Etude et caractérisation de la commutation optique

Sommaire

Le routage dans les réseaux mobiles Ad hoc

Introduction

1-Chapitre 1…………..………………….……………..................................Page 01

1-1 Les environnement Mobiles ………………………….......................Page 02

-Le environnements avec infrastructure…….......................Page 02

-Le environnements sans infrastructure…….......................Page 02

1.2 Caractéristiques physiques des unités mobiles………………………Page 05

1.4 L'utilisation des ondes radio dans la communication sans fil…….....Page 05

1.5 La fiabilité de la communication sans fil…………….........................Page 06

1.6 La communication cellulaire ……………….................................. Page 07

1.7 Quelques éléments de l'infrastructure sans fil…..................................Page 07

1.8 conclusion ……………..………………………..................................Page 08

2-Chapitre 2……………..………………………...........................................Page 09 2.2 Les réseaux mobiles Ad Hoc….……………………..……………… Page 10

2.1.1 Historique.……………………………………..………………..Page 11

2.1.2 Définition...…………..……………………................................Page 09

2.3. Les applications des réseaux mobiles ad hoc…….……………………Page 13

2.4. Les caractéristiques des réseaux ad hoc...………......…………………Page 14

1-Une topologie dynamique ……………………………………..Page 14

2-Une bande passante limitée…………………..………………..Page 14

3-Des contraintes d'énergie……………………..………………..Page 14

4-Une sécurité physique limitée ………………..………………..Page 14

5-L'absence d'infrastructure …………………………………..….Page 14

6-Le problème du « terminal caché » ………..…………………..Page 14

7-Le problème du « terminal exposé »…………………………...Page 17

2.5. Le problème de routage dans les réseaux ad hoc..…………………….Page 16

2.6. La conception des stratégies de routage……………………………….Page 18

Sommaire


2.7.L'évaluation des protocoles de routage ……..….…..…………………..Page 19

2.8. Autres notions….……………….…………………..…………………..Page 19

2.8.1 La notion de "multihoping" ………………..…………………..Page 19

2.8.2 L'inondation…………………..……...……..…………………..Page 20

2.8.3 Le concept de groupe………………….....……………………..Page 21

2.9. Conclusion ………………….....…………..……..………….………..Page 22

.3-Chapitre 3………………………………………………………...……….Page 23

3.2 Les protocoles de routage pro-actifs Page……....….……………….. Page 24

a- Link Stat ……………………………………………….Page 24

b- Distance Vector……………………………………….. Page 24

3.2.1 Le protocole de routage DSDV…………....………………..Page 25

3.2.2 Le protocole de routage WRP………………………………Page 27

3.2.5 Le protocole de routage ZHLS……………………………...0

3.2.4 Le protocole de routage CGSR……………………………...Page 31

3.3. Les protocoles de routage réactifs (à la demande)…..….……………... Page 33

a. La Technique d’apprentissage en arrière………………….Page 33

b. Technique du routage source……………………………...Page 33

3.3.1 Le protocole de routage CBRP……...………………………Page 34

3.3.2 Le protocole de routage DSR………...……...………………Page 36

3.3.3 Le protocole de routage AODV……..………………………Page 39

3.3.4 Le protocole de routage TORA……..……………………….Page 42

3.3.5 Le protocole de routage LAR………..………………………Page 46

3.4 Les protocoles hybrides………….…………………...…………………………...Page 47

3.4.1.Le Protocole hybride ZRP……………………………...Page 47

3.5 Conclusion ………………….....………………..……..………….………..Page 48

4-Chapitre 4 ……………………………………………………………Page 49

4.1. Présentation du simulateur NS2……………………………………..Page 50 4-1-1 Génitalité ………………………………………………….Page 51

4-1-2 Principes de base …….…………………………………….Page 51

Sommaire


4.1.3Visualisation des résultats……..…………………………… Page 53

Fichier trace ……………………………………………Page 53

Interface graphique Nam (Network Animator) ………..Page 54

L’interface XGRAPH ………………………………….Page 54

4-2.4 comment crée un scénario de simulation ...…………………Page 54

4-2 simulation…………………………..………………………………... Page 55

4.2.1. But de simulation …………………………………………..Page 56

4.2.2 matériels et logiciels utilisé …………………………….......Page 56

a- matériels…………………………………………….. Page 56

b- logiciels …………………………………………….. Page 56

4.2.3. Déroulements de la simulation……………………………..Page 57

Premier Expérience……………………………………….. Page 57

a) Le protocole DSDV………………………… Page 58

b) Le protocole AODV……………………… Page 64

Conclusion (1)……………………….………………. Page 67

Deuxième Expérience ……………………………………. Page 68

a) Le protocole DSDV……………………. Page 69

b) Le protocole AODV…………………..Page 70

Conclusion (2)……………………………………….Page 70

Troisième Expérience………………..……..…………….Page 71

a) Le protocole DSDV…………………….Page 72

b) Le protocole AODV…..………………..Page 73

Conclusion (3)……………………………………….Page 73

4.3. Conclusion……………………………………………………………Page 74

Conclusion générale

Annexe

Bibliographie

1

Chapitre I étude et caractérisation dans les réseau optique

I -1- Introduction

Les télécommunications optiques ont connu depuis une dizaine d'années un essor

considérable dont une des motivations principales est la course vers le haut débit

(applications au multimédia). En effet, grâce à la large bande passante des fibres

optiques (quelques dizaines de THz), les transmissions optiques bénéficient d'une

position privilégiée. De part l'évolution rapide des technologies, la qualité des réseaux

de télécommunications par fibre optique a été considérablement améliorée. Pour

exemple, il convient de citer les pertes de propagation dans les fibres optiques

n'excédant pas aujourd'hui 0,2 dB/km à la longueur d'onde de 1,55 µm ainsi que

l'avènement des amplificateurs à fibre appelés EDFA ( Erbium Doped Fiber Ampli-

fiber) permettant d'augmenter considérablement les distances de transmission.

Concernant la croissance régulière des débits de transmission, ceux-ci ont été obtenus

à partir des techniques dites de multiplexage. Ainsi, la technique la plus utilisée

aujourd'hui par les industriels est celle dite du multiplexage en longueur d'onde WDM

(Wavelength Division Multiplexing). De manière parallèle, les composants

optoélectroniques, réalisés à base de matériaux semi-conducteurs ont également connu

des sauts technologiques importants.

Une liaison de télécommunication par fibre optique requiert trois fonctions

fondamentales qui sont respectivement: la génération du signal (émetteur), la

propagation (transmission, amplification et routage des données) et la détection en

réception.

I -2-Brève histoire de la technologie des systèmes à fibres optiques.

2-1- G1 (Première génération): 1989 - 1991.

Les premiers systèmes à fibres optiques utilisaient des répéteurs en ligne basés sur

une technologie silicium pour régénérer opto-électroniquement le signal affaibli après

passage par chaque section de câble. La capacité de ces systèmes de transmission était

de 0,28 Gbit/s par paire de fibre et ils opéraient dans la fenêtre à 1310 nm.

2


2-2- G2 (Seconde Génération): 1992 - 1995.

La technologie G2 constitua une amélioration par rapport à G1 puisque la

capacité transmise devint alors de 0,565 Gbit/s par paire de fibres. Ces progrès furent

rendus possible par de meilleures performances des circuits au silicium du répéteur,

ainsi que par l’utilisation de la fenêtre à 1550 nm.

2-3- G3 (Troisième Génération): 1995 - 1997.

Cette génération correspond à une évolution majeure dans le domaine de la

transmission optique : l’amplification optique par fibre dopée à l’erbium (Erbium

Doped Fibre Amplifier - EDFA). Cette technique d’amplification, qui évite la

régénération du signal dans chaque répéteur et donne accès au « tout optique », est

beaucoup plus économique, efficace et fiable, et autorise l’accès à des bandes

passantes de ligne considérables. Les limitations provenant de l’utilisation de circuits

au silicium dans les répéteurs n’existent alors plus et la capacité passe à 5 Gbit/s par

paire de fibres.

2-4- G4 (Quatrième Génération): 1998 - 2000.

La technologie EDFA est améliorée, ce qui permet des bandes passantes optiques

plus importantes. Ces progrès, associés à d’autres progrès dans le domaine des

techniques de filtrage optique, permettent de mettre en oeuvre une première génération

de systèmes WDM. La capacité transmise s’élève alors à 20 ou 40 Gbit/s (8 ou 16

couleurs à 2,5 Gbit/s) par paire de fibres.

2-5- G5 (Cinquième Génération): 2000 - 2002…….

Les systèmes de la cinquième génération sont actuellement en cours d’installation

ou mis en service depuis peu. La bande passante des EFDA est à nouveau améliorée,

et la capacité par couleur passe à 10 Gbit/s. Ces systèmes fournissent des capacités de

l’ordre de 160 Gbit/s par paire de fibres (16 couleurs à 10 Gbit/s).

3


2-6- G6 (Sixième Génération): 2001 - ….

Cette génération a une base de conception semblable à la génération précédente,

les caractéristiques des EFDA sont améliorées et les équipements terminaux, toujours

à 10 Gbit/s, présentent de meilleures performances. Ainsi, tout en conservant des

terminaux à 10 Gbit/s, ces systèmes peuvent multiplexer jusqu’à 100 couleurs par

paire de fibres, offrant des capacités de l’ordre de 1 Tbit/s. La génération G6 est dans

les catalogues des constructeurs, pour des mises en service en 2002-2003.

2-7- G7 (Septième Génération)

Certains Centres de Recherche et Développement annoncent leurs avancées dans

la conception de systèmes DWDM utilisant une technologie à 40 Gbit/s par couleur,

avec environ 40 couleurs par fibre. D’autres centres de recherche pensent que la

prochaine génération ne sera qu’une amélioration de G6 pour laquelle on accroîtra

encore le nombre de couleurs à 10 Gbit/s (soit 150-200x10 Gbit/s). La spécification de

cette génération est délicate car on approche des limites physiques de la bande

passante de la technologie EFDA. Les problèmes de distorsion de couleurs à 40 Gbit/s

sont également difficiles à résoudre.

I. 3- Description de la fibre optique :

3.1 -Introduction :

La fibre optique depuis son apparition très intéressante, dans le domaine des

télécommunications a subi une utilisation de plus en plus grande et de plus en plus

variée.elle présente un support de transmission le plus utile de nos jours vue ses

Nombreux avantages:

- Propagation des signaux à grande vitesse et à haut débit numérique.

- Faible atténuation de l’intensité lumineuse.

- Parfaite isolation des FO au champ magnétique.

- Conservation d’un bon rapport signal\bruit sur de grandes distances

4


3-2 Structure de la fibre optique :

La fibre optique est un guide d’onde cylindrique réalisé au moyen d’un

matériau diélectrique transparent, elle permet de transporter le plus d’informations et

de fournir des débits de signaux numériques très importants.

La fibre optique est composée des éléments de base suivants :

› Le cœur :

C’est la région centrale de la fibre qui permet le guidage des ondes lumineuses.

› La gaine:

Représente une couche entourant le cœur de la fibre avec un indice de réfraction

légèrement supérieur à celui du cœur ce qui permet par conséquent, la réflexion totale et

peretuelle des modes a l’interface cœur-gaine.

› Le revêtement

C’est une couche directement appliquée sur le verre de la gaine, il est

important que cette couche Soit détachable afin de permettre d’effectuer des injections

ou des découpages de la lumière pour epissurer la fibre, son indice de réfraction est

supérieur à celui de la gaine.

› L’armature métallique

Permet de protéger le cœur contre les forces d’écrasement et les

tensions mécaniques excessives lors de l’installation

5


I.4-Principe de la fibre optique :

Lorsqu’un faisceau lumineux heurte obliquement la surface qui sépare deux milieu

plus ou moins transparents, il se divise en deux : une partie est réfléchie tandis que

l’autre est réfractée.

a) Réflexion :

le rayon réfléchie forme un angle I1 avec le plan d’incidence ,la quantité de la

lumière réfléchie dépend de l’angle L1avec l’axe d’incidence tel que : L1= I1

b) Réfraction :

Un rayon lumineux passe obliquement avec un angle d’incidence L1, d’un milieu

d’indice n1 à un milieu n2 alors sa direction est réfractée vers l’axe d’incidence et

forme un angle L2.

Dans le loi des angles, les angles d’incidence et de réfraction sont inversement

proportionnel a leurs indices.

n1 sin L1 = n2 sin L2.

Figure I.1: structure d’une fibre optique

6


dioptre plan

c) L’ouverture numérique :

Le guidage du signal optique est basé sur la loi de Descartes. La lumière se propage le

long de la fibre par réflexions totales successives entre le coeur et la gaine. Cela n'est

possible que si le coeur et la gaine sont constitués de matériaux transparents et que

l'indice de la gaine est inférieur à celui du cœur et si l’angle d’incidence sur le dioptre

n1/n2 est inférieur à l’angle limite de réfraction d’une source.

Lmax = arc sin (n2 / n1).

La seconde condition est d'envoyer le signal lumineux dans la fibre avec un angle, par

rapport à l'axe, inférieur à l'ouverture numérique.

L'ouverture numérique (O.N.) représente l'ouverture angulaire maximale d’une

source de lumière que l’on couple à une fibre. La condition d’injection de cette source

dans la fibre optique dépend de Lmax ; et on montre que :

ON = n0 sin Lmax = n1 sin (∏/2 - Lmax)

Figure I.2 : Réfraction et réflexion

7


I.5 - Type de fibre :

Il y a plusieurs types de fibres optiques, Tout d’abord les fibres optiques multimodes et les

fibres monomodes

5.1- fibre multimodes:

Les fibres multimodes ont un diamètre de coeur important de 50 à 85 microns. Un rayon

lumineux pénétrant dans le coeur de la fibre, à l'une de ses extrémités, se propage

longitudinalement jusqu'à l'autre extrémité grâce aux réflexions totales qu'il subit à l'interface

entre le verre de coeur et le verre de gaine . Parmi les fibres multimodes, on distingue les

fibres à faible indice ou saut d'indice débit limité à 50 Mb/s) et les fibres à gradient d'indice

(débit limité à 1 Gb/s).

5-1-1- Fibres optiques à saut d’indice

C’est le type de fibre le plus simple, directement issue des applications optiques

traditionnelles (figure I.4). Dans cette fibre, le coeur, de diamètre 2a, est homogène et

d’indice n1. il est entouré d’une gaine optique de diamètre extérieur 2b et d’indice n2

inférieur à n1. Ces deux indices sont peu différents et doivent être de l’ordre de 1,5.

La gaine otique joue un rôle actif dans la propagation, et ne doit pas être confondue

avec les revêtements de protection déposés sur la fibre. D’après la loi de Descartes, un

rayon lumineux injecté va rester guidé dans la fibre (dans le coeur ) si son angle

Figure I.3 : L’ouverture numérique

8


d'inclinaison θ sur Oz reste inférieur à 0θ Le rayon est dans ce cas guidé par réflexion

totale au niveau de l’interface coeur-gaine, sinon il est réfracté dans la gaine. Ceci

reste vrai si la fibre cesse d’être rectiligne, à condition que le rayon de courbure reste

grand devant son diamètre.

