU-T**), nouveau nom :

Synchronous Digital Hierachy (SDH)

Hiérarchie numérique synchrone

(*) CCITT: Consultative Committee on International Telegraphy and Telephony

(**) ITU-T: International Telecommunication Union - Transmission Standards


Error monitoring : surveillance des erreurs

Framing management : gestion des trames

63


Les sous-ensembles de données de la SDH

Considérons les affluents de la PDH et voyons comment leurs données sont assemblées pour

former les trames de la SDH.

La SDH définit des sous ensembles qui sont constitués et assemblés

(multiplexés) pour former une trame STM-N (Synchronous transfer module

d’ordre N).

t

t

Débit

64


Les sous-ensembles de données de la SDH

▪ Le conteneur C (Container)

▪Le conteneur virtuel VC (Virtuel Container)

▪ L’unité d’affluent TU (Tributary Unit)

▪ L’unité administrative AU (Administrative Unit)

▪ Le Groupe d’unités d’affluent TUG (Tributary Unit Group)

▪ Le Groupe d’unités administratives AUG (Administrative Unit Group)

Ces ensembles

peuvent procéder du

multiplexage de sous

ensembles

Débit

Une trame STM-N procède du multiplexage de sous

ensembles de données.

Ces sous ensembles contiennent de la charge utile et du

surdébit (étiquetage : quoi? pour qui? où dans la trame?)

65


Affluent Conteneur Conteneur virtuel Unité

affluent

Unité Administrative

ordre inférieur ordre supérieur

1.5 Mbit/s

2 Mbit/s

C-11

C-12

VC-11

VC-12

TU-1

6 Mbit/s C-2 VC-2 TU-2

34 Mbit/s

45 Mbit/s

C-3 VC-3

VC-3

TU-3

AU-3

140 Mbit:s C-4 VC-4 AU-4

Mapping (Projection)

▪ Groupement en octets

(bytes)

▪ justification (stuffing)

+ surdébit

(Path Overhead : POH)

pour la gestion

du conteneur

+ pointeur + pointeur

pour la localisation du conteneur

virtuel

Ajout de débit pour la mise en forme, la gestion et la localisation des conteneurs au

sein de la trame STM-N

Constitution des sous ensembles d’une trame STM-N

66


Hiérarchie de multiplexage SDH (normalisée par la recommandation G.707 de l’IUT-T)

La façon dont sont ordonnées (multiplexées) les données dans une trame SDH est

normalisée par la recommandation G.707 de l’IUT-T.

Cette norme prévoit une grande variété de combinaisons.

Les flux correspondant à les débits de la hiérarchie PDH, mais pas seulement,

peuvent être transportés par les trames SDH.

Les trames STM-N sont générées par des équipements (terminaux, multiplexeurs),

capables de réaliser certaines des configurations permises par la norme.

Ceux-ci effectuent en outre une gestion dynamique des trames. Autrement dit, ils sont

capables de passer d’une configuration à une autre, au gré des affluent reçus. Quant

aux informations concernant la gestion des données (emplacement des données dans la

trame…), elles sont abondées aux octets de surdébit, et ainsi, communiquées aux

différents équipements par lesquels passent les trames.

67


C-3

C-2

C-12

C-11

C-4

VC-3

VC-2

VC-12

VC-11

VC-4

TU-3

TU-2

TU-12

TU-11

TUG-2

TUG-3

AU-4

AU-3

AUG STM-1

STM-4

STM-16

VC-3

140 Mbit/s

34/45 Mbit/s

6 Mbit/s

2 Mbit/s

1.5 Mbit/s

3

7

7

3

3

3

16

4

Hiérarchie de multiplexage SDH (normalisée par la recommandation G.707 de l’IUT-T)

Mapping (adaptation)

:

Structuration en octets

+ justification

Affluents

PDH

+ POH (Path OverHead)

pour la gestion du conteneur

+

+

+

+

+

+

+

+

+ Ajout de débit

(gestion de conduit + pointeur +) +

+

+

G : Groupe

+

+

68


Structure de la trame STM-1 (Synchronous Transfer Module)

Le débit d’une trame STM-1 est de 155,520 Mbit/s. La structure de cette trame est répétitive, de période 125 µs.

En 125 µs il défile

6 6

6

155,520 10 155,520 1019440 bits 2430 octets

1 8000125 10

125 µs (2430 0ctets)

Une période de 125 µs consiste en 9 segments de durée identique, soit de 270 octets chacun

Chaque segment débute par 9 octets de surdébit et pointeurs, suivis par 261 octets de charge utile

1 2 9 8 7 6 5 4 3

125 µs (2430 0ctets)

Surdébit

ou bien pointeur Charge utile (données)

(270 0ctets)

(261 0ctets) (9 octets)

69


1 2 9 8 7 6 5 4 3

125 µs

270 Colonnes (Octets)

261 9

9 Rangées

1

2 3 4 5 6 7 8 9

Chaque octet corresponds à

une capacité de 64 kbit/s

Overhead Payload

Charge utile Surdébit

Un segment de 125 µs d’une trame STM-1 est généralement représenté sous forme d’un tableau de 9

rangées et 270 colonnes.

t = 0

t = 125 µs

VC-4

70


270 octets

261 9

1

2 3 4 5 6 7 8 9

Charge utile

Un segment de 125 µs d’une trame STM-1 généralement représenté sous forme d’un tableau de 9 rangées

et 270 colonnes.

