DEPARTEMENT SIGNAL E T …sudriaesme.free.fr/Arthur 3ème Année/Réseaux haut... · 2010-02-11 ·...

DEPARTEMENT SIGNAL ET TELECOMMUNICATION

Réseaux Hauts Débits

Réseaux Optiques

5ème Année B IRT

2008-2009 Laurence PIRIOU

Réseaux optiques: transmissions WDM

Laurence PIRIOU ([email protected])

Alcatel-Lucent France, Optics Division

Route de Villejust, 91620 Nozay

Mars 2009

2 | Transmissions optiques terrestres WDM| mars 2009 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2009

Alcatel-Lucent évolue dans le monde des télécoms …

Définition [télécoms]

� Ensemble des techniques utilisées pour transmettre des sons, des données ou des images/films par les fils de cuivre, les câbles coaxiaux, la fibre optique et les ondes radio

Alcatel-Lucent fournit des solutions de communication permettant aux opérateurs de télécoms, aux fournisseurs d'accès Internet et aux administrations du monde entier d’offrir des services voix, données et vidéo.


Objectif du cours

Ce cours est destiné à décrypter les étapes de la conception des systèmes de transmission sur fibres

optiques.

� Connaître le marché des transmissions optiques aujourd’hui

� acteurs et partage des marchés terrestres et sous-marins.

� Comprendre les systèmes de transmissions optiques WDM actuels et futurs.

� Quels sont les paramètres clés d’un système de transmission WDM terrestre ?

� Pourquoi et comment en est-on arrivé aux systèmes actuels ? Comprendre les choix et les orientations passés.

� A quoi pourront ressembler les réseaux optiques de demain ?

� Quels sont les critères de qualité d’un système de transmission optique ?

Ce cours abordera essentiellement les systèmes de transmissions optiques terrestres (proche infrarouge). La partie « réseaux et protocoles » ne sera pas développée.


L’équipe « System design » (Optics Division)

Depuis septembre 2000 dans l’équipe « System design » (Alcatel)

� 2000-2002: Systèmes de transmissions optiques sous-marines dites « sans répéteurs »

� 2002-2007: Puis systèmes de transmissions optiques terrestres (dimensionnement)

� Mission actuelle = définition/optimisation de l’architecture des réseaux optiques terrestres (actuels et à venir) dans

l’équipe «System Design »

Les principaux types d’activité des équipes de « system design » sont les suivants

� Détermination des règles de dimensionnement des systèmes WDM (élaboration et validation expérimentale)

� Support technique aux équipes (commerciales) d’offres des systèmes WDM

� Support technique aux équipes d’installation des systèmes WDM

� Contribution à la stratégie des produits et réseaux, en relation avec les équipes de stratégie produit (investigation)

� Contribution au développement des produits WDM


Plan du cours : Transmissions optiques terrestres WDM

1. Introduction au WDM1) Le marché WDM aujourd’hui: acteurs et partage

2) Brève histoire des communications par fibre optique

3) réseau de télécommunications et système de transmissions optiques

4) Principe et avantages du WDM

2. Généralités sur les transmissions optiques terrestres1) La fibre optique

2) Effets non-linéaires dans la fibre optique

3) fonctions optiques disponibles et technologies associées

4) Evolution des réseaux optiques

3. Conception d’un système de transmission optique terrestre WDM1) critère de qualité d’un système

2) combinaison du bruit généré le long de la ligne, des effets non-linéaires et gestion de la dispersion chromatique

3) Exemples



1. Introduction au WDM1) Le Marché WDM aujourd’hui: acteurs et partage










3) Exemples


1Introduction au WDM

1.1 le marché WDM aujourd’hui (Alcatel-Lucent et concurrence)


Alcatel-Lucent :

1er décembre 2006: Serge Tchuruk PDG Alcatel et Patricia Russo PDG Lucent réalisent la fusion.

� Nombre de salariés : 76 000 dans 130 pays

� Président du Conseil d’Administration: Philippe Camus

� Directeur Général: Ben Verwaayen

� Répartition des ventes :

� 1/3 Europe

� 1/3 Amérique du nord

� 1/3 Reste du Monde (Amérique Latine et Centrale, Afrique, Moyen-Orient, Asie & Région Pacifique)

� Chiffre d'affaires : 16,98 milliards € en 2008 (17,8 milliards € en 2007)

� Recherche & Innovation:

� 2,4 milliards € en dépenses R&D

� Plus de 25 000 brevets (300 brevets acceptés en 2007)

� 6 Prix Nobel de Physique (partagés par 11 scientifiques)


Alcatel-Lucent :

Positions clés en 2007

� #1 de l’accès haut débit avec 44 % de parts de marché DSL (1)

� #1 en optique (terrestre et sous-marin) avec 23,5 % de parts de marché (2)

� #2 pour les routeurs de services EDGE IP/MPLS avec 18 % de parts de marché (3)

� #3 pour les réseaux d’accès radio GSM/GPRS/EDGE avec10,1 % de parts de marché (4)

� #3 en W-CDMA avec10,5 % de parts de marché (5)

� #1 en CDMA avec 47,4 % de parts de marché (6), inclus dans le premier tiers des équipementiers WiMAX (7)

� #1 dans le secteur de la téléphonie d’entreprise en Europe occidentale avec 21,2 % de parts de marché (8)

� #2 dans les services d’infrastructures globales de télécommunications avec 9 % de parts de marché (9)

� #2 dans les services d’intégration et de conseil réseau avec avec 14 % de parts de marché (10)

Sources:

(1)Dell’Oro (6) Dell’Oro

(2) Ovum RHK (7) Current Analysis Inc.

(3) Ovum RHK (8) Synergy Reseach Group

(4) Dell’Oro (9) Technology Business Research

(5) Dell’Oro (10) IDC


Le marché mondial des réseaux optiques (ON pour Optical Network)

Le marché des réseaux optiques est divisé en 3 secteurs principaux :

� multiplexeurs SONET-SDH (ADM + multi-service) : ~45 % du marché

� Optical switch (agrégation/grooming/routage des signaux optiques) : ~10 % du marché

� WDM (hors câble sous marin) : ~45 % du marché

Marché des réseaux optiques en 2007 (hors cable sous marin) :

� ~16.6 Milliards de $ (données OVUM-RHK)


Marché annuel mondial d’infrastructure Optique (toutes branches incluses):

Évolution sur la période 2003-2007 & situation à fin 3T 2008 (Données OVUM-RHK)

Répartition part de marchéfin 3T 2008

Évolution du marché 2003-2007


Marché annuel mondial d’infrastructure Optique à fin 3T08

Évolution géographique du marché (Données OVUM-RHK)

EMEA � Europe/Moyen-Orient/Afrique

North America �Amérique du Nord

Asia-Pacifique � Asie/Pacifique

RoW � Reste du monde

SLTE � Amérique Latine et Centrale


Le Marché WDM(~45 % du marché des réseaux optiques)

Le marché WDM se compose de plusieurs sous branches:

� Le Marché d’infrastructure WDM terrestre:

� Marché Metropolitain C/DWDM (~50%)

� Marché Long Haul DWDM (~50%)

� Le Marché d’infrastructure WDM sous-marin:

� Marché SLTE (Submarine Line Terminal Equipment), marché de 850 Millions

� Marché câble Sous Marin


Portfolio “réseau optique” Alcatel-Lucent

Aggregation Cross Connect Photonics NMS

1696MS 1692MSEOMSN

ADM U/cADM16/1

LambdaXtreme

AMx

1677SL

DMX

ANSI ETSIGlobal

EON WSM*

Submarine LH Metro

OMS

1850TSS 1620LM 1626LM 1350OMS1850TSS-640

1678MCC LambdaUnite

1671SC

AMU2m/4o

][

*WSM tactically bid when Metrospan do not answer the needOLS 400G


Marché annuel mondial d’infrastructure WDM terrestre:

Situation à fin 3T2008 (Données OVUM-RHK)

Répartition part de marché fin 3T 2008

Évolution du marché 3T2007- 3T2008


Marché annuel mondial d’infrastructure WDM terrestre:

Marché WDM Metro & WDM long Haul / situation à fin 3T2008 (Données OVUM-RHK)

WDM Metro:


WDM Long Haul:



Marché annuel mondial d’infrastructure SLTE (réseaux WDM sous-marins):

Situation à fin 3T2008 (Données OVUM-RHK)

WDM Submarine Networks (SLTE):




1.2 Brève histoire des communications par fibre optique


3 éléments principaux constituent les systèmes de transmissions optiques

Système de transmissions par fibre optique

Modulateur

Données électriques

Laser

Emetteur

Photodétecteur

Donnéesélectriques

Récepteur

Fibre optique


Apparition des télécommunications optiques

� 1960 : Découverte du LASER

L'idée de transmettre de l'information sur support optique voit le jour

⇒ émission d’un signal lumineux puissant

⇒ Transmission des informations sur des distances beaucoup plus grandes

� en 1970, les laboratoires Corning annoncent la fabrication de fibres faibles pertes (20 dB/km) et apparaissent les premières diodes laser.

⇒ Leur fibre optique, pourtant loin d'égaler les performances des fibres optiques modernes, pouvait transporter 65.000 fois plus d'information qu'un câble de cuivre ordinaire !

� 1977: Première liaison commerciale par fibre optique en téléphonie.

⇒ La première ville à bénéficier d'un réseau téléphonique par fibre optique fut Chicago, en 1977.



� Début des années 80 : apparition des premiers systèmes de transmission optique

� Années 80 :

⇒ Passage des fibres multimodes aux fibres monomodes.

⇒ Passage de la fenêtre 800nm à celle des 1300nm puis des 1550nm

� Années 90 : 3 avancées majeures:

⇒ Apparition de l’amplification optique EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)

⇒ Multiplexage en longueur d’ondes = WDM (Wavelength Division Multiplexing)

⇒ FEC (Forward Error Correction)



Evolution de la capacité et technologies optiques associées

fibre multimode et laser 0.8 fibre multimode et laser 0.8 fibre multimode et laser 0.8 fibre multimode et laser 0.8 µµµµmmmm

fibre fibre fibre fibre monomodemonomodemonomodemonomode et laser 1.3 et laser 1.3 et laser 1.3 et laser 1.3 µµµµmmmm

laser 1.55 laser 1.55 laser 1.55 laser 1.55 µµµµm m m m

amplification amplification amplification amplification optiqueoptiqueoptiqueoptique

Capacité(Gbit/s.km)

100

101

102

103

104

105

106

107

1974 1982 1990 1998 2006

WDMWDMWDMWDM

Alcatel-Lucent OFC 2008: 164 x 100Gbit/s sur 2550km => 41.8 Pbit/s.km (= 41.8x1015 bit/s.km)

FEC1FEC1FEC1FEC12.5 2.5 2.5 2.5 Gb/sGb/sGb/sGb/s par canalpar canalpar canalpar canal

10 10 10 10 Gb/sGb/sGb/sGb/s par canalpar canalpar canalpar canal


Tbit/s.kmTbit/s.kmTbit/s.kmTbit/s.km

Pbit/s.kmPbit/s.kmPbit/s.kmPbit/s.km


FEC2FEC2FEC2FEC2



Evolution de la capacité et technologies optiques associées



1.3 Réseau de télécommunications et système de

transmissions optiques


plusieurs systèmes de transmissions :

� propagation de la lumière en atmosphère

� cuivre (paires torsadées)

� hertzien

� par câble

� par satellite

� micro-onde

� fibre optique

Réseaux étendus : Pourquoi la fibre optique ?


Réseaux étendus : Pourquoi la fibre optique ?Comparaison cuivre vs fibre

Fibre optique Fil de cuivre

matériau diélectrique matériau conducteur

sensibilité nulle aux interférences électromagnétiques

grande sensibilité aux interférences électromagnétiques

faible atténuation du signal : 0,2 dB/km forte atténuation du signal : 20 dB/km et plus

grande séparation entre les répéteurs pour les longues distances : 100 km répéteurs rapprochés : 1 km

réseau flexible et s'adaptant facilement aux nouvelles technologies réseau rapidement désuet

grande durabilité : plus de 20 ans dégradation rapide par la corrosion

entretien facile et presque nul nécessite beaucoup d'entretien

grande largeur de bande : grande quantité d'information transportée simultanément

largeur de bande limitée : la quantité d'information transmise est très limitée


Réseaux étendus : Pourquoi la fibre optique ? Coût du cuivre / de la fibre

La baisse significative des coûts survenue ces dernières années permet de proposer la fibre

optique comme alternative au cuivre dans tous les types de réseaux, y compris les réseaux

locaux, pour les petites entreprises ou les particuliers.