Figure I.4 : la fibre multimode à saut d’indice

5-1-2- Fibres optique à gradient d’indice

Ces fibres sont spécialement conçues pour les télécommunications (figure I.5 ). Leur coeur

n’est plus homogène : la valeur de l’indice décroît depuis l’axe jusqu’à l’interface, Le guidage

est cette fois dû à l’effet du gradient d’indice. Les rayons guidés suivent une trajectoire

d’allure sinusoïdale. La gaine d’indice 2n n’intervient pas directement, mais élimine les

rayons trop inclinés. On peut de même définir l’ouverture numérique.

L’avantage essentiel de ce type de fibre est de minimiser la dispersion du temps de

propagation entre les rayons, sans utiliser pour cela l’ouverture numérique trop faible.

La fibre la plus courante, utilisée en télécommunications à moyenne distance a pour

ouverture numérique 0,2 et pour diamètres coeur/gaine 50/125 mm. Il existe aussi les

fibres 62,5/125 utilisées en micro-informatique et 85/125 utilisées en

vidéocommunications

9


Figure I.5 : La fibre multimode à gradient d’indice.

5.2- les fibres optiques monomodes

Les fibres monomodes (figure I.6 ) ont un diamètre de coeur (10 microns), faible par

rapport au diamètre de la gaine (125 microns) et proche de l'ordre de grandeur de la longueur

d'onde de la lumière injectée. L'onde se propage alors sans réflexion et il n'y a pas de

dispersion modale .

Le petit diamètre du coeur des fibres monomodes nécessite une grande puissance

d'émission qui est délivrée par des diodes-laser.

Figure I.6 : La fibre monomode

I.6 - Caractéristique d’une fibre optique :

Les principales caractéristiques des fibres optiques sont l'atténuation, la dispersion

chromatique, la dispersion modale, que nous allons présenter.

a. L’atténuation :

L'atténuation dans les fibres optiques résulte de plusieurs mécanismes.

Pertes intrinsèque : dépendent de la nature physico chimique de la fibre

optique.

- Pertes par absorption moléculaire : elles sont causées par l’absorption

des rayons optiques par la silice et les impuretés contenus dans celle-ci.

- Les irrégularités involontaires de structure provoquent des pertes par

diffusion (diffusion Rayleigh).

10


Pertes extrinsèques : dépendent du couplage fibre-fibre ou fibre-composans.

- Les pertes dues aux conditions d'utilisation des fibres. Toute courbure

trop serrée crée des pertes par rayonnement.

- Les microcourbures sont des courbures très faibles, mais répétées et

pratiquement incontrôlables, dues au conditionnement des fibres dans

les câbles.

- Les fibres sont toujours utilisées par tronçons de longueur finie,

raccordés entre eux. Chaque jonction peut provoquer une perte de

raccordement.

Figure I.7 Phénomène d’atténuation

b. Dispersion :

La dispersion d’un signal optique se manifeste par une distorsion du signal et cause un

élargissement des impulsions au cours de leur propagation dans la fibre optique.

Il existe deux types de dispersion :

Dispersion chromatique (ou intramodale) :

La dispersion chromatique est la combinaison de deux types de dispersion : la dispersion

du matériau et la dispersion du guide d’onde.

La dispersion du matériau est causée par la dépendance de l’indicede réfraction de la longueur

d’onde.

En effet la dispersion du matériau est très petite à par rapport à la longueur d’onde d’environ

1300nm, cette dispersion existe dans toute les fibres optique qu’elle soit monomode ou

multimode.

Pe PS

t0 t0 t0+t

11


La dispersion du guide d’onde est particulièrement importante pour les fibres monomodes.

Elle est causée par le fait que la répartition de la lumière du mode fondamental sur le cœur et

la gaine dépend de la longueur d’onde.

La dispersion total est la somme des dispersions due au matériau et la dispersion du guide d’onde.

Dispersion modale (ou intermodale) :

Dans une fibre optique multimode se propagent plusieurs modes, chacun suivant une trajectoire

différente.

L’énergie lumineuse transmise dans la fibre se répartie entre les différents modes qui se propage

dans le cœur.

L’ensemble des retards entre les différents rayons composant le signal lumineux détermine en

réception une distorsion du signal électrique obtenu par le convertisseur optique - électrique ; cette

distorsion est la Dispersion Modale

.

.Effets de la dispersion modale et chromatique

Les effets de la dispersion modale et chromatique sur la propagation de l’impulsion optique le

long de la fibre, illustrée par la figure et mettant en évidence, comment les différents

comportements des composantes de l’impulsion déterminent la distorsion de celle-ci en réception.

Impulsion d’entrée impulsion composante de sortie

t t

a)

Dispersion modale

12


t

t

b)

Figure I.8 : dispersion modale et chromatique

a) l’impulsion en réception est la somme des impulsions composantes qui se

propagent en temps différents (parcours différents)

b) propagation avec des vitesses différentes, des différentes composantes du signal de

longueurs d’ondes diverses.

Il existe aussi un autre type de dispersion :

Dispersion de polarisation :

Cette dispersion due à la biréfringence de la fibre, provoque une déformation des

impulsions lumineuses par le fait que les deux principaux états de polarisation ont des

constantes de propagation légèrement différentes.

Il en résulte que les états de polarisation des bords et du centre des impulsions différentes de

plus en plus au cours de la propagation, d’où leur déformation.

Pour pouvoir compenser avec précision la dispersion de polarisation de la fibre installée, il est

nécessaire de l’avoir préalablement mesurée. Les recherches effectuées dans ce domaine ont

surtout pour objectif de comparer la précision de différents procédés de mesure.

c. Bande passante :

La bande passante est un des paramètres les plus importants pour définir les propriétés

de transmission d’une fibre optique.

La définition de la bande passante totale (BT) qui dépend de l’effet conjonctif des deux

phénomènes de dispersion modale et chromatique, permettra de stabiliser la fréquence

maximale transmissible en ligne.

La bande totale est définie par l’expression :

Dispersion chromatique

13


BT = 1 / (1 /Bm2 + 1 / Bc2 )

Bm : bande résultante de la dispersion modale

Bc : bande dérivante de la dispersion chromatique

Dans la fibre multimodes la bande totale dépend uniquement de la bande modale.

Fibre multimode BT = Bm

Dans la fibre monomode la bande totale est déterminée uniquement par la bande chromatique.

Fibre monomode BT = Bc

- bande modale : Bm

La valeur de la bande modale normalement référencée à 1000 m de longueur notée Bmo est

donnée par le constructeur. Pour calculer la bande modale ( Bm ) d’une liaison en fibre

optique on doit appliquer la relation :

Bm = Bmo / Lγ

Bmo : Bande modale par unité de longueur.

L : Longueur de la liaison fibre optique.

γ : Facteur de concaténation des modes renseigne sur le degré de couplage.

- bande chromatique

La dispersion chromatique est d’autant plus importante que la largeur du spectre lumineux

de la source est plus large. Pour cela on doit tenir compte dans le calcul de la bande

chromatique BC.

Bc = 0,44.10-6 ⁄ µ.∆λ.L

∆λ : Largeur spectrale de la source à mi amplitude.

L : longueur de la liaison FO

µ : Coefficient de dispersion chromatique.

14


I.7. Technique de transmission : MULTIPLEXAGE

7.1. Définition de Multiplexage :

Le multiplexage est l’opération qui consiste à grouper plusieurs voies, attribuées chacune a

une communication, de façon à les transmettre simultanément sur le même support physique

(Câble, satellite…) sans qu’elles ne se mélangent ou ce perturbent mutuellement.

A la réception, un démultiplexage aussi parfait que possible doit permettre de séparer ces

voies et de les restituer sous leur forme originale.

7. 2. Multiplexage analogique :

Des le début de l’ére de télécommunications, les opérateurs de télécommunication étaient

confrontés à un nombre croissant d’utilisateurs et par conséquent de trafic. Ceci a menée au

développement de diverses méthodes et technologies conçues pour répondre aux besoins du

marché.

Par conséquent, la technologie de multiplexage fréquentiel FDM (Frequency Division

Multiplexe) a été introduite.

Ce type de multiplexage permet à plusieurs voies téléphoniques d’être transmises sur un

même support physique chacune de ses voies possède sa propre bande passante décalée par

rapport à celle de ces voisines.

Le multiplexage consiste donc en une juxtaposition fréquentielle des voies.

L’opération de multiplexage analogique consiste donc à moduler chaque voie avec une

fréquence porteuse différente pour pouvoir envoyer les signaux dans des différentes gammes

de fréquences.

Wb

Wb

Wa

Fréquence

Amplitude

W

WcWa

Wa b c : canaux de fréquences

Figure I.9 : multuplexage analogique

15


7.3 Multiplexage numérique :

La transmission numérique permet une régénération parfaite des signaux reçus. Ainsi, la

transmission à grande distance s’effectue pratiquement sans altération des messages, ce qui

n’est pas le cas des transmissions des signaux sous formes analogique dont les déformations

s’amplifient a chaque passage par un répéteur.

En effet, il s’agit d’un multiplexage temporel : au lieu de multiplexer plusieurs fréquences

comme dans le cas du multiplexage fréquentiel, le temps est divisé en plusieurs tranches, et

chaque tranche de temps est allouée à une voie de communication. C’est ainsi que prend

forme le multiplexage numérique.

Le multiplexage numérique se distingue par deux types de multiplexages sont :

Multiplexage bas débit :

La technique MIC :

La technique MIC (Modulation par Impulsions Codées) en anglais PCM (Pulse Coing

Modulation) permette de transmettre simultanément 30voies sur un support physique en

cuivre a un débit 64Kbit/s , cela est obtenu par un multiplexage temporel suite a la

numérisation des signaux analogiques.

Trois opérations sont nécessaires :

> L’échantillonnage a la fréquence fe.

> La quantification.

> Le Codage des q nombres correspondant aux intervalles quantification.

16


A. L’échantillonnage

L’échantillonnage consiste à prélever des valeurs du signal analogique à des intervalles de

temps réguliers selon une fréquence bien définie.

Figure I .11 La quantification des échantillons

Le théorème de l’échantillonnage du à Shannon constitue la base commune et féconde des

théories du signal, de l’information et de la communication.

Shannon énonce :

« Un signal primaire s(t) qui ne contient que des composantes de fréquence inférieur a fmax

(spectre borné) peut être entièrement détermine par des échantillons équidistants, prélevés

avec une fréquence fe telle que : Fe >= 2 fmax. »

Sachant que La bande de fréquence en téléphonie est comprise entre 300 et 3400hz

Fe = 8 KHZ (> 2 fmax).

La période entre deux échantillons successifs est : Te=1/Fe =125µs

Signal Analogique

Echantillonage CodageQuantification

Transmission Du signal

numérique Figure I.10 numérisation d’un signale

Temps

Signal analogique

Temps

Signal échantillonné

17


B. la quantification

La quantification consiste a effectuer une comparaison prélevée à partir d’un signal

analogique par rapport a des échantillons étalons prédéfinis.

A ce type d’opération qu’est la quantification, on associe un paramètre important nommé la

quantum q défini par : q=tension plein échelle/2 N

Le nombre d’échantillons étalons est de M tel que : M=2 N , N : nombre entier

En téléphonie N est fixé à 7donc M=128 échantillons étalons.

C. le codage

A chaque échantillon étalon est affecte un poids binaire. le codage d’un échantillon se fait sur

un octet (8 bits) dont le premier est affecté au signe de l’échantillon et les sept bits suivants

servent a coder son amplitude

q M=q(a020 + a1 21+…+a N-1 2N-1) avec 0<m<M

q : pas de quantification

a0, a1,….,a N-1 : bits

Pour une fréquence d’échantillonnage Fe = 8KHZ, on obtient 8000 échantillon par seconde.

Sachant que chaque échantillon est codé sur 8 bits, le signal numérique résultant est transmis

à un débit de 64Kbit/s (64 Ko).

Le multiplexage à 2048Ko et 1544 Ko :

Le débit de transmission à 2048 Ko résulte du multiplexage de 30 canaux à 64 Ko en plus

des informations de signalisation nécessaire pour la gestion.

Ce débit primaire est employé dans le monde entier et seul les Etats-Unis, le Canada et le

japon emploient un débit primaire de 1544 Ko constitué en multiplexant 24 canaux au lieu de

30 canaux.

Figure I.12:La quantification des échantillons

q5

q0 temps

Signal échantillonné

q1

q2

q3

q4

temps

Signal quantifié

q : pas de quantification

18


Le traitement du signal produit une suite d’échantillons codés sur 8 bits toutes les 125µs.le

multiplexage de plusieurs voies sur un même support consiste a entrelacer les échantillons de

diverses voies en respectent toujours le même ordre d’émission.

Il en résulte un motif répétitif sur la période de 125µs appelle trame.

Le multiplexage a 2048Ko (2.048 Mo) :

La trame de période 125µs est constitué de canaux de bits chacun, soit 32 l'intervalle de

temps, IT0 transporte le mot de verrouillage de trame, l’intervalle de temps IT16 est

généralement réserve au transport de la signalisation des diverses voies multiplexée.

Sachant que chaque intervalle de temps IT représente un échantillon d’une voie de

communication codé sur 8bits en plus des deux intervalles de temps réservés pour la

signalisation, alors on aboutit à l’émission de 256 bits durant 125µs.

125µs

- Structure de la trame de 2.048 Ko-

Le multiplexage a 1544Ko (1.544 Mo) :

La trame de période de 125µs est constituée de 193bits. Le premier bit de la trame sert au

verrouillage de la trame et aux données d’exploitation .les 192bits suivants portent 24IT

affectes a la transmission de 24 canaux a 64 Ko.

Sachant que chaque intervalle de temps IT représente un échantillon d’une voie de

communication codé sur 8bits, alors on aboutit à l’émission de 192 bits durant 125µs.

IT0 IT1 . . . . . . . . . . .. .. … IT24 1bit

125µs

- -Structure de la trame de 1.544 Ko-

IT0 IT1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IT31

19


Système Européen Système Américain

Fréquence d’échantillonnage Fe= 8 KhzNombre de niveaux de quantification q = 256Nombre de bits par échantillon b = 1 b q =8Débit binaire par voie d=64 KBit/sNombre d’intervalles de temps y= 32 24Nombre de voies z = 30 24Nombre de bits/trame 32 x 8 = 256 24 x 8 + 1 = 193Débit binaire totale 256 x 8 KHz=2,048Mbit/s 193x8Khz=1,544Mbit/s

Comparaison des deux normes de multiplexage bas débit

Multiplexage haut débit :

L’histoire des réseaux et des télécoms pourrait se résumer à une perpétuelle course

au débit où à ce que l’on appelle largeur de bande.

Un réseau est à haut débit si son débit est au moins égal à 100 Mbits/s.

Avec un tel débit, le réseau est multimédia et est capable d’acheminer tous les types

d’information : données, textes, graphiques, vidéos, images…etc.

Hiérarchie digital plésiochrone PDH :

La hiérarchie PDH (plésiochrone digital hiérarchie) à évolué principalement pour répondre

à la demande de la téléphonie (Voix).

Le principe du multiplexage Plésiochrone est de construire le débit supérieur à partir du débit

immédiatement inférieur comme le montre la figure.

Le caractère plésiochrone du multiplexage impose une opération de multiplexage à chaque

niveau pour accéder à un signal affluent. Ainsi pour extraire un train à 2 Mbits/s dans un

multiplex à 140 Mbits/s.

