N° d’ordre : 06 / STIM / TCO Année Universitaire : 2009 / 2010

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

----------------------- ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

----------------------- DEPARTEMENT TELECOMMUNICATION

MEMOIRE DE FIN D’ETUDES

en vue de l’obtention

du DIPLOME d’INGENIEUR

Spécialité : Télécommunications

Option : Services des Télécommunications, de l’Informatiques et du Multimédia (STIM)

par : RANDRIANARISON Solofotsiriniaina Luciano

LA TECHNOLOGIE DWDM ET SON APPLICATION

A UN RESEAU BACKBONE

Soutenu le 01 Juillet 2011 devant la Commission d’Examen composée de :

Président :

M. RANDRIARIJAONA Lucien Elino

Examinateurs :

Mme RAMAFIARISONA Malalatiana

M. RAVONIMANANTSOA Ndaohialy Manda-Vy

M. RAKOTONDRAINA Tahina Ezéchiel

Directeur de mémoire :

Mme ANDRIANTSILAVO Haja Samiarivonjy

i

REMERCIEMENTS

En préambule de ce mémoire, il m’est particulièrement agréable d’exprimer mes remerciements au

Seigneur de m’avoir donné la force pour mener à bien l’élaboration de ce mémoire de fin

d’études.

Je tiens à remercier sincèrement Monsieur ANDRIANARY Philippe Antoine, Professeur,

Directeur de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo.

Mes remerciements s’adressent également à Monsieur RAZAKARIVONY Jules, Maître de

Conférences, Chef de Département Télécommunications.

Je tiens à témoigner ma reconnaissance et ma gratitude les plus sincères à Madame

ANDRIANTSILAVO Haja Samiarivonjy, Enseignant-Chercheur, qui, en tant que Directeur de ce

mémoire, s’est toujours montré à l’écoute et très disponible tout au long de sa réalisation.

J’exprime également ma gratitude aux membres de jury, présidés par Monsieur

RANDRIARIJAONA Lucien Elino, Assistant d’Enseignement et de Recherche, Enseignant-

Chercheur, qui ont voulu examiner ce travail :

Madame RAMAFIARISONA Malalatiana, Enseignant-Chercheur à l’ESPA

Monsieur RAVONIMANANTSOA Ndaohialy Manda-Vy, Enseignant-Chercheur à

l’ESPA

Monsieur RAKOTONDRAINA Tahina Ezéchiel, Enseignant-Chercheur à l’ESPA

Ce travail de mémoire n’aurait pu être mené de façon efficace et rigoureuse en parallèle à ma

formation académique sans l’aide des différents enseignants et personnels administratifs de

l’Ecole, à qui j’adresse toute ma gratitude.

Enfin, je n’oublie ni mes parents ni toute ma famille pour leur contribution, leur soutien et leur

patience. J’adresse mes plus sincères remerciements à tous mes proches et amis, qui m’ont

toujours soutenu et encouragé au cours de la réalisation de ce mémoire.

Merci à tous et à toutes.

ii

TABLE DES MATIERES

REMERCIEMENTS ................................................................................................................................ i

TABLE DES MATIERES ....................................................................................................................... ii

NOTATIONS ET ABREVIATIONS....................................................................................................... v

INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................................. 1

CHAPITRE 1 LES RESEAUX DE TELECOMMUNICATIONS PAR FIBRES OPTIQUES............. 3

1.1 Introduction ................................................................................................................................... 3

1.2 Les systèmes optiques .................................................................................................................... 3

1.2.1 Le réseau à longue distance ..................................................................................................... 5

1.2.2 Le réseau métropolitain ........................................................................................................... 5

1.2.3 Le réseau local ......................................................................................................................... 6

1.3 Les techniques de transmission ..................................................................................................... 7

1.3.1 Le multiplexage temporel ......................................................................................................... 8

1.3.2 Le multiplexage en longueur d’onde ...................................................................................... 10

1.3.3 Combinaison des multiplexages TDM et WDM...................................................................... 12

1.4 Les méthodes d’inscription et de détection de données ............................................................... 12

1.4.1 Techniques de modulation ..................................................................................................... 12

1.4.2 La détection ............................................................................................................................ 14

1.5 Conclusion .................................................................................................................................... 17

CHAPITRE 2 LES DIFFERENTS COMPOSANTS D’UNE LIAISON OPTIQUE ........................... 18

2.1 Introduction ................................................................................................................................. 18

2.2 L’information à transmettre : la lumière .................................................................................... 19

2.3 La fibre optique............................................................................................................................ 21

2.3.1 Les fibres multimodes ............................................................................................................ 24

2.3.2 Les fibres monomodes ............................................................................................................ 25

2.3.3 Caractéristiques des fibres optiques ....................................................................................... 27

2.4 Le bloc d’émission ........................................................................................................................ 32

2.4.1 Le laser .................................................................................................................................. 33

2.4.2 Le circuit de commande ......................................................................................................... 38

2.4.3 La modulation externe ........................................................................................................... 39

iii

2.5 Le bloc de réception ..................................................................................................................... 40

2.5.1 Le photodétecteur ................................................................................................................... 41

2.5.2 L’amplificateur électrique ...................................................................................................... 43

2.5.3 Le filtrage ............................................................................................................................... 43

2.5.4 La décision ............................................................................................................................. 43

2.6 Eléments du bloc de transmission................................................................................................ 44

2.6.1 L’amplificateur optique .......................................................................................................... 44

2.6.2 Les isolateurs ......................................................................................................................... 48

2.6.3 Les coupleurs ......................................................................................................................... 49

2.6.4 Les filtres optiques ................................................................................................................. 49

2.7 Conclusion .................................................................................................................................... 49

CHAPITRE 3 LA TECHNOLOGIE DWDM ....................................................................................... 50

3.1 Introduction ................................................................................................................................. 50

3.2 Les réseaux DWDM ..................................................................................................................... 50

3.2.1 Principe et architecture DWDM ............................................................................................. 50

3.2.2 Modulateurs-Démodulateurs ................................................................................................. 54

3.2.3 Commutation-routage DWDM ............................................................................................... 55

3.3 Les applications des réseaux longues distances ........................................................................... 58

3.3.1 Les applications SDH ............................................................................................................. 58

3.3.2 Les applications DWDM ........................................................................................................ 66

3.4 SIMULATION ............................................................................................................................. 69

3.4.1 Systèmes de transmission et composants optiques .................................................................. 70

3.4.2 Simulation sous SIMULINK .................................................................................................. 72

3.5 Conclusion .................................................................................................................................... 88

CONCLUSION GENERALE ................................................................................................................ 90

ANNEXE 1 ............................................................................................................................................. 91

Code NRZ .............................................................................................................................................. 91

ANNEXE 2 ............................................................................................................................................. 92

Hiérarchie numérique plésiochrone ou PDH ........................................................................................ 92

ANNEXE 3 ............................................................................................................................................. 93

Interface de la simulation ...................................................................................................................... 93

iv

BIBLIOGRAPHIE................................................................................................................................. 96

FICHE DE RENSEIGNEMENT ........................................................................................................... 99

RESUME .............................................................................................................................................. 100

ABSTRACT ......................................................................................................................................... 100

v

NOTATIONS ET ABREVIATIONS

1. Minuscules latines

e Charge élémentaire d’un électron

h Constante de Planck

r Rendement quantique

s Sensibilité de la photodiode

2. Majuscules latines

C Vitesse de la lumière

Ephoton Energie propre d’un photon

Eg Différence d’énergie entre la bande de conduction et la bande de valence du

semi-conducteur ou Hauteur de la bande d’énergie interdite

D Dispersion chromatique

GaAs Arséniure de Gallium

Gbps Gigabit par seconde

Iph Photo courant

IT Intervalle de Temps

Kbps Kilobit par seconde

LiNbO3 Niobate de Lithium

Mbps Mégabit par seconde

Popt Puissance optique reçue

PTR Pointeur

Tbps Térabit par seconde

3. Minuscules grecs

αH Facteur de Henry

λ Longueur d’onde

λc Longueur d’onde de coupure

4. Majuscules grecs

n Variation de l’indice

Largeur spectrale

τ Largeur d’une impulsion ou d’un bit

Variations de la longueur d’onde

vi

5. Abréviations

ADM Add Drop Multiplexeur

AFDE Amplificateur à Fibre Dopée à l’Erbium

AOSC Amplificateur Optique à Semi-Conducteur

ASK Amplitude Shift Keying

ATM Asynchronous Transfert Mode

AU Administrative Unit

CSRZ Carrier-Suppressed Return to Zero

DCF Dispersion Shifted Fiber

DCM Dispersion Compensation Module

DEMUX Démultiplexeurs

DPSK Differential Phase Shift Keying

DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying

DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier

ESA Emission Spontanée Amplifiée

ETDM Electronic Time Division Multiplexing

FDM Frequency Division Multiplexing

LAN Local Area Network

LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

LPF Low Pass Filter

MAN Metropolitan Area Network

MRT Multiplexage à Répartition Temporelle

MUX Multiplexeurs

MZIM Mach-Zehnder Interferometer Modulator

NRZ-ASK No Return to Zero-Amplitude Shift Keying

NRZ-DPSK Non Return to Zero Differential Phase Keying

NRZ-DQPSK Non Return to Zero Differential Quadrature Phase Shift Keying

NZDSF None Zero Dispersion Shifted Fiber

OADM Optical Add Drop Multiplexing

OC-n Optical Carrier, niveau n

OLA Optical Line Amplifier

OOK On/Off Keying

OTDM Optical Time Division Multiplexing

vii

PDA Photodiode à avalanche

PIN Photodiode P-type Intrinsic N-type

PMD Polarization Mode Dispersion

PRBS Pseudo Random Bit Sequence

RIN Relative Intensity Noise

RSB Rapport Signal sur Bruit

RZ-DPSK Return to Zero Differential Phase Keying

RZ-OOK Return to Zero On/Off Keying

SAE Secondes Avec Erreurs

SDH Synchronous Digital Hierarchy

SGE Secondes Gravement Erronées

SMF Single Mode Fiber

SOH Section OverHead

SONET Synchronous Optical Network

STM-1 Synchronous Transport Module, niveau 1

STM-n Synchronous Transport Module, niveau n

STS-1 Synchronous Transport Signal, niveau 1

TDM Time Division Multiplexing

TU Tributary Unit

TUG Tributary Unit Group

WAN Wide Area Network

WDM Wavelength Division Multiplexing

1

INTRODUCTION GENERALE

Le secteur de la télécommunication se trouve actuellement en pleine réorganisation : tant les

technologies que les marchés ont évolué ces dernières années à un rythme très soutenu. Il n’y a

pas si longtemps, lorsque les systèmes numériques les plus rapides transmettaient l’information à

un débit de 270 Mbps, le câble coaxial était parfaitement à même de remplir son rôle de support

de transmission. Mais avec l’apparition des nouveaux services liés au développement du

multimédia, un besoin d’un débit de transmission d’informations plus élevé est apparu, et une

alternative au câble coaxial était à trouver : pertes trop élevées, courtes distances de propagation,

performances limitées. La fibre optique remplit très bien ce rôle de support de transmission. Son

utilisation est désormais courante dans les réseaux de télécommunications.

Mais aujourd’hui, l’essor de l’Internet est tel que l’évolution des systèmes de télécommunications

tend toujours vers une augmentation des capacités de transmission. La difficulté majeure ne réside

plus vraiment sur le support, possédant une large bande passante et de faibles atténuations, mais

sur les modules d’émission et de réception, regroupant l’électronique rapide et les fonctions

optoélectroniques.

Côté technologies, de nouveaux standards se sont établis permettant des bandes passantes toujours

plus larges à des coûts toujours plus économiques. Pour la première fois, grâce à la technologie

DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) allant actuellement jusqu’à 10 Gbps, il est

possible d’utiliser du client final jusqu’aux réseaux de transport en passant par les BackBones un

seul et unique protocole. Ces réseaux sont devenus nettement plus économiques que les

technologies classiques de réseaux longue distance, telles ATM (Asynchronous Transfert Mode)

et SDH/SONET (Synchronous Digital Hierarchy). De plus le déploiement des fibres optique est

un investissement à long terme. Ainsi une fibre installée aujourd’hui doit être compatible avec

plusieurs générations de systèmes.

Aussi, le projet fut mis en place pour développer des modules fonctionnant à haut débit, 10 Gbps,

et que ces modules devront intégrer par exemple comme dans un même boîtier tous les

composants optoélectroniques et électriques. La réalisation d’un tel projet demande aujourd’hui de

nouvelles méthodes de travail et fait de plus en plus appel à des outils de simulation. Ils sont d’une

grande assistance et apportent un gain de temps et d’argent pour la conception des nouveaux

systèmes.

2

Pour cela, une caractérisation des différents éléments constitutifs est nécessaire, ainsi une

optimisation de la liaison pouvait ensuite être recherchée et l’impact des différents composants sur

les performances évalués.

Le premier chapitre de ce mémoire décrira les structures des réseaux de télécommunications, ainsi

que les diverses techniques d’utilisation de la capacité des fibres optiques. Cette description nous

aidera par la suite à comprendre la constitution d’une liaison sur fibre optique. Le second chapitre

détaillera l’ensemble des composants présents dans une liaison optique et expliquera leur

fonctionnement. Le troisième chapitre sera consacré à la présentation de la technologie DWDM

que soit du point de vue principe ou architecture de fonctionnement. Ce dernier chapitre

concernera aussi la partie simulation de ce travail et la présentation de l’ensemble des résultats de

simulations obtenus pour une future réalisation du travail ou pour une optimisation d’un système

de transmission optique déjà en place.

3

CHAPITRE 1

LES RESEAUX DE TELECOMMUNICATIONS PAR FIBRES OPTIQUES

1.1 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 et

disponible. De plus, les échanges à travers ces systèmes allaient être de plus en plus nombreux et

la demande de services de plus en plus élevée.

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

mettre en place de nouvelles structures et d’amener de nouvelles technologies. Cette partie donne

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.

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.

La transmission par fibre optique des données nécessite des conversions électrique-optique ou

optique-électrique du signal. Ce chapitre se terminera donc par la description des différentes

méthodes utilisées pour la modulation du signal en émission et celle des diverses techniques de

détection envisageables.

1.2 Les systèmes optiques

L’aboutissement de nombreuses années de recherche pour obtenir d’une part des fibres ayant 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.

4

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

distance de transmission. On distingue ainsi trois grandes catégories de réseaux :

Les réseaux longues distances ou Wide Area Network WAN : ce sont les réseaux déployés

à l’échelle d’un pays ou d’un continent et dont les nœuds sont de très grands centres

urbains.

Les réseaux métropolitains ou Metropolitan Area Network MAN qui correspondent aux

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

relier entre eux par exemple différents arrondissements.

Les réseaux locaux ou Local Area Network LAN, 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.

La figure suivante représente une architecture globale d’un réseau de télécommunications :

Figure 1.01 : Architecture globale d’un réseau de télécommunications

Selon la nature du réseau dans lequel il se situe, le système optique peut légèrement différer. Nous

allons donc présenter succinctement les caractéristiques de ces trois niveaux du réseau dans les

paragraphes suivants. [1]

5

1.2.1 Le réseau à longue distance

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 par exemple et à un débit élevé

qui ne cesse de s’accroître de 2,5 Gbps à 10 Gbps, même jusqu’à 40 Gbps.

Cette capacité ne pourrait être atteinte sans l’introduction des fibres optiques dans la chaîne. La

mise en place de ces fibres a 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 Gbps sur des distances transocéaniques. La liaison du réseau

longue distance est désormais tout optique.

1.2.2 Le réseau métropolitain

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, ville, ...), il possède un environnement

souvent très complexe et divers. Fondamentalement, on peut distinguer les réseaux métropolitains

structurants et métropolitains d’accès. [2]

Les réseaux métropolitains structurants sont généralement constitués d’anneaux de 80 à 150 km de

circonférence avec six à huit nœuds. En revanche, les réseaux métropolitains d’accès sont des

anneaux de 10 à 40 km de circonférence dotés de trois ou quatre nœuds avec des embranchements

vers des sites distants. Suivant les réseaux ou les pays, ces chiffres peuvent varier

considérablement surtout pour les zones très peuplées. Les topologies logiques (profils de trafic)

des réseaux métropolitains diffèrent radicalement de celles des réseaux longue distance.