Explosion du trafic lié à Internet

� Demande croissante en capacité de transmission

Transmissions satellites adaptées à

•services mobiles•diffusion•accès zones accidentées

Transmissions satellites adaptées à

•services mobiles•diffusion•accès zones accidentées

Débit ~ 50 Mbit/s

Débit ~ 4 Tbit/s

Transmissions optiques adaptées à

•forte capacité de transmission•délais de transmission nuls•qualité & fiabilité

Transmissions optiques adaptées à

•forte capacité de transmission•délais de transmission nuls•qualité & fiabilité

Transmissions hertziennes adaptées à

•délais de transmission nuls•accès zones accidentées

Transmissions hertziennes adaptées à

•délais de transmission nuls•accès zones accidentées

Débit ~ 150 Mbit/s

Réseaux étendus : Pourquoi la fibre optique ?


Enjeu = augmenter le produit {distance x capacité}

système de transmissions optiques

Emetteur Récepteur

Mono- canal

Emetteur Récepteur

RégénérateurEmetteur Récepteur

Régénérateur : O/E/O

amplificateur optique(EDFA)

Et après ?

Comment augmenter le débit par canal ?

Comment augmenter la capacité ?

Ligne « tout-optique »



1.3 Principe et avantages du WDM


Principe et avantages du multiplexage WDM

Une meilleure exploitation de la fibre posée

� La pose de nouvelles fibres représente un coût important de génie civil

� il est donc intéressant le milieu de transmission en le partageant entre plusieurs

signaux

� La technique de multiplexage a été choisie : elle consiste à partager la fibre pour y

envoyer les données. Le multiplexage permet de faire passer sur un canal les signaux

venant de n canaux.

� TDM (Time Division Multiplexing) : multiplexage temporel

� WDM (Wavelength Division Multiplexing) : multiplexage en longueur d'ondes


� Le multiplexage temporel TDM permet de regrouper plusieurs canaux de

communications à bas débits sur un seul canal à débit plus élevé

� Le multiplexage temporel conduit à diminuer le « temps bit » pour pouvoir, en

entrelaçant N signaux bas débits (D Gbit/s), générer un signal haut débit (NxD

Gbit/s).

� Actuellement on exploite essentiellement des liaisons à 10 Gbit/s et depuis peu à 40Gbit/s (par canal).

� Des liaisons à 100 Gbit/s (par canal) sont étudiées dans les laboratoires de recherche (déploiement prévu pour 2010-2011)

multiplexage temporel TDM (Time Division Multiplexing)


signal # 1 (2.5 Gbit/s) a b c d

a b c d

Quatre signaux électriques (affluents) à 2.5 Gbit/s (4 octets sont représentés)

400 ps

Temps

a b c d

a b c d

a a a a b b b b c c c c d d d d

400/4 = 100 ps

signal numérique électriquecombiné à 10 Gbit/s

Multiplexeur électrique 4 vers 1 (synchronisation requise)

Émetteur10-Gbit/s

Signal optique 10-Gbit/s

λλλλsignal # 2

(2.5 Gbit/s)

signal # 3 (2.5 Gbit/s)

signal # 4 (2.5 Gbit/s)

multiplexage temporel TDM (Time Division Multiplexing)exemple : 4 x 2.5Gbit/s � 10Gbit/s


� Limitation de la technique de multiplexage temporel TDM

� Limite électronique : actuellement les composants électroniques industriellement disponibles ne permettent pas de réaliser de transmissions optiques à des débits (par canal) supérieurs à 40Gbit/s.

� Limite optique : la transmission d’un signal optique sur fibre est d’autant plus délicate que la largeur temporelle est faible, c’est-à-dire que sa fréquence est grande (cet aspect d’optique non linéaire sera traitée dans le chapitre suivant) :

� Contraintes [Transmission à 10Gbit/) >> Contraintes [Transmission à 2.5Gbit/s]

� Contraintes [Transmission à 40Gbit/) >> Contraintes [Transmission à 10Gbit/s]

� Contraintes [Transmission à 100Gbit/) >>> Contraintes [Transmission à 40Gbit/s]

� Etc. …

multiplexage temporel TDM (Time Division Multiplexing)


La véritable révolution technologique va se produire avec l'apparition du multiplexage en longueur d'onde ou WDM :

� amène une multiplication par un facteur considérable de la capacité du réseau.

� intérêt principal de la technique WDM = pouvoir réutiliser la fibre déjà installée

� pas de surcoût pour de nouvelles infrastructures.

Technologie WDM = injecter simultanément dans la même fibre optique plusieurs trains de signaux numériques à la même vitesse de modulation, mais chacun à une longueur d'onde distincte.

� La fibre optique se prête d’autant plus à cela que sa bande passante est très élevée

� Le multiplexage de longueur d’onde se fait exclusivement sur fibre monomode

multiplexeur

Couleurs séparées: Chacune de ces fibres portent un signal

différent

Le WDM permet d’augmenter à moindre coûtla capacité de transmission des réseaux existantsLe WDM permet d’augmenter à moindre coûtla capacité de transmission des réseaux existants

Le multiplexage en longueur d’onde WDM(Wavelength Division Multiplexing)


Transport simultané de signaux àdes longueurs d’onde différentesTransport simultané de signaux àdes longueurs d’onde différentes

Optical Fibre

RécepteursEmetteurs

λ1

λn

λ2

…

…

λ1

λn

λ2MUX

DEMUX

La technologie WDM amène une multiplication par un facteur considérable de la capacité du réseau.

Les avantages du WDM


WDM

Le multiplexage en longueur d’onde permet de réduire la quantité d’équipement� amplificateurs optiques� fibres à compensation de la dispersion…



Le multiplexage en longueur d’onde est transparent au format des interfaces :

ADM SDH

IP Router

SAN Switch

ETH Switch

...

WDM

MUX



Le multiplexage en longueur d’onde permet une gestion optique du réseau :

λ2

λ1

� gestion au niveau du canal optique

� pas de démultiplexage à bas niveau dans le domaine électrique

� réduction de la quantité d’équipement

� gestion directe de la longueur d’onde (et non plus son contenu)

� allègement du gestionnaire de réseau

λ2

λ1

Example : commutation de λ



Le multiplexage en longueur d’onde permet une augmentation progressive de la capacité

des systèmes :

� la liaison WDM peut ainsi évoluer dans le temps en fonction des améliorations

technologiques:

� Augmentation du débit par canal

� Augmentation de la densité spectrale

� Amélioration des technos amplificateurs, compensation dispersion, …

� CAPEX optimisé: le système WDM peut être équipé avec un faible nombre de canaux

initiaux.

� OPEX optimisé: des canaux supplémentaires peuvent être rajoutés à tout moment sans

impact sur le trafic existant, jusqu’à ce que la capacité finale du système soit atteinte

� � coût du système « étalé »



Combinaison du WDM et du TDM

L’utilisation conjointe des deux techniques de multiplexage TDM et WDM

permettent de proposer commercialement liaisons de capacités globales de

l’ordre du Tbit/s.

Actuellement, Alcatel-Lucent propose (commercialement) des systèmes WDM

haute capacité :

� 96 canaux (potentiellement 192 canaux) x 10 Gbit/s = 960 Gbit/s (potentiellement 1.92 Tbit/s)

� 80 canaux x 40 Gbit/s = (3.2 Tbit/s).


Les différents types de réseaux WDM terrestres

Réseaux métropolitains

(metro)

� système faible coût

� amplification optique optionnelle

� diversité de

débits/formats/protocoles

(transpondeurs)

� forte compacité et faible

consommation électrique

� flexibilité

Réseaux longues distances

(Long Haul)

� fortes capacités

� système performant

� amplification optique

� code correcteur d’erreur


DWDM & CWDM

Recommandation internationale ITU-T G.692 :

� Elle définit un peigne de longueurs d'onde autorisées dans la seule fenêtre de transmission

1530-1565 nm

� Elle normalise l'espacement en nanomètre (nm) ou en Gigahertz (GHz) entre deux longueurs

d'onde permises de la fenêtre : 200 GHz ou 1,6 nm; 100 GHz ou 0,8 nm; 50 GHz ou 0,4 nm; 25

GHz ou 0,2 nm.

On distingue 2 types de liaisons WDM en fonction de leur application :

� DWDM pour Dense WDM : système haute performance destiné aux gros réseaux

� CWDM pour Coarse WDM : système bas coût destiné aux petits réseaux


CWDM versus DWDM

CWDM

Équipement bas coût

Faible capacité (18 longueurs d’onde)

Jusqu’à 80 km / 20 dB par span

Pas de transmission à 10 Gb/s

Pas d’amplificateur

DWDM

Équipement plus cher

Jusqu’à 96/192 longueurs d’onde(Alcatel-Lucent)

Jusqu’à 200 km / 35 dB par span

Transmission à 10 Gb/s & 40 Gb/s

Amplification possible


1300 1500 1600

Loss

Wavelength

SDHSDH ::

i.e.: 96 Canaux espacés de 50GHz

(0.4nm)

1530

1568

50GHz

ITU G.694.2

CWDMCWDM ::

1310nm 1550nm

20 nm

96 Canaux espacés

de 20 nm

1271

1611

DWDMDWDM ::ITU G.694.1

CWDM & DWDM“Grilles” spectrales


Standard OSI et WDM

réseau

Support Physique

Couche application Couche application

utilisateur

Couche physiqueTransmission de trames binairesconnexion physique (optique)Couche physique

Couche liaisonTransmission de trames, détection etcorrection d’erreurCouche liaison

Couche réseauDécoupage, routage des messages,ordre des paquetsCouche réseau

Couche transport Couche transportContrôle de flux,

séquencement des messages

Couche session Couche sessionDialoguea

Couche présentation

Couche présentation

Messages, codes, langage,cryptage, compression

WDM





3) Réseau de télécommunications et système de transmissions optiques








3) Exemples


2Généralités sur les transmissions optiques

2.1 La fibre optique


3 éléments principaux constituent les systèmes de transmissions optiques

système de transmissions optiques

Modulateur


Laser

Emetteur

Photodétecteur


Récepteur

Fibre optique


la fibre optique

Propriétés importantes de la fibre optique :

� L’atténuation (perte) (en dB/km, typiquement 0.2 dB/km)

� absorption (contamination)

� diffusion (matériau)

� radiation (courbures, épissures, etc.)

� Dispersion des signaux lumineux

� Dispersion intermodale (concerne les fibres multimodes uniquement)

� Dispersion chromatique (en ps/nm.km, typiquement 17 ps/nm.km sur SMF)

– variation d’indice en fonction de λ

� Dispersion de mode de polarisation (en ps/km½) appelée PMD

– variation d’indice en fonction de la polarisation


la fibre optique : premier facteur limitant = l’atténuation

� L'atténuation dans la fibre (ou affaiblissement linéique) caractérise l'affaiblissement du signal au cours de la propagation.

Pe = puissance à l’entrée (mW);

Ps = puissance à la sortie d'une fibre de longueur L (mW);

α = coefficient d’atténuation linéaire (km-1)

On utilise plutôt le coefficient αdB (en dB/km) et relié à α par αdB = 4.343.α

Ainsi le coefficient d’atténuation d’une ligne de transmission de longueur L

s'exprime par : ααdBdB (dB/Km)= 1/L x [10 Log10(Ps/(dB/Km)= 1/L x [10 Log10(Ps/PePe)])]

= 1/L x [ P= 1/L x [ Ps_dBms_dBm –– PPe_dBme_dBm ]]

� Les transmissions longue distance se font dorénavant autour du minimum d’atténuation de la silice à 1550 nm (ordre de grandeur des pertes d’une fibre monomode : 0.2 dB/km).


spectre d’absorption de la fibre standard monomode

Pertes de propagation :

Fenêtre 1.3 µm : 0.6 dB/kmFenêtre 1.5 µm : 0.2 dB/km

Bande passante potentielle autour de 1.55 µm : 100 nm, soit 12.5 THz (∆ν=c/n. ∆λ/λ2)Bande passante potentielle autour de 1.55 µm : 100 nm, soit 12.5 THz (∆ν=c/n. ∆λ/λ2)

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

1

0.5

10

5

Bande C

Bande L

Longueur d’onde (µm)

Atténuation (dB/km)

pic d'absorption dû à la présence de radicaux OH-

dans la silice


la fibre optique : dispersion des signaux lumineux

� La dispersion dans les télécommunications optiques correspond à un élargissement temporel (=spatial) des impulsions au cours de la propagation.