3 démultiplexages sont nécessaire, 140 vers 4*34, 34 vers 4*8 et 8 vers 4*2.

64 Kbit/s

2

3

4

5

140 Mbit/s

2 Mbit/s

1

34 Mbit/s 8 Mbit/s

30 4 4 4

4

20


Chaque opération comporte une récupération de rythme et une recherche de trame.

Le multiplexage plésiochrone est basé sur l’adjonction d’un sur débit variable accoté à chacun

des signaux à multiplexer. Ceci permet d’adopter le débit affluent au débit qui lui est réservé

dans le signal résultant.

Le tableau suivant donne les différents débits de la hiérarchie PDH.

Niveau Norme du Japon Norme Amérique Norme Europe

1 24 x 64 Ko

1544 Ko

24 x 64 Ko

1544 Ko

30 x 64 Ko

2048 Ko

2 4 x (niveau 1)

6312 Ko

4 x (niveau 1)

6312 Ko

4 x (niveau 1)

8448 Ko

3 5 x (niveau 2)

32064 Ko

7 x (niveau 2)

44736 Ko

4 x (niveau 2)

34368 Ko

4 3 x (niveau 3)

97,728 Mo

4 x (niveau 3)

139,264 Mo

Top non standard 4 x (niveau 4)

397 Mo

4 x (niveau 3)

274 Mo

4 x (niveau 4)

565 Mo

Les limites du multiplexage plésiochrone :

Le multiplexage plésiochrone permet d'atteindre des débits importants. Cependant, il présente

plusieurs inconvénients :

Le système PDH était conçu pour véhiculer la voi à travers le réseau téléphonique, ainsi il

ne répond pas parfaitement à la demande de communications des données ;

Ce système adopte une topologie point à point, et donc il manque de flexibilité ;

Le multiplexage plésiochrone impose une opération de démultiplexage à chaque niveau

hiérarchique pour accéder à un signal affluent. Ainsi, l'insertion ou l'extraction d'un canal

individuel de 64 Ko à ou d'un niveau hiérarchique plus élevé exige une quantité

considérable de démultiplexeurs ;

Le taux des données d’exploitation d’un réseau PDH est faible ;

La nécessité d'évoluer vers des débits plus élevés.

21


A cet effet, il y’a en apparition de la technique SDH pour pallier aux besoins en haut débit

insuffisances de PDH.

Multiplexage synchrone SDH et SONET :

La hiérarchie numérique synchrone (SDH : Synchronous Digital Hierarchy) a été

introduite dans le monde des télécommunications. Elle a été développée dans le but essentiel

de construire un réseau unique afin de faciliter l'interconnexion des différents réseaux de

transmission à travers le monde entier, et pour répondre aux besoins croissants des services et

applications en termes de bande passante.

Les concepts de la SDH répondent à un certain nombre d'objectifs qui sont :

· La flexibilité d'un système de multiplexage se mesure d'une part à la facilité de

réorganisation du train résultant et d'autre part à la possibilité de transporter dans ce train des

débits variés.

· Le principe de multiplexage retenu pour la SDH est le multiplexage synchrone. Ce type de

multiplexage procure une visibilité directe des signaux composants à l'intérieur d'une trame à

155Mbit/s. On peut alors extraire ou insérer des affluents, réorganiser le multiplex sans

effectuer l'ensemble des opérations de multiplexage/démultiplexage. De plus il est possible de

transmettre dans une trame synchrone des débits non normalisés G703 par exemple : ATM.

(ATM : Asynchronous Transfert Mode)

· Les multiplexeurs de la hiérarchie plésiochrone actuelle disposent de quelques éléments

binaires de réserve qui peuvent être utilisés pour effectuer des contrôles de qualité entre deux

équipements de multiplexage d'un même niveau. Cependant le débit disponible reste faible et

limite les possibilités d'exploitation et de maintenance. D'autre part, il n'est pas utilisable par

les systèmes de ligne. Le fait que la SDH soit essentiellement orientée vers la transmission sur

fibres optiques a permis de diminuer les contraintes de débit. Une part relativement

importante du débit peut donc être réservée aux différentes fonctions d'exploitation

maintenance, elles existent aux différents niveaux définis dans la SDH.

22


Le tableau suivant présente les différents niveaux hiérarchiques de la structure SDH.

Trame Débit en Mo

STM-1 155.52

STM-4 622.08

STM-16 2 488.32 (~ 2.5 Gbit/s)

STM-64 9 953.28 (~ 10 Gbit/s)

La hiérarchie SONET

La hiérarchie SONET (Synchronous Optical NETwork) a été conçue en 1986 par BELL

Lab, elle est utilisée en Amérique du Nord. Cette hiérarchie est basée sur des principes

comparables aux principes de la SDH. La trame de base définie par cette hiérarchie est le OC-

1 (Optical Container) au débit de 51.84 Mo. Un réseau SONET supporte les débits

plésiochrones américains.

Le tableau suivant présente les différents débits définis par la hiérarchie SONET.

Trame Débit en Mo

OC-1 (STS-1) 51.84

OC-3 (STS-3) 155.52

OC-9 (STS-9) 466.56

OC-12 (STS-12) 622.08

OC-18 (STS-18) 933.12

OC-36 (STS-36) 1244.16

OC-48 (STS-48) 2488.32

OC-192 (STS-192) 9953.28

La relation entre les deux hiérarchies synchrones est la trame de base de la hiérarchie SDH

qui est STM-1. Cette trame peut être considérée comme l'entrelacement de trois STS-1.

I .8 : Evolution des techniques de multiplexage numériques :

23


Pour la transmission à très haut débit, la capacité des systèmes à une seule longueur d'onde

est non seulement limitée par la dispersion de la fibre, mais surtout par la vitesse des

équipements électroniques.

La technique de multiplexage en longueur d'onde : WDM (Wavelength Division

Multiplexing) est l’extension de la technologie SDH sur plusieurs longueurs d’onde.

C'est une technologie qui permet l’envoi de plusieurs signaux sur un même support en

fibres optiques monomodes en les mélangeant à l'entrée par un multiplexeur de longueur

d’onde (MUX), et en séparant les différentes ondes à la sortie au moyen d'un démultiplexeur

(DEMUX).

Figure I .13: techniques de multiplexage numériques

Le multiplexage en longueur d'onde sur une fibre n'augmente pas la bande passante de la

fibre mais c’est une solution économique qui permet de maximiser la capacité de celle-ci.

Dans cette technique, les différents signaux sont émis sur des longueurs d'onde distinctes.

Aujourd'hui, cette technique permet la transmission de 16 longueurs d'onde dans la gamme de

fréquence : 1520 nm - 1580 nm sur une même fibre optique. En réception, les signaux sont

identifiés par l'utilisation de filtres identifiant les différentes longueurs d'onde.

Sur chaque longueur d'onde est transmis un STM-16 (2.5 Gbit/s), donnant ainsi une

capacité globale de 40 Gbit/s par fibre. Les extensions à 32 et 64 longueurs d'onde ont déjà été

annoncées permettant la transmission de 80 Gbit/s et 160 Gbit/s respectivement.

L'introduction de la DWDM est la tendance vers le " réseau entièrement optique ". Les

technologies les plus récentes combinent les taux de multiplexage SDH les plus élevés avec

l'utilisation de la DWDM.

Amplificateurs optiques

λn

λ3

λ2

λn

λ3

λ2

SDH

SDHSDH

SDH

24


Bilan général des différentes fibres étudiées.

Etant donné qu’il a différentes structures de fibres, elles ont par conséquent des capacités

et des caractéristiques différentes Les tableaux suivants donne un bref récapitulatif des

avantages et des inconvénients de chaque structure.

I .9 : avantages est inconvénients de la fibre optique

9.1 Les avantages de la fibre optique

La fibre optique est une des plus grandes avancées technologiques en matière de câblage

puisqu’elle perd tous les désavantages des câbles électriques (puissance, impédances,...). Son

but est de transporter de la lumière dont la source est soit un laser, soit une DEL (diode

électroluminescente, LED en anglais).

La fibre optique présente, en thermes de transmission, une faible atténuation, une très

grande bande passante, multiplexage de plusieurs signaux (Fibre multimodes); Un faible

poids, une très petite taille, une grande souplesse.

25


Un câble optique peut négocier des transferts allant jusqu’aux Térabps. Les distances

dépassent alors plusieurs kilomètres, ce qu’aucun câble de cuivre ne permet de faire.

Aujourd’hui, c’est la meilleure solution pour des grandes distances et des gros transferts.

Relativement facile à installer, étant donné sa technologie, il permet surtout de connecter des

backbones entre eux.. Le gros avantage de ce type de câble est qu’il est indifférent aux

perturbations électromagnétiques puisqu’il transporte de la lumière. De plus, il échappe

complètement aux écoutes clandestines, puisqu’en l’occurrence il faudrait se ponter

directement sur le câble ce qui couperait la connexion.

9.2 Les inconvénients de la fibre optique

La fibre n’est pas dénuée d’inconvénients. Les plus fréquemment mentionnés sont :

la complexité de la connectique associée,

la limitation en température pour certaines fibres (+85°C pour les fibres en plastique)

la difficulté de détecter un défaut dans les fibres (épissures, cisaillement);

le prix du capteur à fibre optique est (pour l’instant) plus élevé que celui d’un capteur

traditionnel, sans pour autant être plus performant dans les applications usuelles;

I .10 : Les problèmes de transmission : Bien que très performantes les fibres optiques subissent des atténuations lors de la

propagation du signal. L’atténuation se mesure en dB/Km et elle dépend de la longueur

d’onde. Elle est due à plusieurs phénomènes

10.1 -La diffusion Rayleigh : Elle est due à l’interaction entre la lumière et la matière. En

effet des milieux comme le verre, les liquides et les gaz diffuse la lumière. Cette diffusion est

d’autant plus grande que la longueur d’onde est petite, d’où l’utilisation de l’infrarouge

(longueur d’onde élevée).

10.2 -Absorption due à la présence d’impuretés dans la fibre par exemple les liaisons OH

10.3 -Raccordements Il y a 2 manières de mettre bout à bout 2 fibres, par épissure (fusion)

c’est un raccord définitif ou par connecteur pour les raccords démontables. Dans les deux cas

(surtout le 2éme), cela entraîne des pertes à cause :

de l’écartement

de l’excentrement

du désalignement

26


10.4 -Courbure et microcourbure : Avec une courbure il y a diminution de l’angle entre le

rayon et la normale à la fibre. Pour une propagation il faut que le rayon soit réfléchi mais au

dessus d’angle le rayon est réfracté par la gaine optique. La courbure est due à une

déformation globale de l’axe. La microcourbure est due à une déformation locale de l’axe,

l’effet est le même.

10.5 -La dispersion chromatique Elle est principalement qualifiée par le coefficient de

dispersion chromatique 2

2

ωβ

∂∂

=D avec β le vecteur d’onde et ω la pulsation. Lorsquíl est

positif, cést le régime de dispersion anormal. Les impulsions se contractent. Cela peut se

traduire par une instabilité de modulation provocant l´éclatement dúne impulsion en

plusieurs maxima.

Lorsque le coefficient D est négatif, cést le régime de dispersion normale ; les impulsions

subissent des distorsions proportionnelles à la valeur de D. Elles s´élargissent et augmentent

ainsi le taux dínterférence.

10.6 -Dispersion intermodale

La cause principale de l'élargissement des impulsions dans les fibres optiques multimodes est

la dispersion intermodale. Cet élargissement est provoqué par les différences des temps de

parcours des rayons (ou des modes). La dispersion intermodale Di est l'élargissement temporel

maximum t d'une impulsion par unité de longueur de fibre

(ps / km)

avec tmax et tmin respectivement le temps de parcours du mode le plus lent et celui du mode

le plus rapide. Dans une fibre à saut d'indice, le rayon le plus rapide est celui dont le trajet est

parallèle à l'axe de la fibre. Ce rayon est associé à l'angle θ égal à 0 et au mode appelé

« mode fondamental » LP01. De même, le rayon le plus lent fait un angle maxθ par rapport à

l'axe de la fibre avec maxθ défini par :

27


Dans le cas d'une fibre optique monomode, cette dispersion est nulle et ne sera donc pas

prise en compte

10.7 - Dispersion de polarisation PMD Le mode fondamental d'une fibre optique monomode

(LP01) est composé de deux modes électromagnétiques dégénérés caractérisés par deux

directions de polarisation perpendiculaires (figure5). Dans une fibre monomode « idéale »,

ces deux modes, notés LP01x et LP01

y, se propagent à des vitesses identiques. Lorsque la fibre

présente une biréfringence, qui peut être due à des contraintes (élongation, courbures, micro

courbures ...), on observe une levée de la dégénérescence des constantes de propagation entre

les deux modes. Les deux composantes du mode se propagent alors à des vitesses différentes.

La propagation simultanée dans la fibre de ces deux modes de polarisation introduit un

phénomène de dispersion dite de polarisation qui est un facteur limitant de la capacité des

lignes de transmission optique monomode.

Figure I.15 : Représentation des modes dégénérés du mode LP01

10.8 - Les effets non linéaires :

Les effets NL sont observables pour des puissances de l’onde dans la fibre relativement

faibles. Ceci à cause des très petites dimensions des fibres (coeur) et des pertes très faibles.

Les effets NL se voient surtout dans les fibres monomodes, et se traduit par :

=> Une atténuation du signal en fonction de l’augmentation de Ptransmise

=> Une création de nouvelles longueurs d’onde à partir du signal Bien souvent la fibre

devient impropre à la transmission.

Le fait que l’indice de réfraction dépend de l’intensité du champ optique dans la fibre

amène un certain nombre d’effets NL, dont les 2 plus importants sont :

l’auto modulation de phase (SPM : self-phase modulation)

la modulation de phase croisée (XPM : cross-phase modulation)

28


10.9 - l’effet Kerr :

L’effet Kerr est du à la variation de l’indice de réfraction de la silice en fonction de

l’intensité optique. L’effet Kerr traduit la dépendance de l’indice de réfraction n de la silice en

fonction de l’intensité du champ

I.11 Les fenêtres utilisées dans les télécommunications optiques : La fibre en silice (Si), actuellement utilisée pour les télécommunications optiques, présentes

trois bandes d’intérêts appelées fenêtres optiques :

• 0.85 µm (première fenêtre optique) :

- composants électro-optiques bon marché.

-transport d’informations sur de courtes distances (5 Km pour une perte par

absorption de 90% du signal et grande dispersion >25 ps²/Km).

• 1.31 µm (deuxième fenêtre optique) :

-Réseau de communication standard (80 Km).

-Dispersion nulle dans la fibre.

-WDM (multiplexage en longueur d’onde).

• 1.55 µm (troisième fenêtre optique) :

-Réseau de communication longue distance (105 km avec une dispersion de –

20 ps²/km).

- Amplificateur optique à fibre dopée en erbium.

-DWDM (WDM dense).

La transmission d’information sur fibre optique en silice ne peut donc se faire que dans

ces trois fenêtres optiques, et sachant que les pertes par absorption décroissent rapidement de

la première à la troisième fenêtre, les transmissions optiques se font dans les deux dernières

fenêtres. La première fenêtre reste historique et ne permet que des transmissions locales

(quelques centaines de mètres). L’intérêt de la deuxième est l’absence de dispersion, quant à

la troisième c’est la faible absorption. On utilise ces deux fenêtres respectivement pour la

technique du WDM (jusqu’à 16 canaux) et celle du DWDM (>16 canaux).