6

Ces derniers correspondent pour l’essentiel à des lignes interurbaines point à point avec tout au

plus un ou deux multiplexeurs d’insertion-extraction optiques (OADM Optical Add Drop

Multiplexer) pour insérer et extraire le trafic en des points intermédiaires. Les réseaux

métropolitains introduisent une infrastructure optique à haut degré de connectivité. Les anneaux

métropolitains se caractérisent généralement par un trafic maillé avec un certain degré de

concentration lié à l’interconnexion avec le réseau longue distance. Les anneaux d’accès, à la

différence, collectent en général le trafic de plusieurs nœuds pour le concentrer vers un nœud

partagé avec un réseau métropolitain structurant (Figure 1.02).

Figure 1.02 : Réseau métropolitain structurant et réseau métropolitain d’accès.

La complexité de ce réseau ne se traduit pas uniquement par le haut degré de connectivité. A la

différence des réseaux longue distance, les réseaux métropolitains doivent prendre en charge des

formats, des protocoles et des débits de transmission très divers, mêlant les trafics de la hiérarchie

numérique synchrone. Pour supporter cette diversité, ces réseaux sont souvent équipés de cartes

multi-débits, acceptant n’importe quel débit de 100 Mbps à 2,5 Gbps, pouvant assurer

ultérieurement le trafic à 10 Gbps sans modification et dans une transparence totale vis-à-vis de

tous les formats et protocoles.

1.2.3 Le réseau local

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.

7

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 contribution de

l’électrique pour aller vers le tout optique dans le but d’augmenter le débit disponible chez

l’abonné. [3]

Selon la localisation de la terminaison optique, on peut envisager les configurations suivantes :

FTTH/FTTO (Fiber To The Home / Fiber To The Office): la terminaison du 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. Elle est partagée entre plusieurs abonnés qui lui sont raccordés par des liaisons en

fil de cuivre.

FTTC/FTTCab (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 œuvre une

distribution terminale par voie radioélectrique.

1.3 Les techniques de transmission

Les fibres optiques possèdent, dans la fenêtre spectrale généralement utilisée, une bande utilisable

très importante (environ 15 THz autour de la longueur d’onde 1,55 µm). Théoriquement, les débits

qui peuvent être transmis sont donc extrêmement élevés. C’est d’autant plus intéressant

qu’aujourd’hui le nombre et la taille des informations échangées sont de plus en plus importants.

Or le traitement électronique des signaux électriques avant modulation et après détection n’atteint

pas de telles fréquences. C’est pourquoi diverses solutions ont été imaginées pour profiter des

capacités de la fibre optique et donc augmenter le transfert d’informations sur un même canal.

Dans la plupart des cas, le principe reste identique : utiliser N signaux au débit D équivaut en

termes de capacité à un signal au débit N x D. C’est ce qu’on appelle le multiplexage, et les débits

transportés seraient désormais plus importants. Le signal composé des flux d’origines diverses est

8

appelé signal multiplex. Pour conserver l’intégrité de chaque signal sur le canal, le multiplexage

introduit une séparation temporelle, spatiale ou fréquentielle, entre les signaux. [4][6]

1.3.1 Le multiplexage temporel

Le multiplexage TDM Time Division Multiplexing ou multiplexage à répartition temporelle

(MRT) consiste à affecter à un utilisateur unique la totalité de la bande passante pendant un court

instant, ceci à tour de rôle pour chaque utilisateur. L’allocation de cette bande passante se fait en

divisant l’axe du temps en périodes de durée fixe, et chaque utilisateur ne va transmettre que

pendant une de ces périodes déterminée. Un intervalle de temps fixe IT est successivement assigné

à une source et chaque intervalle de temps est affecté à une voie.

Le multiplexage TDM permet alors de regrouper plusieurs canaux de communications à bas débits

sur un seul canal à débit plus élevé (par exemple, conception d’un débit 40 Gbps, à partir de 4

séquences à 10 Gbps). [1][7]

1.3.1.1 Le multiplexage temporel optique

Le multiplexage temporel peut être réalisé optiquement (OTDM Optical Time Division

Multiplexing). L’émetteur est constitué de N sources optiques en parallèle modulées au débit Db

(Figure 1.03). Cette technique nécessite que les signaux optiques soient ensuite codés de type RZ

pour que les impulsions codées aient désormais une durée inférieure à Tb/N et que le multiplexage

optique puisse se faire sans recouvrement optique. Le format RZ est un format de modulation

impulsionnel utilisé classiquement dans les réseaux optiques pour les transmissions à très longue

distance. Dans chaque temps bit (référence temporelle pendant laquelle on code un bit

d’information), l’information est codée sur une impulsion. Un 1 correspond à la présence d’une

impulsion dans le temps bit et un 0, à l’absence d’impulsion.

Par exemple, un signal modulé à 40 Gbps peut être obtenu par multiplexage des sorties codées RZ

de 4 modulateurs optiques attaqués par des trains à 10 Gbps.

9

Figure 1.03 : Synoptique d’ un multiplexage OTDM

Le multiplexage optique temporel n’est pas utilisé uniquement pour accroître les débits transmis

mais il fournit aussi une technique d’accès utilisable dans les réseaux locaux. Le temps est partagé

entre les différents utilisateurs : chacun d’eux dispose d’une tranche temporelle pour émettre et les

différents signaux sont assemblés pour être transmis sur une porteuse optique unique.

1.3.1.2 Le multiplexage temporel électronique

L’ETDM Electronic Time Division Multiplexing est l’équivalent en électronique de l’OTDM.

Dans le cas de l’ETDM, le codage RZ et l’assemblage des données se font électriquement (Figure

1.04). Le haut débit obtenu est ensuite utilisé pour la modulation du courant de polarisation d’une

diode laser et il n’y a qu’un seul signal lumineux émis. [5] [8]

Figure 1.04 : Synoptique d’un multiplexage ETDM

10

1.3.2 Le multiplexage en longueur d’onde

1.3.2.1 Principe

Le multiplexage en longueur d’onde ou Wavelength Division Multiplexing WDM, consiste à

envoyer dans une seule fibre N porteuses optiques à différentes longueurs d’onde transmettant

chacune un débit Db. Ce n’est plus l’axe du temps qui est découpé en périodes pour chaque

utilisateur mais la bande passante. Et chaque sous-bande est affectée à une voie (Figure 1.05).

Figure 1.05 : Répartition des sous-bandes dans le cas d’un multiplexage WDM.

Ainsi plusieurs transmissions peuvent être faites simultanément, chacune sur une bande de

fréquences particulières (Figure 1.06). Ce procédé est encore appelé multiplexage en fréquence ou

Frequency Division Multiplexing FDM. Ces deux termes recouvrent la même notion, mais par

habitude, on parle de multiplexage en longueur d’onde lorsque la séparation entre deux canaux est

relativement grande (typiquement plus de 1 nm), tandis que l’on parle de multiplexage en

fréquence lorsque cet écart est relativement petit. [7]

Figure 1.06 : Transmission de données optiques effectuée avec chacune une fréquence propre.

1.3.2.2 Description

La technologie WDM est née de l’idée d’injecter simultanément dans la même fibre optique

plusieurs trains de signaux numériques à la même vitesse de modulation, mais chacun à une

longueur d’onde distincte.

11

L’utilisation du multiplexage WDM nécessite un ensemble de diodes laser émettant à des

longueurs d’ondes différentes mais assez proches au voisinage des 1550 nm, et de

multiplexeur/démultiplexeur optiques pour combiner/séparer l’ensemble des signaux optiques

dans la fibre. La Figure 1.07 représente un exemple d’une liaison utilisant le multiplexage WDM.

Figure 1.07 : Schéma de principe du multiplexage WDM dans les communications par fibre

optique (avec 3 longueurs d’ondes).

Afin d’assurer une bonne qualité de transmission dans la fibre, il est important de déterminer

l’espacement minimum à respecter entre les longueurs d’onde émises par chacune des sources.

Cette grandeur dépend de plusieurs choses : qualité de la fibre, qualité des mux/demux, longueur

de transmission, qualité des sources, débit des données de chaque source.

1.3.2.3 Application

L’intérêt premier du WDM est de permettre le transport de débits d’informations très importants

sur une même fibre, à destination de plusieurs utilisateurs. On trouve aujourd’hui des systèmes à

4*10 Gbps, 16*10 Gbps. Dans un futur proche, des systèmes à 40 Gbps par longueur d’onde

seront utilisés mais le véritable point de départ du développement des systèmes de transmission

WDM s’est fait lorsqu’il a été associé à l’amplification optique (Figure 1.08). En effet,

l’apparition des Amplificateurs à Fibre Dopée à l’Erbium EDFA a permis l’amplification

simultanée de l’ensemble des N canaux d’un multiplex, sans distorsion du signal utile. Envoyer N

canaux dans une fibre optique plutôt qu’utiliser N fibres devenait un avantage économique. [4]

12

Figure 1.08 : Utilisation du WDM couplé avec l’amplification optique

avec A: amplificateur optique dopée à l’Erbium

1.3.3 Combinaison des multiplexages TDM et WDM

Il est à noter que rien n’empêche à chaque signal de modulation d’une diode laser issu d’une étape

de multiplexage temporel dans le domaine électronique, d’être ensuite multiplexé avec d’autres

signaux à d’autres longueurs d’onde. Ainsi associer TDM et WDM est désormais une situation

qu’on peut exploiter. Dans ce cas, après démultiplexage optique et photodétection, une étape de

démultiplexage temporel permet la restitution des signaux temporels bas débit. [9]

1.4 Les méthodes d’inscription et de détection de données

1.4.1 Techniques de modulation

Afin de transmettre des informations dans les systèmes numériques optiques, il faut les imprimer

sur le signal à envoyer dans la fibre, c’est ce que l’on appelle une modulation. Pour cela, il est

nécessaire de réaliser une conversion des données électriques en données optiques. Il existe

principalement 2 techniques: la modulation directe et la modulation externe.

1.4.1.1 La modulation directe

Un des principaux avantages de l’utilisation des lasers à semi-conducteur pour les systèmes de

télécommunications par fibres optiques réside dans le fait qu’il est possible de les moduler : la

modulation du courant qui les traverse entraîne directement la modulation en intensité de la

lumière émise. Cette technique est appelée modulation directe. Pour cela il faut inscrire les

données sur l’alimentation du laser. [5]

13

Cette modulation requiert assez peu de composants. En dehors de la source optique, le laser, seuls

un générateur de courant et un driver sont nécessaires (Figure 1.09). Le premier va émettre à un

débit donné une séquence de données : c’est l’expression de l’information à transmettre. Le rôle

du driver est de commander la source optique au niveau des puissances émises (en fixant les

valeurs du courant d’alimentation). Pour cela, il modifie et transforme les niveaux du courant issu

du générateur.

Figure 1.09 : Synoptique d’une modulation directe

La modulation directe connaît beaucoup d’avantages, en particulier le faible coût de mise en

œuvre mais elle comporte aussi des limites. Les lasers en sont souvent la cause (cf. chap. II §

2.4.1.3.). Leur temps de réaction, les oscillations, le bruit créé font que la modulation directe

engendre pour les hauts et très hauts débits certaines dégradations sur le signal optique modulé. A

cela, la modulation externe constitue un remède. [10]

1.4.1.2 La modulation externe

La modulation externe consiste à écrire les données électriques sur un signal optique continu. Elle

est obtenue en modulant directement le faisceau lumineux en sortie du laser et non plus le courant

d’alimentation à l’entrée du laser. Ainsi les défauts de la modulation directe qui sont imposés au

laser ne seront plus présents sur le signal optique.

La modulation est effectuée sur une onde pure et constante, et par un composant indispensable : le

modulateur externe (cf. chap. II § 2.4.3.). Celui-ci est commandé par une tension externe v(t),

modulée et représentative de l’information à transmettre. Cette tension appliquée au modulateur a

pour propriété de modifier le facteur de transmission en intensité en sortie. Le signal optique

continu émis par le laser alimenté par un courant constant est donc peu dégradé. En traversant le

modulateur, il subit les modifications du facteur de transmission et le signal de sortie se trouve

modulé selon v(t). Un driver est souvent présent entre les données et le modulateur afin de fixer

les niveaux de v(t) et choisir les modifications du facteur de transmission.

14

Figure 1.10 : Synoptique de la modulation externe

La modulation directe, plus simple et moins coûteuse est encore très utilisée si les données sont

transmises à un débit de quelques Gigabits par seconde, selon la qualité du laser. Mais au-delà de

5 Gbps, la modulation externe est indispensable pour maintenir une qualité de transmission

correcte. Cependant, les modulateurs ne sont pas parfaits et peuvent engendrer des défauts mais

leur impact est moins important.

1.4.2 La détection

Tout comme il existe plusieurs méthodes pour écrire l’information sur le signal lumineux, il existe

différentes techniques pour la récupérer. Néanmoins, le photodétecteur est toujours nécessaire

pour convertir le signal optique en électrique. La première méthode de détection est appelée

directe. Elle consiste à faire une conversion, grâce à une photodiode, des fluctuations de puissance

optique porteuses de l’information en fluctuations de courant électrique. D’autres méthodes dites

cohérentes (détections hétérodyne et homodyne), dans lesquelles la porteuse optique est modulée

en amplitude, en phase ou en fréquence et démodulée dans un détecteur qui réalise une fonction de

mélange, seront abordées.

1.4.2.1 La détection directe

Pour extraire le signal, qui module en amplitude une onde, on peut le redresser, ou plus

généralement le faire passer dans un dispositif non linéaire, tel qu’une diode. Un signal à basse

fréquence, le signal modulant et des harmoniques sont alors émis. Les harmoniques peuvent être

éliminées par filtrage, dans la mesure où la fréquence de l’onde porteuse est très grande devant la

fréquence maximale du spectre du signal modulant. Ce procédé est appelé détection directe.

15

1.4.2.2 La réception hétérodyne

La technique de détection directe, que nous venons de présenter, a été, historiquement la première

utilisée dans les récepteurs radioélectriques. A partir des années 1930, on a vu se développer la

réception hétérodyne. Le signal reçu et un signal issu d’un oscillateur local sont couplés pour

réaliser une combinaison linéaire des signaux présents sur ses deux entrées. Une des deux sorties

attaque le photo-mélangeur. Le signal détecté est filtré dans un filtre centré autour de la fréquence

intermédiaire. La Figure 1.11 donne le schéma de principe du mélangeur hétérodyne, qui constitue

le bloc.

Figure 1.11 : Schéma du photodétecteur en détection hétérodyne

La plus grosse contrainte se porte sur la stabilité des sources. En effet, l’oscillateur local ne délivre

pas un signal sinusoïdal pur car il est affecté par des bruits d’amplitude et de phase qui se

traduisent par une modulation parasite du signal en fréquence intermédiaire.

1.4.2.3 La réception homodyne

Jusqu’ici la fréquence intermédiaire a été supposée non nulle. Cependant, on peut aussi imaginer

utiliser un oscillateur local qui soit à la même fréquence que le signal reçu et synchronisé en phase

avec la porteuse de celui-ci. C’est ce que l’on appelle réception homodyne qui est un cas

particulier de la réception hétérodyne.

La réception homodyne apporte un gain de 3 dB par rapport à la réception hétérodyne. Par contre,

elle impose des contraintes très fortes sur la pureté spectrale des oscillateurs, qui la rendent

beaucoup plus difficile à mettre en œuvre. De plus, il est plus facile de réaliser des sous-ensembles

(filtre, amplificateur) autour d’une fréquence intermédiaire qu’en bande de base. [11]

16

1.4.2.4 Le préamplificateur

Afin de remédier à la modeste sensibilité de la photodiode PIN, le photorécepteur est souvent

accompagné d’un préamplificateur. Pour minimiser le bruit et les distorsions sur les signaux, ces

deux blocs sont souvent réunis dans un même boîtier. Les structures de ces préamplificateurs sont

de deux familles.