� Cela vient du fait que les impulsions optiques ne sont pas strictement

monochromatiques et les différentes composantes spectrales ne se

propagent pas à la même vitesse.

� Dispersion intermodale (concerne les fibres multimodes uniquement)

� Dispersion chromatique (en ps/nm.km, typiquement 17 ps/nm.km sur SMF)

– variation d’indice en fonction de λ

� Dispersion de mode de polarisation (en ps/km½) appelée PMD

– variation d’indice en fonction de la polarisation


la fibre optique : dispersion intermodale dans les fibres multimodes

� La dispersion intermodale est inhérente aux fibre multimodes et n'existe pas dans les

fibres monomodes.

� Dans une fibre multimode, plusieurs chemins (modes) sont possibles pour la lumière,

ces trajets lumineux ayant des longueurs différentes donc des temps de parcours

différents.

� La dispersion intermodale provient de la différence de temps de parcours de la lumière dans la fibre en fonction des chemins parcourus. On constate alors un étalement temporel du signal.


la fibre optique : dispersion intermodale dans les fibres multimodes

� En conséquence, les fibres multimodes sont utilisées uniquement pour des bas débits et de courtes distances.

� Pour de plus longues distances et/ou de plus hauts débits, on préfère utiliser des fibres monomodes qui n’ont pas de dispersion modale.

� La dispersion intermodale peut cependant être minimisée (à une longueur d'onde donnée) en réalisant un gradient d'indice dans le cœur de la fibre.

� Dans une fibre à gradient d’indice, l'indice varie peu à peu et la forme de la trajectoire est plus sinusoïdale car le rayon est dévié au fur et à mesure qu'il s'éloigne du centre. La variation de chemin optique est donc plus faible car le cœur a un diamètre moindre.


la fibre optique : fibres monomodes

� Dans une fibre monomode, on obtient un seul mode grâce à la très faible

dimension du cœur (diamètre de 10 µm et moins).

� Ainsi le chemin de la lumière est imposé, il n'y en a qu'un seul : celui du cœur.

� Il n’y a donc pas de dispersion intermodale dans les fibres monomodes


216 fibres !

Beaucoup de fibres optiques dans un câble ….


la fibre optique : dispersion chromatique dans les fibres monomodes

La dispersion chromatique est exprimée en ps/(nm�km) et caractérise l'étalement du signal lié à sa largeur spectrale (deux longueurs d'ondes différentes ne se propagent pas exactement à la même vitesse).

Cette dispersion dépend de la longueur d'onde et résulte de la somme de 2 effets :

� la dispersion du matériau : elle traduit le fait que la silice, qui compose majoritairement la fibre, possède un indice optique, l'indice de réfraction, qui varie en fonction de la longueur d'onde. Cette dépendance de l'indice de réfraction en fonction de la longueur d'onde induit une modification de la vitesse de groupe propre au milieu et doit être incluse dans les lois de propagation de la lumière dans le guide.

� la dispersion du guide, liée à la forme du profil d'indice : le fait que les ondes se propagent dans un guide et non dans un milieu illimité entraîne une dépendance de l'indice effectif en fonction de la longueur d'onde. Cette influence du guidage correspond à une nouvelle contribution à l'évolution spectrale des temps de groupe.



La dispersion chromatique se traduit par un élargissement temporel des

impulsions, donc unedégradation des performances

La dispersion chromatique se traduit par un élargissement temporel des

impulsions, donc unedégradation des performances

domaine fréquentiel

Fibre optique

domaine temporel

Signal émis

fréquence

Vitessede

propagation

Signal reçu



� La dispersion d’un milieu est la relation qui existe entre son indice de réfraction et la fréquence (cette dispersion est, par exemple,à l’origine des arcs-en-ciel, où la lumière visible est dispersée par les gouttes d’eau)

� si l’indice augmente (⇔ la vitesse diminue) lorsque la fréquence de l’onde augmente (quand la longueur d’onde diminue), la dispersion est négative et est dite normale :

Régime normal : dn /dλ <0 ⇔ dv /d λ >0

� Si l’indice décroît (⇔ la vitesse augmente) lorsque la fréquence de l’onde augmente (quand la longueur d’onde diminue), la dispersion est positive et est dite anormale:

Régime anormal : dn /dλ > 0 ⇔ dv /d λ < 0

� La dispersion est la dérivée de l’inverse de la vitesse de groupe :

ng= c / vg = n0 – [ λλλλ0.(dn/d λλλλ)]

Dλλλλ= d (1 / vg )/d λλλλ = - (1/vg)2. (d vg )/d λλλλ en ps/(nm.km)


la fibre optique : dispersion chromatique dans les fibres monomodesS

i un

sign

al e

st tr

ansm

is d

ans

un m

ilieu

de

disp

ersi

on n

orm

ale

, les

com

posa

ntes

de

bass

es fr

éque

nces

voya

gent

plu

s vi

tequ

e le

sco

mpo

sant

es d

eha

utes

fréq

uenc

es.

Si un signal est transm

is dans un milieu de

dispersion anormale

, les composantes de

hautes fréquencesvoyagent plus vite

que lescom

posantes debasses fréquences.

temps temps


Dispersionchromatique

positive (anormale)

départ

Un groupe de cyclistes de différents niveaux formant un peloton, similaire aux longueurs d’onde formant

un signal optique modulé

Les cyclistes roulent àdifférentes vitesses en fonction de leur niveau, similaire aux longueurs d’onde se propageant àdifférentes vitesses

L’étalement du peloton est analogue à l’étalement du pulse due à la dispersion chromatique positive(vbleu > vrouge)

arrivée

rouge

bleu

Pulse en entrée

dispersion chromatique dans les fibres monomodes

Analogie

Distance

Pulse en sortie

Temps


signal à 2.5 Gbit/s : impulsions larges � bande spectrale étroite

Dispersionchromatique

Positive (anormale)

interférence inter-symbolefaible

Orange Vert Orange Vert

signal à 10 Gbit/s : impulsions étroites � bande spectrale largeinterférence inter-symboleimportante

Rouge

BleuRouge

Bleu

Dispersionchromatiquepositive


réduction des performances du système



� Dans le cas d’une transmission numérique, l’élargissement temporel de l’impulsion ne doit pas excéder une fraction du temps bit pour garantir un faible taux d’erreur.

� L’étalement temporel entre 2 longueurs d’onde est proportionnel :

� À la distance de transmission

� À la largeur spectrale du signal (et donc du débit/ du format de modulation choisi)

� À la dispersion de la fibre de propagation

� Ceci implique une limitation de distance (longueur de dispersion) pour une propagation sans compensation, qui est inversement proportionnelle à la dispersion de la fibre et au carré du débit de transmission.

( )[ ] [ ]B L Gbit s kmD ps nm km

Max2 2

510× =/ ./ .

Débit (Gbit/s)Distance max. sans compensation de dispersion (km)

Dispersion de la fibre (ps/(nm.km))


la fibre optique :

dispersion chromatique dans les fibres monomodes / limitation en fonction du débit

LMax = 105/(B2 x D)31.25 km3.68 km40Gb/s

5 km588 m100Gb/s

500 km58.8km10Gb/s

8000 km941.2 km2.5Gb/s

DSF (G.653) 2ps/nm.kmSMF (G.652) 17ps/nm.kmDébit / Fibre

Débit par canal B (Gbit/s)

Span non régénéré

L M

ax(km)

1

10

100

1000

10000

1 10 100

2 2 2 2 pspspsps/nm.km/nm.km/nm.km/nm.km

17 17 17 17 pspspsps/nm.km/nm.km/nm.km/nm.km


16251275 1325 1375 1425 1475 1525 1575

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Longueur d’onde (nm)

Dispersion (psec/nm.km)

FenêtreEDFA

SMF: fibre monomode standardG.652

DSF: fibre à dispersion décaléeG.653 �dispersion chromatique

TeraLight™Fibres à dispersion

anormaleNZ-DSF

NZ-DSF: fibre à dispersion décalée non nulleG.655 � effets non-linéaires

la fibre optique :



dispersion chromatique dans les fibres monomodes : G652 (SMF ou SSMF)

La fibre la plus produite au monde est, toutes applications confondues, la G.652 (norme internationale) communément appelée SMF ou SSMF (Standard Single-mode fibre) :

� conception au début des années 80 (introduction en 1983) � antérieure à la découverte des principes des systèmes de transmission.

� dispersion chromatique:

� nulle dans la plage à 1,3 µm

� dispersion chromatique élevée (17 ps/nm.km) dans la plage à 1,55 µm des transmissions longue distance : cette forte valeur dispersion est très contraignante pour le passage de la fenêtre des 1300nm à celles des 1550nm.

� Il faudra attendre l’arrivée de dispositifs de compensation de dispersion chromatique permettant ainsi de s’affranchir de cette limitation sur les systèmes de débit à 10 Gbit/s et plus : nous verrons en détail les divers dispositifs de compensation de la dispersion chromatique.

� Fibre largement utilisée dans les réseaux Long Haul: + de 80 million de kms de fibre installés dans le monde

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Att

enua

tion

(dB

/km

)

1600 1700140013001200 15001100

Wavelength (nm)

EDFAC-band

Attenuation(all Fiber types)

20

10

0

-10

-20

Dispe

rsio

n (p

s/nm

×km

)

Standard Single-Mode FiberStandard Single-Mode Fiber


dispersion chromatique dans les fibres monomodes : G653 (DSF)

C'est pour contourner la difficulté générée par une forte dispersion chromatique de la fibre G652, qu'ont été mises au point les fibres G.653.

� Communément appelée DSF (Dispersion Shifted Fibre)

� Introduction en 1985

� Dispersion chromatique s'annulant dans la plage à 1,55 µm � Optimisée pour les transmissions mono-canal

� Cependant, l'avènement du WDM a réduit l'intérêt de ces fibres à néant, la faible dispersion chromatique favorisant dramatiquement les effets non linéaires croisés et interdisant de ce fait d'atteindre des efficacités spectrales raisonnables.

� Cette fibre - largement déployée dans le monde (particulièrement en Amérique latine et au Japon) ne présente donc aujourd'hui plus d’avantages techniques bien au contraire.

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Att

enua

tion

(dB

/km

)

1600 1700140013001200 15001100

Wavelength (nm)

EDFAC-band


20

10

0

-10

-20

Dispe

rsio

n (p

s/nm

×km

)

Standard Single-Mode Fiber

Dispersion-Shifted Fiber


dispersion chromatique dans les fibres monomodes : G655 (NZDSF , TeraLight)

L'apparition du multiplexage en longueur d'onde (WDM) va booster la recherche internationale vers la conception de fibres spécifiquement optimisées pour le transport de signaux WDM.

� Communément appelée NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fibre)

� la norme G.655 va naître en 1996 avec l’idée de tirer profit de caractéristiques en dispersion chromatique intermédiaires entre celles des fibres G.652 et G.653.

� L’objectif de cette fibre G655 est de réduire les pénalités apportées par les effets croisés lors d’une transmission multi-canaux (WDM) dans la région 1550 nm.

� La dispersion chromatique est non nulle dans la zone 1530-1565 nm (la valeur de dispersion chromatique peut être positive ou négative)

� plusieurs fibres G.655 sont actuellement disponibles commercialement pour les réseaux de transmission longue distance. Citons les principales : TrueWave (Lucent), TeraLight™ (Alcatel), LEAF® (Corning)

� D’autres paramètres importants vont influer sur le choix complexe les différentes fibres comme l'aire effective et la pente de dispersion chromatique.

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Att

enua

tion

(dB

/km

)

1600 1700140013001200 15001100

Wavelength (nm)

EDFAC-band


20

10

0

-10

-20

Dispe

rsio

n (p

s/nm

×km

)

Standard Single-Mode Fiber

Dispersion-Shifted Fiber

NZDF


dispersion chromatique dans les fibres monomodes :

G655 ou G652 ?

Le choix de la fibre par les opérateurs reste donc un véritable enjeu :

� La fibre est un bien d'investissement pérenne pour l'opérateur

� Il faut prendre en compte les performances des équipements actuels, mais aussi se projeter le plus avant possible dans leurs évolutions et ainsi offrir les meilleures garanties d'utilisationavec les futures générations de système.