POH contient les caractéristiques du signal

(type de conteneur…)

MSOH (Multiplexer

Section Overhead)

utilisé pour le

dialogue avec/entre

multiplexeurs

RSOH (Regenerator

Section Overhead)

utilisé pour le

dialogue avec/entre

régénérateurs

Pointeur d’AU

Indique l’emplacement

du début d’un

conteneur virtuel dans

la trame

RSOH et MSOH permettent aux équipements du réseau de dialoguer entre eux

en insérant et en extrayant des information dans ces espaces réservés.

VC-4

71


Un système de pointeurs (compteurs) :

un pointeur (conteneurs virtuels d’ordre supérieur).

deux pointeurs (conteneurs virtuels d’ordre inférieur).

L’emplacement d’un conteneur virtuel n’étant pas fixe dans la trame, il faut un moyen

de savoir où celui-ci se trouve pour pouvoir l’extraire.

Contrairement aux conteneurs, l’emplacement des pointeurs servant à indiquer leur

position est fixe dans la trame.

Qu’est ce qui permet d’extraire, sans démultiplexage, un conteneur virtuel d’une

trame SDH ?

Et cet emplacement, fixé par la norme, est bien entendu connu des multiplexeurs.

Ainsi, ayant lu les pointeurs, ceux-ci savent quand extraire les octets correspondant

aux conteneurs virtuels.

Rque : Il va de soi que le début d’un VC arrive dans la trame après le passage des

pointeurs correspondants.

72


Pourquoi l’emplacement d’un conteneur virtuel n’est il pas fixe?

Pour des raisons de dérive (fluctuations) d’horloge (clock drift) inhérentes aux

affluents PDH.

Le pointeur est un compteur qui s’incrémente ou se décrémente en fonction des

mouvements de l’affluent.

L’emplacement du début d’un VC-4 ne coïncide pas obligatoirement avec le début

d’une trame, il peut être décalé

La valeur du pointeur indique le décalage (offset) entre le pointeur et la position du

premier octet du conteneur virtuel VC.

la fréquence des horloges est la même mais il se peut qu’un déphasage existe

73

1

2 3 4 5 6 7 8 9

AU Pointer

MSOH

RSOH

1

2 3 4 5 6 7 8 9

AU Pointer

MSOH

RSOH

VC-4 Trame n

Trame n+1


t

74

Les débits de la hiérarchie SDH

Niveau Débit

STM-1 155,520 Mbit/s

STM-4 622,080 Mbit/s

STM-16 2,48832 Gbit/s

STM-64 9,95328 Gbit/s

STM-256 39,81312 Gbit/s

Les niveaux de la hiérarchie SDH sont des multiples quadruples du débit du STM-1

(Synchronous transfer Module de niveau 1).


75

Une trame STM-N procède du multiplexage de N trames STM-1 par

entrelacement d’octets.

t

t t t

Multiplexeur

par entrelacement

d’octets

Trame STM-1

Trame STM-1

Trame STM-1

Trame STM-1

Trame STM-4

4 STM-1

Entrelacement d’octets

La charge utile d’un STM-4 résulte du multiplexage par entrelacement

d’octets des charges utiles des STM-1.

De la même manière, le surdébit d’un STM-4 procède du multiplexage par

entrelacement d’octets des surdébits des STM-1.


76

4270 octets

4261 49

t = 125 µs

Trame STM-4

1

2 3 4 5 6 7 8 9

Charge utile

AU Pointer

MSOH

RSOH


77

Les équipements de l’infrastructure SDH


Le multiplexeur de terminal TM (terminal multiplexer)

Cet équipement sert à multiplexer les contributions locales de bas débit (exple : affluents E1-E4 de la

hiérarchie PDH) dans les STM-N, mais aussi des STM-M d’ordre M<N.

Cet élément est appelé terminal car il est placé à l’extrémité de la chaine de transmission.

ADM STM-N STM-N

E1-E4 STM-M

TM

E1-E4

STM-M

STM-N

Le multiplexeur à insertion extraction MIE ou ADM (Add-Drop Multiplexer)

Cet équipement sert à interconnecter plusieurs réseaux, il est donc placé aux nœuds de l’infrastructure.

L’ADM insère et extrait d’une trame STM N qui passe en un nœud des contributions de bas débit (exple :

affluents E1-E4 de la hiérarchie PDH) mais aussi des STM-M d’ordre M<N.

TM et ADM ont le plus souvent un fonctionnement bidirectionnel et permettent une

gestion dynamique des flux.