Amplificateur à haute impédance d’entrée

L’amplificateur à haute impédance d’entrée a une structure sans contre-réaction, à amplificateur

opérationnel jusqu’à quelques MHz, ou au-delà à transistor à effet de champ (Figure 1.12). Si la

résistance de polarisation Rp est forte, ces structures sont très sensibles et de faible bruit.

Figure 1.12 : Structure d’un amplificateur à haute impédance d’entrée

Malheureusement, il apparaît une constante de temps, donc un effet d’intégration du signal au-delà

de la fréquence de coupure. Pour remédier à cette faible bande passante, l’amplificateur doit

posséder une très forte dynamique et être suivi d’un égaliseur, dont la réalisation est délicate car la

constante de temps est peu reproductible.

L’amplificateur transimpédance

L’amplificateur transimpédance a une structure à contre-réaction Rc. Si le gain de la chaîne

amplificatrice est grand, on a donc un gain plat et reproductible sur une large bande passante.

17

La constante de temps est divisée par le taux de contre-réaction. Par contre, la résistance Rc

apporte un supplément de bruit.

Figure 1.13 : Structure de l’amplificateur transimpédance

Comparaison de ces deux structures

En dessous d’une certaine fréquence (de l’ordre de 50 MHz), la structure à haute impédance est

moins bruyante. Au-delà, on utilise un amplificateur transimpédance à transistors bipolaires,

moins bruyant et de large bande passante. Au-delà de 500 MHz environ, cette solution est limitée

par des problèmes de stabilité et on utilise des transistors à effet de champ GaAs, intégrés si

possible avec la photodiode. [12][13]

1.5 Conclusion

Les systèmes optiques peuvent être utilisés dans les différentes catégories du réseau de

télécommunications. Les techniques de multiplexage de données pour une transmission optimisée

sont aussi possible avec ce système et plus convaincant en termes de débit d’informations.

L’existence des façons de configurer l’inscription des données sur le support optique représente

aussi un atout pour un réseau optique.

Les différentes techniques de transport de l’information associées aux réseaux ayant été décrites,

on va donc détailler dans le second chapitre les différents composants d’une liaison optique.

18

CHAPITRE 2

LES DIFFERENTS COMPOSANTS D’UNE LIAISON OPTIQUE

2.1 Introduction

Depuis 25 ans, la fibre optique a surpassé le câble coaxial dans la plupart des réseaux de

télécommunications sur support, tout du moins pour les hauts débits. Mais son apparition a

nécessité la conception et le développement de nouveaux composants optiques ou

optoélectroniques performants. L’architecture d’une liaison, quel que soit le niveau du réseau

auquel elle est destinée, est composée des mêmes briques de base, à savoir un émetteur, un

module de transmission et un récepteur (Figure 2.01).

Figure 2.01 : Synoptique général d’un système de communications par fibre optique

Nous présenterons dans ce chapitre les composants constituant un système de transmission

numérique sur fibre optique. Pour chacun de ces éléments constitutifs d’une liaison sur fibre

optique, nous tenterons de décrire leur rôle et leur fonctionnement. Nous débuterons par la fibre

optique, élément essentiel puisqu’elle permet le transport de l’information. Nous poursuivrons par

la description de l’émetteur (laser, driver, modulateur, ...), puis enchaîner sur les blocs constituant

le récepteur (photodiode, amplificateur électrique, filtre électrique, circuit de remise en forme).

Enfin, nous terminerons en détaillant les éléments pouvant être utilisés en ligne, tels que les

amplificateurs, en vue d’une amélioration de la qualité du signal transmis ou de l’augmentation

des distances. Mais on va commencer tout de même à parler de l’information à transmettre.

19

2.2 L’information à transmettre : la lumière

La théorie de la lumière est une théorie particulièrement obscure. On a passé beaucoup de temps à

utiliser de faux modèles pour expliquer des phénomènes justes, dans la mesure où l’on peut les

vérifier par la pratique.

La détermination de la nature de la lumière est un problème ancien qui fut source de nombreuses

controverses. Au XVIIème

siècle, Newton pensait que la lumière était formée de particules, alors

que pour son contemporain Huyghens, il s’agissait d’une onde. Au XIXème

siècle, les expériences

de Young et Fresnel concernant la diffraction ont confirmé la théorie de Huyghens. Plus

tardivement, les travaux théoriques de Maxwell en 1873, puis les expériences de Hertz en 1885

ont établi que la lumière est une onde électromagnétique. Einstein a affirmé aussi l’aspect

corpusculaire de la lumière, en introduisant le concept de photon, afin d’expliquer l’effet

photoélectrique. Actuellement, la physique admet la dualité onde-corpuscule de la lumière.

Onde ou photon: pour expliquer certaines observations, il faut que la lumière soit une onde et pour

en expliquer d’autres, il faut qu’elle soit un flux de particules. De plus en 1924, Louis de Broglie a

avancé que les corpuscules de matière étaient accompagnés d’une onde.

En considérant la lumière comme une onde, on peut affirmer que la lumière visible s’étend de

l’infrarouge à l’ultraviolet, bornes non comprises plus précisément à la bande de longueur d’onde

de 800 nm à 400nm (1 nanomètre = 10-9

mètre).

Figure 2.02 : Spectre de la lumière

En termes de fréquence, cette lumière s’étend de 4.1014 à 8.1014

Hz (400 000 GHz à 800 000 GHz).

20

On caractérise aussi la lumière par sa vitesse, généralement égale à 3.108 m/s qui n’est pas tout à

fait vrai car cela dépend du milieu dans lequel elle se propage. Ces variations restent minimes

mais elles peuvent apporter certaines perturbations suivant les conditions d’utilisations.

On a coutume de dire que la propagation de la lumière est en ligne droite. Ceci n’est pas tout fait

vrai la plupart du temps, ce n’est vrai qu’à la condition que le milieu où elle se propage soit

homogène et isotrope.

Et cette propagation, quand elle rencontre un obstacle, se manifeste comme suit:

elle le traverse : donne généralement naissance à un rayon réfracté (c’est-à dire transmis

avec une déviation)

elle est réfléchie par cet obstacle donnant naissance à un rayon réfléchi.

La figure 2.03 l’illustre :

Figure 2.03 : Propagation de la lumière

Lorsqu’un faisceau lumineux heurte obliquement la surface qui sépare deux milieux plus ou moins

transparents, il se divise en deux: une partie est réfléchie tandis que l’autre est réfractée, c’est à

dire transmise dans le second milieu en changeant de direction. L’indice de réfraction est une

grandeur caractéristique des propriétés optiques d’un matériau. Il est obtenu en divisant la vitesse

de la lumière dans le vide par la vitesse de cette même onde dans le matériau donné par la formule

2.01 :

(2.01)

21

Avec C : la célérité ou vitesse de la lumière dans le vide égale à 3.108 m/s

Cm : la vitesse de la lumière dans un milieu ou matériau donné

Plus l’indice est grand, et plus la lumière est lente. Ainsi la vitesse de la lumière varie en fonction

du milieu où elle traverse représentée par le tableau 2.01 :

Milieu C(m/s)

Air 3.108

Eau 2,25.108

Plexiglas 2,01.108

Verre 1,82.108

à 1,98.108

Diamant 1,25.108

Tableau 2.01: Tableau de comparaison de la vitesse de la lumière

C’est ce principe qui est utilisé pour guider la lumière dans la fibre. La fibre optique comprend

ainsi deux milieux : le cœur, dans lequel l’énergie lumineuse se trouve confinée, grâce à un second

milieu, la gaine, dont l’indice de réfraction est plus faible. [14] [15] [16]

2.3 La fibre optique

La fibre optique est vite apparue très intéressante pour le domaine des télécommunications. Elle

représente un support de transmission dont les nombreux avantages justifiant son introduction

dans les systèmes de transmission sont donnés ci-après :

Performances de transmission : Très faible atténuation, très grande bande utilisable pour

un débit élevé, multiplexage possible.

Avantages de mise en œuvre : Très petite taille, grande souplesse, faible poids.

Sécurité électrique : Isolation totale entre terminaux, utilisation possible en ambiance

explosive ou sous de fortes tensions.

Avantage économique : Coût raisonnable par rapport aux autres supports.

Inconvénient : Coût élevé de la connectique et des travaux pour la pose de la fibre.

22

Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin. Elle possède la propriété de conduire

de la lumière permettant, dans le domaine de télécommunications, des transmissions terrestres et

océaniques de données. Elle offre un débit d’informations nettement supérieur à celui des câbles

coaxiaux et peut supporter un réseau large bande avec lequel peuvent transiter aussi bien la

télévision, le téléphone, la visioconférence ou les données informatiques.

Le principe de la fibre optique a été développé dans les années 1970 dans les laboratoires de

l’entreprise américaine Corning Glass Works. Ce principe exploite les propriétés réfractrices de la

lumière et se base sur la loi de Descartes telle que :

(2.02)

avec ni (i=1,2) les indices des milieux de propagations et , sont respectivement les angles

incident et réfracté.

Une fibre est un guide d’onde cylindrique et diélectrique. Elle est constituée de deux diélectriques

de même axe, le cœur et la gaine, entourés d’une gaine de protection ayant une taille optique

variant de 10 à 100 micromètres de diamètre (Figure 2.03).

Figure 2.04 : Structure d’une fibre optique

La lumière se propage le long de la fibre par réflexions successives entre le cœur et la gaine, et en

exploitant la loi de Descartes c’est-à-dire lorsqu’un rayon lumineux entre dans une fibre à l’une de

ses extrémités avec un angle adéquat, il subit de multiples réflexions totales internes. De plus si n1

˃ n2, le rayon s’écarte de la normale ou bien si ˃ arcsin (n1/n2), il y a réflexion totale du rayon.

Ce rayon se propage alors jusqu’à l’autre extrémité de la fibre optique sans perte, en empruntant

un parcours en zigzag. La propagation de la lumière dans la fibre peut se faire avec très peu de

pertes même lorsque la fibre est courbée.

23

Mais cette propagation n’est possible sans les conditions suivantes :

La première condition est que le cœur de la fibre doit avoir un indice de réfraction

légèrement plus élevé (différence de quelques millièmes) que la gaine, et cette différence

d’indice normalisé qui donne une mesure du saut d’indice entre le cœur et la gaine :

(2.03)

Où l’indice de réfraction du cœur et celui de la gaine.

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.

Figure 2.05 : Envoi d’un signal lumineux dans une fibre

L’ouverture numérique représente l’ouverture angulaire limite avant une transmission et non une

réflexion totale sur le dioptre cœur-gaine de la fibre, donnée par la formule :

√

(2.04)

La plupart des fibres sont fabriquées à base de silice, matériau abondant et peu cher. Pour façonner

les profils d’indice, la silice est dopée avec du dioxyde de germanium ou du pentoxyde de

phosphore pour augmenter l’indice (donc plutôt pour le cœur de la fibre) et avec du fluor ou du

trioxyde de bore pour le diminuer (plutôt réservé à la gaine optique). Généralement, il existe deux

types de fibres optiques : multimode et monomode.

24

2.3.1 Les fibres multimodes

Les fibres multimodes, ont été les premières sur le marché. Elles ont pour caractéristiques de

transporter plusieurs modes (trajets lumineux) simultanément.

Du fait de la dispersion modale, on constate un étalement temporel du signal. En conséquence,

elles sont utilisées uniquement pour des bas débits et de courtes distances (LAN et MAN). La

dispersion modale peut cependant être minimisée (à une longueur d’onde donnée) en réalisant un

gradient d’indice dans le cœur de la fibre. Elles sont caractérisées par un diamètre de cœur de

plusieurs dizaines à plusieurs centaines de micromètres. On distingue deux catégories de fibres

multimodes :

2.3.1.1 Fibres multimodes à saut d’indice

Ayant un débit inférieur à 50 Mbps. Le cœur de celle-ci est d’environ 100 m de diamètres, ainsi

on peut avoir une réflexion totale sur la fibre, et une gaine de 40 m d’épaisseur. Pour une fibre

optique à saut d’indice de 1 km, on a une bande passante comprise entre 10MHz et 100MHz.

Figure 2.06 : Fibre multimode à saut d’indice

Les fibres à saut d’indice présentent un cœur transparent d’indice constant, et une gaine sombre, il

y a alors réflexion du rayon lumineux à la frontière entre les deux matériaux. Cependant, le

chemin optique varie, ainsi un même signal se retrouve étendu à la sortie .D’après la figure, en

déduisant des impulsions d’entrée et de sortie, on voit que les informations sont non quantitatives.

2.3.1.2 Fibres multimodes à gradient d’indice

Ayant un débit inférieur à 1Gbps. Ce type de fibre a un cœur de 50, 62.5 ou 85 m et une fibre de

diamètre de 125 m. Une fibre à gradient d’indice possède une bande passante comprise entre

200MHz et 1500MHz pour une longueur de 1 Km.

25

Figure 2.07 : Fibre multimode à gradient d’indice

Ici l’indice varie peu à peu du centre à la gaine, la forme de la trajectoire est plus sinusoïdale car le

rayon est dévié au fur et à mesure qu’il s’éloigne du cœur. La diminution de l’indice fait que la

lumière se propage plus vite ce qui réduit la dispersion intermodale c’est-à-dire que l’étalement du

signal est moins important grâce à la variation de l’indice, de plus la variation de chemin optique

est ici plus faible car le cœur a un diamètre moindre. Les résultats sont déjà de meilleure qualité.

2.3.2 Les fibres monomodes

Les fibres monomodes ont 9 m comme diamètre de cœur, faible par rapport au diamètre de la

fibre qui est de 125 m et proche de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde de la lumière

injectée. Ainsi le chemin de la lumière est imposé, il n’y en a qu’un seul : celui du cœur. L’onde

se propage alors sans réflexion et il n’y a pas de dispersion modale. Une fibre monomode de 1 km

de long possède une bande passante supérieure à 10 GHz. Pour de plus longues distances et/ou de

plus hauts débits, on préfère utiliser des fibres monomodes, qui sont technologiquement plus

avancées car plus fines. Le petit diamètre du cœur des fibres monomodes nécessite une grande

puissance d’émission qui est délivrée par des diodes-laser.

Figure 2.08 : Fibre monomode

26

La fibre optique a une bande passante presque infinie (en théorie) mais requiert des composants

chers pour une liaison de transmission et devient pourtant la solution universelle des systèmes de

télécommunications. C’est donc la meilleure solution, mais aussi la plus onéreuse. [9] [11]

Le tableau suivant donne un bref récapitulatif des avantages et des inconvénients de chaque

structure.

Structures Avantages Inconvénients

Multimode à saut d’indice - Faible prix

- Facilité de mise en œuvre

Perte et distorsion du signal

important

Multimode à gradient

d’indice

- Bande passante raisonnable

- Bonne qualité de transmission Difficile à mettre en œuvre

Monomode - Très grande bande passante

- Aucune distorsion Prix élevé

Tableau 2.02: Avantages et inconvénients des types de fibres optiques.

L’UIT (Union Internationale des Télécommunications) a instauré des normes internationales pour

les fibres optiques déployées dans les réseaux de télécommunications. Les recommandations

G.650 à G.655 portent sur les paramètres géométriques, mécaniques et optiques des fibres et sur

les tolérances admissibles illustrées par le tableau suivant :

Norme UIT G. 652 G. 653 G. 655

(NZDSF)

G. 655

(Téralight)

Propriétés

géométriques

Diamètre cœur (µm) 9 9 9 9

Diamètre fibre (µm) 125 125 125 125

Propriétés

optiques

(à 1550 µm)

Atténuation (dB/km) 0,25 0,25 0,25 0,22

Dispersion Chromatique

(ps/nm/km) 17 0 0,07 8

Coefficient de non-

linéarité (W/m2)

2,7.10-20

2,7.10-20

2,7.10-20

2,7.10-20

Section effective (µm2) 80 57 57 65

PMD ps/(km)1/2

0,05 à 0,08 0,1 max. 0,1 max. 0,04

Tableau 2.03: Exemples de caractéristiques de quelques fibres optiques de transmission.