Le développement de ces futures générations de systèmes sera fortement influencé par les conditions du marché et donc par les parts respectives des 2 types de fibre dans les réseaux mondiaux.

� Actuellement, la fibre G655 a un taux de pénétration en moyenne supérieure à celui de la fibre G.652 dans les réseaux longue distance, notamment en Amérique du Nord

� Cependant, la conception des systèmes reste encore fortement influencée par la fibre historique G652.

� Bien qu’obsolète, la fibre G653 est également bien implantée en particulier dans les pays en voie de développement.

� Il est donc primordial pour les équipementiers tels Alcatel-Lucent de pouvoir répondre technologiquement sur tout type de fibres.


la fibre optique :

dispersion de mode de polarisation dans les fibres monomodes (PMD)

PMD = Polarisation Mode Dispersion

� La dispersion modale de polarisation est à prendre en compte dès lors que le débit par canal atteint 10Gbit/s. A un tel taux de transmission, la lumière interagit fortement avec les matériaux traversés et se polarise plus ou moins en fonction des propriétés des fibres (température, contraintes mécaniques, concentricité).

� La dispersion de mode (ou modale) de polarisation est induite par la biréfringence naturelle ou accidentelle de la fibre optique (une fibre n’est jamais parfaitement circulaire) et entraîne un dédoublement des impulsions transmises et donc une dégradation de la qualité de la transmission.

� La PMD est un phénomène stochastique (aléatoire). Sa mesure repose donc sur une approche statistique.

� La PMD est exprimée en ps/√km


La dispersion des modes de polarisation se traduit parun élargissement temporel des impulsions.

Il s’agit d’un phénomène variable dans le temps,donc imprévisible et difficilement contrôlable.

La dispersion des modes de polarisation se traduit parun élargissement temporel des impulsions.

Il s’agit d’un phénomène variable dans le temps,donc imprévisible et difficilement contrôlable.

la fibre optique : PMD dans les fibres monomodes

Fibre optique

État de Polarisation rapide

État dePolarisation lent

Signal reçuSignal émis


départ

Dispersiondes modes depolarisation

arrivée

Une groupe de cyclistes, répartis en deux catégories (vélos et trottinettes), similaire aux deux états de polarisation du signal

La séparation en deux du groupe de cycliste est

analogue àl’élargissement de l’impulsion du à la

dispersion des modes de polarisation

Les deux groupes de cyclistes roulent à des vitesses différentes,

similaire aux deux états de polarisation se propageant à

différentes vitesses

PMD dans les fibres monomodes : analogie


La PMD est plus un problème pour les «vieilles» fibres G652 (<1995) que les récentes fibres G652, G653 ou G655.

Le caractère statistique de la PMD est pris en compte par le fait que, pour déterminer le délai PMD maximum autorisé, seul un dixième de la largeur du bit TB est autorisée.

Les contraintes liées à la PMD augmentent avec :

- Le débit par canal

- La longueur de la liaison

- Le nombre de canaux (possibilité de perdre la détection des canaux)

distance maximum versus PMD de la fibre

0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3600

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

PMD de la fibre (ps/km1/2)

distance m

ax (km)

2.5 Gbit/s

10.0 Gbit/s

40.0 Gbit/s

160.0 Gbit/s

Typiquement :

PMD (fibre) ≅≅≅≅ 0.2 ps/√√√√ km

PMD dans les fibres monomodes : dégradation de la performance


2Généralités sur les transmissions optiques

2.2 Effets non-linéaires dans la fibre optique


Les effets non linéaires dans les fibres optiques

Les systèmes de télécommunications sur fibre sont conçus dans l'hypothèse d'une

transmission linéaire et les effets non-linéaires sont alors des effets parasites qui en

dégradent les performances quand les puissances véhiculées deviennent élevées.

Aujourd'hui, les systèmes de transmission à haut débit et grande distance utilisent des

amplificateurs optiques, ce qui conduit à des puissances injectées dans la fibre très

élevées et des effets non-linéaires non négligeables.


Les effets non linéaires dans les fibres optiques

� Effets non-linéaires provoqués par l’effet Kerr : dépendance de l’indice de réfraction de la fibre à la puissance optique injectée

� auto-modulation de phase (SPM)

� modulation de phase croisée (XPM)

� mélange à quatre ondes (FWM)

� Effets non-linéaires provoqués par l’interaction photon-matière

� diffusion Brillouin stimulée

� diffusion Raman stimulée

( )effA

tPnnn ×+= 20

n2 = 2.7 x 10-20 m2/W Aeff = aire effective

(≈≈≈≈ 80 µm2 pour la fibre G.652≈≈≈≈ 50 µm2 pour la fibre G.653)


Les effets non linéaires dans les fibres optiques :

effet Kerr : SPM, XPM et FWM

Effet Kerr = dépendance de l’indice de réfraction de la fibre à la puissance optique injectée

� auto-modulation de phase (SPM)

� modulation de phase croisée (XPM)

� mélange à quatre ondes (FWM)



SPM (Self Phase Modulation), un effet mono-canal

( )effA

tPnnn ×+= 20

L’auto-modulation de phase : l’indice de réfraction le long de la fibre évolue avec le

profil de puissance de l’impulsion :

� variation du chemin optique

� variation de la phase, due à la variation de la puissance optique de l’impulsion

� décalage de la longueur d’onde instantanée et création de nouvelles composantes

dans le spectre

� éélargissement spectral du canallargissement spectral du canal

En l’absence de dispersion, pas de distorsion temporelle du signal

C’est lorsque l’auto-modulation de phase est combinée avec la dispersion chromatique

que ses effets sont visibles :

� Puisque le spectre du signal est élargi, le canal sera très sensible à la dispersion chromatique

� En régime de dispersion positive, l’impulsion est comprimée (les composantes bleues sont plus rapides

que les composantes rouges, donc le front montant de l’impulsion est plus lent que le front descendant)

La SPM ne peut pas être compensée, mais atténuée par une gestion de la dispersion.




( )[ ]( )

=z

S

TzPnj

Tzj effNL ee

,2

,2λ

πφ

( ) ( ) ( )z

t

tzP

S

n

t

tztz

eff

NLi δ

δλπ

δδφω ,2,

, 2−=−=∆

Flanc montant :( ) ( ) ⇒<∆⇒> 00 tt

tPiω

δδ

red shift

Flanc descendant :( ) ( )δ

δωP t

tti< ⇒ > ⇒0 0∆ blue shift

Génération de nouvelles fréquences optiques :




0 50 100 150 200

Temps (ps)

puis

sanc

e

Puissance modulée P(t)

Long

ueur

d’o

nde

Temps (ps)0

Impulsion

Blue

Red

50 100 150 200

Flanc descendant

Flanc montant

Temps (ps)

Flanc descendant

Flanc montant

FIBRE

Amplitude

0 150 Amplitude

Longueur

d’onde


2 dBm

17 dBm

18 dBm

20 dBm

9 kmDCF

80 kmSMF

80 kmSMF

9 kmDCF

Tx Rx

� La SPM affecte surtout les flancs de montée/descente

Pin Pin Pin




Time

Fall in

ged

geR

isin

ged

ge

Time Time Time Time Time Time Time Time Time

Impulsion de départ

SPM=>modulation de fréquenceDispersion=> compression

Dispersion => Elargissement de l ’impulsion (composantes

spectrales rapides sur le flanc montant, lentes sur le flanc

descendant)

Dispersion =>composantes spectrales lentes

et rapides se croisent

Amélioration de la qualité de transmission grâce à la compression

Dégradation de la qualité detransmission à cause de l ’élargissement

Dispersion >0

Compression des impulsions

Bruit ASE

Interactions dispersion-SPM :

évolution d’une impulsion dans la fibre (avec atténuation)



XPM (Cross Phase Modulation), un effet multi-canal

� XPM modulation de phase croisée :

l’indice de réfraction le long de la fibre évolue avec les profils de puissance

des autres impulsions se co-propageant dans la fibre

� variation du chemin optique

� variation de la phase, due aux variations de puissance optique des autres impulsions

� L’impact de la modulation de phase croisée (XPM) dépend de :

� la puissance par canal

� la dispersion

� l’écart entre canaux

� les états de polarisation

( ) ( )

+×+= ∑

≠ ij eff

j

eff

i

A

tP

A

tPnnn 220

Indice de réfraction vu par le canal n°i :

(SPM) (XPM)



XPM (Cross Phase Modulation), un effet multi-canal

Temps (ps)

Pui

ssan

ce o

ptiq

ue

λλλλ1

λλλλ2

λλλλ3

λλλλ4

0 125 250 375 500

Impulsions 100-psXPM :

changement de l’indice de réfraction lors de la variation de puissance

des autres canaux

� Les distorsions dépendent de l’information sur les canaux adjacents


� génération de nouvelles fréquences par un processus d’inter-modulation du 3ème ordre

Fréquence optiqueFréquence optique

Diaphoniedans la bande du signal

Diaphonieen-dehors de la bande du signal

DSF


FWM (Four Wave Mixing), un effet multi-canal


� Mélange à 4 ondes = interaction entre 3 canaux de fréquences f1, f2 et f3.

� Des canaux sont créés aux fréquences : fFWM = fi + fj – fk où i, j et k sont pris égaux à 1, 2 ou 3

� Comme les longueurs d’ondes sont choisies suivant la grille ITU, leurs écarts en fréquences sont réguliers et les pics parasites se retrouvent à la fréquence attribuée à un autre canal.

� Le mélange à quatre ondes génère de la diaphonie dans la bande et en dehors de la

bande du signal :

� Interférence entre les signaux WDM et les nouvelles longueurs d’ondes crées par FWM

� Les nouvelles fréquences créées par FWM génèrent un bruit supplémentaire qui passe à travers le multiplexeur du signal en réception

Inter-modulations…

… signal


FWM (Four Wave Mixing ), un effet multi-canal


� Ce qu’il faut retenir :

� Le mélange à 4 ondes (FWM) est une autre résultante de l’effet Kerr

� Le FWM est caractérisé par un processus paramétrique de création de nouvelles longueurs d’onde lorsque plusieurs porteuses se propagent simultanément sur la fibre

� La diaphonie (crosstalk en anglais) due au FWM augmente avec :

– une forte puissance par canal

– une faible dispersion (accord de phase, conservation de l’impulsion)

– un écart petit ou régulier en longueur d’onde entre les canaux

� cet effet limite sérieusement la qualité de la transmission.

� La mise en évidence de ces différents effets expliquent le développement des fibres optiques NZDSF (dispersion non nulle vers 1550 nm au cours de ces dernières années) afin de contrecarrer les effets croisés des systèmes WDM (XPM mais surtout FWM) se propageant sur sur les fibres à dispersion décalée (DSF: dispersion nulle vers 1550 nm)


FWM (Four Wave Mixing), un effet multi-canal



la diffusion non linéaire : effets Brillouin (SBS) et Raman (SRS)

Les phénomènes de diffusion non linéaire dans une fibre optique sont dus à l’interaction photon-matière (le milieu n’est pas passif).

Il existe 2 types de diffusion non-linéaire :

� Diffusion Brillouin stimulée (SBS pour Stimulated Brillouin Scattering)

� Diffusion Raman stimulée (SRS pour Stimulated Raman Scattering)

Les diffusions Brillouin et Raman sont fondamentalement identiques :

elles impliquent un couplage non-linéaire d’une variable mécanique avec la polarisation engendrée par le champ électromagnétique.

Lorsqu’un mode vibrationnel d’une molécule est excité, on parle de diffusion Raman.

phénomène optique : génération de nouvelles fréquences éloignées de la fréquence incidente (décalage de 13THz dans la silice)

Lorsque l‘onde optique est couplée à une onde acoustique, on parle de diffusion Brillouin.

phénomène acoustique : génération d’ondes acoustiques et décalage de la fréquence de l’onde incidente (décalage de 11GHz dans la silice)


puissancetransmise

puissanceémise


diffusion Brillouin stimulée (SBS)

Théorie : diffusion Brillouin stimulée (SBS pour Stimulated Brillouin Scattering):

� La diffusion Brillouin stimulée trouve son origine dans l’interaction entre une onde dite de pompe avec une onde acoustique (présente dans la fibre). Cette interaction crée une onde Stokes à une fréquence inférieure à la fréquence de pompe se propageant dans le sens opposé à celle-ci (transfert d’énergie du signal de pompe vers des fréquences inférieures).