78

Les topologies de l’infrastructure SDH


Etoile : Star/ Hub Mesh

Anneau : Ring

Chaine : Chain

79


Exemple d’infrastructure de réseau SDH

ADM 4

STM-4

STM-1

TM E1-E4 STM-1

Anneau STM-4

STM-4

ADM 4

STM-1 TM E1-E4 ADM 4

ADM 4 STM-1 Anneau

STM-4

80

Les débits dans les réseaux de

télécommunications numériques

Reference: Agere Systems

81

☞ Modulation externe

☞ Modulation directe

☞ La SDH …




Emetteurs optiques

Données Données

Demultiplexeur


Données Données


d’une voie

(longueur d’onde)

Multiplexeur

… …

1

2

4

1

2

4

3

Canaux WDM

Données Données

Amplificateur Fibre

3

3


82

☞ Les formats de modulation

La modulation directe

La modulation externe

Interféromètres de Mach-Zehnder

Modulateurs électro-absorbants

Emetteurs optiques

☞ Les techniques de modulation

Modulateurs de phase

☞ Les lasers

Types de lasers (FP, DFB, DBR)

☞ Les drivers

83

▪ Rôle : Les lasers (lightwave amplification of stimulated emission of

radiation) sont utilisés comme sources lumineuses monochromatiques.

Ce sont des oscillateurs optiques.

Généralités sur les Lasers

▪ Fonctionnement : Un courant d’injection joue un rôle de pompage,

il provoque l’émission de photons (émission spontanée et stimulée).

Emetteurs optiques ☞ Les Lasers

▪ Structure : Zone active limitée par des facettes semi-réfléchissantes.

Les lasers utilisés en télécommunications optiques (1.3 µm et 1.5 µm) sont des

diodes en technologie InP.

Igain

Zone active

L’onde lumineuse est transmise au travers des facettes.

La condition d'oscillation dépend de la

longueur de la cavité et des coefficients de réflexion des facettes.

84

☞ Les Lasers

Laser Fabry-Pérot (FP)

Le spectre transmis est multi-longueur d'onde.

A cause de la dispersion chromatique, une telle configuration n'est évidemment

pas souhaitée pour les transmissions longues distances/haut débit par fibre

optique.

C'est pour cette raison que sont conçus des lasers mono-fréquence présentant la

meilleure pureté spectrale possible.

Igain

Zone active

Spectre

émis P

Emetteurs optiques

85

☞ Les Lasers

Spectre

émis

B

Igain

Zone active

Laser distributed feedback (DFB) ou laser à contre réaction

Un réseau de Bragg (filtre) est inscrit au dessus ou en dessous de la zone active.

P

Réseau

Mais par le traitement antireflet de la face de sortie du laser ou bien par l’introduction

d'un déphasage d'une demi période dans le pas du réseau, le laser peut être rendu mono--

mode (fréquence).

Par rapport à un laser Fabry-Pérot, le réseau a pour effet de sélectionner des modes

proches de la longueur d'onde de Bragg du réseau.

Les lasers DFB sont employés dans la plupart des systèmes de

transmission optiques en raison de leur stabilité en longueur d'onde.

Généralement, le spectre émis par ce type de structure comporte deux raies.

Emetteurs optiques

86

☞ Les Lasers

Igain Iphase IBragg

Zone active

Réseau

Spectre émis

Accord grossier Accord fin

Laser distributed Bragg reflector (DBR)

▪ Cette accordabilité en longueur d'onde peut être affinée par l'ajout, entre la cavité et le

réseau, d'une troisième section commandée par un courant de phase.

▪ Une facette de la cavité Fabry-Perot est remplacée par un réseau de Bragg qui sert à

sélectionner un mode de la cavité.

Ce dernier agit sur le chemin optique par variation de l'indice de réfraction modifiant ainsi

le spectre.

En appliquant un courant de Bragg (IBragg) à la section contenant le réseau on en modifie

l'indice de réfraction, ce qui provoque un saut dans la longueur d'onde de Bragg du réseau et

permet de sélectionner un autre mode de la cavité.

P

Lasers DBR : accordable.

Typiquement (DBR deux sections) : 15 nm avec un pas de 0,4 nm (50 GHz).

Emetteurs optiques

87


t

t

1 0 1 0 1 t



t

t

Données numériques

Modulation de phase

Modulation de fréquence

Modulation d’amplitude

Emetteurs optiques

88

☞ Techniques de modulation

☞ Les techniques de modulation

La modulation externe

Interféromètres de Mach Zehnder (MZM)

Modulateurs électro-absorbants (MEA)

Modulateurs de phase (MP)

Laser

Données

Laser

Modulateur

Données


Emetteurs optiques

89

Diode

laser

▪ La modulation directe

T de polarisation

Données

IDC Imod

PDC

P1

P0

IDC I0 I1

Popt

I

Point de

polarisation Zone linéaire

de fonctionnement

IDC

Commande électrique


Emetteurs optiques

90

Laser Data

Electronique

f 0 fB 2fB

f 0

0 fB

f

1 1 0 1 0 t

1 1 0 1 0 t

Optique Electronic Optic

f

193 THz

f

193 THz

1 1 0 1 0 t

f 0 fB 2fB

▪ Direct modulation

Data

Filtering

Filtered data

Laser bandwidth

Optical signal

Bandwidth < 3 GHz

5 Optical transmission

91

t

i

Diode

laser

Thermistance

Contrôle en

température

Contrôle

de polarisation

et de puissance

Photodiode

de contrôle

Isolateur

optique

Lentille à

gradient d’indice

I0

Fibre optique

Module Peltier imod

▪ La modulation directe Emetteurs optiques

92

Modulation directe, points à retenir :

▪ La modulation directe

▪ Laser commandé en courant

▪ Courants de commande qq dizaines de mA

▪ Fréquence max de modulation : qq GHz (limitée par le chirp).