27

2.3.3 Caractéristiques des fibres optiques

Les principaux paramètres qui caractérisent les fibres optiques utilisées pour les transmissions sont

les suivants :

2.3.3.1 Modes et dispersion modale :

Les modes sont l’expression des différents chemins optiques que peut suivre le signal dans la

fibre. Soit une fibre de longueur L présentée par la figure 2.09 et 2.10 :

Figure 2.09 : Une fibre optique de diamètre d

Une formule expérimentale donne le nombre de modes N dans une fibre à saut d’indice pour un

diamètre du cœur d donnée :

(

√

)

(2.05)

Avec λ la longueur d’onde, nc et ng sont respectivement l’indice du cœur et celle de la gaine. On

voit que le nombre de modes dépend du diamètre du cœur au carré. Il est donc important de

minimiser le diamètre du cœur. La valeur des indices et la longueur d’onde choisie influent, mais

dans une moindre mesure.

La dispersion modale est présentée comme un temps de retard que la lumière a fait pour parcourir

une fibre optique de longueur L, l’énergie lumineuse injectée à l’entrée de la fibre est répartie

entre différents modes. En effet, soit la figure suivante :

Figure 2.10 : Représentation d’un mode de répartition de la lumière

28

On a :

(2.06)

et que le temps de parcours τ est égal à :

(2.07)

tel que C la vitesse de la lumière et φ l’angle d’entrée du faisceau lumineux.

Le plus long est réalisé pour l’angle limite au-delà duquel il n’y a plus réflexion c’est-à-dire :

(2.08)

Le plus court chemin est sur l’axe optique c’est-à-dire pour cos φ = 1 tel que :

(2.09)

Et

(

) où Δτ exprime la dispersion modale.

Ainsi :

(

)

D’où :

(2.10)

On a :

(2.11)

Avec nc/ng 1 car n = nc-ng est très petit devant nc ou ng.

Par exemple, pour une fibre optique de longueur L = 1 km d’indices nc=1,43 et ng=1,42. On aura

Δτ = 33 ns, ce qui n’est pas négligeable. On voit déjà que sur 1 km, la dispersion modale introduit

un retard notable, c’est pourquoi les fibres multimodes ne sont utilisées que pour des réseaux

locaux.

29

2.3.3.2 La dispersion chromatique

Le temps de propagation de groupe, c’est-à-dire le temps mis par un signal pour parcourir l’unité

de longueur, dépend de la longueur d’onde . Dans le cas d’un signal issu d’une source émettant

sur une raie de largeur dl, ces temps de propagation vont s’étaler sur une certaine durée. Le

paramètre de dispersion chromatique D est défini comme la dérivée du temps de propagation de

groupe par rapport à la longueur d’onde, pour une longueur de fibre de 1 km et caractérise

l’étalement du signal lié à sa largeur spectrale (deux longueurs d’ondes différentes ne se propagent

pas exactement à la même vitesse). On le donne généralement en ps/(nm.km), les picosecondes

correspondant à l’élargissement temporel, les nanomètres à la largeur spectrale et les kilomètres à

la longueur de fibre.

Cette dispersion dépend de la longueur d’onde considérée et résulte de la somme de deux effets :

la dispersion propre au matériau, et la dispersion du guide (dispersion modale), liée à la forme du

profil d’indice. Il est donc possible de la minimiser en adaptant le profil. Pour une fibre en silice,

le minimum de dispersion se situe vers 1300-1310 nm.

Figure 2.11 : Courbes de dispersion chromatique de quelques fibres optiques

On voit sur cette courbe, que la fibre monomode standard G.652 présente une dispersion

maximale de 20 ps/(nm.km) à 1550 nm. Classiquement, on la considère de 17 ps/(nm.km). Dans la

bande 1288 à 1359 nm, elle est de 3,5 ps/(nm.km). Ainsi, la capacité de transmission est la plus

grande possible pour une longueur d’onde d’environ 1,3 µm. Elle est donc idéale pour cette

fenêtre spectrale et permet de transporter de très hauts débits. Malheureusement, ce n’est pas là

30

que l’atténuation est la plus faible. On a donc cherché à déplacer le point de dispersion nulle vers

1,55 µm. On dit que ce genre de fibre, la G.653, est à dispersion décalée. Il existe aussi des fibres

à dispersion aplatie pour lesquelles la dispersion totale reste très faible, de l’ordre de quelques

ps/(nm.km), sur plus d’une centaine de nanomètres.

La dispersion chromatique d’une fibre entraîne donc différents temps de propagation et un

élargissement temporel des impulsions émises si elles ne sont pas parfaitement monochromatiques

(longueur d’onde unique). Cet élargissement se calcule comme suit :

(2.12)

Avec D le coefficient de dispersion chromatique de la fibre, L la longueur de la fibre et dl la

largeur spectrale de la source.

La dispersion chromatique est donc un facteur majeur de limitation des performances des

systèmes de transmission sur fibre à haut débit. Car le milieu des télécommunications utilise

principalement des longueurs d’onde autour de 1,55µm (en raison de sa faible atténuation dans

cette plage spectrale). [10] [17]

2.3.3.3 La polarisation et la dispersion modale de polarisation

En principe, la polarisation, dans une fibre parfaitement circulaire, ne devrait pas évoluer le long

de la fibre mais on n’observe rien de tel dans la pratique. Un petit tronçon de fibre apparaît

généralement comme une lame biréfringente (propriété optique de réfracter un rayon lumineux en

faisceaux), avec un mode dit rapide et un mode dit lent qui ont des polarisations rectilignes

orthogonales. De plus, dans une fibre réelle, cette biréfringence et la direction des axes propres

varient constamment et de manière incontrôlée, et la polarisation devient rapidement imprévisible.

Ce phénomène est dû à la non-symétrie de révolution du profil d’indice dans le cœur de la fibre :

non-symétrie intrinsèque à la fabrication de la fibre et/ou extrinsèque lors de la pose de la fibre.

Les origines intrinsèques peuvent être une propriété géométrique circulaire imparfaite de la fibre

ou une non-homogénéité de l’indice de la fibre. Les causes extrinsèques peuvent être un

écrasement, un étirement, une torsion ou une courbure de la fibre.

31

Quand on envoie un signal sur une fibre biréfringente, sans se soucier de sa polarisation, on excite

les deux modes à la fois. Chacun d’entre eux a sa propre vitesse de groupe de propagation. Ce

décalage de temps de propagation de groupe a pour effet le dédoublement ou l’étalement du signal

à la sortie de la fibre, et donc un brouillage de l’information. On l’appelle dispersion modale de

polarisation ou PMD Polarization Mode Dispersion exprimée en ps/(km)1/2

. [17]

2.3.3.4 L’atténuation

L’atténuation dans les fibres optiques résulte de plusieurs mécanismes. D’abord, l’absorption

intrinsèque du matériau constitutif qui provoque une augmentation très rapide des pertes aux

basses longueurs d’onde. Il y a la présence d’impuretés créant aussi des diverses bandes

d’absorption. Dans le cas de la silice pure, le minimum théorique d’atténuation devrait descendre à

0,14 dB/km vers = 1550 nm. De plus, les irrégularités involontaires de structure provoquent des

pertes par diffusion (diffusion Rayleigh : diffusion de la lumière par les molécules de gaz

constituant l’atmosphère). Il y a ensuite les pertes dues aux conditions d’utilisation des fibres,

toute courbure trop serrée crée des pertes par rayonnement. Ces pertes s’ajoutent aux pertes

intrinsèques. Elles sont toutefois négligeables pour la fibre standard des télécommunications dans

des conditions d’emploi normales. Enfin, les fibres sont toujours utilisées par tronçons de

longueur finie, raccordés entre eux. Chaque jonction peut provoquer une perte de raccordement.

La figure ci-dessous montre l’atténuation spectrale d’une fibre en silice pour un système de

télécommunications.

Figure 2.12 : Exemples de caractéristiques de quelques fibres optiques de transmission

32

2.3.3.5 Les effets non linéaires

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

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

quand les puissances véhiculées deviennent élevées. Aujourd’hui, les systèmes de transmission à

haut débit et grande distance utilisent des amplificateurs de puissance à l’émission, ce qui conduit

à des puissances injectées dans la fibre très élevées et des effets non-linéaires non négligeables

comme l’effet Kerr et les effets Raman-Brillouin.

L’effet Kerr se traduit par un phénomène d’auto-modulation de phase. L’impulsion est affectée

d’une modulation de phase parasite qui croît avec la distance. La modulation de phase, combinée à

la dispersion chromatique, conduit à un élargissement temporel des signaux se propageant dans la

fibre.

L’effet Raman est le plus connu des effets non-linéaires, il s’agit d’une interaction photon-phonon

c’est-à-dire d’échange d’énergie entre l’onde optique et les vibrations du matériau. L’effet

Brillouin est de même nature que la diffusion de Raman, mais l’interaction se fait avec des

phonons acoustiques, c’est-à-dire avec les vibrations d’ensemble du matériau, se propageant à la

vitesse des ondes acoustiques.

Ainsi, la fibre possède des qualités non négligeables comme support de transmission de

l’information qui lui ont permis de s’imposer dans les réseaux de télécommunications. Et plusieurs

de ses défauts semblent pouvoir se corriger comme la dispersion chromatique par une fibre à

dispersion contraire ou l’atténuation par un amplificateur optique. [9]

2.4 Le bloc d’émission

Vu les propriétés de la fibre optique, des efforts sont nécessaires sur les composants micro-

optoélectroniques pour permettre une utilisation optimale. Ainsi des recherches sur les lasers ont

été réalisées dès les années 60 et les premiers réseaux à fibres optiques ont pu être déployés.

Composé d’un laser, d’un modulateur et d’un driver, le rôle de ce bloc est de délivrer au support

de transmission un signal optique sur lequel sont inscrites les données. [11]

33

2.4.1 Le laser

2.4.1.1 Définition

Le mot LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation signifie amplification

de lumière par émission stimulée de rayonnement. L’effet laser ne fut démontré qu’en 1960 par

Mainman en utilisant un barreau de rubis. Deux notions peuvent résumer cet effet : amplification

et contre-réaction. [10]

Figure 2.13 : Synoptique d’un laser formé d’un milieu amplificateur (A) et d’une boucle de

contre-réaction (CR)

Le choix des sources optiques s’est porté sur les émetteurs à semi-conducteur à cause de leurs

petites dimensions en rapport avec celles du cœur des fibres optiques, de la relative facilité que

l’on a à moduler directement la lumière émise en agissant sur le courant, de leur spectre optique

relativement étroit et de leur faible consommation énergétique. Ainsi la diode laser est la source la

mieux adaptée pour les télécommunications optiques car elle permet d’avoir la meilleure efficacité

de couplage optique avec la fibre. Un laser est un dispositif qui émet de la lumière grâce au

phénomène d’émission stimulée. En effet, dans un semi-conducteur, un électron peut passer d’un

état à un autre de trois façons :

L’émission spontanée : l’électron peut tomber volontairement dans un état moins

énergétique non occupé (il passe d’un état ionisé à un état lié), en émettant un photon

spontané.

L’absorption : en absorbant un photon, l’électron peut être amené dans un état plus

énergétique. Il passe de l’état lié (électron et trou combinés) à l’état ionisé (électron dans la

bande de conduction et trou dans la bande de valence).

L’émission stimulée : frappé par un photon, l’électron peut retomber dans l’état le moins

énergétique (état lié) en émettant un photon stimulé dont le rayonnement correspond à la

34

même longueur d’onde, la même phase, le même état de polarisation et la même directivité

spatiale que le photon incident. On parle alors de lumière cohérente. Avec l’émission

stimulée s’introduit la notion de gain ou d’amplification du rayonnement incident puisque,

à partir d’un photon, on en obtient deux. [19]

Figure 2.14 : Schéma des processus d’émission spontanée (a), d’absorption (b) et d’émission

stimulée (c).

Pour qu’un effet laser se produise, il faut que deux conditions doivent être réalisées : l’une qu’il

doit y avoir suffisamment d’électrons dans l’état d’énergie supérieure, réalisé par ce qu’on appelle

une inversion de population. Dans un semi-conducteur, cette inversion est réalisée par l’opération

de pompage qui consiste à fournir de l’énergie aux électrons afin qu’ils passent dans la bande de

conduction. Et l’autre qu’il doit y avoir suffisamment de photons excitateurs. Pour cela, on oblige

l’énergie lumineuse à s’accumuler sur place en enfermant le semi-conducteur dans une cavité

résonante constituée, par exemple, par un résonateur du type Pérot-Fabry.

Ce type de résonateur est constitué par deux miroirs plans, parallèles et réfléchissants entre

lesquels les ondes lumineuses font de multiples allers retours. Pour un semi-conducteur, les parois

clivées du cristal sont utilisées pour constituer la cavité. Une forte valeur de l’indice (de l’ordre de

3,5) de celui-ci permet d’obtenir un coefficient de réflexion suffisant pour provoquer ces allers

retours de l’onde dans la cavité, qu’on appelle la boucle de contre-réaction. Ainsi, en imposant un

coefficient de réflexion élevé (environ 30%), l’amplification dans le résonateur est d’autant plus

important et peut compenser les pertes dues à l’absorption dans la cavité et à la transmission vers

l’extérieur, transmission pourtant utile pour constituer le signal porteur de l’information dans le

réseau. [18]

35

2.4.1.2 Le seuil de l’effet laser

Le seuil de l’effet laser est obtenu lorsque le gain maximal est assez élevé pour compenser toutes

les pertes que l’onde rencontre au cours de ses allers retours entre les deux miroirs du résonateur

(pertes provoquées par le milieu diffusant, par le phénomène d’absorption et par la transmission

du signal vers l’extérieur). La figure suivante montre les variations du gain g et de la puissance

optique d’émission Popt en fonction de l’intensité. [11]

Figure 2.15 : Caractéristique gain-puissance en fonction du courant d’un laser

Pour g < gs, seule l’émission spontanée est présente : lorsque l’intensité augmente, le taux

d’inversion de population et du gain augmente aussi (I ϵ 0, Iseuil) car le taux de recombinaisons est

faible comme la puissance optique émise.

Dès que l’inversion de population atteint la valeur seuil c’est-à-dire g = gs, la puissance optique

émise par émission stimulée augmente rapidement. L’émission stimulée devenant très importante

accroît fortement le taux de recombinaison ce qui maintient l’inversion de population à la valeur

seuil : c’est le phénomène de saturation du gain.

2.4.1.3 La modulation des données

Vu dans le paragraphe de la modulation directe (cf. chap. I § 1.4.1.1.), les lasers à semi-

conducteur ont l’avantage pour les systèmes de télécommunications d’être modulés facilement en

faisant varier le courant d’alimentation, de cette façon la densité des porteurs évolue et une

modulation de la lumière émise est obtenue. [5]

36

Mais la diode laser présente aussi des propriétés qui limitent la modulation directe surtout en

hautes fréquences. Par exemple, il est conseillé de rester en fonctionnement continu pour avoir en

permanence une polarisation au-dessus du courant de seuil du laser. En effet, avoir un des niveaux

de modulation en dessous du seuil signifie alterner un état allumé et un état éteint du laser c’est à

dire alterner l’émission stimulée et l’émission spontanée. Or l’émission spontanée nécessite un

temps de réponse de plusieurs nanosecondes et limite donc le débit de transmission.

2.4.1.4 Le régime transitoire

Dans les systèmes de télécommunications numériques par fibre optique, la modulation est

constituée de signaux binaires pour lesquels la puissance optique, et donc le courant de

polarisation, doivent commuter brusquement entre un niveau bas et un niveau haut.

Lorsqu’un laser est soumis à un échelon de courant, l’émission de la lumière suit l’envoi du

courant avec un retard qui peut aller jusqu’à quelques nanosecondes si le courant part de zéro donc

la réponse du laser n’est donc pas instantanée. En effet, ce retard correspond au temps nécessaire

pour que la concentration de porteurs atteigne la valeur seuil et donc pour que l’émission stimulée

soit prépondérante sur l’émission spontanée. Cette valeur sera atteinte d’autant plus rapidement

que le flux de porteurs injectés et donc que le courant injecté est important. Le retard dépend donc

directement du courant d’alimentation du laser.