� La diffusion Brillouin stimulée se traduit par la rétro-diffusion d’une partie de la puissance du signal lorsque la puissance injectée dans la fibre dépasse un seuil dit seuil Brillouin.

sourceoptique

EDFApuissanceréfléchie



diffusion Brillouin stimulée (SBS)

Ce qu’il faut retenir :

SBS = Effet non-linéaire dû à la diffusion inélastique dans la silice (phonon acoustique):

� diminution de fréquence (» 11 GHz) du photon diffusé

� le photon diffusé se propage en direction contraire (rétro-diffusion)

� limitation de la puissance transmise : seuil (SBS) ~ 8 dBm à l’émission (par canal)

� bruit additionnel sur l’onde transmise

On en limite les effets en superposant au signal une faible modulation (diminution de

la densité spectrale du signal par application d’une sur-modulation de la porteuse)

en pratique, SBS n’est pas une forte limitation



diffusion Raman stimulée (SRS)

L’impact de la SRS est d’autant plus importante que :

� l’aire (surface) effective de la fibre est petite

� la bande spectrale occupée (totale) est large

� le nombre de canaux est important

� la puissance par canal est grande (c’est un effet non-linéaire)

SignalPompeRSignal

PPgdz

dP××=

Vibration Vibration Vibration Vibration de la de la de la de la molmolmolmolééééculeculeculeculede de de de silicesilicesilicesilice

PompePompePompePompe

OndeOndeOndeOnde de Stokesde Stokesde Stokesde Stokes

PompePompePompePompe

Le photon incident agit comme une pompe et

peut créer du gain à cette nouvelle fréquence

Théorie de base : diffusion Raman stimulée SRS (SRS pour Stimulated Raman Scattering)

� la diffusion Raman stimulée SRS est la diffusion d’un photon incident par une molécule de la structure vers un photon de fréquence plus faible (i.e., une longueur d ’onde supérieure appelée onde de Stockes ); la molécule effectue une transition entre 2 états vibrationnels.

� La SRS est un effet rapide (« instantané »)



diffusion Raman stimulée (SRS)

� Dans la pratique :

� La SRS convertit une faible portion de la puissance incidente d’un signal optique en un autre signal d’une fréquence inférieure (effet Raman).

� cela se traduit par un transfert d’énergie des basses λ vers les hautes λ dû aux vibrations moléculaires dans le matériau (silice)

� conséquences :

� En théorie : la SRS peut engendrer des effets significatifs pour un multiplexe de canaux sur une large bande : inter-modulation entre canaux et tilt du gain

� Expérimentalement : dans les systèmes WDM le seul effet observé (à forte puissance(*) ~20 dBm)

est un tilt du gain : déplétion de puissance dps d’un canal à λp vers un canal amplifié à λs (λp <λs)

(*) Puissance optique totale dans la fibre



diffusion Raman stimulée

Puissance par canal :-10 dBm

0.7 dB

Power (0.5 dB/Div)

Puissance par canal : +5.6 dBm

2.3 dB

Power (0.5 dB/Div)

Power (0.5 dB/Div)

25.6 nm

100-km NZ-DSF

32 x 10 Gbit/s

Effet Raman sur la transmission d’un multiplexe à32 canaux en fonction de la puissance par canal


Résumé des effets non-linéaires

Mono-canal Multi-canal

Auto- modulation de phase (SPM)Le signal optique module sa propre phaseproportionnellement à sa puissance

Modulation de phase croisée (XPM)La phase du signal est modifiée par la puissance des autres canaux

Diffusion Brillouin stimulée (SBS)Rétrodiffusion du signal; électrostriction.

Mélange à 4 ondes (FWM)Génération de nouvelles composantes spectrales

Effet Kerr

Interactions avec le milieu

Diffusion Raman Stimulée (SRS)Transfert d’énergie entre canaux.


2Généralités sur les transmissions optiques terrestres

2.3 fonctions optiques disponibles et technologies associées


fonctions optiques disponibles et technologies associées aux transmissions terrestres WDM

fonctions optiques disponibles et technologies associées

� Terminal d’émission / réception

� Amplification (Erbium, Raman distribuée)

� Compensation de la dispersion chromatique

� Compensation de la dispersion modale de polarisation

� Code correcteur d’erreurs


Modulateur

fonctions optiques disponibles et technologies associées :

terminal d’émission/réception



Laser

MultiplexeurRécepteur

Demultiplexeur

Booster Pré-ampliLigne de transmission

WDM

Peigne de signaux optiques modulés

Terminal d’émission Terminal de réception

Peigne de signaux optiques modulés



terminal d’émission

La modulation du signal optique peut être directe ou externe au laser :

� La modulation directe génère simultanément une variation de la fréquence laser appelée « chirp ». Combiné à la dispersion chromatique, ce phénomène dégrade les performances et limite la distance possible de transmission.

� C’est donc la modulation externe qui est généralement privilégée pour les systèmes de télécommunication longue distance. Le modulateur externe est réalisé à partir d’un interféromètre Mach-Zehnder à base de niobate de lithium.

In Out

LiNbO3

Déphasage φ

Déphasage -φ

Interféromètre Mach-Zehnder

T e n s i o n

Tra

nsm

ission

2V π

T auxd ’ex tinc tio n

Im p ulsions é lec tr iq uesissues du P R B S

F

F : po in t de fo nc tio nne m en tV π est la tension app liquée te lle q ue la d ifférence de phase en tre les deux b ras so it é gale à π



terminal de réception

Le récepteur transforme les informations optiques qu’il reçoit en données électriques puis remet en forme le signal :

� Le contrôleur automatique de gain sert à garder un niveau de puissance constant des bits reçus

� le circuit d’extraction de l’horloge permet de récupérer la base de temps qui servira pour la synchronisation du récepteur

� Les signaux sont ensuite injectés dans un circuit de décision (va régénérer les données en comparant les niveaux de puissances des bits à un seuil prédéterminé)

Signal optique reçu Signal régénéré

0 500 100

100 ps/div. 100 ps/div.

Contrôleautomatique du

gain

Filtrepasse bas

Circuit dedécision

Circuitd’extraction de

la clock











amplification (Erbium, Raman distribuée)

� L’atténuation de la puissance du signal traversant une fibre optique limite énormément les distances qu’on pourrait desservir d’ou la nécessité de l’amplification.

� L’amplification se faisait d’une manière électrique jusqu’à l’apparition de l’amplificateur à fibre dopée à l’erbium

Pui

ssan

ce

optiq

ue d

u si

gnal

Distance parcourue dans la fibre

Seuil de détection du signal

Amplificateurs optiques

émetteur récepteur

� L'amplification optique est à l'origine d'une véritable révolution dans le domaine des télécoms

� cette amplification peut intervenir sur l'ensemble des N longueurs d'onde d'un multiplexe, sans distorsion du signal

� Avantage énorme en association avec le multiplexage en longueur d'onde (WDM)

⇒ l’amplification optique évite donc une conversion opto-électronique

⇒ l’amplification optique évite une amplification électrique sur chaque canal, donc N amplis électriques



intérêt de l’amplification optique

L’amplification optique peut avoir lieu en 3 points d’une liaison qui correspondent aux 3 applications principales des amplificateurs :

� Booster (ou post-amplificateur) : pour augmenter la puissance de sortie de l’émetteur

� Amplificateur de ligne : pour compenser l’atténuation du signal par la fibre et autres pertes

� pré-amplificateur : pour augmenter la sensibilité du récepteur et le budget (optique) de la liaison

Moduled’émission

Module de réception

BoosterBooster Pré-ampliPré-ampliAmplide ligne

Amplide ligne

Amplide ligne

Amplide ligne

Amplide ligne

Amplide ligne

Section d’amplification

(ou span en anglais)

L’amplificateur optique permet d’amplifier simultanément toutesles longueurs d’onde du signal sans conversion opto-électronique

L’amplificateur optique permet d’amplifier simultanément toutesles longueurs d’onde du signal sans conversion opto-électronique



les amplificateurs à fibre dopée (EDFA)

� Les fibres EDFA (EDFA pour Erbium Doped Fibre Amplifier) fonctionnent comme des lasers sans cavité, c'est-à-dire qu'elles nécessitent une inversion de population sur un niveau métastable d'énergie E=hνννν, qu'un photon de même énergie va venir stimuler afin d'obtenir une émission cohérente.

Photon

signaljumeaux

E3

E1

E2

Photon

signal

Photons

jumeauxniveau

fondamental

niveau excité Non radiatif (temps de

relaxation très rapide)

niveau métastable

relaxation radiative dans le

niveau fondamental

Pompe:Absorption de E1 vers E3




� Il existe un seuil d'intensité de pompe afin d'obtenir un effet amplificateur.

� Les électrons des ions Erbium sont excités par le passage de la pompe et se désexcitent en émettant un photon :

� soit au passage du signal : il y a alors amplification

� soit naturellement : c’est l’émission spontanée : cette émission spontanée est aussi amplifiée et est source de bruit

créé lors de l’amplification optique. Elle est quantifiée par le facteur de bruit des amplificateurs Nf.

PASE = NF.G.hν∆νν∆νν∆νν∆ν

-4

0

4

1450 1500 1550 1600Longueur d’onde (nm)

Gai

n (u

. a.)

N1 = 1N2 = 0

N1 = 0N2 = 1G > 1

G < 1

1

Nt = N1 + N2

N2, N1: densité de population à l’état métastable et à l’état fondamental

Pour qu’il y ait amplification, il faut qu’il y ait inversion de population ….




� Le pompage est réalisé optiquement par couplage dans la fibre d’un flux lumineux puissant provenant de diodes laser de pompe (1480 et 980 nm).

Laser de pompe

fibre monomode dopée Erbium

ls

lp ls + lpWDM

Signalentrant

Signalsortant

Photodiodede monitoring

Photodiodede monitoring

isolateur isolateur

Pompe = sources semi-conducteur de qq. centaines de mW @1480nm / @980 nm

coupleurs: monitoring de la puissance d’entrée / de sortie

isolateurs optiques : protection contre les réflexions

WDM : Multiplexage du signal & de la pompe dans la fibre dopée

EDFA =



Schéma d’un amplificateur Optique (EDFA) double étage

entrée

1er étage 2eme étage

Pompe @ 980 nm Pompe @ 1480 nm

sortie

Monitoring Monitoring Monitoringperte

Attenuation9 - 15 dB

DCU

Ou

EDFA : diverses architectures possibles

configuration « Amplificateur double-étage »

- bande passante : 1530 - 1570 nm

- puissance de sortie : de + 6dBm à +23dBm

- faible figure de bruit (NF < 6 dB)

- autorise l’insertion d’éléments optiques sans

impact sur le budget optique (OADM, DCU)

Pompage à 1480 nm (système à 2 niveaux):

plus efficace que celui à 980 nm / bruit important

Pompage à 980 nm (système à 3 niveaux)

Meilleur facteur de bruit / gain plus faibleNFlin= NF1lin+ NF2lin/(G1lin.ISlin)



l’amplification Raman distribuée

� Nous avons vu précédemment que la diffusion Raman (SRS) convertit une faible portion de la puissance incidente d’un signal optique en un autre signal d’une fréquence inférieure (effet Raman). Cela se traduit par un transfert d’énergie des basses λλλλ vers les hautes λλλλ dû aux vibrations moléculaires dans le matériau (silice).

� Dans un multiplexe de canaux régulièrement espacés, la SRS génère un tilt (nuisible) qui est proportionnel à la puissance injectée dans la fibre et à l’aire effective de la fibre.

Longueur d ’onde

100 nm

Pompe

Spectre de gain

Signal

� Mais il est également possible de tirer profit de cet effet Raman

qui en transformant la fibre de transmission en un milieu

amplificateur.

� fenêtre d’amplification du gain Raman = 13THz (≈ 100 nm) au-dessus de λλλλp

(longueur d’onde de pompe)

� amplification Raman = grande largeur spectrale de gain

� Transmissions autour de 1550 nm � amplification Raman avec une pompe (signal optique) de forte puissance autour de 1455 nm.