Au delà de qq GHz le taux de modulation devient faible.

▪ Popt qq mW

▪ Les lasers doivent être régulés en T°

▪ Les lasers utilisés en télécommunications optiques sont de type DFB

Les lasers DBR peuvent être utilisés pour la maintenance (car accordables)

Emetteurs optiques

93

☞ Les Lasers

2 mW < Pout < 10 mW

Thermo-

electric cooler

Emetteurs optiques

94

☞ Les Lasers

Contrôle

en T°

Emetteurs optiques

95

☞ Les Lasers

Impédance

d’entrée 25

Courant de

commande 50 mA

25 Diode

laser

Courant de

commande

Emetteurs optiques

96

Guide

optique

Onde

incidente

Onde

sortante

Modulateur de phase

▪ La modulation externe (MP)

(V) = (V).L

(V) = (2/ ).n(V)

v = c/[n+n(V)]

Masse

V n(V) Déphasage

(V,L)

0

jeE

0

j VeE

0E

Effet électro-optique dans le LiNbO3

Emetteurs optiques

97

0

2

E

0

2

E

0

2

E j le

0

2

E je

0

jE e

Résultante

0E

Interféromètres de Mach Zehnder… Effet électro-optique dans le LiNbO3

☞ La modulation externe (MZM) Emetteurs optiques

98

Tension appliquée sur l’un des bras

Sur une longueur L

L

V

(V) = (V).L

(V) = (2/ ).n(V)

v = c/[n+n(V)]

V n(V) Variation

de vitesse ↘

Déphasage

(V,L)

Interféromètres de Mach Zehnder… Effet électro-optique dans le LiNbO3


99

L

V

Déphasage

(V,L)

0

2

E

0

2

E0

2

E je

02

j VEe

-

Résultante

0E

Interféromètres de Mach Zehnder Effet électro-optique dans le LiNbO3


100

L

V

0

2

E

0

2

E

Déphasage

0

2

E je

0

2

jEe

-

Résultante

nulle

0E

V = V

=

Opposition

de phase

☞ La modulation externe (MZM)

Interféromètres de Mach Zehnder Effet électro-optique dans le LiNbO3

Emetteurs optiques

101

1 0

2

j t lEE e

out

2 0

2

j t l V LEE e

out

01

2

j t lE j V LE e eout

01

2

j t lE jE e eout

2 2* 0 0

1 1 24 4

E Ej j j jP E E e e e e

out out out

V L avec

Calcul de la fonction de transfert Pout/Pin d’un MZM

20

1 cos2

EPout

Soit

Fonction de transfert 1

1 cos2

Pout

Pin


102

Expression de en fonction de V 2 n V

V L L

312 m

Vn

drn

3rnmVL

d

L

V

d E

1 1 cos2

VPoutPin V

1

1 cos2

Pout

Pin

La tension V engendre le champ E = V/d qui par

effet électro-optique engendre la variation d’indice

n : Indice moyen

Coeff. Électro-optique

Epaisseur de la

zone active

On a donc

On peut exprimer la tension de commande V du modulateur pour laquelle = 3d

Vrn Lm


103

Fonction de transfert optique :

V

V - 3V -V 3 V 0

1

LiNb03 : r = 30.8 pm/V (pour une polarisation donnée de la lumière dans le cristal)

Valeur typique de V : L=10 mm; d=10 µm V = 4.7 V

nm = 2.2

1 1 cos2

VPoutPin V


104

V V -V 0

1

Modulation d’un MZ

2

V

Point de polarisation @ 2

V

Electrique

Optique

En phase


105

V V -V 0

1

Modulation d’un MZ

2

V

2

Vπ

Electrique

Optique

En opposition

de phase

Point de polarisation @


106

Vue

en coupe

Electrode

chaude

Electrode

de masse

Electrode

de masse

LiNbO3 (substrat)

Si02 (couche tampon pour

réduire les pertes optiques)

V

Régime statique du MZM : V = cte

Lignes de champ verticales

Disposition des électrodes de commande


107

Ppol

P1

P0

Vpol

V1

Porteuse

modulée

Mise en œuvre d’un MZM Régime dynamique (exple modulation numérique d’amplitude)

Popt

V

Porteuse

optique

Commande électrique

Point de

polarisation Zone linéaire

de fonctionnement

T de polarisation

Données Vpol vmod

50


108


V

V -2 V -V 2 V 0

1

1 1 cos2

VPoutPin V

Dérive

Avec le temps, la fonction de

transfert d’un MZM se

déphase.

Un asservissement du point de

polarisation du MZM est

donc nécessaire.