2.4.1.5 Fréquence optique et largeur spectrale

La fréquence de l’onde émise est directement liée à la différence d’énergie Eg entre la bande de

conduction et la bande de valence du semi-conducteur. L’électron occupe un niveau d’énergie E2

dans la bande de conduction et un niveau d’énergie E1 dans la bande de valence pour celui des

trous. Le photon émis à l’énergie, pour h la constante de Planck égale à 6,626.10-34

J.s :

(2.13)

Or l’énergie du photon est un peu supérieure à celle de l’énergie de la bande interdite, mais pas

très différente ou voisine, ainsi la longueur d’onde émise est donc déterminée par l’équation

2.14 :

37

(2.14)

On utilise le terme voisin(e) en parlant de l’énergie et de la longueur d’onde du photon car un laser

n’est jamais parfaitement monochromatique. Le signal émis est composé de plusieurs longueurs

d’onde toutes très proches autour d’une valeur centrale, cette plage de longueurs d’onde est

appelée largeur spectrale du laser qui est liée à l’équation 2.15 :

(2.15)

Où Δτ correspond à la largeur d’une impulsion ou d’un bit. Les lasers actuels peuvent avoir une

largeur spectrale inférieure à 10-3

nm (en fréquence d’atteindre 100 MHz). Tout comme les défauts

précédents, la largeur spectrale d’un laser est plus importante pour les faibles courants. Ce

paramètre est une grandeur critique, pour les liaisons haut débit et longue distance, les largeurs

très étroites sont en effet nécessaires pour éviter que les longueurs d’ondes ne se dispersent dans la

fibre.

2.4.1.6 La conversion amplitude fréquence

La modulation du courant provoque une modulation de la puissance émise par le laser. Ceci est

obtenu parce qu’elle génère des variations de la densité des porteurs qui elles-mêmes créent des

variations de la partie réelle de l’indice de réfraction du milieu. Or la longueur d’onde d’émission

(fréquence optique) est liée à l’indice de réfraction, une variation n de l’indice entraîne donc des

variations de la longueur d’onde. La modulation directe du courant de commande du laser

provoque donc une modulation de la longueur d’onde émise (désignée chirp en anglais), par

l’intermédiaire du facteur de Henry αH. Ce facteur est aussi appelé facteur de couplage phase-

amplitude et représente le rapport des dérivées partielles de la partie réelle et de la partie

imaginaire de la constante de propagation par rapport à la densité de porteurs. [20]

La conséquence du chirp est un élargissement dynamique de la raie spectrale émise par le laser

relativement important vis-à-vis de sa largeur spectrale, illustrée par l’équation 2.16 :

√ (2.16)

38

Avec τ correspondant à la largeur d’une impulsion (ou d’un bit) et à la largeur spectrale en

fonction de par la formule 2.17 :

(2.17)

Combiné à la dispersion chromatique des fibres, le chirp peut entrainer un élargissement temporel

des impulsions. Il est alors responsable d’un recouvrement des signaux et de dégradations, des

performances d’un système de télécommunications si les impulsions sont peu larges. Donc si le

débit d’informations est élevé.

2.4.1.7 Le bruit des lasers

Un laser à semi-conducteur consiste un générateur de fréquences optiques particulièrement

imparfait et affecté par des bruits d’amplitude et des bruits de fréquence. Ces fluctuations

imposent une limite aux performances du système optique de communications. Ce bruit est

provoqué par l’émission spontanée dans la diode laser.

Le bruit d’amplitude ou d’intensité à une certaine fréquence est caractérisé par le RIN (Relative

Intensity Noise) défini par le rapport entre la densité spectrale des fluctuations de la puissance

optique <P> et le carré de cette puissance P. [21]

( ) ( ( )) (2.18)

On utilise habituellement la quantité RIN(f), expression en décibels de rin(f) pour une puissance

relative dans une bande de 1 Hz en dB/Hz où :

( ) ( )

( ) (2.19)

2.4.2 Le circuit de commande

Les données électriques sont issues des modems et ont donc des niveaux électriques fixés. Selon

les technologies utilisées, ces niveaux électriques doivent être modifiés. C’est le rôle des circuits

de commande ou le driver.

Pour les communications haut débit, le laser est directement couplé à son circuit de commande.

39

Figure 2.16 : Exemple de laser couplé à son circuit de commande

Le circuit de commande du laser comprend des circuits de contrôle, des circuits de modulation, un

dispositif de couplage optique dans la fibre de transmission et un isolateur.

2.4.3 La modulation externe

Les propriétés des diodes lasers font que la modulation directe est satisfaisante jusqu’à 5 GHz

environ mais qu’au-delà, cette méthode n’est plus applicable car trop de dégradations apparaissent

et limitent les capacités de transmission. La modulation externe est une bonne alternative

permettant au laser d’émettre un signal constant (cf. chap. I § 1.4.1.2.) et tous les défauts dus à la

modulation du courant de polarisation seront atténués. Il existe plusieurs types de modulateurs tels

que le modulateur Mach-Zehnder et le modulateur électro-absorbant. [22]

Pour le modulateur Mach-Zehnder, les effets électro-optiques sont la base de ces types de

modulateurs, à savoir que l’indice de réfraction de certains matériaux peut être modifié par

l’application d’un champ électrique, variant selon la modulation des données. Un des principaux

impératifs est d’utiliser des matériaux transparents à la longueur d’onde de fonctionnement et

présentant des coefficients électro-optiques aussi élevés que possible. De tels modulateurs

fonctionnant à 1,5 µm ont été réalisés sur substrat de Niobate de Lithium LiNbO3 ainsi que dans

des matériaux semi-conducteurs tel que l’Arséniure de Gallium GaAs.

Le principe de fonctionnement des modulateurs à électro-absorption repose sur les modifications

du spectre d’absorption d’un semi-conducteur soumis à un champ électrique. C’est au voisinage

du bord d’absorption, là où la dérivée de l’absorption par rapport à la longueur d’onde est la plus

grande, que cet effet est le plus efficace et qu’il est par conséquent exploité. Une augmentation du

champ électrique translate le bord d’absorption vers les grandes longueurs d’onde et de ce fait,

40

augmente l’absorption de la lumière traversant le semi-conducteur. Tout comme pour le laser, les

niveaux des données électriques émises nécessitent une adaptation pour les rendre compatibles

avec ceux acceptables par le modulateur employé. Il est donc nécessaire d’utiliser un driver de

modulateur. Le modulateur électro-absorbant est transparent lorsqu’il reçoit une tension nulle, et

absorbant pour une tension négative. Le circuit de commande du modulateur va alors forcer le

niveau haut des données à 0 V et le niveau bas à une valeur choisie.

La modulation externe présente de nombreux avantages, elle est plus rapide et permet donc

d’envoyer des débits plus élevés. Le bruit n’est pas inexistant dans les modulateurs externes mais

leurs valeurs sont nettement plus faibles que dans les lasers. Les limites de capacité de

transmission sont donc repoussées vers des fréquences plus importantes.

2.5 Le bloc de réception

De même que pour les modules d’émission, de nombreux efforts ont été fournis pour rendre les

modules de réception de plus en plus performants. Le rôle du récepteur est de convertir au mieux

le signal optique en signal électrique, la réception est basée sur la technique de détection directe.

Ce module est composé de plusieurs blocs fonctionnels, on y trouve trois parties :

Le bloc « premier étage » composé du photodétecteur qui peut être accompagné d’un

préamplificateur. Il a pour but de rendre le photocourant généré suffisamment fort malgré

le faible signal optique reçu ou la faible sensibilité du photodétecteur.

Le bloc « linéaire », composé d’un amplificateur électrique à gain élevé et d’un filtre,

réducteur de bruit.

Le bloc « récupération des données », correspondant au dernier étage du récepteur. On y

trouve un circuit de décision et un circuit de récupération de rythme, encore appelé circuit

de synchronisation. [11]

41

Figure 2.17 : Schéma d’un récepteur de données à détection directe

2.5.1 Le photodétecteur

L’interface optique de réception est chargée de convertir le signal lumineux en signal électrique

tout en gardant le minimum de dégradation. C’est le rôle du photodétecteur en se comportant

comme un compteur de photons et un générateur de courant. Les propriétés requises d’un

photodétecteur sont : une sensibilité importante pour la longueur d’onde utilisée, la rapidité (il doit

être utilisé dans des systèmes fonctionnant à 10 Gbps voire même à 40 Gbps et un apport

minimum de bruit. Pour satisfaire ces conditions, le choix se porte sur les photodétecteurs à semi-

conducteurs présentant des avantages d’être rapides, simples à utiliser et plus sensibles.

2.5.1.1 Principe de la photodétection

Les photons transmis par la fibre pénètrent dans le détecteur, constitué d’un matériau semi-

conducteur. 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 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.

2.5.1.2 Caractéristiques d’une photodétection

Tout photon ne subit pas automatiquement la photodétection. Tout d’abord, il doit posséder une

énergie Ephoton égale ou supérieure à la hauteur de la bande d’énergie interdite Eg pour faire passer

42

l’électron de la bande de valence à la bande de conduction. Cela implique une longueur d’onde de

coupure λc, au-delà de laquelle le matériau devient transparent au rayonnement. λc est déterminée

par l’énergie de bande interdite Eg du semi-conducteur selon la relation 2.20 et 2.21 :

(2.20)

Et

(2.21)

Ainsi le photon peut traverser le détecteur sans être absorbé. Le coefficient d’absorption du semi-

conducteur est donc un facteur essentiel qui détermine le rendement du photodétecteur. Il dépend

du matériau utilisé et de la longueur d’onde mais il a aussi des propriétés qui définissent un

photodétecteur telles que : le rendement quantique r (rapport du nombre de paires

porteurs « photon créées et collectées » au nombre de photons incidents) et la sensibilité s de la

photodiode en A/W (rapport de la photocourant Iph à la puissance optique Popt reçue). Ces

grandeurs sont reliées par les relations suivantes, avec e=1,602.10-19

Coulombs la charge

élémentaire d’un électron :

(2.22)

Et

( )

(2.23)

En général, il existe deux grands types de photodétecteurs : la photodiode PIN et la photodiode à

avalanche PDA. Une comparaison des performances entre les deux photodiodes permet de faire un

choix à partir du rapport signal sur bruit qui est défini par le rapport du (Photocourant engendré

par la puissance du signal optique Iph)2 sur le (Courant de bruit du photodétecteur Ib_ph + courant

de bruit de l’amplificateur Ib_amp)2. [5] [12]

(2.24)

43

2.5.2 L’amplificateur électrique

Le courant émis par la photodiode reste souvent assez faible malgré la présence d’un

préamplificateur. En effet, il faut 2 dB électriques pour compenser 1 dB optique, il est donc

nécessaire d’utiliser un amplificateur en sortie de photorécepteur. Ainsi on peut avoir un gain

adéquat assez élevé.

2.5.3 Le filtrage

Afin de minimiser le bruit en sortie du récepteur, il faut filtrer le signal numérique dans une bande

de fréquence 0–ΔF qui soit la plus petite possible sans créer d’interférences intersymboles c’est-à-

dire que la réponse du filtre à un symbole s’annule à tous les instants de décision sur les symboles

voisins.

Selon le critère de Nyquist, le filtre passe-bas rectangulaire de largeur de bande F = Fr/2 possède

cette propriété, avec Fr la fréquence rythme du signal. Cependant, ce filtre théorique n’est pas

réalisable. De plus, le critère s’applique à des impulsions de Dirac, et non à des impulsions au

format NRZ. On utilise donc le filtre pratique de Nyquist dont la largeur de bande de bruit vaut

approximativement à :

(2.25)

Figure 2.18 : Réponses fréquentielles du filtre théorique et du filtre pratique de Nyquist

2.5.4 La décision

Pour assurer une qualité d’information parfaite, une remise en forme du signal détecté est

effectuée grâce au bloc de décision composé d’un détecteur à seuil et un circuit de récupération de

rythme, appelé circuit de synchronisation. Lors d’un front montant de l’horloge, le signal reçu est

comparé au seuil de décision : s’il est supérieur alors un niveau haut sera détecté et établi, sinon ce

44

sera un niveau bas. L’horloge doit être synchronisée sur le signal incident, cette récupération de

rythme est réalisée grâce à une boucle à verrouillage de phase classique.

2.6 Eléments du bloc de transmission

Le principal élément de la partie transmission est la fibre optique (cf. chap. II § 2.3.) offrant une

très grande capacité de transport, plus grande que les convertisseurs optique-électronique et les

composants électroniques. D’où l’idée de traiter le signal lumineux avant sa conversion. Pour cela

de nombreux progrès ont été réalisés sur les composants optiques tels que les amplificateurs

optiques, les filtres optiques et les multiplexeurs optiques.

2.6.1 L’amplificateur optique

L’évolution des systèmes de transmission optique a connu un changement important avec la mise

au point et le développement industriel des amplificateurs optiques à la fin des années 80.

2.6.1.1 Généralités sur l’amplification optique

La principale contrainte de la fibre optique était devenue l’atténuation des signaux durant la

propagation. Ainsi l’utilisation l’amplificateur optique devient alors une alternative aux complexes

répéteurs-régénérateurs optoélectroniques, elle permet de compenser ces pertes et de contrôler

régulièrement la puissance optique des signaux. Il est désormais possible de transmettre le signal

optique sans conversion sur une distance beaucoup plus importante. L’amplification optique est à

l’origine d’une véritable révolution dans le domaine des télécommunications, vu les avantages

qu’elle procure en association avec le multiplexage en longueur d’onde. En effet, elle peut

intervenir sur l’ensemble des N longueurs d’onde d’un multiplex, sans distorsion du signal utile.

On évite donc une conversion optoélectronique et une amplification électrique sur chaque canal.

L’amplification optique repose sur le phénomène d’émission stimulée (cf. chap. II § 2.4.). 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

45

façon spontanée, de manière non cohérente, constituent le bruit de l’amplification optique.

L’ensemble des photons subissent une série d’amplifications, mêmes les photons spontanés ce qui

définit la source de bruit appelée ESA (Emission Spontanée Amplifiée). Il existe deux grands

types d’amplificateurs optiques : les amplificateurs optiques à semi-conducteur et les

amplificateurs optiques à fibre dopée.

2.6.1.2 Les amplificateurs optiques 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 en y retrouvant l’inversion de population,

l’émission spontanée et stimulée, les recombinaisons et 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 pour diminuer les réflexions de la lumière vers l’intérieur du circuit.

Figure 2.19 : Configuration de base d’un AOSC

Sur cette figure, on voit les deux facettes de l’amplificateur qui sont recouvertes d’un revêtement

antireflet afin de diminuer les flexions de la lumière vers l’intérieur du circuit. La lumière

incidente entre dans le circuit, elle est amplifiée et sort par l’autre bout pour être couplée dans la

fibre. Les principales caractéristiques des AOSC sont :

Un gain élevé (jusqu’à 30 dB) selon le semi-conducteur, la longueur d’onde, le courant

injecté et la puissance du signal incident avec une puissance de saturation en sortie autour

de 5 - 10 mW.

Une bande passante optique importante, de l’ordre de 5 THz (soit environ 40 nm autour de

1550 nm).

C’est de loin le dispositif amplificateur le plus compact qui existe, avec un rendement

(rapport gain à la consommation électrique) record. De plus, sa technique de fabrication est

46

compatible avec l’intégration monolithique de nombreux autres composants actifs et

passifs, ce qui offre des perspectives attrayantes en matière de traitement optique du signal,

et aussi probablement en termes de coût.

Les pertes de couplage du faisceau incident dans l’amplificateur sont élevées, en raison de

la supériorité du diamètre du faisceau sur l’épaisseur de la couche active du semi-

conducteur. [24-25]

2.6.1.3 Les amplificateurs optiques à fibre dopée EDFA

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. Pour

l’amplification autour de 1550 nm, fenêtre spectrale la plus utilisée car de faible atténuation pour

des fibres optiques en silice, les dopants sont des ions Erbium Er3+

. On parle alors d’Amplificateur

à Fibre Dopée à l’Erbium (AFDE ou EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier). 980 et 1480 nm sont

les deux longueurs d’onde de pompe les mieux adaptées, et les diodes lasers à ces longueurs

d’onde sont disponibles. La comparaison de leur intérêt respectif montre que le pompage à 980 nm

permet une inversion de population maximale et introduit un minimum de bruit, tandis que le

pompage à 1480 nm est aujourd’hui le mieux maîtrisé avec des puissances élevées de pompage et

de saturation.