• Fibre à 1.31 µm :

29


La transmission d’information sur fibre monomode à 1.31 µm se fait sans dispersion

chromatique du signal puisque la fibre est en zéro-dispersion vers 1.29 µm. Le signal ne subit

donc aucun élargissement fréquentiel et n’est alors pas perturbé.

Le problème qui se pose, étant donné la forte non linéarité des fibres, est le mélange à quatre

ondes (FWM - Four Wave Mixing) qui intervient lorsque le signal est très fin spectralement et

de forte puissance, ce qui est le cas présent. Le FWM engendre de nouvelles fréquences et

perturbe fortement le signal.

• Fibre à 1.55 µm

La transmission d’information à 1.55 µm, où les pertes par absorption sont minimales, ne

se fait pas sans dispersion puisque le coefficient de dispersion faut environ -20 ps²/km. Il faut

donc intégrer des éléments contre-dispersifs (fibre à dispersion décalée par exemple) afin

d’inverser la dispersion du signal et d’éviter les interférences entre plusieurs signaux dans la

techniques WDM.

Atténuation

Longueur d’onde

Figure I.16 Atténuation en fonction de la longueur d’onde

I.11 Evolution des débits et des réseaux

Si la demande en débits croît chaque année (voir chapitre sur l’évolution des services), la

demande en fibre optique ne connaît pas la même évolution. En 2001, un surplus de fibre

optique a été fabriqué et ce surplus affecte aujourd'hui la demande pour 2002 (Figure15 ). La

30


figure suivante représente l’évolution de la demande sur ces 3 dernières années ainsi que les

prévisions sur la période 2003 – 2006. Après deux années de croissance continue, la demande

a brusquement chuté au milieu de l’année 2001. Sur 1999 – 2000, la demande a été de 15 à 20

milions de km de fibres par an. La même demande est espérée à partir de 2003. Si la demande

en Europe connaît une croissance modeste sur les années à venir, ce sont les zones Asie et

Amérique du Nord qui vont connaître la plus forte demande.

.Évolution des technologies de multiplexage Mux/Demux

Les multiplexeurs combinent de multiples longueurs d'ondes issues des sources lasers qui

doivent être envoyées à l'intérieur d'une fibre, en un seul faisceau lumineux. Les

démultiplexeurs séparent le faisceau lumineux incident en longueurs d'ondes individuelles qui

seront finalement envoyées sur les détecteurs. Leur réalisation est basée sur l'utilisation de

filtres et de réseaux de diffraction. On compte trois technologies principales qui sont les filtres

couches minces, les réseaux de Bragg inscrits sur fibre (FBG) et les Arrayed Waveguide

Gratings (AWG). Aujourd’hui, le multiplexage pour les réseaux métropolitains et accès

commence à passer en optique (Figure 16 ).

Figure I.17 : évolution de la production fibre

31


Figure I.18 :’évolution des technologies de multiplexage longue distance

31

Chapitre II étude et caractéristique dans les réseaux optique

II.1 La liaison point à point optique : Une liaison point a point optique se compose d’un émetteur, d’un multiplexeur/ démultiplexeur, d’une ligne de transmission et d’un récepteur .la ligne de transmission est compose par les fibres optiques et les amplificateurs optiques qui substituent les régénérateurs électroniques. (Voir figure II.1)

Figure II.1 Principe d’une liaison point à point

Les différentes composantes d’une liaison optique point à point sont : II.1.1. Émetteur optique : Dans les systèmes de transmission par fibre optiques, on utilise de préférence comme source optique des composants semi-conducteurs : leurs dimensions sont bien adaptées au diamètre de cœur de la fibre et l’on bénéficie des avantages de la technologie des semi-conducteurs permettant la production en garde quantité de produits fiables et économiques.

Figure II.2 Structure d’un émetteur optique

Les émetteurs peuvent être de deux types : diodes électroluminescentes (DEL) et diodes laser (DL). Ces diodes, polarisées dans le sens direct, émettent un rayonnement dans le proche infrarouge. On peut choisir entre deux gammes de longueurs d’onde :

700 à 910 nm : diode à héterostructure de type GaAlAs ; 1 000 à 1 600 nm : diode à héterostructure de type InGaAsP.

La variation de la composition stochiometrique de ces matériaux, permet de changer leur Gap Eg, et par conséquent la longueur d’onde d’émission.

32


a). Sources émettrices : Les systèmes pratiques utilisent des sources a semiconducteur émettant vers des longueurs d’onde λ = 0,85 µm, λ = 1,3 µm ou λ = 1,55 µm. (fenêtre de transmission optique). On caractérise les sources par leurs spectres (répartition de la puissance émise en fonction de la longueur d’onde) et leur diagramme de rayonnement (répartition dans les différentes directions de la puissance émise). Schématiquement, il y a deux grands types de sources :

-Les diodes laser (DL) : sont caractérisées par un spectre de raies très fines (quelques 10-2 nm ou moins) réparties sur un intervalle spectrale de quelques nm. Il peut n’y avoir qu’une seule raie : on peut parler alors de laser monomode. La DL est une source cohérente dans le temps et dans l’espace, et monochromatique elle est utilisée dans les systèmes de transmission à très grande distance (fiable largeur spectrale donc bande passante importante). La cohérence exprime l’étroitesse du spectre de fréquence. (Voir figure II.3.a)

-Les diodes électroluminescentes (DEL) : ont un spectre beaucoup plus large, et une zone émissive plus étendue (centre de rayon 15µm ou plus). La DEL est une source incohérentes, elle présente contrairement au laser un diagramme de rayonnement moins directif, elle est utilise dans les systèmes de transmission qui ne nécessitent pas de très grande bande passante. (Voire figure II.3.b)

Figure II.3 : Spectre d’émission d’une source optique à semi conducteur.

Figure II.4 : Transmission de données optiques effectuée avec chacune une fréquence propre

33


b. Modulateurs : Un modulateur est un dispositif capable de modifier les paramètres d’onde optique (amplitude, phase). Deux méthodes sont utilisées pour moduler les ondes optiques ; la modulation directe et la modulation cohérente. Dans la modulation directe, on modifie le courant injecté de polarisation dans la source optique. Cette technique est simple et peu coûteuse. Dans la modulation cohérente, le signal optique provenant de la source est mélangé avec un autre signal optique issu d’un oscillateur local, à travers un modulateur optique. II.1.2 Multiplexeurs / démultiplexeurs optiques : Le multiplexeur en longueur d’onde est défini comme étant un dispositif de dérivation avec deux accès d’entrée ou plus et un accès de sortie, ou la lumière a chaque accès d’entrée est restreinte a une gamme de longueurs d’onde présélectionnée et la sortie est une combinaison de la lumière provenant des accès d’entrée. Par contre, le démultplexeur en longueur d’onde est un dispositif qui effectue l’opération inverse.

. Principe : Disposant des sources λ1, λ2 ,λ3 ,….,λ n émettant a des longueurs d’ondes différentes , on a la possibilité de les coupler a une même fibre optique .A l’autre extrémité de la fibre , les signaux λ1 ,λ 2 , λ3 ,…, λn seront sépares spatialement vers des détecteurs différents . Le composant d’entrée devra introduire dans la fibre avec le minimum de pertes possible, les signaux issus de sources différentes : c'est un multiplexeurs. Le composant effectuant l’opération symétrique est un demultiplexeur.

Figure II.5 Multiplexeur / Demultiplexeur en longueur d’onde

II.1.3 L’amplificateur optique : L’amplificateur optique présente de nombreux intérêts qualitatifs par apport au répéteur régénérateur qui doit être conçu pour un débit bien spécifique. En effet, dans un amplificateur optique, la bande passante n’est plus limitée par l’électronique et peut atteindre plusieurs centaines de gigahertz. L’amplificateur optique offre l’avantage d’amplifier les signaux dont la longueur d’onde correspond à leur plage de sensibilité sans tenir compte du débit de transmission et du forma de modulation utilisé. Cependant,

34


l’amplificateur optique ne régénère pas le signal à amplifier ; il amplifie du signal au même titre que son bruit associé. L’amplification optique peut avoir lieu en trois points d’une liaison qui correspondent au trois amplifications principales d’un amplificateur optique. Deux type d’amplificateurs optique ont aujourd’hui des amplifications clairement identifiées : -L’amplificateur optique à semi-conducteurs. -L’amplificateur optique à fibre dopée à l’erbium. Ces deux types d’amplificateur optiques fonctionnent sous le même principe physique : un faisceau lumineux incident est amplifier grâce à un rapport extérieur d’énergie appelé pompage électrique ou optique selon le mode d’excitation. 3.1.1 Les amplificateurs à semi-conducteur (AOSC) :

Les premiers travaux sur les AOSC ont démarré au début des années 80, à partir du moment où les lasers à semi-conducteur fonctionnaient en continu avec une fiabilité acceptable. Leur structure de base est peu différente de celle d'une diode laser. Nous retrouvons l'inversion de population, l'émission spontanée et stimulée, les recombinaisons non radiatives, une source externe ... Contrairement aux lasers à semi-conducteur, il n'y a pas de miroirs aux extrémités mais un revêtement antireflets déposé sur les faces clivées afin de diminuer les réflexions de la lumière vers l'intérieur du circuit.

Figure II.6 Configuration de base d'un amplificateur optique à semi-conducteur.

La lumière incidente entre dans le circuit, est amplifiée et sort par l'autre extrémité1 pour être couplée dans la fibre. Idéalement, il n'y a pas de réflexion du signal dans l'amplificateur.

1.3.2 Les amplificateurs à fibre dopée (AFDE) :

Le milieu amplificateur est le cœur d'une fibre optique monomode dopée avec des ions de terre rare. Pour que la fibre ne soit pas absorbante, mais amplificatrice, il faut l'associer à un pompage optique.

Un multiplexeur permet de coupler le flux lumineux puissant provenant d'une diode laser de pompe et le signal à l'intérieur de la fibre. Les longueurs d'onde de pompe doivent permettre des transitions vers les états excités des ions de terre rare et créer l'inversion de population.

L'ensemble module de pompe, multiplexeur et fibre dopée forme l'amplificateur le plus rudimentaire. La longueur de fibre est généralement comprise entre 10 et 20 mètres. Pour l'amplification autour de 1550 nm, fenêtre spectrale la plus utilisée car de faible atténuation dans les fibres optiques en silice, les dopants sont des ions Erbium Er3+. On parle alors d'Amplificateur à Fibre Dopée à l'Erbium (AFDE).

35


980 et 1480 nm sont les deux longueurs d'onde de pompe les mieux adaptées à l'AFDE. Et des diodes lasers à semi-conducteur sont disponibles à ces longueurs d'onde (lasers en AlGaAs à 980 nm et lasers en InGaAsP à 1480 nm). Le multiplexeur optique, sélectif en longueur d'onde, doit présenter une perte d'insertion faible à ces deux longueurs d'onde afin d'optimiser le rendement optique du système.

Des isolateurs présents à chaque extrémité en assurent aussi la stabilité en bloquant tous les faisceaux lumineux susceptibles de revenir en amont. Le signal de pompe peut être couplé dans la fibre en co-propagation (mêmes sens pour le signal et le signal de pompe) afin de réduire le facteur de bruit ou en contre-propagation (sens opposés du signal de pompe/ signal utile) favorisant ainsi une plus forte puissance de saturation. Mais afin d'augmenter et uniformiser dans la fibre dopée l'inversion de population et donc l'amplification du signal, un double pompage aux deux extrémités peut également être réalisé.

La Figure représente la configuration d'un de ces amplificateurs à fibre dopée.

Figure II .7 Configuration d'un amplificateur optique à fibre dopée à l'erbium avec pompage

Utilisation de l’amplificateur optique : En transmission point à point, l’amplification optique peut également être utilisée : En préamplificateur, juste avant la détection ; on recherche alors le plus faible excès de bruit, afin de se rapprocher de la limite quantique ; En « booster » juste après l’émission; il faut maximiser la puissance de saturation et le rendement quantique. En associant le booster à l’émission et le préamplificateur en réception, on réalise des liaisons atteignant 350 Km sans amplification intermédiaire. En ligne ; comme amplificateur intermédiaire, en mettant en cascade plusieurs amplificateurs ; dans les liaisons très longues distances.

36


Figure II .8 Différents systèmes de transmission à amplification optique

principe de fonctionnement d’un amplificateur optique :

L'amplification optique repose sur le phénomène d'émission stimulée. Le signal est amplifié dans un guide (semi-conducteur ou fibre) grâce à un apport extérieur d'énergie appelé pompage (courant injecté ou source de lumière) qui vient créer une inversion de population.

La recombinaison électron-trou peut ensuite être provoquée par un photon incident, ce qui donne naissance à un deuxième photon de même fréquence, de même phase et même direction. Cette émission est dite stimulée et conduit à une amplification du signal.

En même temps, la recombinaison peut se faire sans la présence d'un photon incident. Ces photons, émis de façon spontanée, de manière non cohérente, constituent le bruit de l'amplification optique.

L'ensemble des photons, originels ou pas, subissent une série d'amplifications. Les photons spontanés seront aussi amplifiés, ce qui définit la source de bruit appelée ESA (Emission Spontanée Amplifiée).

II.1.4. Récepteur optique :

L'interface optique de réception, dans une liaison à fibre optique, est chargée de convertir le signal lumineux en signal électrique, en lui apportant le minimum de dégradation. Ce rôle est tenu par le photodétecteur, qui pour simplifier, se comporte comme un compteur de photons et un générateur de courant.

La première propriété requise est une sensibilité importante pour la longueur d'onde utilisée. La deuxième est la rapidité : il doit être utilisé dans des systèmes fonctionnant à 10 Gbits/s voire même 40 Gbits/s. La troisième propriété demandée est un apport minimum de bruit.

Afin de satisfaire la plupart de ces conditions, le choix se porte sur les photodétecteurs à semi-conducteur, qui présente les avantages d'être très rapides et faciles à utiliser dans un système de transmission.

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principe de la photodétection :

Les photons transmis par la fibre pénètrent dans le détecteur, constitué d'une jonction p-n semi-conductrice. Absorbés, ils peuvent provoquer le passage d'électrons d'un état de la bande de valence à un état plus élevé de la bande de conduction. Dans cette dernière, les électrons moins liés deviennent libres.

Le photon a donc laissé place à une paire électron-trou. Une différence de potentiel est appliquée en inverse afin d'empêcher les électrons de retomber dans son état le plus stable. Sous l'effet du champ électrique, les deux catégories de porteurs sont séparées et entraînées vers des zones où ils sont majoritaires (nommées P ou N). Les porteurs ainsi générés sont alors recueillis sous forme de photocourant. Le nombre de paires électron-trou est égal au nombre de photons absorbés, mais seules les paires réellement collectées (non recombinées) contribuent au photocourant.

Types de photodiodes : Il existe deux types de photodiodes :

Les photodiodes PIN :

Afin d’obtenir un bon rondement, on utilise une structure de diode PIN polarisé en inverse : les photons sont absorbés dans la zone intrinsèque (i) qui du fait de la polarisation, est vide de porteurs mobiles (zone de charge de l’espace) ; les électrons et les trous ainsi crées ont une faible probabilité d’être recombinés. Il sont séparés par le champ électrique E qui règne dans la zone intrinsèque et qui les dirige vers les zones n et p ou ils sont majoritaires.