Emetteurs optiques

109


MZM, points à retenir :

▪ Commandé en tension

▪ Tensions de commande : V 4,5 V

▪ Fréquence de modulation : des MZM commerciaux de bande

passante 40 GHz (utilisables pour le 40 Gbit/s)

▪ Pertes d’insertion 3-5 dB

▪ Dérive de le fct° de transfert

▪ Dimensions : typiquement 10 mm

▪ Composants très robustes

▪ Sensibles à la polarisation

Emetteurs optiques

110


111 Reference: JDS Uniphase



114

Reference: JDS Uniphase

115

L’électro-absorption: Les modulateurs électro-absorbants utilisent le

phénomène d'électro-absorption qui consiste en la variation de l’absorption dans

un semi-conducteur en fonction du champ électrique appliqué.

Les modulateurs électro-absorbants (MEA)

Structure d’un modulateur électro-absorbant : Un matériau semi-conducteur

électro-absorbant (InGaAsP…) est inclus dans la région intrinsèque d’une diode «

pin» qui possède en plus une structure de guide d’onde.

~100 µm

~2 µm

n-InP

substrat

p-InP

InGaAsP MQW

n-InP

Le semi-conducteur utilisé est l’InP

(même techno. que pour les lasers)

Zone guidante

& électro-absorbante

☞ La modulation externe (MEA) Emetteurs optiques

116

Eg Eg E

Photon

d’énergie

E = hc/

E

E<Eg

le photon traverse

le guide

Tension appliquée

nulle

E’g

P

V0

I

N Déformation de la

bande interdite

Tension appliquée

V<0

Champ E

En appliquant une tension < 0

on absorbe la lumière

Ceci est vrai pour une donnée

Modulation de la lumière n’est

possible que dans une très faible

page de

Absorption du photon

& génération d’un e-

L’ du photon

est > E’g

⇒


117

☞ La modulation externe (MEA)

Absorption vs Transmission vs V pour différentes

Pas de polarisation

Absorption

Polarisation

inverse

signal

Commandé en tension inverse

Emetteurs optiques

118


Transmission vs V

P0

P2

P1

-12

-14

-16

-18

-20

-22

-24

-4 -3 -2 -1 0 1

PdBm

V

Taux d’extinction 10 dB

Emetteurs optiques

* Taux d’extinction (dB) (Pmax/Pmin)dB

119


MEA, points à retenir :

▪ Commandé en tension inverse

▪ Tensions de commande : 2,5 V (Vpp)

▪ Fréquence de modulation : des MEA commerciaux de bande

passante 40 GHz (utilisables pour le 40 Gbit/s)

▪ Pertes d’insertion 10 dB

▪ Régulés en T°

▪ Dimensions : typiquement 50-200 µm

▪ Intégrables avec des lasers

Théoriquement, les MEA ne sont pas sensibles à la polarisation

▪ Sensibles à la

Emetteurs optiques

120


Tension de commande

crête à crête

Pertes d’insertion 10 dB

Insensible à la polarisation

Bande passante 10 GHz

Emetteurs optiques

121


Tension de commande inverse

MEA régulé en T°

Emetteurs optiques

122

Module Peltier

Isolateur

optique Lentille à

gradient d’indice

Laser DFB MEA

Métallisation Métallisation

Substrat n+-InP

p-InP

n-InP

InGaAsP

Métallisation

p-InP

n-InP

p+ InGaAsP

DC Vpol<0

Thermistance

Contrôle en

température

t

v

Guide

400 µm 70-100 µm


123


124


125

Caractéristiques

hyperfréquence

Longueur d’onde

Vpp = 2,6 V

Taux d’extinction

Bande passante à -3 dB

(indique la limite de freq

de modulation)

Puissance optique

de sortie


126

☞ La modulation externe (Drivers) Emetteurs optiques

127

Paramètres S

S11

S21

Coeff. de transmission

Coeff. de réflexion

Emetteurs optiques ☞ La modulation externe (Drivers)

128

Emission optique ☞ Synthèse

Modulation directe

Modulation externe

Jusqu’à qq GHz Syst. 2,5 Gbit/s

MZM Liaisons sous marines

Liaisons terrestres DFB-MEA intégrés

Syst. 10 et 40 Gbit/s

Syst. 10 et 40 Gbit/s

Le chirp des MEA limite la longueur des liaisons (syst. terrestres)

DFB-MEA intégrés plus économiques que DFB + MZM

129

130

☞ Modulation externe

☞ Modulation directe

☞ La SDH …




Récepteurs optique

Données Données

Demultiplexeur


Données Données


d’une voie

(longueur d’onde)

Multiplexeur

… …

1

2

4

1

2

4

3

Canaux WDM

Données Données

Amplificateur Fibre

3

3


☞ Récepteurs

131

Filtre

Pre-

amplificateur

Front end

Amplificateur

Linear channel

Contrôle

automatique de

gain

Circuit de décision

Mise en forme des

données

Récupération

d’horloge

Données

Récepteurs optique

Module de réception

Impulsions optiques

Photodiode

t 1 1 0 1 0 0 1

Popt

1 1 0 1 0 0 1

I

t

☞ Module de réception

132

t

t

t

Emission

Echantillonnage

Décision

Réception Comparaison à un

seuil

1 1 0 1 0

0 1 1 1 0

Transitions du canal

Comment les erreurs sont commises…

Récepteurs optique ☞ Module de réception

133

• Principe:

• - Illumination d’une jonction polarisée en inverse

- L’essentiel de la lumière est absorbé dans la région de déplétion

• - Ceci génère des paires electron-trou

Type-p

Type-n

Vpol

V=RL Iph RL

Popt

Structure d’une jonction PIN de base et circuit de polarisation

Région de dépletion

Anneau de

contact

Iph = RD Popt

RD : Réponse (A/W)

ou rendement…

photodiodes PIN photodiode & photodiode à avalanche (APD)

Récepteurs optique ☞ Photodiodes

134

☞ Photodiodes PIN Récepteurs optique

Photodiodes PIN

Jonctions PIN polarisées en inverse ( -5V)

Illumination Génération de charges Vpol

RL

Iphot

Photocourant

•

n

p

Popt

Zone de déplétion i

InGaAs sensible aux longueurs d’ondes dans la

plage 1 - 1.6 µm

Anneau de

contact

Reference: Discovery Semiconductors

Scanning electron microscope (SEM)

photograph

p-InP

InGaAs

n-InP

Réponse 0,8 A/W

135 Reference: Discovery Semiconductor

136 Reference: Discovery Semiconductor

137

☞ Photodiodes PIN

☞ Caractérisation de la réponse en fréquence d’une photodiode

1 2 1j2 f t j2 f t j2 f t j2 ftE Ae Ae Ae 1 e

1 1j2 f t j2 f t* j2 ft j2 ftI EE Ae 1 e Ae 1 e

* 2 j2 ft j2 ftI EE A 1 e e 1

2I 2A 1 cos2 ft 2

vari 2A cos2 ft

1

2 1

2

cf

Vpol

f = |f2- f1|

f1 f2

I

Récepteurs optique

138

Laser DBR

Rampe de

courant

Analyseur de spectre électrique

Balayage

en

I,

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

3

0

-3

-6

-9

1

2 1

2

cf

f

Laser DBR

Vpol

Iphot

Popt = cte

☞ Photodiodes PIN Récepteurs optiques

☞ Caractérisation de la réponse en fréquence d’une photodiode

DUT

139

Plus grande sensibilité

mais requière de plus

grandes tensions

(inverses) de polarisation

une seconde couche p-layer

pour une deuxième

génération de paires

electron-trou par ionisation

par impact

Popt

p-InP

InGaAs

n-InP

p-InP Multiplication

layer Vbias

V=RL Iph RL

Iph = M RD Popt

Le mécanisme de

gain d’avalanche

est un processus

bruyant

M: Facteur de multiplication

Le facteur

d’excès de bruit

FAPD doit être pris

en compte

Responsivité totale: M RD

!

☞ Photodiodes APD Récepteurs optique

140

• Front end haute impédance

Amplifier Vbias

Vin RL Vout

RL

CA, RA: impédances

d’entrée de

l’amplificateur

CA

Amplificateur

CD

Photodiode Résistance

de charge

Inconvénient: Faible bande passante CR 2

1BW

Circuit équivalent

C=CD+CA

AL

AL

RR

RRR

RA

Charge résistance & amplificateur

Haute sensibilité

Haute valeur

de RL

Haute valeur de Vin

Faible bruit

CD : capacité de

la

photodiode

Iph

Iph

☞ Architecture du front end Récepteurs optique

141

• Front end transimpédance

Vbias

Rf

0V

CA

Amplificateur

CD

Photodiode Résistance

équivalente

RA

Circuit équivalent Résistance de contre réaction &

amplificateur (fort gain, haute

impédance d’entrée)

Iph

Iph

Vout - Rf Iph

Rf Iph

-Av

-Av

V

f

A1

R

Faible résistance équivalente Grande bande passante

Forte résistance de contre réaction Faible bruit

CA, RA: impédances

d’entrée de

l’amplificateur



144

Circuit équivalent d’un récepteur

transimpedance

CA

Amplificateur

CD

(non bruyant)

Effet de la

résistance de contre

réaction

RA

is

-Av

V

f

A1

R

iA

Bruit de

l’amplificateur

Filtre passe bas ish ith

Bruit quantique Bruit thermique Signal

Photodiode

☞ Sources de bruit Récepteurs optique

145

Dû à un processus aléatoire d’absorption de photons

(Statistique poissonnienne)

2

q D opti 2 q R P f

Densité quadratique moyenne de courant de bruit quantique

Charge de

l’électron

Photocourant

moyen

Résponse de la

Photodiode

Bande

équivalente de

bruit du

récepteur

Pour les photodiodes PIN :

2

q D opt darki 2 q (R P I ) f Rque: La valeur exacte est

Mais le courant d’obscurité est souvent négligé

Bruit quantique

146

2 2

sh D opti 2 q R P M F(M) f

Photocourant moyen : Iph= M RD Popt (M : Facteur de multiplication)

Pour les photodiodes APD :

Ionization par

impact Facteur d’excès de

bruit F(M)

2nd processus de

bruit quantique

xM)M(F avec x dépendant du matériau

x 0,3 0,7 pour l’InGaAs

Finalement, la densité quadratique moyenne de courant de bruit

quantique d’une APD est donnée par :

147

Bruit thermique

Dû à au mvt des electrons dans les resistances en fct° de la température

f R

T k 4 i

f

B2th

kB : Constante de Boltzmann (kB=1.38 10-23 J/°K)