Figure 2.20 : Configuration d’un EDFA avec pompage optique

Cette figure donne un exemple de configuration d’EDFA. Il consiste en un morceau de fibre

optique monomode dopée, de longueur d’environ 10 - 20 m et d’un laser de pompe. La lumière

provenant de la pompe excite les ions Er3+

au niveau d’énergie supérieur, ce qui permet de réaliser

l’inversion de population. Le multiplexeur optique sélectif en longueur d’onde effectue le

47

couplage dans la fibre dopée à l’erbium du signal à transmettre et du signal de pompe; celui-ci doit

présenter une perte d’insertion faible aux deux longueurs d’onde afin d’optimiser le rendement

optique du système. Les isolateurs optiques permettent d’éviter les oscillations et d’assurer la

stabilité des caractéristiques de gain en bloquant tous les faisceaux lumineux susceptibles de

revenir en aval.

En général, on définit pour les EDFA un gain se situant dans la fourchette 25 à 45 dB et des

puissances de saturation allant de 1 à 10 mW (0 à 10 dBm). Le gain diminue avec la puissance

d’entrée du signal, alors qu’il augmente avec la puissance de pompe, jusqu’à atteindre la

saturation. Le rendement, défini comme le rapport du gain (dB) à la puissance de pompe injectée

dans la fibre (en mW), est donc maximal autour de la saturation. Enfin, les EDFA ont une large

bande passante (1530-1560 nm) pour laquelle le gain est quasiment identique ; ce qui rend

intéressant ces amplificateurs dans la perspective d’amplifier simultanément plusieurs signaux

multiplexés en longueurs d’onde. [12][17]

2.6.1.4 Comparaison de ces amplificateurs

L’amplificateur à semi-conducteur n’apparaît que très peu dans un système de transmission, car il

présente des caractéristiques assez peu favorables vis à vis des EDFA même si ce dernier est le

meilleur candidat à 1,3 µm.

L’apparition des EDFA a néanmoins eu des conséquences fondamentales, ils ont permis de

fabriquer un milieu de propagation sans perte sur une très grande distance dans les systèmes de

transmission travaillant à 1,55 µm. Ils introduisent de plus faibles pertes d’insertion, une faible

distorsion du signal, un gain plus important et sont insensibles à la polarisation de la lumière

incidente contrairement aux AOSC. Leur plus gros défaut est leur limite à amplifier uniquement

autour de 1550 nm. [5][10]

2.6.1.5 Utilisation de l’amplificateur optique

On choisit un amplificateur optique en fonction de son rôle, il peut servir d’amplificateur de

puissance en émission (booster), de préamplificateur en réception ou d’amplificateur en ligne.

Selon l’utilisation qui en est faite, les paramètres diffèrent. On demande par exemple à un

amplificateur de puissance d’être capable de délivrer une puissance de sortie élevée avec une

48

caractéristique de bruit assez peu critique, tandis qu’un préamplificateur doit être le moins bruyant

possible. L’amplificateur en ligne sera un compromis à tout cela afin à la fois de ne pas dégrader

la qualité du signal transmis et allonger la distance de transmission.

Figure 2.21 : Utilisation des amplificateurs optiques

2.6.2 Les isolateurs

En optique comme en électrique, un isolateur est un dispositif passif non réciproque qui a une

faible atténuation dans un sens et une forte atténuation dans l’autre sens. Il a donc une entrée et

une sortie. Dans les systèmes de télécommunications par fibre optique, les isolateurs sont le plus

souvent employés pour atténuer la lumière issue des réflexions parasites, qui, par exemple en

revenant dans le laser, vient troubler son fonctionnement. Les occasions d’avoir des réflexions

tout au long de la ligne sont fréquentes (un connecteur optiquement mal adapté, une extrémité de

fibre mal coupée, ...). Ces réflexions intempestives augmentent le bruit RIN de ces lasers. Les

isolateurs sont également utilisés dans les amplificateurs optiques à fibre dopée afin des empêcher

de résonner et de se transformer en lasers s’il y a réflexion.

Ils existent plusieurs types d’isolateurs optiques tels que les isolateurs à polariseurs et les

isolateurs à prisme de rutile. L’isolateur à polariseurs est constitué de deux polariseurs et un

rotateur de Faraday composé d’un matériau dia- ou paramagnétique. Les polariseurs, dont les axes

passants sont décalés de 45°, sont situés à l’avant et à l’arrière du rotateur. Ce dernier, soumis à un

certain champ magnétique, fait subir une rotation de 45° à la lumière qui le traverse. Ainsi, dans

un sens, le second polariseur dont l’axe est orienté comme la nouvelle vibration décalée, permet le

passage de la lumière alors que dans l’autre sens, la lumière se présente au second polariseur avec

un angle de 90° et ne peut passer. Par contre, le principe de fonctionnement d’un isolateur à

prismes de rutile est différent. La biréfringence du rutile fait qu’un rayon incident se sépare à son

entrée dans le cristal en deux rayons. Ces deux rayons sont polarisés à angle droit. Dans le sens

49

passant, les angles des prismes sont tels que les rayons doivent se focaliser dans la fibre. Et dans

l’autre sens, ils se focalisent en des points hors du cœur de la fibre.

Les pertes d’insertion sont liées à l’absorption dans les différents éléments, elles ne dépassent pas

2,5 dB. Le taux d’isolation dépend soit de la précision sur les angles des prismes, soit du taux

d’extinction des polariseurs ainsi que de la précision de l’orientation de ces polarisateurs. [17]

2.6.3 Les coupleurs

Dans les réseaux optiques de fibres optiques, les coupleurs permettent de distribuer le signal

optique vers plusieurs fibres ou inversement, acheminer le signal venant de plusieurs fibres vers

une seule.

2.6.4 Les filtres optiques

Le filtrage a pour but de limiter l’occupation spectrale d’un signal, la séparation spectrale est

réalisée en réfléchissant une certaine gamme de longueurs d’onde et en transmettant les autres. On

caractérise le filtre par sa bande passante c’est-à-dire le domaine de fréquences ou de longueurs

d’onde pour lequel il laisse passer la lumière, et par sa bande atténuée c’est-à-dire le domaine de

fréquences ou de longueurs d’onde pour lesquelles il réfléchit la lumière incidente.

Une application de ces filtres est la réalisation de la fonction de multiplexage optique. La solution

adoptée sur certains dispositifs est le dépôt du filtre sur l’extrémité d’une fibre optique. [17]

2.7 Conclusion

La description des composants présents dans un système de transmission sur fibre optique a

permis d’établir le cahier de charge des composants à utiliser pour une liaison. Les fibres optiques

possèdent de nombreuses qualités pour transmettre une grande d’informations sur de longues

distances, même si leurs défauts sont plus ou moins importants, on a pu proposer des solutions. De

plus l’apparition des amplificateurs optiques est une solution plus efficace pour remédier à

l’atténuation du signal dans les fibres.

50

CHAPITRE 3

LA TECHNOLOGIE DWDM

3.1 Introduction

La technologie WDM est née, au début des années 90, de l’idée d’injecter simultanément dans la

même fibre optique plusieurs trains de signaux numériques à la même vitesse de modulation mais

chacun à une longueur d’onde distincte. A l’émission, on multiplexe n canaux au débit nominal D,

et à la réception, on démultiplexe le signal global N x D en canaux nominaux. Le multiplexage en

longueur d’onde se fait exclusivement sur fibre monomode.

La recommandation internationale ITU-T G.692 (Interfaces optiques pour systèmes multicanaux

avec amplificateurs optiques) a défini un peigne de longueurs d’onde autorisées dans la seule

fenêtre de transmission 1530-1565 nm. Elle normalise l’espacement en nanomètre (nm) ou en

Gigahertz (GHz) entre deux longueurs d’onde permises de la fenêtre : 200 GHz ou 1,6 nm et 100

GHz ou 0,8 nm.

La technologie WDM est dite Dense-WDM lorsque l’espacement utilisé est égal ou inférieur à

100 GHz. Des systèmes à 50 GHz ou 0,4 nm et à 25 GHz ou 0,2 nm permettent d’obtenir

respectivement 80 et 160 canaux optiques. Les systèmes WDM / DWDM les plus commercialisés

aujourd’hui comportent 8, 16, 32, 80 canaux optiques, ce qui permet d’atteindre des capacités de

80, 160, 320, 800 Gbps en prenant un débit nominal de 10 Gbps. Ce chapitre parle justement cette

technologie : principe, architecture et ses avantages. Une simulation sera effectuée en dernière

partie en utilisant le logiciel de simulation Matlab Simulink.

3.2 Les réseaux DWDM

3.2.1 Principe et architecture DWDM

3.2.1.1 Principe

La technologie DWDM repose sur le principe du multiplexage optique, ce principe consiste à

transporter plusieurs signaux de longueurs d’ondes distinctes d’espacement inférieur ou égal à 0,8

nm sur un brin optique. Chaque signal est coloré, c’est-à-dire placé sur une longueur donnée grâce

à un transpondeur. Puis via un multiplexeur optique, toutes les longueurs d’onde sont envoyées sur

51

le même brin de fibre optique. A l’autre extrémité, un démultiplexeur va séparer les longueurs

d’onde les unes des autres, puis un transpondeur va reconvertir le signal en canal gris.

Figure 3.01 : Principe de la technologie DWDM

Cette technologie peut transporter n’importe quel signal, le seul prérequis concerne le signal qui

doit être numérique. Chaque longueur d’onde est indépendante, ainsi sur une même fibre optique,

plusieurs protocoles peuvent être transportés :

ATM

SDH : E1, STM‐1, STM‐4, STM‐16, STM‐64

Ethernet : 10 Mbps, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet

Fiber Channel : FC100, FC200, FC400, FC800

On rappelle que sur DWDM, on peut avoir un nombre de canaux de 80 à 160 pour un espace inter-

canaux de 0.8 à 0.2 nm avec un débit par longueur d’onde allant de 10 à 40 Gbps sur un distance

de 600 Km et plus, tout en utilisant un système d’amplification à tous les 50 à 100 Km. [26]

52

La figure 3.02 montre ce même principe mais met en évidence la présence des amplificateurs

optiques.

Figure 3.02 : Principe d’une liaison DWDM

Un des composants clés DWDM est l’amplificateur à fibre dopée erbium (EDFA) qui permet de

compenser les pertes d’insertion dues aux multiplexage/démultiplexage des longueurs d’onde, il

permet également une réduction du bruit. Mais il y a d’autres perturbations qui déforment le

signal. En effet, des phénomènes non linéaires se produisent lors de la propagation du signal dans

la fibre : des risques de diaphonie et de mélange des canaux. C’est pourquoi la technologie

DWDM nécessite des amplificateurs tous les 50 à 100 km. Ainsi, on peut utiliser des OLA Optical

Line Amplifier. Ceux-ci réalisent, en ligne, une réamplification de l’ensemble du spectre optique.

Toutes les longueurs d’onde du spectre se trouvent ainsi réamplifiées sans besoin de démodulation

individuelle. Les gains des amplificateurs optiques varient entre 20 et 30 dB, ce qui permet de

compenser des pertes de la liaison sur des distances de l’ordre de 100 km. [28]

Chaque train de signaux numériques, après multiplexage, est véhiculé sur sa propre longueur

d’onde comme sur une seule fibre. Ces trains peuvent donc être de débits et de formats différents.

Figure 3.03 : Indépendance des débits de chaque canaux

Ainsi, on peut trouver sur une même fibre de la voix dans des trames SDH, de la vidéo dans des

cellules ATM, des données dans des trames IP. Le multiplexage de longueur d’onde est donc une

53

technologie de transport indépendante des protocoles utilisés : tout signal ce qui peut être transmis

sur une fibre optique peut être multiplexé avec un autre signal. [27]

Figure 3.04 : Combinaisons entre les différents couches services et transports

Chaque canal peut être attribué à un usage particulier. Il est ainsi possible dans le cas d’un réseau

métropolitain ayant une architecture physique en anneau de déployer à travers différents canaux

des structures logiques maillées, en bus, point à point, en anneau ou en diffusion. L’attribution

d’une longueur d’onde pour une utilisation donnée se fait par reconfiguration logicielle du

système et ne nécessite aucune modification matérielle. [29]

3.2.1.2 Architecture

Compte tenu des nombreux avantages que le DWDM apporte, l’intégration de cette nouvelle

technologie dans un réseau d’opérateur nécessite de repenser son architecture avec le double

objectif, de ménager les investissements déjà réalisés tout en préparant un proche avenir où

simplicité, fiabilité et faible coût seront les clés du succès.

Figure 3.05 : Principales composantes d’un réseau DWDM

54

La figure 3.05 décrit l’architecture de base et le fonctionnement d’un réseau DWDM. Ce réseau se

compose de nœuds d’extrémité, de nœuds de commutation et de liaisons par fibres optiques.

Les nœuds d’extrémité consistent en modulateurs-démodulateurs (ou modems) à chaque voie,

ainsi que de multiplexeurs et de démultiplexeurs servant respectivement au groupement et à la

séparation des ondes lumineuses de fréquences différentes. Les modulateurs convertissent les

données numériques en ondes par modulation d’intensité ou d’amplitude, tandis que les

démodulateurs reconvertissent les signaux optiques en données numériques. Les nœuds de

commutation se composent de multiplexeurs et de démultiplexeurs à insertion-extraction, de

commutateurs de longueur d’onde et de convertisseurs de longueur d’onde. Les multiplexeurs

servent à grouper les signaux de longueurs d’onde différentes aux fins de transmission alors que

les démultiplexeurs séparent ces mêmes signaux aux fins de commutation. Le commutateur de

longueur d’onde interconnecte les voies d’entrée aux voies de sortie voulues. Les convertisseurs

de longueur d’onde ont pour fonction de convertir, au sein d’une même fibre optique, les

longueurs d’onde surexploitées en longueurs d’onde disponibles de manière à maximiser

l’utilisation des voies.

3.2.2 Modulateurs-Démodulateurs

Le moyen le plus efficace de moduler et démoduler les signaux consiste à utiliser les lasers à

semi-conducteur. La modulation du courant d’attaque d’un laser peut produire une modulation de

fréquence ou d’intensité selon la configuration du modulateur. On peut créer un modulateur de

phase en faisant passer la lumière dans un microguide d’ondes composé d’un matériau électro-

optique telle le Niobate de Lithium LiNbO3. [26]

Figure 3.06 : Exemple de modulateur de phase à microguide d’ondes en LiNbO3 :(a) vue en plan,

(b) vue en coupe

55

On peut aussi créer un modulateur d’amplitude à l’interféromètre Mach-Zehnder, qui peut

consister en un guide d’ondes dans un matériau électro-optique. On peut l’utiliser pour convertir la

modulation de fréquence en modulation d’intensité. [26]

Figure 3.07 : Vue en plan d’un modulateur à interféromètre Mach-Zehnder fait d’un microguide

d’ondes au LiNbO3

On remarque que ce modulateur sera une clé importante de la simulation.

3.2.3 Commutation-routage DWDM

Une fonction de routage qu’on propose d’ajouter au réseau DWDM point à point consiste en une

opération par diffusion et sélection dans laquelle chaque utilisateur du réseau transmet son signal à

un coupleur en étoile, utilisé pour répartir ces signaux vers tous les autres nœuds du réseau.