.

Figure II.9 Photodiode PIN

La zone traversée par la lumière doit être de faible épaisseur, et protégée par une couche anti-reflets qui améliore le rendement externe et protége le matériau.

Les photodiodes à avalanche :

Le signal reçu étant souvent très faible, il est nécessaire d’amplifier le photocourant. Le bruit du préamplificateur étant en général prépondérant, on doit utiliser un composant à gain interne, la photodiode à avalanche PDA.

Son principe est l’ionisation en chaîne, par impact des porteurs, sous l’effet d’un champ électrique très intense. C’est l’effet d’avalanche qui, s’il n’est pas contrôlé, aboutit au claquage de la jonction pour une tension inverse importante. Chaque porteur primaire va donner naissance à m porteurs secondaires. Ce

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champ électrique est obtenu, sous forte polarisation inverse, dans une jonction PN abrupte, en général séparée de la zone d’absorption, épaisse et peu dopée .

Figure II .10 Structure d'une photodiode à avalanche II.2 : La technologie WDM : Les besoins croissants en débit de la part des opérateurs pour de nouveaux services de télécommunication ont amené à rechercher une technique afin d’augmenter les capacités de transmission des réseaux optiques. D'où l'idée du multiplexage en longueur d’onde (WDM : Wavelength Division Multiplexing) qui permet de répondre à cette demande, tout en ayant le gros avantage d’exploiter les fibres existantes. 2.1 Principe : Pour faire face à l’augmentation des débits dans les réseaux de transmission, on utilise depuis plusieurs années la technologie WDM. Cette technique consiste à transmettre simultanément sur une même fibre optique plusieurs signaux, provenant de sources diverses, chacun étant véhiculé par une longueur d’onde différente.

La figure II.1 nous montre un système classique basé sur la technique WDM. A l'émission, on multiplexe N canaux au débit nominal D, à la réception, on démultiplexe le signal global N x D en N canaux : la fibre transporte un multiple de N canaux ce qui est par conséquent équivalent en terme de capacité à N fibres transportant chacune un canal.

Figure II.11 Principe d'une liaison WDM

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2.2 Les types de multiplexage en longueur d’onde :

Les multiplexeurs optiques peuvent être classé en trois catégories principales selon la technique utilisée : 2.2.1 Multiplexage à filtre optique : Le filtrage a pour but de limiter l’occupation spectrale d’un spectre d’un signal. Le multiplexage optique regroupe les signaux occupant des gammes de longueurs d’onde différentes tandis que la fonction réciproque, le démultiplexage permet de séparer des signaux occupant des bandes de longueurs d’onde déférentes. Donc les filtres permettent la séparation spectrale en reflichissant certain gamme de longueurs d’onde et en transmettant les autres, on caractérisera par conséquent les filtre par ça bande passante, c’est-à-dire le domaine de longueur d’onde dans les quelles il laisse passer la lumière, et sa bande atténuée c’est-à-dire le domaine de longueur d’onde dans les quelles il reflechisit la lumière incidente Deux types de filtres sont utilisés :

Les filtres dichroïques :

Ces dispositifs présentent un pic de réflexion a une longueur d’onde donne. Il est possible d’accroître le domaine de réflexion en empilant des couches successives et d’obtenir ainsi des filtres passe haut et passe bas. Les filtres dichroïques sont donc constitues par un empilement des couches diélectrique d’indice alternativement haut et bas. Le filtre est caractérise par son coefficient de transmission T en bande passante et son coefficient de réflexion R en bande atténuée.

Figure II.12 Courbe de transmission d’un filtre dichroïque (0,8 /1,3 µm)

Les filtres Fabry-Perot :

Ils ont une caractéristique de transmission passe bas, ils pressentent un pic de transmission étroit autour d’une longueur d’onde λ0 et les deux domaines spectraux adjacentes sont réfléchis. Pour accroître la raideur du filtre, on peut répéter l’empilement pour un assemblage à deux ou trois cavités.

40


Figure II.13 Courbe de transmission d’un filtre Fabry –Perrot

Utilisation de ces deux types de filtres :

Une application est la réalisation de la fonction de multiplexage optique qui effectue une séparation chromatique sur une ligne de transmission a fibre optique. Une solution adaptée sur certains dispositifs est le dépôt du filtre sur l’extrémité d’une fibre optique.

(a) Multiplexage à filtre optique (b) Démultiplexage à filtre optique

Figure II.14 Type de filtres Les autres produits commerciaux utilisent une optique intermédiaire. Les lentilles a gradient d’indice qui assure la continuité entre la fibre et le filtre.

Figure II.15 Multiplexeur à filtres avec lentille à G.I

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2.2.2. Multiplexage à coupleurs sélectif : Le principe de ces composantes est l’interaction cohérente entre deux guides optique, ils sont appelles les coupleurs de puissance, qui sont utilises dans les systèmes multiplexes. Les différents types de coupleurs :

Coupleurs en X (2 : 2) :

Figure II.16 Coupleur optique 2 :2

La puissance d’un signal arrivant sur une des branches est également repartie sur les deux branches opposées. Cependant, les chemins croises (AD-BC) sont plus longs que les chemins directs (AC –BD). Ceci représente un déphasage entres les deux sorties du coupleur.

Les coupleurs en arbre :

Figure II.17 Coupleur en arbre (1 : N)

Les coupleurs en arbre sont composes de coupleurs 1 : 2 est un coupleur 2 :2 dont une des entrées a été désactivée, elle peut simplement ne pas être connectee. Un coupleur en arbre permet la distribution d’un signal optique d’une voie vers N. Addition par coupleur optique (multiplexeur).

Figure II.18 Multiplexeur à coupleur en arbre

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Distribution avec un coupleur optique + filtrage (démultiplexeur).

Figure II.19 Demultiplexeur à coupleur en arbre 1 : N

Les coupleurs en étoile : Un coupleur en étoile N : N est différent de deux coupleurs en arbre 1 : N et N : 1 cascadé, c’est un assemblage de coupleurs 2 : 2. Les nombre d’étages nécessaire a sa réalisation est identique a celui d’un coupleur en arbre 1 : N, soit égale à l’entier supérieur de log2 (N).

Figure II.20 Coupleur en étoile

Figure II.21 Multiplexeur à coupleur en étoile N : N

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2.2.3 Multiplexage à réseau de diffraction : Le réseau à l’avantage de traiter simultanément un grand nombre de voies a l’intérieur de la même fenêtre. Il,se compose d’une surface optique qui transmet ou réfléchit la lumière est sur la quelle un grand nombre de traits sont graves au diamant. Le réseau a la propriété de renvoyer, séparer angulairement, les différentes longueurs d’ondes contenues dans un même faisceau incident. En vertu du principe de retour inverse de la lumière, le réseau peut combiner dans une même direction des faisceaux incidents sépares angulairement et des longueurs d’onde adéquates. L’angle de diffraction est en fonction de l’espacement des trais et de l’angle d’incidence. Considérons le cas de réseaux a surface optique reflichissante et un rayonnement monochromatique de longueur d’onde. Soit θ1 l’angle du rayonnement incident avec la normale au réseau et θ2 l’angle du rayon diffracte. Le réseau est caracterise par des trais régulièrement espaces d’une distance « a ». La différence de marche entre deux rayons diffractes est : D = a ( sinθ1+ sin θ2 ) Lorsque le différence de marche est multiple de la longueur d’onde, on déduit l’équation de diffraction du réseau : sinθ1+ sin θ2=Kλ /a avec K : l’ordre De Diffraction (nombre entier). On dit qu’un réseau est utilise dans la configuration Littrow quand θ1 = θ2= θ, dans ce cas, les rayons incidents et diffractes ont la même direction, et la formule devient : 2x sin θ = Kλ /a

Figure II.22 Schéma de principe d’un réseau de diffraction en réflexion

Figure II.23 (a) multiplexage a réseau de diffraction

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Figure II.24 (b) démultiplexage a réseau de diffraction a configuration Littrow

L’énergie est repartie sur plusieurs ordres, cette répartition dépend de la forme des trais ; d’où la conception d’un réseau dont les traits sont constitues par des éléments réfléchissants. Si le réseau est utilise dans la configuration de Littrow, toutes l’énergie totale incidents sur le réseau. En démultiplexage optique, la fonction de transfert dépend du pouvoir disperseur du montage optique et de l’écart entre les diamètres de cœur des fibres de sortie et d’entrée. Les pertes variants entre 1dB et 3 dB selon le nombre de canaux et des composants à 20 canaux ont été réalisés les applications à la télecommunication.

Figure II.25 Fonction de transfert d’un démultiplexeur à 8 canaux Pour le multiplexeur optique, toutes les fibres sont monomodales et la fonction de transfert est améliorée en réduisant la distance entre les cœurs des fibres.

45


Figure II.26 Fonction de transfert d’un multiplexeur à 8 canaux II.3. Les conditions requises pour le WDM :

Établissons un bilan des différents composants nécessaires afin de réaliser une transmission d’information sur une fibre monomode en silice à n1.31 µm ou a 1.55 µm avec un débit binaire B. Considérons en premier lieu : 3.1. Le rapport signal sur bruit : Le rapport signal/ bruit est le rapport entra la puissance optique de la porteuse et le bruit au récepteur. Une règle approximative indique que le rapport signal/bruit ne devrait pas descendre sous 20 dB dans la plupart des systèmes de communication optique.

: Le taux d’erreur sur un bit : = (le nombre de bits erronés sur nombre de bits reçus) S/B : signal sur bruit. Soit pour un = 10-9, un S/B 144(21.6dB). Selon le détecteur utilise (PIN ou PDA), on a un S/B différent, donc des puissances minimales détectables Pmin différentes : Pour un débit de 2,5 Gb/s on a Pmin (PIN)= 5 µW (-23dBm) et Pmin (PDA) = 0.7 µW (-31 dBm). 3.2. Le choix de la source optique : La transmission d’information sur fibre optique à haut débit requiert certaines conditions sur les sources et les fibres optiques : La puissance minimale demandée à la source est déterminée en fonction des pertes de la fibre, la puissance minimale détectable du détecteur.

46


On a alors : P0 = Pi - Nc pc -Ns p s- L. Pi : puissance initiale de la source. P0 : puissance récoltée par le détecteur. Nc , Ns : nombre de connecteurs et de reccordeurs (coupleurs) respectivement p s ,pc : pertes (dB) aux connecteurs (0.5- 1 dB) et à chaque raccorde (~0.5–2dB)respectivement.

: Perte (dB/Km) de la fibre optique ( =0.4 dB/Km à 1.31 µm et 0.2 dB/Km à 1.55 µm ). L : longueur (Km) totale de la fibre. En considérant ce qui précède, on doit avoir P0 >Pmin

Le temps de réponse de la source et du détecteur ainsi la dispersion de la fibre permet d’analyser si le système propose est capable d’opérer au débit binaire choisis. Le temps de réponse d’un composant est le temps mis pour que sa réponse passe de 10 a 90 % du signal en sortie, quand l’entrée est soumise a un échelon. II.4. Les différents composants d’un système WDM :

Figure II.27 L’architecture de base et le fonctionnement d’un système WDM

4.1. Les modulateurs (modulators) : Servent à convertir les données numériques en ondes, soit par modulation d’intensité, soit par modulation d’amplitude, tandis que les démodulateurs (démodulators) ont la charge de reconvertir les signaux optiques en données numériques. Le moyen le plus efficace de moduler et démoduler les signaux consiste à utiliser des diodes lasers (modulation interne).

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4.2. Le multiplexeurs / démultiplexeur : Utilises pour grouper ou séparer les voies de longueurs d’onde différents, les multiplexeurs / démultiplexeur jouent un rôle primordial dans WDM. 4.3. Les amplificateurs optiques (EDFA) : L’amplificateur a fibre optique dopé à l’erbium est une technologie clef sur laquelle reposent les stations intermédiaires dans les systèmes de transport longue distance. Les EDFA permettent d’amplifier simultanément toutes les longueurs d’ondes, sans conversion des signaux optiques en signaux électriques. 4.4. Les convertisseurs (wavelength converter ) : Un signal optique module sur une longueur d’onde donnée à l’entrée est converti en un même signal modulé sur un autre longueur d’onde a la sortie. Des convertisseurs de longueur d’onde fonctionnant à 10Gbits/s sont déjà disponibles dans le commerce, ce composant optique remplit une fonction 2R optique (récepteur – remise en forme) avec une amélioration du rapport signal /bruit. 4.5. Les commutateurs de longueur d’onde (wavelength switch) : Les commutateurs sert a router les voies d’entrées aux voies de sorties voulues par une commande électrique II.5 Étude des réseaux WDM : Les réseaux de communications optiques utilisant la technologie WDM connaissent aujourd’hui un engouement très important. Les réseaux future et bon nombre de réseaux de communication optiques déjà mis en place par les opérateurs utilisent cette technologie. La bande passante offerte par une seul fibre optique en WDM bien supérieur à 1Tbits / s , ceci permet de se rapprocher des besoins des utilisateurs. Devant le volume de données traversant les réseaux, il est aujourd’hui indispensable d’assurer la continuité face aux pannes, une interruption du trafic n’est pas acceptable i par l’opérateur ni par l’utilisateur. 5.1. Topologie d’un réseau WDM : 5.1.1. Topologie point à point : Dans cette application standard, les canaux de donnée sont transmis parallèlement entre 2 sites (figure a). Des multiplexeurs / Demultiplexeurs standards aux extrémités fédèrent puis séparent optiquement les canaux. Des distances jusqu’à 80km peuvent être parcourues. 5.1.2 Topologie linéaire insertion- extraction : Dans un tel cas, il s’agit d’une topologie point à point plus élaborée, ou, entre les noeuds d’extraire et d’ajouter très fléxiblement des canaux (figure b). Selon la configuration réalisée, on peut ainsi insérer à son gré des canaux de transmission entre deux noeuds du réseau. Aux extrémités sont installes comme précédemment des multiplexeurs / démultiplexeurs standards.

48


Lors de la planification, il est très important de considérer la taille totale du réseau et surtout que chaque add-drop- multiplexeur induit une atténuation d’insertion, qui réduit d’autant la longueur totale du réseau. 5.1.3 Topologie anneau : La réalisation de réseaux en forme d’anneau est particulièrement appréciée dans le secteur des télécoms car elle garanti une haute sécurité tout en maintenant minime la longueur de fibre nécessaire (figure c). Dans une telle topologie en cas de panne en un point de l’anneau, le trafic de données demeure assuré entre chaque nœud. Des multiplexeurs add-drop optique à chaque nœud sont nécessaires à la construction de réseaux en anneau. On peut ainsi introduire à son gré des canaux entre deux nœuds de l’anneau.

Figure II.28 Topologie d’un réseau WDM

II.6. Les équipements d’un réseau WDM : Trois équipements sont essentiels dans les réseaux optiques pour qu’ils deviennent tout optique, il s’agit : . Les multiplexeurs à insertion /extraction optique : Les OADM sont des dispositifs optiques qui peuvent être utilisée pour effectuer des opérations d’insertion/ extraction des différentes longueurs d’ondes dans la fibre optique entre l’émetteur et le récepteur.