T: Température (K)

Bruit de l’amplificateur

Modélisé par une source de courant de bruit à l’entrée de

l’amplificateur

f d i2A

2a dA : Densité spectrale de courant de bruit ramenée en entrée

de l’amplificateur (en ) Hz/pA

148

Rapport signal sur bruit

2

signal

2

total bruit

iS Puissance du signal electrique

N Puissance du bruit electrique i

f dR

T k 4P R M q 2

)P R M(

N

S

2A

f

BoptD

x2

2optD

Toutes les sources sont considérées comme Gaussiennes et non

corrélées, ainsi leurs puissances peuvent être additionnées pour

calculer la puissance de bruit totale

149

Amplification optique

Données Données

Demultiplexeur


Données Données


d’une voie

(longueur d’onde)

Multiplexeur

… …

1

2

4

1

2

4

3

Canaux WDM

Données Données

Amplificateur Fibre

3

3


☞ L’amplification

150


EDFA

Fibre

3

Modulateur

Isolateur

Emetteur (Tx)

Booster

EDFA

Amplification en ligne

Récupération

d’horloge

Préampli. Ampli.

EDFA

Pré-amplificateur

optique

Récepteur (Rx)

Amplification de

puissance

Amplification de

puissance

100 km

151


152


153


154

155

Le multiplexage en longueur d’onde

Données Données

Demultiplexeur


Données Données


d’une voie

(longueur d’onde)

Multiplexeur

… …

1

2

4

1

2

4

3

Canaux WDM

Données Données

Amplificateur Fibre

3

3


☞ Le multiplexage en longueur

d’onde (WDM)

156

Le multiplexage en longueur d’onde (WDM)

Modulateur

TM

STM-16/64/256

Multiplexage

temporel

Modulateur

Multiplexage en

longueur d’onde

t

t

t

t

t

Multiplexeur (MUX)

WDM : Wavelength Division Multiplexing

D-WDM : WDM

U-DWDM : Ultra Dense WDM

157

Peigne ITU


Les longueurs d’ondes utilisables dans les systèmes de transmission numériques

par fibres optiques sont normalisées par l’ITU-T.

En pratique les canaux sont

espacés de 100 GHz ou 50 GHz

Etc.

158

Arrayed Waveguide grating


Typiquement l’espacement entre canaux WDM est de 100 GHz

Un multiplexeur insère dans

une seule fibre plusieurs

longueurs d’ondes issues de

fibres différentes

Un démultiplexeur sépare sur

plusieurs fibres les longueurs

d’onde transportées par une

même fibre.

MUX DEMUX

159

Arrayed Waveguide grating


longueurs

angles

Interférences

Constructives et

destructives

Fonctionnement

symétrique

Recombinaison des

sur bras de sortie

Les MUX et DEMUX peuvent être basés sur des AWG Réseaux de guides

optiques réalisés sur

substrat de silice

160


161


162


163


164

Rampe de

courant

Analyseur de spectre optique

Balayage

en

I,

1542 1545 nm

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35

-40

-45

Laser DBR

☞ Caractérisation d’un AWG

Tra

nsm

issi

on

dB

BP-3dB 50 GHz

-3 dB

50 GHz AWG


165


166

Le multiplexage en longueur d’onde ☞ Réseaux de Bragg

x

nm+n1

nm

y

L

ext

int =

xen1

B = 2nm L cos = 0 B = 2nm L

Longueur d’onde de Bragg B (longueur d’onde pour

laquelle le coefficient de réflexion du réseau est maximum)

167


Rmax & fct(L, n1)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1549,5 1549,7 1549,9 1550,1 1550,3 1550,5

nm

Réf

lect

ivit

é

B

Réflection

Transmission

Rmax 99% (dans cet exple)

x

nm+n1

nm

y

L

n1

L

B = 2nm L

168


Fibre optique

Faisceau UV

Masque de phase

Ordre +1 Ordre -1

169

Coefficient

de transmission

Coefficient

de

réflexion

Signal incident

Signal réfléchi

Signal transmis


170


Multiplexeur à insertion extraction

Circulateur Circulateur 1 i n 1 i n

i i

i i

Réseau de Bragg

centré sur i

Insertion de i Extraction de i

Optical add drop multiplexer (OADM)

Insère ou extrait un canal d’un multiplex

171

Récepteurs optique

Données Données

Demultiplexeur


Données Données


d’une voie

(longueur d’onde)

Multiplexeur

… …

1

2

4

1

2

4

3

Canaux WDM

Données Données

Amplificateur Fibre

3

3


La compensation de dispersion

172

Compensation de dispersion chromatique

Modulateur

Laser Photo-détecteur

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 GHz

0

-5

-10

-15

-20

-25

-30

dBm

Spectre

électrique

à l’émission Spectre

électrique

photodétecté

Effet de la dispersion

chromatique sur le

spectre photo-détecté

22 2, cos

4

D f Li f L

c

Courant photo-détecté

173

fibre

Bragg

tot

min max

inf

sup

Retard causé par la dispersion chromatique

Dans une fibre de longueur L donnée.

LBragg est calculée de façon à compenser la dispersion

chromatique dans une fibre de longueur L.