3.2.3.1 Topologies

Il existe trois types de topologies :

Topologie Point-à-Point

Figure 3.08 : Topologie point à point

Dans cette topologie, les canaux de données sont transmis parallèlement entre 2 sites. Des

Mux/Demux standards aux extrémités fédèrent puis séparent optiquement les canaux. Des

distances jusqu’à 80 km peuvent être parcourues. [30]

56

Topologie Linear Add Drop

Figure 3.09 : Topologie linear add drop

Dans un tel cas, il s’agit d’une topologie point à point plus élaborée, où, entre les nœuds

d’extrémité, des nœuds intermédiaires permettent d’extraire et d’ajouter des canaux. Selon la

configuration réalisée, on peut ainsi insérer des canaux de transmission entre deux nœuds du

réseau. Aux extrémités sont installés comme précédemment des Mux/Demux. Lors de la

planification, il est important de considérer la taille totale du réseau et surtout que chaque ADM

Add Drop Multiplexeur induit une atténuation d’insertion. [30]

Topologie Ring ou en anneau

Figure 3.10 : Topologie ring ou en anneau

La réalisation de réseaux en forme d’anneau est particulièrement appréciée dans le secteur des

Télécommunications car elle garantit une haute sécurité. Dans une telle topologie, en cas de panne

en un point de l’anneau, le trafic des données demeure assuré entre chaque nœud. Des ADM à

chaque nœud sont nécessaires à la construction de réseaux en anneau, on peut ainsi introduire des

canaux entre deux nœuds de l’anneau. [30]

57

3.2.3.2 La transmission des données dans le réseau optique

Actuellement, le réseau optique est d’envergure planétaire et transporte des données de nature très

variées (voix, vidéo, textes, fichiers), expédiées sur IP, ATM, SONET. Le routage dans ce réseau

a longtemps été inexistant puisqu’il se résumait à un ensemble de liens point-à-point, transitant par

des brasseurs optiques interconnectant des anneaux SONET/SDH. Les nœuds de ce réseau

reçoivent des signaux provenant de différentes sources comme les multiplexeurs, les

commutateurs ATM ou encore des routeurs LAN/MAN/WAN. Il est donc indispensable que ces

nœuds aient des interfaces pour convertir ces trafics au format SONET/SDH. Les réseaux basés

sur SONET, qui sont encore au cœur des réseaux longue distance et métropolitains, utilisent des

technologies de routage et de commutation nécessitant la conversion du signal optique en signal

électrique pour ensuite le reconvertir en optique. [27]

C’est l’utilisation de la technologie DWDM, et les apparitions des OADM (Optical ADM) et des

brasseurs optiques OXC Optical Cross-Connect configurables qui rendent envisageable un routage

optique.

OADM : ce sont des modules multiplexeurs qui permettent de prélever ou d’injecter une

ou plusieurs longueurs d’ondes vers la destination appropriée sur le réseau, le tout sans

passer par une conversion électrique du signal. [29]

Figure 3.11 : Schéma de principe OADM

OXC : typiquement utilisés à la jonction de grands réseaux de types métropolitains ou

longue distance, et servent à rediriger les signaux d’une fibre vers une autre. [29]

Figure 3.12 : Schéma de principe d’un brasseur optique OXC

58

Le routage des longueurs d’onde a deux grandes caractéristiques. D’abord, il détermine la raie

spectrale du signal optique et, en cas d’émission de signaux multiples à partir d’un même nœud,

chaque signal peut être destiné à un récepteur distinct. Le nombre de pareils récepteurs est égal au

nombre de longueurs d’onde produites dans chaque nœud. Ensuite, comme chaque signal est

limité à une raie spectrale donnée, il est possible de réutiliser chaque longueur d’onde nombre de

fois dans des raies différentes appartenant au réseau dans la mesure où aucune de ces diverses

raies ne tente de coexister dans la même liaison par fibres optiques. [27] [31]

La figure 3.05 illustre un nœud de commutation par convertisseur de longueurs d’onde en vue de

la réutilisation des longueurs d’onde. Grâce à une telle interconnexion de longueurs d’onde, on

peut interconnecter n’importe quelle longueur d’onde d’entrée à n’importe quelle fibre d’entrée et

n’importe quelle longueur d’onde de sortie à n’importe quelle fibre de sortie, pourvu que la fibre

comporte un nombre de voies suffisant. Ce commutateur réussit partiellement le multiplexage en

longueur d’onde et le multiplexage spatial entre liaisons optiques.

Ce commutateur d’interconnexion DWDM et le multiplexeur à insertion-extraction qui y est

associé, tire toute son importance du fait qu’il permet la reconfiguration du réseau optique par

longueur d’onde, de manière à optimiser le trafic, l’encombrement, la croissance et la pérennité du

réseau. Il permet en outre de configurer des circuits spéciaux en vue de la transmission de signaux

sous une autre forme. L’ensemble commutateur-multiplexeur DWDM constitue l’élément

transparent de la transmission par sélection de longueurs d’onde qui s’avère essentiel à la création

de réseaux à longueurs d’onde multiples. [26]

3.3 Les applications des réseaux longues distances

Aujourd’hui, les deux principales applications des réseaux de fibres optiques longues distances

sont les applications SDH Synchronous Digital Hierarchy et les applications DWDM.

3.3.1 Les applications SDH

La SDH constitue la principale application des infrastructures fibres optiques longues distances.

Elle est l’amélioration des caractéristiques de la hiérarchie précédente PDH Plesiochronous

Digital Hierarchy et correspond à une vision spécifique de SONET Synchronous Optical

Networks, mis au point aux États-Unis et adaptée à l’ATM. Tandis que SDH est d’origine

59

Européenne. Ils concernent tous deux la couche physique et la couche liaison du modèle OSI. Les

protocoles SONET et SDH ont été développés séparément vers la fin des années 80 pour répondre

à la demande de la téléphonie, mais ils sont tout de même très proches. [32]

SDH est normalisé par les normes UIT :

G707 (Synchronous Digital Bit Rate)

G708 (Network Node Interface for the SDH)

G709 (Synchronous Multiplexing Structure)

En plus de G708, la recommandation UIT G957 définit aussi les caractéristiques des interfaces

SDH. Celle-ci prévoit plusieurs types d’interfaces longue distance ou courte distance, fonctionnant

soit dans la fenêtre 1310 nm soit dans la fenêtre 1550 nm.

Longueur d’onde λ 1310 nm 1550 nm

Gamme d’atténuation 0-12 dB ou 10-24 dB

Distance couverte 15-40 Km 15-80 Km

Tableau 3.01: Recommandation UIT G957

On va s’intéresser à SDH car elle est la plus utilisée des deux, on va présenter ses principes, puis

décrire les différences entre SONET et SDH même si cette différence est très mince. [28]

3.3.1.2 De PDH à SDH

PDH est la technique qui a précédé SDH. Elle consiste à multiplexer et de transporter des

éléments binaires de débit inférieur en les transmettant à des débits supérieurs. Les débits

inférieurs sont donc élevés à une valeur supérieure par injonction d’éléments binaires de

justification, avec une indication de leur présence dans la trame résultante. Le débit n’est donc pas

exactement le multiple de ce qui rentre mais légèrement plus. C’est cela qui l’a qualifié de

plésiochrone (en grec, plésio = presque, plésiochrone = presque synchrone). Le principal défaut de

cette technique de multiplexage est qu’elle ne permet pas d’avoir accès aux informations d’une

voie directement sans un démultiplexage l’ensemble des voies.

Par exemple, pour fournir une ligne à 2Mbps, plusieurs multiplexages et démultiplexages doivent

être faits pour l’extraire d’un canal rapide à 140Mbps. C’est un défaut acceptable en téléphonie

60

mais pour l’utilisation sur des réseaux optiques, cela devient inadmissible. Le Japon, l’Amérique

du Nord et l’Europe ont défini des standards différents en termes de multiplexage temporel. En

Europe, on utilise un multiplexage de 30 lignes à 64 Kbps alors que les deux autres ne font du

multiplexage que sur 24 lignes. Ces différences vont générer des standards différents dans chacun

des trois pays à chaque niveau de multiplexage.

Figure 3.13 : Évolution du niveau de débit PDH au Japon, en Amérique du Nord et en Europe

L’évolution de PDH a donc donné naissance à deux technologies : SDH pour les Européens et

SONET pour les Américains. [27]

3.3.1.3 Le principe de SONET/SDH

a. L’arrivée du SDH

Le SDH offre des avantages significatifs sur le PDH. Il repose sur une trame numérique de niveau

élevé qui apporte, en plus du haut débit (plus élevé qu’en PDH) :

- Simplification : simplification des techniques de mux/demux pour utiliser un nombre

illimité d’équipements.

- Haute flexibilité : possibilité d’accéder aux affluents bas débits.

- Gestion « In Band » : canaux intégrés de gestion du réseau, permettant les fonctionnalités

d’exploitation, d’administration et de maintenance.

- Intégration de PDH : Possibilité de transporter des signaux existants dans PDH.

- « Mid fiber meet » : La norme définit une interface optique qui permet l’interconnexion

entre équipements de constructeurs différents.

61

- Capacité de survie : Une vaste utilisation de boucles optiques auto-cicatrisante et de

basculements automatiques dans les équipements, permet aux opérateurs d’obtenir un taux

élevé de disponibilité de service.

- Evolutivité : Facilité d’évolution vers les niveaux de multiplexage supérieurs, l’extension

du réseau et les nouveaux services.

b. Les trames SDH

Il existe différentes trames en SDH, la trame de base est appelée STM-1 ou Synchronous

Transport Module, niveau 1) ayant une longueur de 2430 octets. Sa fréquence de transmission est

de 125 ns c’est-à-dire un débit de 2430*8/125=155,52 Mbps. Dans cette trame, 9 octets sont

réservés à la gestion et à l’adressage, il reste donc une charge utile de 150,336 Mbps. Elle contient

3 blocs, représentée par le schéma suivant :

Figure 3.14 : Trame STM-1

Avec SOH (Section OverHead) : l’information de transport qui permet la synchronisation et la

contrôle de la qualité de chaque système de ligne, PTR un pointeur et Payload l’information à

transmettre.

Le secret de la hiérarchie numérique synchrone se réside dans le pointeur qui assure à lui seul la

synchronisation. Le principe est que SDH utilise des pointeurs et une technique de

justification « négative-nulle-positive » pour pouvoir faire « flotter » les informations utiles dans

la trame et ainsi les décalages de phase entre les équipements sont absorbés. Par exemple, si

l’horloge utilisée localement a une fréquence supérieure à celle du signal arrivant. Une section

spéciale de la trame (le POH Path OverHead) est utilisée pour transmettre le sur-débit et le

pointeur est décrémenté d’une unité. Et inversement, quand le signal varie plus vite que l’horloge

locale, on insère des bits de bourrages et on incrémente la valeur du pointeur.

62

Lorsque la quantité d’information à transporter est supérieure à la zone disponible dans la trame

SDH, elle se continue dans la trame suivante et la fin est indiquée par un marqueur de fin. Pour la

norme SDH, les niveaux sont organisés en n niveaux appelés STM-n (Synchronous Transport

Module, niveau n).

SDH Débit

STM-1 155 Mbps

STM-4 622 Mbps

STM-16 2.5 Gbps

STM-64 10 Gbps

STM-128 20 Gbps

STM-256 40 Gbps

Tableau 3.02: Niveaux des trames SDH

Les différents niveaux STM-n de la hiérarchie SDH sont des multiples du niveau de base STM-1.

Une trame de niveau STM-n a donc une taille de n x 2430 octets toujours répartis sur 9 lignes.

Chaque ligne est donc composée de n x 9 colonnes d’en-tête et de n x 261 colonnes de données.

La charge utile d’une trame STM-n est obtenue par multiplexage des unités administratives ou AU

Administrative Unit contenues dans n trames STM-1. Une trame STM-n transporte n fois plus de

données qu’une trame STM-1, et sur le même intervalle de temps, d’où un débit atteint de n x

155,52Mbps. [27]

c. Les conteneurs virtuels

Pour transporter les signaux, on utilise des conteneurs virtuels ou Virtual Container VC. On y

trouve les sections de surcharge (POH) qui sont utilisées par les pointeurs. Le transport des

conteneurs sur les trames STM-1 à STM-16 s’effectue par un multiplexage temporel. Il existe

deux types de conteneurs virtuels :

Les conteneurs virtuels d’ordre inférieur (VC-11, VC-12, VC-2 et VC-3) qui sont

transportés dans des conteneurs virtuels d’ordre supérieur.

Les conteneurs virtuels d’ordre supérieur (VC-3 et VC-4) qui sont multiplexés pour former

le signal résultant.

63

Les VC ont donc différentes tailles récapitulées ci-dessous :

Virtual Container Capacité

VC-11 1,7 Mbps

VC-12 2,3 Mbps

VC-2 6,8 Mbps

VC-3 50 Mbps

VC-4 150 Mbps

Tableau 3.03: Tailles des Virtual Container

En examinant comment les flux d’information sont transmis via SDH : les flux primaires sont

appelés « affluents » et proviennent de liaisons diverses asynchrones ou synchrones. Les signaux

numériques des affluents sont accumulés toutes les 125 s dans des conteneurs (dont le contenu

est appelé « Payload » ou charge utile). Ces conteneurs sont destinés à voyager tels quels sur SDH

pour les manipuler (sans avoir à prendre en considération le contenu), on ajoute des octets

d’informations constituant le POH. On obtient ainsi un conteneur virtuel.

Figure 3.15 : Formation d’un Tributary Unit

Un VC sera ensuite placé dans une trame SDH, il faut donc localiser le début de ce VC dans la

trame et pour cela introduire un pointeur (formé de quelques octets). L’association pointeur-VC

est appelée TU (Tributary Unit).

64

Il faut bien distinguer la constitution du conteneur virtuel qui se fait au rythme de l’affluent (on

doit mettre des bits de bourrage éventuels) de la constitution de la TU qui se fait au rythme de

l’horloge SDH, ce qui signifie que le début d’un VC peut être n’importe où dans une TU et qu’une

TU peut contenir des morceaux de VC. Plusieurs TU, issues de différents affluents, sont

multiplexées octet par octet pour constituer un TUG (Tributary Unit Group ou groupe de TU).

A leur tour les TUG sont multiplexés dans des VC (dits d’ordre supérieur). On peut y introduire

directement un affluent si celui-ci est de haut débit. En ajoutant un pointeur à un VC d’ordre

supérieur on obtient une unité administrative AU qui est au VC d’ordre supérieur ce que la TU est

au VC d’ordre inférieur c’est-à-dire qu’une AU est placée dans une trame SDH STM-n. [31]

3.3.1.4 Différences entre SONET et SDH

SONET se différencie de SDH principalement sur la taille de la trame. En effet SONET utilise une

trame composée de 9 rangées et 90 colonnes. Elle utilise les trois premiers octets de chaque ligne

pour l’en-tête contenant des informations de synchronisation et de supervision, les 87 octets

restants de chaque ligne étant constitués de conteneurs virtuels. Tout comme en SDH, on retrouve

le principe d’adaptation lié à l’encapsulation des données dans les conteneurs virtuels.

Figure 3.16 : Trame SONET

Le tableau 3.04 montre la correspondance entre SONET et SDH :

SONET SDH Débit

STS-1

OC-3

OC-12

OC-48

OC-192

OC-384

STM-1

STM-4

STM-16

STM-64

STM-128

51,84 Mbps

155,52 Mbps

622,08 Mbps

2,5 Gbps

10 Gbps

20 Gbps

65

OC-768 STM-256 40 Gbps

Tableau 3.04: Correspondance niveaux de trame SDH/SONET et débit obtenu

On observe que SDH commence au débit 155,52 Mbps. De fait, la trame SDH est une extension

de celle de SONET. La hiérarchie des débits étant différente sur les trois continents (USA, Europe,

Japon), c’est un débit de 51,84 Mbps qui a été choisi pour former le premier niveau de SONET :

STS-1 (Synchronous Transport Signal, niveau 1). Les autres niveaux de SONET sont appelés

OC-n (Optical Carrier, niveau n). [27] [33]

Il y a donc un décalage entre les niveaux de SDH et de SONET : le niveau 1 de SDH est le niveau

3 de SONET et le niveau 2 de SDH est le niveau 12 de SONET. On remarque que comme en

SDH, les niveaux supérieurs de la trame de base sont des multiples de celui-ci.

3.3.1.5 Le contrôle de la qualité de service

La qualité de la transmission sur les réseaux SDH est évaluée selon les standards G826 ou M2101.

Les dégradations ou perturbations sur les réseaux de fibres se traduisent par une dégradation du

rapport signal-bruit sur la transmission. Cette perturbation induit au final des erreurs de

transmission sur le canal numérique. Ces erreurs sont caractérisées par le taux d’erreurs. La

répartition des erreurs, mesurée au travers de paramètres tels que :

SAE Secondes Avec Erreurs : nombre de secondes présentant au moins un bloc SDH en

erreur

SGE Secondes Gravement Erronées : nombre de secondes présentant au moins 30% de

blocs SDH en erreur

Minutes dégradées

C’est le contrôle de l’ensemble de ces paramètres qui constitue la mesure de la qualité de service

sur les réseaux SDH.