.Principe : Les OADM sont conçus à l’aide des multiplexeurs et des démultiplexeurs est ceci pour tous les types des OADM. En effet, comme le montre la figure ci dessous, on démultiplexe un signal a l’entrée en plusieurs longueurs d’ondes. La circulation de l’information ce fait par des commutateurs optiques, qui permettent l’insertion et extraction d’une des voies des longueurs d’onde. Dans le schéma ci dessous,on a représenté trois canaux de commutateurs 2x2 (deux entrées et deux sorties ).

MuxMux

MuxMux OADM OADM

OAD

OADOAD

OAD

Figure a

Figure b Figure c

49


Figure II .29 Représentation schématique d’un OADM

II 7. Les systèmes de protection dans les réseaux optiques WDM : La sécurisation par protection des liaisons consiste à réserver pour chaque liaison optique, une liaison de secours, et cette dernière est exclusivement dédiée à cet usage. La perte du signal de trame, la détection d’un taux d’erreurs anormalement élevé ou des signaux d’alarmes feront basculer le trafic sur la liaison de secours. Le trafic revient sur la liaison de base dés qu’un transport fiable peut de nouveau être assuré. Dans cette partie nous présenterons les différents systèmes de protection : 7.1. Système de protection 1+1 (un plus un) : Le système de protection 1+1 permet d’éviter toute interruption du trafic, elle consiste à établir pour chaque nouds dans le réseau deux canaux différents ; l’un est utilisé comme chemin de travail et l’autre comme chemin de protection.

Figure II.7 Système de protection 1+1

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7.2. Le système de protection 1:1 (un pour un) : Dans le système de protection 1:1, si un canal de communication est interrompu par une panne, alors le trafic est automatiquement basculé sur le canal de protection associée. Chaque canal de protection est dédié à un canal de travail, le temps de bascule est faible (50µs) et donc la durée de l’interruption du trafic est également faible.

Figure II.8 Système de protection 1 :1

7.3. Système de protection M:N :

Une liaison unitaire d’un nœud X vers un nœud Y dans un réseau WDM correspond à l’établissement d’un chemin de X à Y et à la réservation d’une longueur d’onde sur chaque chemin empruntés. La protection 1:1 est une méthode simple et automatique pour la protection d’une liaison, toutefois lorsque N M est supérieur à 1, il faudra trouver M chemin de protection pour N chemin de travail. Lorsque M=1 ; un seul chemin de protection pour N chemin de travail.

Figure II.9 Système de protection 1:N

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La technique de multiplexage en longueur d’onde a permis d’abord d’offrir des capacités de transmission et une qualité sans aucun rapport avec ce qui était connu jusqu’alors, et de faire face à la croissance du trafic attendue pour les années à venir. Mais, bien au-delà de la transmission, la technique WDM est un outil extrêmement intéressant pour repenser totalement la structure des réseaux, et à les adapter à la diversification des services.

52

Chapitre III étude et caractérisation dans les réseaux optique

III. 1 Introduction

L'apparition de la fibre optique a totalement révolutionné le monde des

télécommunications. La conception de systèmes de transmission à très grande capacité était

désormais possible. De plus, les échanges à travers ces systèmes allaient être de plus en plus

nombreux et la demande de services de plus en plus élevés.

Il en résulte un bouleversement des réseaux de télécommunications précédents et un

besoin de mettre en place de nouvelles structures. Ce chapitre sera une description synthétique

de la déclinaison des structures des réseaux de télécommunications jusqu'aux méthodes

d'inscription des données sur le signal optique en passant par les diverses techniques de

'codage' utilisées. La présentation de ces généralités a pour but d'apporter les éléments de

base, essentiels pour faciliter la lecture de ce mémoire.

La première partie évoquera la hiérarchie établie parmi les différentes couches des réseaux

de télécommunications optiques actuels.

Bien que la large bande passante de la fibre optique permette de transporter une très

grande quantité d'informations, son utilisation optimale se heurte à divers problèmes, dont le

traitement électronique avant modulation et après détection pour les très hauts débits. C'est

pourquoi différentes techniques de multiplexage ou de codage ont été imaginées pour

augmenter le nombre de canaux dans la fibre. Elles seront présentées dans une seconde partie.

III.2- Les systèmes optiques

L'aboutissement de nombreuses années de recherche de base pour obtenir d'une part des

fibres présentant une atténuation compatible avec les exigences d'un réseau de

télécommunications, d'autre part des composants et dispositifs suffisamment performants et

fiables a permis l'apparition des premiers systèmes de transmission optique dès les années 90.

Ils sillonnent désormais le monde entier, aussi bien sur terre que dans le domaine sous-marin.

Le réseau déployé en France est segmenté en fonction des différents besoins en débit, en

bande passante, en distance de transmission, ... On distingue trois grandes catégories :


53


WAN Réseau étendus

MAN Réseaux

métropolitains

LAN

Réseaux locaux

1Km 10Km 100Km

FigureIII.1:Classification des réseaux selon leur taille.

III.3-Différents réseaux

On distingue différents types de réseaux selon leur taille, leur vitesse de transfert des

données ainsi que leur étendue. On fait généralement trois catégories de réseaux (figureII.1):

WAN (wide area network)

MAN (metropolitan area network)

LAN (local area network)

3-1 Le réseau longue distance (WAN)

Les réseaux longues distances (ou les WAN, Wide Area Network). Ce sont les réseaux

déployés à l'échelle d'un pays ou d'un continent et dont les noeuds sont de très grands centres

urbains.

Cette partie du réseau, parfois également appelée réseau structurant, représente la couche

supérieure du réseau de télécommunications. Elle est comprise entre deux autocommutateurs

à autonomie d'acheminement, qui ont pour rôle d'aiguiller les informations d'une région à une

autre, de la zone de l'expéditeur vers celle du destinataire. La transmission de ces informations

se fait désormais sur fibre optique à une longueur d'onde de 1,55µm et à un débit élevé qui ne

cesse de s'accroître (les débits 2,5 Gbits/s et 10 Gbits/s sont déjà installés et le 40 Gbits/s le

sera très prochainement).

54


Cette capacité ne pourrait être atteinte sans l'introduction des fibres optiques dans la

chaîne. Elles ont permis de gagner en débit et en espacement entre répéteurs par rapport aux

systèmes existants, à savoir le câble coaxial (la distance passe typiquement de 2 à 100 km).

De plus, l'abandon des régénérateurs électro-optiques (photodétection, amplification

électrique, reconversion optique) au profit des amplificateurs optiques, déployés environ tous

les cent kilomètres, a permis de faire un bond en terme de capacité des liaisons. Dès le début

des années 1990, l'amplification optique a permis de démontrer la possibilité de transmettre,

sans répéteur, des signaux à 5 et 10 Gbits/s sur des distances transocéaniques. La liaison du

réseau longue distance est désormais tout optique.

3-2 le réseau métropolitain (MAN)

Les réseaux métropolitains (Metropolitan Area Network = MAN) qui correspondent aux

réseaux mis en oeuvre dans une grande ville ou une agglomération et qui permettent de relier

entre eux par exemple différents arrondissements.

Encore appelé réseau intermédiaire, le réseau métropolitain connaît en ce moment un

véritable essor. Déployé entre le dernier autocommutateur à autonomie d'acheminement du

réseau longue distance et une zone plus précise (arrondissement, campus, petite ville, ...), il

possède un environnement souvent très complexe et divers. Fondamentalement, on peut

distinguer les réseaux métropolitains structurants et métropolitains d’accès.

3-3 le réseau local (LAN)

Les réseaux locaux (Local Area Network) encore appelés réseaux de distribution ou

réseaux d'accès. Ils représentent le dernier maillon et finissent d'acheminer les informations à

l'abonné. Ils sont donc plus courts et moins gourmands en capacité.

Il est également nommé réseau de distribution ou d'accès. C'est la dernière partie du

réseau de télécommunication, celle qui relie l'abonné et le dernier autocommutateur. Sa

longueur varie de 2 à 50 km et sa capacité est au plus du même ordre de grandeur que celle

du réseau métropolitain.

Il est toujours constitué par une partie en fibre optique entre l'autocommutateur et la

terminaison de réseau optique suivie d'une partie en conducteur métallique qui va jusqu'au

terminal de l'abonné. Cependant, il est de plus en plus envisagé dans l'avenir de réduire la

55


contribution de l'électrique pour aller vers le tout optique dans le but d'augmenter le débit

disponible chez l'abonné.

Selon la localisation de la terminaison optique, différentes configurations sont

envisageables :

FTTH/FTTO (Fiber To The Home / Fiber To The Office) : la terminaison de réseau

optique, qui est propre à un abonné donné, est implantée dans ses locaux. La fibre va

donc jusqu'à son domicile ou son bureau, et la partie terminale en cuivre est très

courte.

FTTB (Fiber To The Building) : la terminaison de réseau optique est localisée soit au

pied de l'immeuble, soit dans un local technique généralement situé en sous-sol, soit

dans une armoire ou un conduit de palier. Elle est partagée entre plusieurs abonnés qui

lui sont raccordés par des liaisons en fil de cuivre.

FTTC/FTT Cab (Fiber To The Curb / Fiber To The Cabinet) : la terminaison de réseau

optique est localisée soit dans une chambre souterraine, soit dans une armoire sur la

voie publique, soit dans un centre de télécommunications, soit sur un poteau. Selon le

cas, il est envisagé de réutiliser le réseau terminal en cuivre existant ou de mettre en

oeuvre une distribution terminale par voie radioélectrique.

Figure III 2. Un réseau de transport optique.

56


.

4.1. Réseaux à routage ou commutation en longueur d'onde :

A la différence des réseaux broadcast and select, les réseaux à routage ou commutation en

longueurs d'onde sont adaptées aux réseaux étendus WAN de point de vue puissance et

architecture, et offrent la

Possibilité de réutiliser les longueurs d'ondes dans le réseau. Le réseau est composé de noeuds

de routage, connectés entre eux par des fibres optiques ; et des utilisateurs, rattachés par une

fibre optique à un noeud de routage. Sur chaque fibre sont multiplexées plusieurs longueurs

d'onde. A un instant donné, chaque noeud peut être connecté logiquement à un ou plusieurs

noeuds. Chaque connexion correspond à une longueur d'onde si les fibres empruntées sont

disjointes.

Figure III 3: schéma de routage de longueur d’onde

Ainsi, sur la figure, le canal optique reliant les usagers A et C et le canal optique reliant C à

E peuvent utiliser la même longueur d'onde λ1, car ils n'empruntent pas les mêmes fibres. Par

contre, le canal optique reliant C et E emprunte la même fibre, reliant les noeuds 3 et 4, que le

canal optique reliant B à D: il devra utiliser une autre longueur d'onde λ2. Ces canaux

optiques d’interconnexion peuvent être permanents ou reconfigurées à la demande et ils

peuvent utiliser la même longueur d’onde de bout on bout.

Les noeuds de routage optique sont :

57


› Soit de simples multiplexeurs à insertion extraction.

› Soit des brasseurs.

4.1 : Multiplexeurs à insertion extraction OADM :

Les OADM (Optical Add/Drop Multiplexers) sont des dispositifs optiques qui peuvent

être utilisés pour effectuer les opérations d'insertion et d'extraction des différentes

longueurs d'onde dans la fibre optique entre l’émetteur et le récepteur.

a- Principe de fonctionnement :

Le module optique d’insertion extraction contient un démultiplexeur pour séparer les

différentes longueurs d’onde et un commutateur optique OXC (Optical Cross-Connect)

dans ce cas est un dispositif à quatre terminaux, qui échange le signal de porteuse et un

multiplexeur qui combiner les différentes longueurs d’onde sur une seule fibre optique. Le

signal de porteuse provenant du démultiplexeur passe à travers le commutateur optique et

ensuite, il est transféré ver le port d’extraction, simultanément un nouveau signal est

introduit par le port d’insertion du commutateur. Dans le schéma ci dessous, on a

représenté 3 canaux de ommutateurs *2 (deux entrées et deux sorties).

Commutateurs optiques 2*2

Entrée Sortie

Figure III. 4: Représentation schématique d’un OADM

Ce principe de fonctionnement s’applique sur tous les types d’OADM, néanmoins le

matériel utilisé pour réaliser ce dispositif diffère d’un OADM à un autre. On propose

MUX

DEMUX

Insertion extraction (add) (drop)

58


d’étudier un OADM utilisant interféromètre de Mach-Zehnder (MZI) avec les réseaux de

Bragg sur fibre.

Le réseau de Bragg consiste à une variation périodique de l’indice de réfraction du coeur de

la fibre, c’est-à-dire le réseau de Bragg est composé de plusieurs périodes de couches d’indice

n1, n2. Quand la lumière se propage dans la fibre, le réseau réfléchit les longueurs d’onde qui

vérifient la relation : λ = 2.neff.Λ. Où neff est l’indice effectif de réfraction de la fibre, et Λ est

la période de la modulation d’indice. Une telle modulation de l’indice de coeur est obtenue

par effet photo réfractif, c’est-à-dire par irradiation transversale de la fibre en lumière par des

franges d’interférence perpendiculaires à l’axe de la fibre. L’irradiation des fibres se fait dans

l’ultraviolet sur une bande d’absorption associée au dopant présent dans la fibre (oxyde de

germanium), elle génère une modification permanente de l’indice de réfraction.

Figure III. 5: principe de réseau de Bragg sur fibre

Un interféromètre de Mach-Zehnder est un dispositif de quatre accès, ou sont gravés deux

réseaux de Bragg sur fibre. Si un ensemble de 8 canaux aux longueurs d’ondes arrive sur

l’entrée 1. Ainsi, le réseau de Bragg sélectionne et propulse la valeur d’onde dite de Bragg par

la porte d’extraction; λ 2 dans cet exemple, est réfléchi sur le port Drop 2. Symétriquement si

l’on injecte sur le port Add 3 un canal à la longueur d’onde λ 2 , on obtient les 8 canaux sur le

port de sortie 4.

Figure III. 6 : OADM à MZI avec les réseaux de Bragg

59


b-Les types d’OADM :

On distingue deux types d’OADM :

-OADM fixe:

C’est la première génération de multiplexeur à Insertion/Extraction Optique, dans ce

dispositif les longueurs d’ondes à insérer/extraire étaient fixe. Aujourd’hui ces OADM

sont toujours en place dans les liaisons point à point longues distances.

-OADM dynamique :

A l’inverse des OADM fixes, les OADM dynamiques peuvent être reconfiguré (on

peut changer la valeur de la longueur d’onde à extraire/insérer).

M U X

D E M U X

Drop Add

FigureIII.7:représentation OADM fixe

OADM

Add Drop

IN OUT

60


Figure III. 8: Représentation d’un OADM dynamique Il existe deux générations dans ce type : la deuxième est utilisée dans les réseaux WDM point

à point pour remplacer les OADM de première génération et apporter les avantages de la

configuration du réseau, la troisième génération est aujourd’hui utilisée dans les boucles

optiques pour pouvoir extraire une longueur d’onde particulière (qui peut être reconfigurée) et

insérer des nouvelles données à sa place.

O A D M

O A D M

O A D M

O A D M

Figure III. 9 : Utilisation de l’OADM dans une boucle optique

4.2 : Les brasseurs ou cross-connect :

On peut définir trois types de brasseurs :

› Les brasseurs passifs fixes (fibre Switch cross-connect).