Raman amplifier

MuxEDFA

PompeRaman

Principe

� L’ampli Raman exploite un effet non linéaire dans la fibre de ligne

� Un signal de pompe puissant «secoue» les molécules de la fibre qui amplifient les signaux utiles avoisinants

Pompage

� Généralement contra-directionnel

� Longueur d’onde environ 100 nm sous la longueur

� d’onde du signal utile

Avantages

� Amélioration du facteur de bruit par rapport à l’EDFA

� Large bande sur les bandes spectrales Télécoms (potentiellement plusieurs centaines de nm)

� Permet l’injection de plus faibles puissance � réduction des effets non linéaires

� Obtention de fort gain

� Tous types de fibre


0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

1450 1470 1490 1510 1530 1550 1570 1590 1610 1630 1650

wavelength (nm)

gR(arb. unit)

Pompe @1455 nm Pompe @1480 nm



� Spectre de gain en fonction de la longueur d’onde de pompe

� Indépendant du type de fibre– Large spectre (jusqu’à 40 THz)

– Pic de gain autour de 13 THz (≈ 100 nm)

– Le pic de gain dépend de la surface effective de la fibre


0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25

Gain Raman en dB

Nf équivalent

en dB

Nfequivalent = NfRaman +NfEDFA

GRaman

-20

-15

-10

-5

0

5

0 20 40 60 80 100 120

Avec Amplification Raman

Sans Amplification Raman

Puissance (dBm)

Distance (km)



Le facteur de bruit équivalent de l’ampli hybride Raman/EDFA est très faible



l’amplification Raman distribuée améliore l’OSNR

L’ampli Raman permet d’améliorer l’OSNR par rapport à l’ampli EDFA

Il permet donc d’aller plus loin en terme de distance.

100 km 200 km 300 km

distance

OSNR

35 dB

25 dB

30 dB

avec Raman

sans Raman

répéteurrépéteur répéteurrépéteur répéteurrépéteur

Gainsur

l’OSNR

OSNR = Optical Signal to Noise Ratio = Rapport signal à bruit



l’amplification Raman distribuée et ses applications

Liaisons sous-marines

� Longues distances non répétées = applications sans–répéteurs

(sans amplification en ligne)

� 300 km à 400km

� Amplification Raman + amplification standard EDFA

�En service aujourd’hui

Liaisons terrestres

� Très longues distances sans régénération opto-électronique

� 1500 km à 4500 km

� Amplification Raman + amplification EDFA spécifique

�Commercialement disponible

Réseau ECFS











compensation de la dispersion chromatique

� Comme nous l'avons vu précédemment, la dispersion chromatique crée un élargissement du signal lorsqu'il se propage dans la fibre, ce qui limite la distance de propagation sans compensation (diaphonie entre les canaux).

� Des modules compensateurs de dispersion (DCU = Dispersion Compensation Unit) sont donc utilisés pour résoudre ce problème. Plusieurs technologies optiques de compensation de la dispersion chromatique existent :

� Fibres compensatrices DCF (Dispersion Compensation Fibre) : technique la plus courante

� Fibres compensatrices HOM (Higher Order Mode Fibre)

� Filtres interférométriques :

– Compensateurs à base de réseaux de Bragg

– interféromètre de Mach-Zehnder

– interféromètre de Gires-Tournois

� Techniques de conjugaison de phase VIPA (Virtually Imaged Phased Array)



fibres de compensation de la dispersion chromatique (DCF)

Caractéristiques de la DCF :

� Les DCF sont des fibres qui sont conçues pour avoir de fortes dispersions négatives grâce à des modifications de leurs paramètres opto-géométriques.

� la compensation consiste à introduire un tronçon de longueur adapté de cette fibre dont la dispersion est de signe opposé par rapport à celle accumulée dans la fibre de ligne.

Avantages :

� Les DCF utilisent une faible longueur de fibre, ce qui limite les pertes de propagation du module.

� son caractère large bande

� La première génération compensait uniquement la dispersion. Désormais, les DCF actuelles compensent la dispersion de la fibre et également la pente de presque toutes les fibres de ligne.

Inconvénients :

� Les DCF sont des fibres avec de faibles surfaces effectives donc sensibles à la puissance injectée � effets non-linéaires

� encombrement important, perte linéique

� Valeur de dispersion non accordable (compensation de tronçon de 80km par exemple)











compensation de la dispersion modale de polarisation

� Le phénomène physique lié à la PMD est la biréfringence présente dans la fibre (naturelle ou accidentelle) �dispersion temporelle des impulsions.

� La PMD dans les fibres optiques est un phénomène statistique, peu pénalisant pour les faibles débits, mais devient vite limitant pour le transmissions à fort débit (40Gb/s).

� La distorsion apportée par la PMD varie au cours du temps on définit une fonction de répartition des pénalités, donc une probabilité de dépasser une pénalité donnée.

L’aspect statistique de la dispersion de

polarisation fait qu’elle n’est jamais

complètement «compensée»




� 2 grandes familles de dispositifs de compensation de la PMD (PMDM pour Polarisation Mode Dispersion Mitigator) co-existent :

� égalisation électronique

� compensation optique

� Un point commun: le caractère adaptatif, pour suivre l’évolution de la PMD au cours du temps.

� Définition du DGD (DGD=Differential Group Delay) :

� Les composantes du signal dans la base des axes propres n’arrivent pas en même temps

� ∆τ=différence de temps de groupe entre 2 états principaux de polarisation (ps)




� Minimisation des effets de la PMD grâce à la compensation optique de PMD :

� Addition de DGD opposé à celui apporté par la fibre de ligne

� Minimisation des effets de la PMD grâce à la compensation électronique de PMD

� Égalisation spectrale électrique adaptative

DGD

CompensateurOptiquede PMD

DGDRésiduelle

Rx

DGD

Rx Compensateurélectriquede PMD











Code correcteur d’erreurs (FEC)

� FEC : Forward Error Correction

� Technique pour améliorer la robustesse de la transmission de données :

� bits supplémentaires inclus dans le train de données

� détection et corrections des erreurs par des algorithmes spécifiques en réception

� le FEC permet d’améliorer les performances

� le FEC permet de vérifier la qualité de transmission

� le FEC est une fonction développée à l’origine pour des applications sous-marines, selon le standard G.975.

� Plusieurs types de FEC

� “in-band” FEC

� “out-of-band” FEC


•••• •••• •••••••••••• •••••••• •••••••• •••• •••• •••••••• •••••••• ••••

RWAλ1

SDHterminal

λ1

λ2

λ3

•••• •••• •••• •••••••• •••••••• •••••••• •••• •••• •••••••• •••• •••• ••••

λN SDHterminal

TWA


Code correcteur d’erreurs (FEC) - réalisation

Pas de modification des équipements installés

Pas de modification de la trame SDH (out-of-band FEC)

LineBER

10-5

CustomerBER

10-16

Trame SDH

Entête FEC

FECinsertion

FECextraction



Code correcteur d’erreurs (FEC)

BER en entrée (avant correction)BER de sortie

Non corrigé

10-110-310-5 10-4 10-210-1310-1110-910-710-510-310-1

CorrigéBER ?

Le FEC pour l’amélioration des performances

� amélioration de 8-9 dB sur les tolérances de l’OSNR

� augmentation de 30 - 50 % des distances entre amplificateurs

� distances entre régénérateurs doublées (au moins)

� tolérance à la PMD doublée

� apporte des marges supplémentaires pour les liaisons limitées par les effets non-linéaires (e.g. FWM par exemple sur DSF)

Le FEC pour la gestion de la qualité de transmission

� détection de la qualité du signal en entrée (lecture des octets adéquats de la trame SDH)

� détection des erreurs en sortie


2Généralités sur les transmissions optiques terrestres

2.4 Evolution des réseaux optiques


les transmissions optiques terrestres :

Evolution des réseaux optiques

La croissance récente du trafic a fait apparaître de nouveaux besoins dans les

télécommunications haut débit. La fibre optique est de loin la meilleure solution pour

sa grande capacité et sa « flexibilité » .

Les réseaux optiques ont beaucoup évolué au cours des dernières années, à commencer

par l’évolution des réseaux SDH/SONET vers les réseaux optiques DWDM transparents.




Automatisation

Elimine les interventions manuelles

Capacité

diminue le nombre de fibres

Integration

Elimine la multiplication d’équipements

Flexibilité

Evite le besoin de prévision complexe d’évolution du trafic

Le WDM pour répondre aux besoins des réseaux optiques




� comment augmenter la capacité des systèmes de transmission ?

� comment répondre aux besoins de routage du trafic ?



réponse aux besoins de capacité du trafic

Débit par canal : DEspacement : ∆λ

Bande passante Btot

λCapacité : C = D x Btot/∆λCapacité : C = D x Btot/∆λ

∆λ

� augmenter le débit par canal DD’ > DB’tot= Btot et ∆λ’ = ∆λ

∆λ’ < ∆λB’tot= Btot et D’ = D

� réduire l’espacement entre canaux ∆λ∆λ∆λ∆λ

� augmenter la bande passante Btot

B’tot> Btot∆λ’ = ∆λ et D’ = D � plus de canaux

� électronique rapide� PMD� SPM

� filtrage des canaux� non-linéarités (FWM, XPM, Raman)

� amplis large-bande� non-linéarités (Raman)

solutions pour augmenter la capacité ….……..… Inconvénients !

Configuration initiale


Demain

canaux à 100Gbit/s => réseaux optiques cohérents

� Transmission sur longue distance ⇒ Nécessité des canaux à 100 Gbit/s.

� Utilisation de récepteurs cohérents.

� Utilisation de format de modulations spécifiques: Dual-Pol QPSK

� Utilisation de traitement numérique du signal (DSP)

� Avantages:

� Données électriques proportionnelles au champ optique: compensation électronique « aisée » des distorsions DC (Dispersion Chromatique) et PMD ⇒ plus besoin de compensation de dispersion chromatique en ligne.

� Permet de récupérer la phase des signaux tout en réduisant le sensibilité au bruit de phase ⇒augmentation de la sensibilité du récepteur.




� comment augmenter la capacité des systèmes de transmission ?

� comment répondre aux besoins de routage du trafic ?



réponse aux besoins de flexibilité du trafic

Routage du trafic grâce aux Multiplexeurs à insertion/extraction(OADM : optical add/drop multiplexer)

Transpondeurs Transpondeurs

N - d + a canauxWDM

N - d + a canauxWDM

a canaux insérés (add)

λλλλ1

λλλλi

λλλλN

λλλλ2

λλλλ1

λλλλi

λλλλM

λλλλ2

�

�

�

�

�

�

�

�

� �

N canauxWDM

N canauxWDM

d canaux extraits (drop)



réponse aux besoins de flexibilité du trafic

Un OADM est un élément permettant l'insertion et l'extraction de i canaux optiques parmi n.

En fonction des besoins de reconfigurabilité, du besoin de capacité totale ou d’insertion/extraction de trafic, différentes technologies / architectures sont implémentées.

L’OADM peut être :

• De grande ou faible capacité

• Passif / actif

• Reconfigurable à distance (gain en coût opérationnel )


Réponse aux besoins de flexibilité du trafic :

La notion de « transparence » optique des réseaux

Ouest Est

approche « standarde » approche « transparente »

trib

trib

trib

Sud

trib

trib

trib

trib

trib

trib

trib

trib

trib

OADM

Sud

trib

trib

trib

ouest Est

trib

trib

trib

trib

trib

trib

Nœud de Degré N(N>2)

Régénérateurs utilisés pour les connexions Ouest/Sud et Est/Sud

Evite les régénérations pour les connexions Ouest/Sud et Est/Sud

EconomieEconomie de de rrééggéénnéérateursrateurs



vers des nœuds de connectivités 2, 3 ou plus

Liaison point-à-point avec OADM

(connectivité = 2)

La demande de flexibilité du trafic ne cesse de croître. Afin de diminuer le nombre de régénération

(optique-électrique-optique), de nouvelles « architectures » de ligne naissent.

Liaison point-à-point (connectivité = 1)



vers des nœuds de connectivités 2, 3 ou plus

La demande en flexibilité du trafic ne cesse de croître.

Afin de diminuer les coûts de régénération, des nœuds de connectivité >2 apparaissentLiaison en anneau

avec OADM

(connectivité = 2)

Nœud en Y

La demande de flexibilité du trafic ne cesse de croître. Afin de diminuer le nombre de régénération

(optique-électrique-optique), de nouvelles « architectures » de ligne naissent

Liaison en nœud en Y

(connectivité = 3)

Réseau «maillé »

(connectivité = 3, 4…)


Technologies utilisées


Evolution vers une couche photonique flexible => Réseaux Photoniques Dynamiques

Augmentation de laconnectivité et de la Flexibilité du nœud

ROADM Degré 2(R=Reconfigurable)

T&ROADM multidegré(T= Tuneable/R=Reconfigurable)

insertion/extractionau niveau du noeud

Routage/re-routage des canaux add and drop

Wavelength Blockerports A/D fixes

Wavelength Selective Switchports A/D accordables (tuneable)

Diminution des coûts fixes et opérationnels

2007 2008/2009


TROADM

TROADM

TROADMTROADM

TROADM

TRBD

TRBD

TRBD

TRBD

TRBD

TRBD

TRBD

TRBD

cassure

Réponse aux besoins de flexibilité du trafic : Re-routage (Restauration)/ Protection

Évolution vers une couche photonique flexible => Réseaux Photoniques Dynamiques

La flexibilité du TROADM est sa capacité à reconfigurer le chemin d’une longueur d’onde donnée dans chaque noeud. Ainsi, l’opérateur réseau peut à distance reconfigurer une longueur d’onde entre 2 transpondeurs pour fournir le service au client.