L Bmin =2 nmLmin

LBragg

Bmax =2 nmLmax

Lmax Lmin

Circulateur Réseau de Bragg Laser

Modulateur

Photodiode

Fibre

monomode standard

174


175


176

Compensation de

dispersion pour un

canal WDM normalisé

par l’ITU-T


177

Exemples de Systèmes sous marins

178

1995-96 TAT-12/13 (2 x 5 Gbit/s = 10 Gbit/s) (First TAT Loop)

1998 TAT 12/13 augmenté (WDM) to (2 x 3 x 5 Gbit/s = 30 Gbit/s)

1998 SEA-ME-WE 3 (2 x 4 x 2.5 Gbit/s = 20 Gbit/s), Optical Add-Drop

1999 SEA-ME-WE 3 augmenté (2 x 8 x 2.5 Gbit/s = 40 Gbit/s)

2001 TAT 14 (4 x 16 x 10 Gbit/s = 640 Gbit/s), Loop

2003 SEA-ME-WE 3 augmenté (2 x 8 x 10 Gbit/s = 160 Gbit/s)

2 x 4 x 2.5 Gbit/s = 20 Gbit/s 2 fibres transportant chacune 4

avec un débit de 2.5 Gbit/s par


179

1995-96 TAT-12/13 (2 x 5 Gbit/s = 10 Gbit/s) (First TAT Loop)

1998 TAT 12/13 upgraded (WDM) to (2 x 3 x 5 Gbit/s = 30 Gbit/s)

1998 SEA-ME-WE 3 (2 x 4 x 2.5 Gbit/s = 20 Gbit/s), Optical Add-Drop

1999 SEA-ME-WE 3 upgraded (2 x 8 x 2.5 Gbit/s = 40 Gbit/s)

2001 TAT 14 (4 x 16 x 10 Gbit/s = 640 Gbit/s), Loop

2003 SEA-ME-WE 3 upgraded (2 x 8 x 10 Gbit/s = 160 Gbit/s)

2005 SEA-ME-WE 4 (2 x 64 x 10 Gbit/s = 1.28 Tbit/s ; 20.000 km)


180


SEA-ME-WE 4 :

- Mis en fonctionnement en fin 2005 :

- Capacité : 2 x 64 x 10 Gbit/s = 1.28 Tbit/s

- Longueur : 20.000 km

- 14 pays reliés

- 16 points d’atterrissage

- Exploité par 16 opérateurs

Système livré par Alcatel(-Lucent) Fujitsu

Rq. : Ce système a défrayé la chronique en 2008

en raison de ruptures de câbles.

181

182

183

Anneau

métropolitain

Liaison sous-marine D

istr

ibu

tion

Liaison continentale

Acc

ès

Abonné

2,5-10-40 Gbit/s

2,5 Gbit/s

2,5-10 Gbit/s

Réseaux de transport et de distribution

☞ Contexte Les systèmes hybrides optique/microondes

184

Réseau d’accès = derniers km vers l’abonné

Abonné

Internet haut débit,

vidéo à la demande

télévision haute définition

+ télephonie

Jusqu’à 50 Mbit/s

par abonné

Enjeu Services haut débit

pour le grand public

Réseaux d’accès / boucle locale

Les systèmes hybrides optique/microondes ☞ Contexte

185

xDSL

Solution

Nœud

d’accès de

distribution

Fibre

HFR

Fibre Liaison hertzienne

microonde

Ligne téléphonique

HFC

Fibre Câble

FTTH

Débit Coût

Technologies pour le réseau d’accès

Hybride Fibre Radio

☞ Contexte Les systèmes hybrides optique/microondes

186

Station

centrale

Station de

base

Débit important

Déploiement

Progressif

Rapide

Reconfigurable

Coût supportable

Atouts des liaisons optique/microonde

La technologie cellulaire

permet d’envisager des

communications fixes

ou mobiles

Les systèmes hybrides optique/microondes

187

Le débit dépend de la bande de fréquence …

25-50 Mbit/s

2 Mbit/s

MVDS 40-42,5 GHz

Cellules urbaines

< 2,5 km

60 GHz

Cellules qq m2

< 25 Mbit/s

< 2 Mbit/s

Zones à moyenne

densité de population

cellules < 1 km

26 GHz

Station

centrale

Quelques applications des liaisons optique/microondes (concernant des communications fixes)

☞ Applications Les systèmes hybrides optique/microondes

188

Laser

Données

PD FI

OL

Modulateur

Bande de base sur

fibre optique

Station

centrale Station

de base

Complexe Simple

fm-FI fm

fm

FI fm f

0

Spectre électrique

La bande de base sur fibre

☞ Architectures Les systèmes hybrides optique/microondes

189

Laser

Données

PD

FI

OL Mod

FI sur fibre

optique

Station centrale

Station de base

Complexe Simple

fm-FI fm

FI fm f

0

Spectre électrique

FI fm

FI

La FI sur fibre


190

Laser

Données

PD

FI OL

Mod Radio sur fibre

optique

Station centrale

Station de base

Modulateur

Complexe Simple

fm f

0

Spectre électrique

fm fm

fm

fm

La radio sur fibre


Documents

Systèmes de télécommunications optiques