› Les brasseurs passifs dynamiques (Wavelength Selective cross-connect).

› Les brasseurs actifs (Wavelength interchanging cross-connect).

a- Les brasseurs passifs :

Dans ces brasseurs on utilise la même longueur d’onde de bout on bout, il n’est y’a pas

de réallocation des longueurs d’onde.

Brasseur fixe (brasseur à fibre):

Dans un brasseur fixe les connections sont permanentes. Il permet à un message arrivant

sur un port d’entrée du démultiplexeur d’être routé vers un autre port de sortie du

multiplexeur sur la même longueur d’onde.

61


Figure III. 10 : Représentation schématique d’un brasseur passif fixe Brasseur

dynamique (brasseur avec λ fixe):

Un brasseur dynamique contient : des démultiplexeurs 1 : N pour séparer les différentes

longueurs d’onde de chaque signal d’entrée, des multiplexeurs N : 1 pour combiner les N

déférentes longueurs d’onde de chaque signal de sortie, et Des matrice des commutateurs

optique pour le routage des signaux. Dans cette architecture (Figure III.11) particulière, nous

supposons la disponibilité d’une matrice pour chaque longueur d’onde. Dans un brasseur

dynamique, des commutateurs optiques sont introduit afin de qu’un message arrivant sur un

port d’entrée puisse être routé vers n’importe quel sortie, mais sur la même longueur d’onde.

Les connections sont alors semi permanentes. On peut considérer ces brasseurs comme

résultat de la superposition des commutateurs optiques.

Figure III. 11: Représentation schématique d’un brasseur passif dynamique

62


b-Brasseurs actifs (brasseur avec échangeλ):

Un brasseur actif contient : des démultiplexeurs 1 : N, des multiplexeurs N : 1, et des

matrices Mx M des commutateurs optique pour le routage des signaux. Dans cette

architecture particulière, nous supposons la disponibilité d’une matrice pour chaque longueur

d’onde. Une certaine matrice K permet donc de distribuer dynamiquement les M signaux de

longueur d’onde λk provenant des ports d’entrée vers les M ports de sortie.

Le commutateur optique permet de relier M port d’entrée avec M port de

sortie.

Dans un brasseur actif, les canaux optiques peuvent utiliser plusieurs longueurs d’onde. Pour

cela un étage de convertisseur de longueurs d’onde est ajouté, qui permet une régénération

partielle du signal (remise en forme), et permet de convertir le signal optique modulé sur une

longueur d'onde donnée a l'entrée en un même signal modulé sur une autre longueur d'onde à

la sortie, cette propriété rend très attractifs les brasseurs actifs.

Figure III. 12 : Représentation schématique d’un brasseur actif

C- Les déférents types des commutateurs :

C-1 Commutateur électro-optique :

Les dispositifs électro-optiques utilisent des matériaux ou l’indice de réfraction varie en

fonction du champ électrique appliqué. Les propriétés électro-optiques du niobate de lithium

ont été largement utilisées dans la conception de dispositifs à base de guide d’onde.

Parmi les dispositifs fabriqués au niobate de lithium ; Les commutateurs à base de

coupleurs électro-optiques, dans ce cas les champs électriques contrôlent l’indice de réfraction

63


des guides et par conséquent, la phase des signaux lumineux qui se propagent dans ces

éléments.

Un coupleur consiste en deux guides qui sont à proximité sur une longueur L0 qui

correspond à la distance de transfert (ou la région d’interaction) pour une longueur d’onde

particulier. Un coupleur électro-optique contient en plus des paires électrodes de contrôle. Les

signaux qui se propagent dans chaque guide sont par défaut transférés vers l’autre guide lors

du passage par la région d’interaction. L’application d’une tension particulière V0 permet

d’échanger les ports de sortie des signaux. Les coupleurs optiques sont les éléments de base

dans la conception des commutateurs.

Figure III. 13 : Dispositif électro-optique (a) coupleur (b) commutateur 4*4

Les commutateurs électro-optiques disponibles en version 2 ×2, 4 ×4 et 8 ×8 ports.

Le tableau résume les spécifications d’un commutateur commercial de 8 ×8 ports.

Tableau III.1 : Spécification technique d’un commutateur électro-optique

64


C-2 Commutateurs optiques micro-usinés :

C-2.1 Commutateurs 2D (deux dimensions):

Les technologies de micro-usinage permettent la fabrication de commutateurs optiques à base

de miroirs ou les signaux se propagent dans l’aire. Les directions de propagation des faisceaux

sont changées de manière dynamique par les miroirs qui présentent deux positions de base.

La figure III. 14 illustre ce type de commutateur. Les faisceaux provenant des fibres

d’entrées sont d’abords collimatés. En suite ils sont défléchis de 90°par un ensemble de

miroirs, et finalement ils arrivent aux lentilles qui les focalisent sur les fibres optiques de

sortie.

Figure III. 14 : Commutateur optique micro-usinés avec architecture 2D

Dans ce schémas chaque miroir présente soit une position parallèle au substrat (état de

non-réflecxion), soit une position perpendiculaire au substrat (état de réflexion). Le miroir

donc change d’état en pivotant autour d’un axe parallèle au substrat.

Si les positions de base des miroirs sont répétitives, le système de commande peut être

assez simple. Les signaux de contrôle binaires provenant d’un circuit numérique sont

simplement conditionnés pour piloter les miroirs. Cependant, à mesure que le nombre de ports

augmente, et que les distances entre les ports d’entrée de sortie s’accroissent.

Afin de relier N fibres d’entrée à N fibres de sortie l’architecture 2D nécessite une

matrice de N×N miroirs. Le nombre de miroirs augmente donc proportionnellement au carré

du nombre de ports d’entrée.

Dans l’architecture 2D la longueur moyenne des parcours des faisceaux s’accroît de

manière importante en fonction de l’augmentation du nombre de ports. D’autre part, la

variance des parcours, elle aussi augmente avec la taille de commutateur ; en conséquent,

l’atténuation introduite par le dispositif sur un faisceau dépend fortement des ports d’entrée et

65


de sortie utilisés par ce dernier. Ces inconvénients limitent donc le nombre de ports des

commutateurs 2D.

Tableau III.2 : Spécification technique d’un commutateur otique 2D

C-2.2 Commutateurs 3D (trois dimensions) :

Dans les commutateurs 3D, les faisceaux se propagent dans un espace tridimensionnel et

les miroirs présentent plusieurs positions de base. La figure III.19 montre un exemple de ce

type de commutateur. Les signaux provenant des fibres d’entrée sont d’abord collimatés.

Ensuite, ils sont envoyés vers une première matrice de miroirs, puis vers une deuxième

matrice de miroirs sont finalement focalisés sur les fibres de sortie.

Figure III. 15: Commutateur optique avec architecture 3D

Le commutateur 3D de la figure III.15 a besoin de deux matrice comprend N miroirs.

Où N représente le nombre de ports d’entrée (ou de sortie). Ainsi, le nombre total s’accroît

linéairement en fonction du nombre de ports.

Dans l’architecture 3D, les matrices de miroirs sont contenues dans des puces séparées qui

sont assemblées à 90° dans l’espace.

66


L’architecture 3D nécessite des miroirs qui présentent chacun, N position distinctes, ce

qui permis d’établir toutes les liaisons possibles d’entrées / sortie. A mesure que le nombre de

ports augmente, le nombre de positions de base pour chaque miroir, lui aussi augmente.

Dans la pratique, les miroirs requière impérativement un système d’asservissement afin

d’optimiser le couplage entre les ports d’entrés et les port de sortie. Un tel système de contrôle

exige la conception de circuits de commande linéaires de haute tension.

C-3 Les spécifications techniques des commutateurs optiques:

C-3.1 Les pertes d’insertion :

Quand deux fibres optiques sont couplées, divers mécanisme de pertes, intrinsèques et

extrinsèques, sont présents. D’une part, les différences de taille du coeur de la fibre, de son

ouverture numérique et de son profil d’indice de réfraction sont les mécanismes intrinsèques

les plus importants.

D’autre part, la séparation longitudinale entre les fibres, ainsi que les erreurs d’alignement

latéral et angulaire sont les mécanismes extrinsèques les plus fréquents. Quand les fibres sont

couplées à travers un commutateur optique. Divers éléments comme les guides d’ondes, les

lentilles ou les miroirs sont présents dans la trajectoire du signal ; ces éléments contribuent

aussi à l’atténuation de ce dernier.

C-3.2 Diaphonie intercanaux :

Une limitation importante des commutateurs à base de guides d’ondes est l’interférence

entre les guides due aux champs évanescents qui se propagent dans le substrat. A mesure que

le commutateur augmente son nombre de ports, le problème de diaphonie s’accroît du fait du

à travers les multiples trajectoires et des multiples intersections entre les guides.

Dans les commutateurs micro-usinés avec propagation dans l’air, l’interférence entre

canaux provient des erreurs d’alignement et surtout de la dispersion des faisceaux sur la

surface des miroirs. Autant que pour les pertes d’insertion, la diaphonie intercaneaux peut être

mieux contrôlée depuis la conception du système. D’autre part, l’accroissement du nombre de

ports n’augmente pas significativement le problème.

C.3.3 Temps de commutation :

La caractéristique la moins favorable des commutateurs est le temps de commutation.

Quelques dispositifs à base de guide d’onde, particulièrement ceux qui utilisent l’effet électro-

optique sont très rapides que les commutateurs micro-usinés.

67


III.2.3 Commutation de circuits ou de paquets :

Dans les réseaux à brasseurs passifs dynamiques et les réseaux à brasseurs actifs les

commutateurs nécessitent un temps de commutation de quelques microsecondes

(commutation lente).comme les réseau broadcast and select mono saut, ces réseau sont

adaptés aux commutation de circuits. Dans les réseaux à brasseurs fixes, le problème lié aux

commutateurs est éliminé, donc la commutation est en paquet.

67

VI.1 Introduction :

Les opérateurs télécoms cherchent en permanence à accélérer et à améliorer le

trafic réseau. S’il n’existe pas de solution unique afin de fluidifier les points de

concentrations, il semble qu’une partie de la réponse réside dans les modes de

commutation du trafic, au niveau de ces nœuds du réseau soit, plus

simplement, la manière par laquelle le trafic est acheminé à travers les

intersections du réseau. Les premiers concepts de la commutation optique sont

apparus dans les années 70.

VI.2 L’historie de la commutation d’optique :

A partir de la fin des années 70, deux méthodes thématiques sont appartis principales :

Contrôler la lumière par la lumière : logique optique

Faire passer la lumière d’une fibre optique à une autre (parmi plusieurs) :

aiguillage optique

Evolution du thème « Logique optique » : 1985/95

• Composants tout optiques :

Composants optoélectroniques

Composants électroniques interconnectés en optique --> ?

68

Evolution du thème « Aiguillage optique » : 1985/95

• Efforts principaux sur l’aiguillage rapide avec des composants

optoélectroniques intégrés ou discrets :

Matrices de commutateurs électro-optiques (8X8)

Amplificateurs optiques à semi-conducteurs

Lasers accordables rapide

• Produits commerciaux en technologie opto-mécanique :

A base de composants (fibres, lentilles, miroirs, électro-aimants…)

• Evolution du thème « brassage ou commutation optique » : 1995/aujourd'hui

• Recherche sur le tout optique basée sur de nouvelles technologies

Les MEMS (micro-électro-mechanical systems) 1D, 2D et 3D, électro-optique,

thermo-optique, acousto-optique, cristaux liquides, piézo-électrique…

VI.3 COMMUTATION OPTIQUE

Ce nouveau processus, appelé commutation OOO (optique-optique-optique) rend

superflue la conversion de la lumière en signal électrique. Selon certains experts, si

l’on considère le coût lié à une commutation OEO, la mise en œuvre de commutateurs

OOO pourraient permettre aux opérateurs de réaliser des économies pouvant aller

jusqu’à70%.De plus, une commutation OOO pourrait libérer le potentiel lié au

DWDM qui permet à plusieurs longueurs d’ondes de circuler sur une même fibre.

A noter qu'il existe aussi un système encore plus complexe que les deux premiers cités,

le OEOEO, avec une interface de conversion optique/électronique/optique en entrée et

69

sortie du système. La commutation se faisant néanmoins en longueur d'onde, comme

illustre la figure suivant.

Figure VI 1 : Fonctions de la commutation optique

VI.3 Réseau TOUTE OPTIQU :

Présent, le terme « réseau tout optique » est utilisé pour référencer les réseaux où les

signaux qui transportent l’information restent dans le domaine optique depuis les ports

émetteurs jusqu’aux ports récepteurs, indépendamment du type de contrôle utilisé pour

la commutation. Ce sens de réseaux tout optiques ,établit une différence par rapport

aux réseaux qui utilisent des commutateurs optoélectroniques. Dans le sens strict du

terme, un réseau tout optique utilise des faisceaux optiques aussi bien pour le transport

d’information que pour le contrôle dans les commutateurs.

VI.4 Les différents Types de commutation :

Représente les différents types de commutation, les applications et les technologies

liés à la commutation

4.1. OOO. Au cœur du système, c’est une commutation en longueur d’onde.

70

4.2 . OEO. Le signal optique est converti en signal électronique pour commutation.

4.3. OEOEO. C’est le système le plus complexe avec une interface de conversion

optique/électronique/optique en entrée et sortie du système. Mais la commutation se

fait en longueur d’onde.

La commutation OEO

(OPTIQUE-ELECTRIQUE-OPTIQUE)

Figure VI 2 : commutation optique electronique optique

Dans un commutateur OEO, la lumière entrante (photons) est tout d’abord convertie

en électrons. Ces derniers sont acheminés par un fond de panier électronique vers un

module de sortie. Au sein de celui-ci, les électrons sont à nouveau convertis photons,

puis envoyés vers leur destination finale.

Ces commutateurs optiques sont constitués de plusieurs bars de cross connections

disposées sur plusieurs étages.

Cette configuration impose l'interconnexion du routeur via des transpondeurs

DWDM.

De part la transposition du signal optique en signal électrique, il est possible de re

router la longueur d'onde insérée sur une longueur d'onde différente en sortie.

Cependant le temps de restauration reste important (50 ms maximum) dû au traitement

du signal.

71

Figure VI 3: différent commutation optique electronique optique

La technologie mise en oeuvre pour la conception de ces routeurs optiques est la

même pour tous les constructeurs dont les principaux sont: CIENA, Nortel et Tellium.

La plupart des fabricants d’équipements de télécommunications continuent à

promouvoir et à vendre des systèmes OEO, mais observent de près le développement

des technologies de commutation entièrement optique, allant même jusqu’à investir

dans celles-ci. La liste suivante détaille certains systèmes actuellement en cours de

développement dans diverses « start-up » ou entreprises établies.

72

Caractéristiques Acteurs Marché

OEO • La commutation est

électronique

• Contrôle du contenu

• Mais besoin de remplacer

le cœur électronique quand

les débits augmentent

Brightlink,

Lightera/Ciena,

Monterye/Cisco,

Nortel,

Sycamore,

Tellabs, Tellium

…

• Marché estimé à

$32 million en

2005

OEOEO

(opaque, OXC)

• Commutation de longueur

d’ondes : pas de limitation

de bande passante et faible

consommation

• Régénération du signal,

contrôle du contenu,

conversion de l

• Mais la conversion OE fait

perdre la transparence lié au

débit et au protocole

Accelight,

Calient, Illotron

…

• Marché se

décalant dans

l’avenir pour les

tailles > 256x256

• Actuellement 10

à 15 aux US

La commutation « OOO»

(OPTIQUE-OPTIQUE-OPTIQUE)

Depuis une dizaine d'années, la recherche de solutions permettant de s'affranchir

de la conversion optique-électronique dans la fonction d'aiguillage des signaux a

exploré les différentes options technologiques permettant de réaliser un cœur de

machine tout-optique.