Le protocole GMPLS est un outil permettant de construire le service entre 2 transpondeurs et de re-router automatiquement ce service en utilisant une possible autre route, si celle ci existe.

TROADM : Tunable and Reconfigurable Optical Add and Drop Multiplexer

Re-routage par insertion/extraction

�� restauration













3) Exemples


3Conception d’un système de transmission optique terrestre WDM

3.1 critère de qualité d’un système


Conception d’un système de transmission optique terrestre WDM

critère de qualité d’un système :

paramètres de transmission :

� OSNR (Optical Signal to Noise Ratio) = Rapport signal sur bruit optique

� Facteur de bruit des amplificateurs

� Diagramme de l’œil

� Facteur Q, BER

� Pénalités (dB)


Critère de qualité d’un système :

Rapport signal sur bruit optique (OSNR)

� OSNR = Optical Signal to Noise Ratio

� L’OSNR est le rapport de la puissance totale du signal et de la puissance de bruit dans une bande de fréquence donnée.

� L’OSNR est souvent donné en dB/0.1 nm.

OSNR (dB/0.1nm) = 10 x log (Psignal / Pbruit dans 0.1nm)

= 10 x log (Psignal) – 10 x log (Pbruit dans 0.1nm)

= [Psignal]_dBm – [Pbruit dans 0.1nm ]_dBm

OS

NR



Rapport signal sur bruit optique (OSNR)

Comment « ajouter » des OSNR ?

� L’OSNR final dans une ligne peut s’exprimer en fonction des différentes contributions d’OSNR apportées par les éléments de la ligne

∑=i iOSNROSNR

11UnitUnit éé linlin ééaireaire

∑−=i i

OSNRLogOSNRdB )

1(*10

UnitUnit éé DDéécibelcibel

OSNR

Émetteur

OSNR_TX

Line

OSNR_LIGNE

Récepteur

OSNR_RX

RXOSNRLIGNEOSNRTXOSNROSNR _

1

_

1

_

11 ++=








� Facteur Q, BER




Facteur de bruit des amplificateurs (Nf)

� Nf = Noise figure

� L’émission spontanée amplifiée (ASE pour Amplified Spontaneous Emission) : lors du phénomène d’amplification, les électrons des ions Erbium sont excités par la pompe et se désexcitent en émettant un photon :

– soit au passage du signal (il y a alors amplification)

– soit naturellement (c’est l’émission spontanée = bruit créé lors de l’amplification optique )

� L’ASE est quantifiée par le facteur de bruit des amplificateurs Nf qui exprime la dégradation du rapport signal à bruit (S/B) apportée par l’amplificateur.

� La puissance d’ASE émise dans un amplificateur de gain G et de facteur de bruit Nf est donnée dans une bande de fréquences ∆ν par la formule :

dBmh

dBG

dBNf

dBmPase )(

/ννν ∆++=∆



Facteur de bruit des amplificateurs (Nf) / signal non bruité en entrée

� L’OSNR d’un canal en sortie d’ampli dans l’hypothèse où aucun bruit n’est généréprécédemment (OSNR d’entrée « infini ») s’exprime par :

OSNR (dB/0.1nm) = Pout dBm– Pase dBm

� Le rapport signal sur bruit obtenu en sortie d’un amplificateur est donc :

dBh

dBNf

dBmPin

dBOSNR )(

/ννν ∆−−=∆

� Dans une bande de 0.1 nm, l’OSNR devient :

581.0/

+−=dB

NfdBm

PinnmdB

OSNR

L’ OSNR est # à Pin

�� Pin doit être la plus forte possible pour ne pas être

noyée dans le bruit.

� La puissance de signal est :

dBG

dBmPin

dBmPout +=

Pin Pout

G



OSNR en sortie d’ampli pour un signal bruité en entrée

� La contribution d’OSNR généré par l’amplificateur est :

581.0/

+−=dB

NfdBm

PinnmdB

OSNR_EDFA

� Le rapport signal sur bruit obtenu en sortie d’ampli est la contribution de l’OSNR en entrée combinée avec l’OSNR généré par l’ampli.

NfPin_canal OSNR_outBruit en entrée

(OSNR fini àl’entrée)

OSNR_in

EDFAOSNRinOSNRoutOSNR _

1

_

1

_

1 +=

� L’OSNR en sortie d’ampli est donc (cf. précédemment : comment « ajouter » des OSNR)

]1010log[*10_ 10

58

10

_

1.0/

dBmdB PinNfinOSNR

nmdBoutOSNR−−−

+−=



OSNR dans une chaîne d’amplificateurs (signal non bruité en entrée)

� Hypothèse : Nf = constante; Pout constante

� l’OSNR en fin de ligne peut se calculer ainsi :

dBdBdBdBdBnmdB

dBdBdBdBdBdBdB

nNfAcanauxnbrePoutOSNR

nhNfAcanauxnbrePoutOSNR

−+−−−=−∆−−−−=∆

58_

)(_

1.0/

/ ννν

Pin_canal

Pout

OSNRNf

AA A A A

Pout Pout Pout Pout

Nf Nf Nf Nf

Pout

n : nombre de sections (spans)

Pas de bruit en entrée








� Facteur Q, BER




diagramme de l’oeil

0 800 160 2400 3200 4000

Tbit

Temps (ps)0 400 800

Temps (ps)

Tbit

1200

Ouverturede l’oeil

Tauxd’extinction

� Le diagramme de l’œil est réalisé par une superposition des ‘0’ et ‘1’ sur un même temps bit.

)00

01log(10:extinctiond'Taux

moyrefmoy

moyrefmoyTE−

−

−−

=

� Les paramètres importants sont le taux d’extinction et l’ouverture de l’œil :

)00()01(

)00()01(:œill' de Ouverture maxmin

moyrefmoymoyrefmoy

moyrefmoyrefME−−

−−

−−−−−−

=

Plus ces paramètres sont grands, plus la qualité de transmission est bonne



diagramme de l’oeil

Transmetteur

DONNEES EMISES DONNEES RECUES

100 ps/div.

100 ps/div.100 ps/div.

100 ps/div.Driver

Codage

Modification de la forme de l ’impulsion due à la

dispersion/la SPM

Elargissement de la trace dû au bruit

G RécepteurG

Démodulation

Décodage

Photodiode = détection de l’intensitéoptique

amplificateur => bruit ASE sur le signal








� Facteur Q, BER




BER (taux d’erreurs binaires)

...1010001101001... ...1011001001001...

Erreurs

� Le BER est fonction (entre autres) de :

� qualité de l’émetteur et du récepteur

� distorsions induites par la transmission

� bruit arrivant avec le signal

émisbitsdenombre

erreurs'dnombreBER =

� Le BER caractérise complètement le système. C’est le critère de qualité de la transmission :

� Optimiser un système revient donc à optimiser le taux d’erreurs en réception

� Dans la pratique, un système est élaboré avec un BER cible inférieur à 10-15 soit qq 10-3 avant FEC

� Inconvénient du BER

� temps de mesure très long

� Complexité de calcul (en simulation).

� C’est pourquoi on s’intéresse à d’autres critères de qualité du système.



facteur Q

P0 P1

σ0

σ1

seuil

� Hypothèse : la distribution de bruit est gaussienne

BER erfcQ

≈

1

2 2avec Q

P P=+−

1 0

1 0σ σ• P1 et P0 = puissances

moyennes des 1 et 0

• σ1 et σ0 = variances du bruit

erfc est la fonction erreur

complémentaire ∫∞

− ⋅×=−=x

t dtexerfxerfc22

)(1)(π

� diagramme de l’œil après propagation

Temps (100 ps/div)

σ total ( )1

σ total ( )0

seuil dedécision


1.E-171.E-161.E-151.E-141.E-131.E-121.E-111.E-101.E-091.E-081.E-071.E-061.E-051.E-041.E-031.E-021.E-01

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19facteur Q (dB)

BE

R


facteur Q et BER

Selon le type de système, le bruit est différent :

� système sans amplificateur � bruit thermique

� Système avec amplificateurs � L’émission spontanée amplifiée (ASE) généralement prépondérante

mesurable

souhaité








� Facteur Q, BER




pénalité

� La pénalité est un estimateur de la qualité de transmission lié au taux d’erreurs (caractérise les distorsions de la transmission)

� But : pour un taux d’erreurs donné, minimiser cette pénalité

10-10

5 10 15 20 30

OSNR (dB/0.1nm)

BE

R @

10

Gbi

t/s

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

Dia

gram

me

de l’œ

il Taux d’erreur (BER)

ININ

OUTOUT

pénalité



pénalité versus Back-to-back

PPéénalitnalitéés de transmissions de transmission

Avec une ligne de transmission, la même

mesure est faite : BER= f(OSNR)

� pénalités en OSNR = différence entre l’OSNR requis pour obtenir BER donné en back to back et en transmission.

BACKBACK--TOTO--BACKBACKEn absence d’effets non linéaires et lorsque la dispersion chromatique de la fibre est compensée

� Lien direct entre OSNR et BER (couple émetteur – récepteur)� C’est le « Back-To-Back » (face à face)� l’émetteur et le récepteur sont directement reliés pour

mesurer BER = f(OSNR)

22 24 26 28 OSNR (dB/0.1nm)

BER

Back To Back

Puisssance = +14 dBm

Puisssance = +17 dBm

10-5

10-6

10-7

10-8

10-10

10-9

10-4

PENALITE A 10-7

25.1 26.6



3.2 combinaison du bruit généré le long de la ligne, des

effets non-linéaires et gestion de la dispersion chromatique


Distance de transmission des systèmes WDM

La distance de transmission (sans régénération optoélectronique) des systèmes WDM est limitée par :

� le bruit cumulé des amplificateurs optiques

� les effets non-linéaires

� La dispersion cumulée le long de la ligne

Débit

Distance Max

Nbre de canaux


combinaison du bruit généré le long de la ligne, des effets non-linéaires et gestion de la

dispersion chromatique

effets non-linéaires, bruits générés par les amplificateurs et dispersion chromatique

=

handicaps à la transmission d’informations à haut débit

� les pertes de la fibre imposent une limite inflimite inféérieure en puissancerieure en puissance (OSNR suffisant en

fin de liaison) : Pmin

� La dispersion chromatique limite les distanceslimite les distances de propagation si l’on n’utilise pas la

fibre adaptée, ni de compensation : dist. Max

� les effets non linéaires de type Kerr, s’ils peuvent un temps améliorer la propagation

avec la dispersion (soliton), imposent une limite suplimite supéérieure en puissancerieure en puissance au delà de

laquelle l’évolution des impulsions est chaotique : Pmax


Nombre de sections d’amplification / distance

Puissance

d’émission

Conception des systèmes WDM (system design)

combinaison du bruit généré le long de la ligne, des effets non-linéaires

� Compromis sur la puissance optique par canal. Elle doit être :

� importante pour avoir le meilleur OSNR possible : OSNR (dB/0.1nm) = Pout- perte - Nf – Nbrespans+58

� faible pour limiter les effets non-linéaires

OK

Limited’OSNR

OSNR insuffisant

OSNR OK

Limite denon linéarités

Seuil non-linéaire dépassé !!

Puissance injectée OK

Limite du système



Gestion de la dispersion chromatique

Compensation de la dispersion chromatique cumulée le long de la ligne

� En régime linéaire :

� le seul paramètre important est la dispersion cumulée

� peu importent les étapes intermédiaires : il est équivalent d’effectuer une transmission sur fibre de ligne, avec compensation de la dispersion en fin de liaison, en début ou de façon répartie.

� Dans le cas d’une transmission réelle :

� compensation des pertes de la fibre au moyen d’EDFA en ligne.