73

Figure VI 4 : commutation optique optique optique

La technologie de ce routeur permet de s'affranchir de cartes transpondeurs; il est

connecter directement sur les éléments multiplexeurs (OMU Optical Multiplexeur

Unit) et démultiplexeurs (ODU: Optical demultiplexing Unit). Suivant le constructeur,

la conception des routeurs OOO est différentes.

Du fait de leur conception tout optique, il est impossible de re router une longueur

d'onde en sortie différente de celle appliquée en entrée.

Le temps de restauration est diviser par 16 dans le meilleur des cas suivant les

constructeurs.

Figure VI 5 : Commutateur tout optique

74

Caractéristiques Acteurs Marché

OOO

(transparent)

• Commutation de longueur

d’ondes

• Système de commutation

indépendant du protocole et du

débit (facilitant un upgrade)

• Peu d’électronique : faible

consommation

• Mais pas de contrôle du

contenu

OMM, Inara,

Trellis, Calient …

• Marché actuel:

bakbone (taille <

256 x 256)

VI.5 Principe de Commutateurs de tout optique

Dans le sens strict du terme, un commutateur tout-optique est celui qui non-seulement

véhicule des faisceaux lumineux entre ses ports, mais celui où les signaux de contrôle sont

aussi des faisceaux lumineux. Dans un commutateur optique, la lumière contrôle la lumière en

utilisant un matériau optique non-linéaire. L’effet Kerr optique est la variation de l’indice de

réfraction d’un matériau en fonction de l’intensité de la lumière appliquée.

La Figure (2.5) illustre un commutateur utilisant une fibre optique qui présente l’effet Kerr et

Deux polariseurs.

Le polariseur d’entrée transmet seulement le signal de polarisation verticale au contraire, et le

polariseur de sortie transmet uniquement le signal de polarisation horizontale. Deux signaux

se propagent dans la fibre, le signal contenant l’information (signal principal) et le signal de

contrôle. Le signal principal rentre dans la fibre à polarisation verticale, si le signal de

contrôle n’est pas présent, la polarisation du signal principal reste verticale et le polariseur de

sortie ne transmet pas ce signal. D’autre part, la présence du signal de contrôle modifie

l’indice de réfraction du milieu, introduisant un déphasage et une rotation de 90° dans la

polarisation du signal principal, le polariseur de sortie transmet donc le signal

principal.

75

Figure VI 5 : Commutateur tout-optique par sélection de la polarisation.

La Figure (2.6) montre un routeur utilisant, lui aussi, l’effet Kerr optique. La puissance

optique du signal d’entrée contrôle l’indice de réfraction du milieu.

un signal d’entrée de haute puissance est transféré vers le port B alors qu’un signal de basse

puissance sort par le port C.

Figure VI 6 : Routeur contrôlé par le niveau de puissance du signal d’entrée.

Les commutateurs tout-optiques représentent la solution ultime à la commutation optique

mais ils sont regardés à l’heure actuelle, comme une solution à plus long terme.

76

VI.6 Les technologies de commutation

La plupart des fabricants d’équipements de télécommunications continuent à promouvoir et à

vendre des systèmes OEO, mais observent de près le développement des technologies de

commutation entièrement optique, allant même jusqu’à investir dans celles-ci. La liste

suivante détaille certains systèmes actuellement en cours de développement dans diverses

« start-up » ou entreprises établies.

Technologie MEMS :

Ces systèmes sont basés sur de minuscules miroirs implantés dans une puce de

silicium, qui dirigent les diverses ondes d’un port d’entrée sur la puce vers un port de

sortie. L’angle de ces miroirs peut être modifié par l’action d’effets thermiques ou

électriques. Le MEMS constitue une technologie de commutation optique parmi les

plus prometteuses

Technologie de Circuits optiques planaires (PLC) :

Les circuits de ce type contiennent des canaux microscopiques gravés dans un

matériau spécial. Ceux-ci permettent le passage de la lumière ou la redirigent selon les

besoins. Ce système est rendu possible car les parois de ces canaux peuvent devenir

réflexives sur demande.

Technologie cristaux liquides :

Les cristaux liquides présentent la propriété de changer leur angle de réflexion de la

lumière dans certaines conditions. Cette propriété dépend de l'état électrique dans

lequel se trouve le matériau. Ainsi, sous l’effet d’une impulsion électrique,

l’alignement de ces matériaux est instantanément modifié pour rediriger la lumière ou

lui permettre de passer. Le temps de commutation varie de 1 à 10 ms. L'avantage de

cette technologie réside dans l'absence de pièces en mouvement et dans une technique

de réalisation éprouvée. La stabilité en température demeure néanmoins un handicap

pour cette technologie.

77

Technologie d’électro-holographie :

Cette technologie s’appuie sur des cristaux microscopiques contenant des

hologrammes. Comme lorsque l’on actionne un interrupteur de lampe, les

hologrammes peuvent devenir réflexifs ou non-réflexifs sur demande et permettre à la

lumière de passer ou d’être redirigée.

Technologie de Systèmes à bulles de jet d’encre :

Ces systèmes s’appuient sur des canaux gravés et sur des gouttes microscopiques d’un

liquide spécial, placées aux points d’intersection des canaux. Le liquide chauffe

instantanément, sous l’effet d’une impulsion électrique, créant ainsi une bulle

réflexive. La bulle réfléchit ensuite la lumière pour la diriger vers le port de sortie qui

lui est affecté.

Technologie guide d'onde

Ici, le faisceau lumineux est transporté le long d'un guide en silice sur silicium ou sur

verre. La fonction de commutation peut être alors réalisée par un dispositif du type

interféromètre de Mach-Zender afin de rediriger le signal d'entrée sur l'une ou l'autre

des sorties.

Technologie par actionneur piézoélectrique 3D

Solution originale basée sur l'actuation par voie piézo-électrique des collimateurs afin

de rediriger le signal incident vers un port de sortie sélectionné. Ils proposent ainsi une

matrice 3D 64x64 avec un temps de commutation inférieur à 10ms.

Figure VI 7 : Technologie par actionneur piézoélectrique 3D

78

VI.6 technologies actuellement c’est le MEMS :

Il existe de très nombreuses technologies actuellement développées pour la

commutation :

Les MEMS (micro-électro-mechanical systems) 1D, 2D et 3D, électro-optique,

thermo-optique, acousto-optique, cristaux liquides, jet d’encre, piézo-électrique,

réseaux de Bragg ….

Si les systèmes MEMS semblent constituer la technologie la plus viable, il est

encore trop tôt pour écarter les autres. Quoi qu’il en soit, les petites entreprises comme

les grandes vont se battre pour qu’on leur confie les milliards de dollars

d’investissements prévus dans la commutation optique pour les cinq années qui

viennent. On trouve parmi celles-ci des leaders de l’industrie des télécoms, ainsi que

de jeunes entreprises qui tentent de s’implanter.

Les perspectives sont donc optimistes, en effet les besoins estimés en débits pour

les années à venir amènent à penser que le tout optique sera déployé en masse par les

grands opérateurs. Il n'en reste pas moins que la première implémentation du 40 Gbits

ne devrait se mettre en place que d'ici 3 ou 4 ans.

VI.7 Les applications de la commutation sont :

La protection (commutateurs de petites tailles, généralement 1x2, utilisés en

cas de rupture de fibre)

Les OADM (Optical Add/Drop Multiplexers). Les OADM sont des modules

multiplexeurs qui rajoutent ou enlèvent une ou plusieurs longueurs d'ondes

vers la destination appropriée sur le réseau, le tout sans passer par une

conversion électrique du signal. Un circulateur guide le signal dans le

module et un filtre ajoute ou enlève des canaux individuellement sans pour

autant interrompre le signal lumineux. Les signaux sont filtrés grâce aux

technologies Couches Minces, AWG ou FBG. La montée en puissance des

réseaux tout-optique nécessitera des OADM reconfigurables à distance (R-

79

OADM) qui combineront l'utilisation d'un OADM et de commutateurs

(Figure 10). Ainsi, il sera possible de rajouter ou enlever n'importe quelle

longueur d'onde sur un port quelconque sans intervention manuelle.

Figure VI 8 : principe d’un multiplexeur à insertion/extraction optique (OADM)

Figure VI 9: Représentation schématique d'un OADM reconfigurable (ROADM)

80

Les OXC. Les OXC (Optical Cross Connect) sont des ensemblages de

commutateurs réunis pour former un matrice NxN. Aujourd’hui, la

commutation se fait par longueur d’onde. A terme, les OXC évolueront vers

de la commutation par paquet nécessitant un temps de commutation de

l’ordre de la nanoseconde.

Figure VI 9 : principe d’un brasseur optique (Optical Cross-Connect oxe)

VI.8 Domaines couverts par les MEMS

Aujourd'hui un grand nombre de secteurs bénéficient des technologies MEMS

(systèmes micro-électro-mécaniques), qui conjuguent la micro-électronique des semi-

conducteurs et la technologie du micro-usinage, permettant ainsi la réalisation de

systèmes entiers sur une puce. Cette technologie MEMS a connu ses premiers

développements vers 1970.

En 1997, grâce à l'expérience acquise dans d'autres secteurs, l'utilisation des MEMS

s'est étendue aux communications sans fil et optiques.

La déclinaison des MEMS a donné de nouveaux termes, tels que, en matière optique

MOEMS, signifiant systèmes opto-électro-mécaniques.

Rappelons que les MEMS, ou systèmes micro-électro-mécaniques, ou encore micro-

systèmes, sont des systèmes microscopiques, qui associent des éléments mécaniques,

optiques, électromagnétiques, thermiques et fluidiques à de l'électronique sur des

substrats semi-conducteurs.

81

VI.9 PRINCIPE DES COMMUTATEURS MEMS

C'est un commutateur entièrement optique pouvant aussi prendre en charge des

conversions OEO conventionnelles. Les commutateurs optiques à base de MEMS

utilisent de petits miroirs orientables fabriqués sur un substrat silicium qui peuvent

réfléchir la lumière dans une direction précise (Figure ci dessus). Cette technologie autorise

des temps de commutation de l'ordre de la milliseconde.

Un seul miroir peut par conséquent prendre en charge la lumière provenant de

plusieurs ports différents, principe à la base de l’extensibilité de ce commutateur.

Figure VI 10 : Photo d'un miroir (0,5mm de diamètre)

Lucent Technologies commercialise aujourd'hui un routeur optique, le WaveStar/

LambdaRouter. Ce dernier regroupe 256 fibres optiques en entrée, suivant une matrice

16 x 16, et 256 fibres optiques en sortie, également disposées en matrice 16 x 16,

adressables individuellement par le jeu de 256 micromiroirs mobiles, implantés sur

une base de silicium de 2,5 cm². Il est 16 fois plus rapide que les commutateurs

électroniques utilisés dans les réseaux actuels.

82

Figure VI 11 : principe des commutateurs MEMS

VI.10 : familles de micro-miroirs :

Deux familles de micro-miroirs se disputent aujourd'hui le marché des composants

clés pour les brasseurs optiques.

La première repose sur une organisation bi-dimensionnelle (2D). Les fibres et les

miroirs sont disposés dans un même plan et les miroirs prennent deux positions

précises. NxN miroirs sont nécessaires à la construction d'un aiguilleur NxN. Des

démonstrateurs 16x16 ont été réalisés. Cette approche 2D avec miroirs à positions

angulaires prédéterminées se satisfaisait de circuits de commande logique. En contre

partie, elle réclame une excellente uniformité des caractéristiques des composants

(excursion angulaire pour les miroirs, longueurs focales pour les matrices de lentilles).

83

Figure VI 12 Principe d'une matrice de commutation 2D en technologie MEMS

La seconde approche repose sur une structure tri-dimensionnelle (3D) utilisant deux

rangées de N miroirs, ces miroirs étant disposés en matrice, pour constituer un

aiguilleur NxN. Cette approche est beaucoup moins limitée par les pertes, la symétrie

intrinsèque des architectures rendant de plus ces pertes très peu dépendantes du trajet

suivi, mais elle requiert un système très complexe de commande analogique avec

nécessité d'asservissement sur les N positions .

Figure VI 13 : Principe d'une matrice de commutation 3D (OXC) en technologie MEMS

84

Matrices de 8´8 miroirs la structure de miroir

Figure VI 13 : Matrices de 8´8 miroirs et la stucture de miroir

VI.11 : Estimation Une estimation du marché des matrices de commutation optique en 2005 est

représentée ci dessous. Le marché des matrices

De grandes tailles (> 256x256) se chiffrera en quelques centaines d’unités (le marché

européen est estimé à 50 à

100 unités et aujourd’hui, 10 à 15 sont en test dans le monde). En terme de volume, le marché

le plus important

sera celui des matrices de commutation optique de tailles « moyennes » (16x16 à 64x64).

BIBLIOGRAPHIE

LIVRES :

câble à fibres optiques SIEMENS 1989. Gunther Mahlke / Peter Gossing

telecommunication optique

ALI MOUBERIK

Conception de Commutateurs Micro-usinés sur Silicium Pour les tout optiques

Sergio MARTINEZ

Transmission par fibre optique OPU 2001. Sidi Ali Mebarek Zerouk

optique et télécommunications EYROLLES 1981. Alain Cozannet/ Jacques Fleuret

transmission sur fibres optiques MASSON 1984. Y.Suematsu / Ken-Ichi IGA

Les télécommunications DUNOD 1996. par fibres optiques I.et M. JOINDOT

THESES Et PFE:

Amplification et conversion paramétriques, décalage et suppression de fréquences, par processus Kerr et Raman dans les fibres optiques

Thibaut SYLVESTERE France 2002

Mise évidence des effets non linéaire d'une liaison tout optique haut débit

Projet de fin d'étude Tunis 2002

Etude des performances d'un photorécepteur dans une chaîne de télécommunication optique comportant un amplificateur optique à fibre dopé

Projet de fin d'étude (IGE:22) ITO 2002

Etude de raccordement des composant le système à fibre optique Projet de fin d'étude (IGE:22) ITO 2002

Etude sur amplification en ligne des systèmes de communication optique


Routage optique dans les liaisons à haut débit WDM-DWDM Projet de fin d'étude (IGE:23) ITO 2003

Liaison par fibres optiques à haut débit étude a la topologie en anneau optique


Revues, Internet et ouvrages généraux :

Techniques de l’ingénieur CD ALCATEL 1998-2003

Revue des télécommunications (ALCATEL) ALCATEL 1998-2001

www.unice.fr

http://www.telcite.fr/index.htm

www.palms.univ-rennes1.fr.

http://michaud.chez.tiscali.fr/intro_fibre.html

http://www.httr.ups-tlse.fr/pedagogie/cours/fibre/fotheori.htm

http://opt-fibres.phys.polymtl.ca/Fibres_html/node1.html

Etude et caractérisation de la commutation optique

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