� dégradation du rapport signal à bruit en fin de liaison

� Pour améliorer l’OSNR, augmentation de la puissance du signal

� apparition d’effets non linéaires qui viennent perturber les effets dispersifs et leur compensation

� Ainsi, la méthode de compensation de la dispersion tout au long de la liaison devient aussi importante que la dispersion cumulée finale.

On parle alors de gestion de la dispersion




Gestion de la dispersion chromatique le long de la ligne (carte de dispersion)

� Pré-compensation en amont de la fibre de ligne (mise en forme de l’impulsion avant propagation)

� compensation en ligne répétée après chaque tronçon de fibre de transmission

� post-compensation ramenant la dispersion résiduelle à une valeur acceptable.

Pré-compensation Compensation en ligne Post-compensation

DCFDCF

Amplificateur Booster de ligne Pré-amplificateur

DCFSection 1 Section 2

Tx Rx

DistanceDispersion


Un exemple de carte de dispersionUn exemple de carte de dispersion





résumé …

� La dispersion chromatique –seule- n’est pas un problème (modules de compensation)

� La fibre atténue le signal

� possibilité d’amplifier le signal grâce aux amplificateurs optiques

� Génération de bruit (EDFA)

� Augmentation de la puissance signal pour contrer ce bruit

� Apparition des effets non linéaires + problème du à la dispersion chromatique

(combinée avec les effets non linéaires) …

Un compromis doit être trouvé !!


Vers de plus longues distances sans régénération optoélectronique …

Systèmes Long Haul ⇒ ~1200 km sans régénération

Systèmes Very Long Haul ⇒ ~2000 km sans régénération

Systèmes Ultra Long Haul ⇒ ~4500 km sans régénération

D’autres techniques sont nécessaires pour atteindre de telles distances

� Egalisation dynamique de gain et de puissance canal

� Combinaison de l’amplification Raman avec l’amplification standard (EDFA)

� Gestion de la compensation de la dispersion chromatique par bande/ par canal

� Amélioration de la sensibilité des récepteurs

Techniques prospectives

� Nouveaux formats de modulation

� Amplification Raman pure


Outil de dimensionnement ONDP …

ONDP = Optical Network Design Platform

� ONDP est un outil développé par Alcatel-Lucent (« system design »): il s’agit d’une plate-forme logicielle générique dédiée au design de lignes de transmissions optiques point à point (Terminal à Terminal) et/ou avec OADM et au dimensionnement de réseau.

� Les principaux « clients » d’ONDP sont les équipes (commerciales) d’offres des systèmes WDM(« bids » en anglais).

� Parallèlement, ONDP est largement utilisé par l’équipe « system design » :

� Préparation aux validations expérimentales des règles de dimensionnement des systèmes WDM

� Étude de stratégie des produits et réseaux (investigation)

� Support aux offres « atypiques », études demandées par les clients

� ONDP fournit de nombreuses données (résultats de simulation)

� Puissance et OSNR de chaque canal

� Estimation non-linéaire

� Carte de dispersion chromatique

� Calcul de PMD

� L’objectif du design est d’optimiser le système de manière que les performances de transmission soient correctes en début et en fin de vie du système.


Outil de dimensionnement ONDP …

ONDP = Optical Network Design Platform

Paramètres à prendre en compte :

� Distance

� Point potentiels d’amplification, de régénération, d’insertion/extraction de trafic

� Capacité

� Nombre initial de canaux

� Nombre final de canaux

� Débit par canal

� Type de fibre

� Atténuation

� Dispersion chromatique

� PMD…



3.3 quelques exemples


réseau WDM Pan-Européen i-21

Fibre optique

� 17 000 km

Pays couverts

� plus de 10

Points de présence

� 46


France Telecom European Backbone Network

Capacity40 λ @ 10Gb/s


France Telecom North American Backbone Network

Capacity40 λ @ 10Gb/s


Capacité

40 λ @ 10Gb/s

ROUEN

PARIS

LYON

MONTPELLIER

TOULOUSE

BORDEAUX

POITIERS

TOURS

GrandeBretagne

Belgique

Allemagne

MILAN

Suisse

Espagne

MACON

CAEN

BIARRITZ

PERPIGNAN

NARBONNE

CHAMBERY

ANNECY

DIJON

COLMAR

GRENOBLE

ORLEANS

NICE

Contrisson Troussey Hesse

Vendenesseles

Charolles

Andancette

NANCY

RENNES

NANTES

Menton

LE HAVRE

MARSEILLE

REIMS

Nogentl'Artau

d

Condésur Marne

Arleux

CALAIS

Sermaize

LILLE

Mours

CHALON / SAONE

FRANCFORT

Monseret

AVIGNON

Briare

Nevers

Bourbon

Orange

Saulce sur Rhône

Corbeil

Souppes

Pichegu

Meilhan

Bon Encontre

AvignonetLauragais

Marseillette

Poilhes

Thuir

Gigny

Magny les

Aubigny

Thervay

Ustarritz

Sète

Baumeles Dames

Esbly

St-Martin

Artenay

Blois

Availles en Chatellerault

Blanzay

Nersac

St-Christophe du-Double

Lugos

Vigny

St-EtienneRouvray

Berville / Mer

STRASBOURG

OLA

OLA

OLA

OLA

OLA

OLA

OADM

OADM

OLA

OLA

OLA

OLA

OLA

OLA

OLA

OLA

OADM

OADM

OADM

OLAOLA

OLA OADM

OLAOADM

OLA

OLA

OLA

OLA

OLA

OLA

OLA

OLA

OADM

DW

DM D

WD

M

DWDM

DW

DM

DWDM

DWDM

DWDM

DWDM

DWDM

DW

DM

DWDMDWDM

DW

DM

DWDM

DWDM

OADM

DWDM

OLA

DW

DM

OLA

MULHOUSE

DWDM

OLA

OLA

OLA

OLA

OLA

OADM

OLA

OADM

OADM

OLA

DWDM

DW

DMD

WD

M

DWDM

DWDM

OLA

OLA

OADM

OLA

DW

DM

DW

DM

St Germain

Juilley

Cesson Sévigné

Puceul

La Planche

Vouvant=

Cezais

Brioux sur Boutonne

Vernègues

OADM

OLA

Veretz

Castests

Fos

Montmerle/ Saône

( Belleville)

Boucle primaire

Boucle secondaire

Neuf Telecom National Network


Merci !


Annexe 1 :Quelques définitions


Quelques définitions (1)

Débit binaire B (pour Bit rate) en Bit/s (Bit par seconde)

� Unité de débit exprimant le nombre de bits transmis par seconde. Nombre maximal d’information qu’une voie (un canal) peut transmettre par seconde par signal codé.

BER (Bit-Error Ratio) :

� BER ou TEB (Taux d’Erreur Binaire)

� Le taux d’erreur binaire (TEB ou BER) constitue le critère ultime qualifiant la qualité d'un signal. C'est le rapport des bits erronés (ou erreurs) sur le nombre de bits total transmis, durant un intervalle de temps donné :

� Une erreur consiste à détecter un symbole "1" alors qu'un symbole "0" a été émis (et vice versa).

� Plus le BER est faible (exemple : 10-12), plus la qualité de transmission est bonne

Nombre d’erreurs sur un intervalle de temps donné

Nombre de bits reçus sur le même intervalle de temp sBER =



BANDE PASSANTE (bandwidth)

� La bande passante d’une fibre optique est définie comme étant la fréquence maximale de transmission en MHz pour laquelle le signal transmis subit un affaiblissement de 3 dB. Plus la bande est large plus la capacité à supporter des transmissions hauts débits sera importante. Elle s’exprime en MHz/km voire en GHz/km. Elle dépend de la longueur d’onde de transmission, des paramètres physiques de la fibre (diamètre du cœur, matériaux…)

Indice de réfraction

� L’indice de réfraction (n) d’un milieu est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la même lumière dans ce milieu :

n = (c/v)



Longueur d’onde (nm)

� La longueur d'onde λλλλ est la distance séparant deux crêtes successives d'une onde périodique. La longueur d'onde est proportionnelle à la période, et donc inversement proportionnelle à la fréquence γ. La longueur d'onde est égale à la vitesse de l'onde divisée par la fréquence de passage. Dans le cas d’une onde électromagnétique se propageant dans un milieu d’indice n (n=1 le vide), cette vitesse est égale à c/n où c est la vitesse de la lumière c dans le vide, et la relation s'écrit :

λ= (c/n) / γ

� La fréquence et la longueur d'onde sont liées :

la fréquence donne en fait le nombre de creux ou de bosses qui se succèdent en une seconde au même endroit. La longueur d'onde est la distance entre deux creux ou deux bosses.

Plus la longueur d 'onde est petite, plus la fréquence est grande


Annexe 2 :

Unités linéaires (mW,W)

et Décibel (dB,dBm)


Unités linéaires (mW,W) et Décibel (dB,dBm)

dB : Le décibel représente le rapport logarithmique entre deux niveaux de puissance.

Décibels (dB) = 10 x log (P2/P1)

– P2/P1 représente le rapport de la puissance de sortie par rapport à celle d'entrée.

– P1/P2 représente le rapport de la puissance d'entrée par rapport à celle de sortie

� dB atténuation = 10 x log (P1/P2)

� dB gain (amplification) = 10 x log (P2/P1)

dBm : l'unité dBm indique des dB référencés à 1.0 milliWatt

� 1 milliWatt = 0 dBm


Unités pour les puissances optiques :

unité linéaire (mW,W) et dBm

P: puissance optique en W, mW, dBm

P[dBm] = 10xlog10 (P[mW])

Puissances linéaires

1 W100 mW

50 mW10 mW

2mW1 mW

100 µW10 µW

1 µW

Puissances en dBm

+30 dBm+20 dBm+17dBm+10 dBm

3dBm0 dBm

-10 dBm-20 dBm-30 dBm

Valeur typique de sensibilitédes récepteurs à 10Gbit/s

Valeurs typiques de puissance de sortie (totale) des EDFA

Valeurs typiques de puissance par canal injectée dans la fibre optique à chaque span


coefficient dB0.001 -300.01 -200.05 -130.1 -100.25 -60.5 -30.9 -0.460.95 -0.22

1 02 35 710 1020 1350 17100 20200 23500 271000 30

Unités pour les rapports de puissances :

le dB pour les gains et atténuations

Valeurs typiques de gain (saturé) des EDFA

Valeurs typiques d’atténuation de la fibre par km

gain

pert

e

Échelle dBÉchelle linéaire

perte typique d’un filtre Optique

perte d’un coupleur 90/10 sur la voie 90%

Valeurs typiques de spans (sections) de fibres de en tre 2 amplificateurs optiques (transmission terrestre)


Bases sur les unités :

dB et dBm

Puisque nous travaillons en échelle logarithmique …• une addition en dB correspond à une multiplication• une multiplication par une constante correspond à une mise en exposant de cette constante

le dB mesure un accroissement de "quelque chose" en échelle logarithmique

• une multiplication par 2 correspond à +3dB (et la division à -3dB) • une multiplication par 10 correspond à +10dB (et la division à -10dB)

Peut-on additionner (ou soustraire) des dB à des dBm ? N'y a t-il pas un problème d'homogénéité ?

• Le dB est d'abord une unité d'accroissement ou de réduction mais en échelle logarithmique. Il n'a donc pas d'unité. le dBm donne en échelle logarithmique une valeur de puissance. Physiquement additionner des dBm avec des dBm n'a pas de sens . Cela reviendrait, en linéaire, à multiplier des W par des W et à avoir des W2 !• on peut additionner des dBm avec des dB . Par exemple 30 dBm + 3dB = 33 dBm. En linéaire, cela revient à dire que 1000 mW multiplié par 2 donne 2000 mW, soit 2 W.De la même façon, une différence de puissances en dBm correspond à un rapport de puissance .Par exemple 33 dBm - 30 dBm = 3 dB et pas 3 dBm (En linéaire cela revient à exprimer le rapport entre 2 W et 1 W, soit un rapport 2).


Bases sur les unités :

intérêt pratique des unités décibel dans les systèmes par fibre optique

TX RXG1

L1, αααα1

T1 G2

L2, αααα2

P0 Pr

unités linéaires :

unités Décibel :

P P G e T G erL L==== ×××× ×××× ×××× ×××× ××××−−−− −−−−

0 1 1 21 1 2 2αααα αααα

P P G L T G Lr ==== ++++ −−−− −−−− ++++ −−−−0 1 1 1 1 2 2 2αααα αααα

Équipement de transmission de perte T1


www.alcatel-lucent.com

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