66

3.3.2 Les applications DWDM

Les applications DWDM constituent la deuxième application des réseaux optiques longs

distances. Les systèmes DWDM sont basés sur la capacité de transmettre plusieurs longueurs

d’ondes simultanément sans interférence sur une seule fibre où chaque longueur d’onde représente

un canal optique (cf. chap. III § 3.2.1). Cette technologie s’est développée à un point que les

espacements entre les longueurs d’ondes sont très petits (une fraction de nanomètre) ce qui a

permis de transmettre une grande densité de longueurs d’ondes dans une fibre optique.

Ces applications sont déployées de plus en plus fréquemment car elles permettent d’optimiser

l’usage d’une même fibre optique en multiplexant sur cette fibre plusieurs canaux, par exemple de

type SDH. Ce multiplexage s’effectue en longueur d’onde, c’est à dire que chaque canal est

modulé sur une « couleur » spécifique.

3.3.2.1 DWDM maximise l’utilisation de la bande passante de la fibre

La technique DWDM a été développée afin de pouvoir exploiter au mieux la gigantesque bande

passante de la fibre optique. En DWDM, la bande passante est divisée en tranches, et dans

chacune de ces tranches, on insère une longueur d’onde ou couleur qui porte un signal binaire.

Toutes les couleurs sont transmises ensemble (multiplexées optiquement) dans la fibre. En

réception, des filtres optiques séparent les couleurs utilisées, puis chaque couleur est démodulée

individuellement pour en extraire sa capacité.

L’espacement entre couleurs ou entre deux tranches dépend des techniques de transmission et de

filtrage. La taille de la couleur (largeur de la tranche) est directement liée à la capacité transmise

(plus la capacité est grande, plus la tranche doit être large : une tranche de 12,5 GHz, un dixième

de nanomètre, ne saurait contenir plus de 12,5 Gbps). [34]

3.3.2.2 Bande passante et Capacité

DWDM recouvre deux types de bandes : C-Band (1530 nm à 1562 nm) et L-Band (1570 nm à

1604 nm) qui peuvent respectivement supporter 80 longueurs d’ondes et 32 longueurs d’ondes

pour un espacement entre canal de 0,4 nm.

67

Figure 3.17 : Types de bandes DWDM

Ces fenêtres à 1550 nm sont utilisées universellement pour les télécommunications longues

distances et à haut débit car la faible atténuation (environ 0,2 dB/Km) dans cette fenêtre permet

d’espacer bien davantage les coûteux régénérateurs et/ou amplificateurs nécessaires pour la

compensation de l’atténuation dans la fibre de ligne.

La capacité accessible sur un système de transmission est directement proportionnelle à sa bande

passante. La capacité correspond au nombre possible de signaux transitant aléatoirement de 1 à 0

(bits) dans un temps donné : dans une fibre, un 1 correspondra à la présence d’une impulsion

lumineuse, un 0 à l’absence de lumière. Quand la capacité augmente, le nombre de transitions

augmente, et donc également la fréquence avec laquelle ces transitions apparaissent.

Cette correspondance entre la bande passante et la capacité est illustrée par les exemples suivants :

Radio FM et canaux TV : par exemple en France, c’est l’Etat qui limite les bandes

passantes de fréquences autorisées pour la diffusion, conduisant ainsi à une limitation du

nombre de chaînes radio et TV.

Téléphonies mobiles : c’est encore l’Etat qui contrôle les bandes passantes de fréquence,

ce qui conduit à n’attribuer des licences qu’à un nombre limité d’opérateurs.

En théorie, le nombre de signaux binaires 0 et 1 que l’on peut transmettre en une seconde ne peut

guère dépasser le nombre de Hertz disponibles dans la bande transmise. Cette règle « 1 bit =1

Hertz » est une limite supérieure qui ne tient pas compte des altérations possibles du signal dues

68

au bruit, à la distorsion. Ainsi, la capacité maximum théorique de la fenêtre à 1550 nm d’une fibre

optique est de l’ordre de 12,5 Tbps en transmission binaire.

3.3.2.3 Les avantages de la transmission DWDM

La gigantesque capacité potentielle de la fibre (un maximum de 12,5 Tbps) est divisée en tranches

de capacité de taille plus raisonnable et exploitable par l’électronique des équipements terminaux.

Les deux tranches de capacité utilisées à l’heure actuelle sont 2,5 Gbps et 10 Gbps. Une nouvelle

tranche à 40 Gbps devrait être disponible dans quelques années.

Le DWDM est très souple d’emploi. Un équipement terminal distinct termine chaque couleur. On

peut ainsi augmenter progressivement la capacité au fil des besoins en installant les équipements

terminaux de nouvelles couleurs.

3.3.2.4 Les perspectives futures de la transmission DWDM

La première des applications du DWDM est la dorsale de transmission point à point, qui est

actuellement déployée dans de nombreux cas. On peut également l’appliquer à divers protocoles et

structures de réseau, tel le réseau optique synchrone à circuits commutés (SONET ou SDH en

Europe), le réseau Internet fondé sur le protocole TCP/IP, le réseau Intranet faisant appel au

protocole TCP/IP ou à l’ATM. Les applications du DWDM point à point accroîtront la capacité de

transmission des liaisons à fibres optiques existantes de manière spectaculaire, ce qui pourra

réduire les coûts des réseaux. Le réseau de câblodistribution semble toutefois ne pas profiter de

cette évolution du DWDM. Il serait possible de remplacer les câbles coaxiaux par des câbles

optiques et d’exploiter un réseau DWDM pour les services de télédiffusion en transmettant la

programmation d’une ou plusieurs chaînes sur une longueur d’onde.

La capacité maximale que la technologie DWDM pourra offrir dans le futur n’est pas facile à

déterminer. Pour la déterminer, il faut pouvoir estimer de manière fiable les pénalités dues aux

interactions entre couleurs adjacentes, ainsi que les progrès réalisables dans la sélectivité des

filtres optiques des équipements terminaux. Le nombre maximal théorique de couleurs sur une

fibre peut être estimé, il s’agit du rapport entre la capacité maximale de la fibre décrit dans le

Chap. III § 3.3.2.2 (12,5 Tbps) et la capacité portée par chaque couleur. Le tableau 3.05 illustre le

nombre maximal de longueurs d’onde pour trois tranches de capacité différentes :

69

2,5 Gbps par couleur 10 Gbps par couleur 40 Gbps par couleur

Nombre maximum de

couleurs 5000 1250 312

Capacité totale disponible 12,5 Tbps 12,5 Tbps 12,5 Tbps

Tableau 3.05: Nombre maximal de longueurs d’onde par tranches de capacité

Les performances des systèmes DWDM s’apprécient par le nombre des longueurs d’onde gérées

(nombre de canaux), le débit maximal sur chaque longueur d’onde et la distance couverte. [34]

L’analyse de l’évolution des systèmes DWDM démontre la volonté d’utiliser un nombre toujours

plus important de longueurs d’onde sur une même fibre. Sur ceux qu’on va entamer le paragraphe

concernant la simulation.

3.4 SIMULATION

Comme la technologie photonique avance, il doit y avoir donc un développement énorme dans les

systèmes de transmission, particulièrement dans des systèmes de communication optique. Avec

l’augmentation des demandes de trafic pour la transmission de données, les ingénieurs visent

actuellement à transmettre sur une distance de plus en plus longue à une vitesse plus rapide avec

moins de dispersion. Le travail présente le modèle d’un multiplexage dense en longueur d’ondes

DWDM pour les systèmes de communications de 10 Gbps incorporant plusieurs formats de

modulation d’après Matlab SIMULINK.

Le simulateur permet une transmission sur plusieurs canaux optiques par des envergures de

simples fibres compensatrices de dispersion. Vue dans les paragraphes du Chapitre III, cette

technologie exige les dispositifs optiques comprenant les émetteurs optiques, multiplexeur,

démultiplexeurs, amplificateurs, récepteurs et fibres optiques. L’espacement entre les canaux dans

le domaine de fréquence détermine la complexité de ces dispositifs et la pénalité de puissance, et

par conséquent le budget (le débit) des systèmes de transmission. L’utilisation de l’amplificateur

optique EDFA permet de compenser des pertes et l’atténuation. Avec l’utilisation de l’EDFA, des

signaux ou des PRBS Pseudo Random Bit Sequence de ce modèle peuvent être amplifiés

simultanément.

70

Pour améliorer l’exécution du système de transmission DWDM à 10 Gbps ou 40 Gbps, des

formats avancés de modulation attirent des intérêts considérables. Des modulations qui ont une

largeur et une concentration spectrales étroites d’énergie optique au-dessus de la bande du signal

avec une basse susceptibilité à la non-linéarité de la fibre, sont considérées en cet article.

Cette partie est organisée comme suit :

Section 1 décrit les propriétés de base des composants d’un système de communication

sur fibre optique et des propriétés fondamentales pour la représentation de Simulink,

Section 2 décrit les résultats expérimentaux obtenus pour NRZ-ASK No Return to Zero

Amplitude Shift Keying et les détails de modèles de Simulink. Les résultats simulés encore

pour NRZ-ASK et la transmission plus de 80 kilomètres sont présentées.

Section 3 décrit les défis et donne un sommaire de simulateur.

3.4.1 Systèmes de transmission et composants optiques

3.4.1.1 Systèmes de transmission

Vue dans chap. III § 3.2.1.1, un système de communication optique, particulièrement DWDM, se

compose habituellement des multiplexeurs, fibres, récepteurs, et modulateurs. Ainsi, on assistera

sur le modulateur Mach-Zehnder et les formats de modulation qu’on va utiliser, et non plus sur les

multiplexeurs, les fibres ou les autres composants optoélectroniques.

3.4.1.2 Le Mach-Zehnder Interferometer Modulator

Des ondes lumineuses doivent être modulées pour transmettre un signal et pour des systèmes de

rendement élevé, la modulation externe est souvent employée. On parle de Mach-Zehnder

Interferometer Modulator MZIM en raison de sa supériorité et de sa flexibilité en service par

rapport à la technique de modulation directe. Cela est dû au changement d’indice de réfraction de

quelques matériaux quand un champ électrique, habituellement par l’intermédiaire d’une

polarisation et d’une vague de déplacement d’une répétition de fréquences RF, est appliqué aux

électrodes. Ceci affecte le matériel presque immédiatement après le dépassement des ondes

lumineuses du modulateur. Par conséquent le changement d’indice de réfraction des éléments

optoélectroniques est proportionnel à la tension appliquée au matériel. Le délai de phase du signal

71

lumineux provoque des effets d’interférence qui modulent l’intensité de rendement de manière

constructive ou nuisible, illustré sur le schéma suivant. [35]

Figure 3.18 : Configuration et opération du modulateur Mach Zehnder

Figure 3.19 : Caractéristiques puissance-tension du modulateur Mach Zehnder

3.4.1.3 Modulation

Le choix de modulation utilisé est très important pour réduire au minimum la dispersion et

l’atténuation dus aux effets non-linéaires, qui peuvent être compensées avec l’utilisation des fibres

à compensation de dispersion. Les formats de modulation qui sont considéré dans les systèmes de

communications de DWDM 10Gbps peuvent être basés sur la modulation de phase des signaux

porteurs sous le signal enveloppé et la modulation d’amplitude. Ils peuvent classifier comme:

Formats Modulation d’Amplitude :

- Return to Zero On/Off Keying RZ-OOK ou RZ-ASK

72

- Carrier-Suppressed Return to Zero CSRZ-OOK ou CSRZ-ASK

- Non Return to Zero On/Off Keying NRZ-OOK ou NRZ-ASK

Formats Modulation de Phase :

- Non Return to Zero Differential Phase Keying NRZ-DPSK et Non Return to Zero

Differential Quadrature Phase Shift Keying NRZ-DQPSK

- Return to Zero Differential Phase Keying RZ-DPSK

- RZ-DQPSK ou CSRZ-DPSK et CS-DQPSK

La conception du modèle sous Matlab SIMULINK du système est conçue en utilisant le format de

modulation de NRZ-OOK. Les autres formats de modulation sont également mis en application.

3.4.2 Simulation sous SIMULINK

3.4.2.1 Processus de conception

Ce simulateur est conçu en utilisant Matlab SIMULINK. Le premier prototype qu’on va concevoir

avec SIMULINK est le non-retour à zéro NRZ pour mieux abordé la suite de la simulation. La

première étape de cette conception concerne le signal de modulation, où le signal est modulé avec

2 sources, un générateur de signal sinusoïdal, et un générateur de séquence binaire aléatoire. La

prochaine étape implique le bloc qui assure la fonction de polarisation de la tension (Voltage

Bias).

La dernière étape est le modèle de propagation de la fibre conçu en utilisant le modèle d’une phase

linéaire d’un filtre passe bas ou LPF Low Pass Filter, tout en notant que ce modèle de propagation

de la fibre est adapté dans le modèle de SIMULINK. Les modèles d’émetteur sont alors intégrés

avec cette fibre et les modèles de récepteur pour étudier la performance du système. Mais avant

tout cela il est important de savoir que la valeur typique, pour les télécommunications et la

transmission de données, du taux d’erreur binaire ou Bit Error Rate BER est de 10-12

.

73

Figure 3.20 : Modèle de diagramme de l’œil

A partir de ce modèle, on peut estimer le BER en utilisant le paramètre Q où :

(3.01)

Où 1 = 0.68 1 et 0 = 0.68 0 pour une pulsation gaussienne. Ainsi par exemple si Q = 6, on a un

BER = 10-9

et si Q = 7, on a un BER = 10-12

.

3.4.2.2 NRZ Transmitter

a. Non Return to Zero

NRZ-ASK est le format de modulation le plus déployé dans un système de communication

optique. Il produit des données sur un porteur optique en commutant le signal lumineux en

marche et en arrêt. La modulation externe est considérée, dans cette conception, qu’elle module

directement le signal lumineux venant du laser entrainant un bruit léger et élargira le spectre

optique, et par conséquent dégrade la performance de la transmission. La modulation se fait par

l’utilisation d’un modulateur externe MZIM en LiNbO3. Pour les émetteurs conçus, la fréquence

porteuse est réduite à 100 GHz. Le signal porteur c(t) est un pur signal sinusoïdal donné par:

( ) ( ) (3.02)

74

Figure 3.21 : Représentation du code NRZ

Le schéma fonctionnel suivant montre le modèle NRZ-ASK.

Figure 3.22 : Modèle sous SIMULINK de NRZ-ASK.

Pour produire le signal porteur, le signal sinusoïdal venant du bloc Sine Wave doit avoir une

fréquence de 2π x 100 GHz où 100 GHz sont la fréquence porteuse. Ainsi la haute graduation au

porteur optique à 1550 nm peut être mise en application avec facilité. Dans le bloc Bernoulli

Binary Generator, le temps d’échantillonnage d’un symbole est de 0.1 ps pour avoir un débit de 10

Gbps.

Zero-Order

Hold1

Zero-Order

Hold

4.5

V_biasB-FFT

Spectrum

Scope Passband

B-FFT

Spectrum

Scope Baseband

Sine Wave

x[n/8]

FIR

Interpolation

Eye Diagram

Data In

Bernoulli

Binary

Bernoulli Binary

Generator

In_1

RF_In

V_bias

Out1

Out2

10Gbps MZIM Modulator

75

Figure 3.23 : Paramètres du générateur de Bernoulli et du porteur

b. Bloc 10 Gbps MZIM

La figure ci-après montre le bloc 10 Gbps MZIM du système. La polarisation de tension (Voltage

Bias) du modulateur est un paramètre très important car la tension polarisée affecte directement le

rendement du signal optique en sortie. Par conséquent un sous-ensemble séparé a été conçu. Les

sous-ensembles dans le bloc MZIM incluent:

Le bloc Drive_voltage conçu pour choisir la gamme de tension V-polarisation réglée par la

tension de conduite où cette dernière se rapporte à la tension du signal RF.

Le bloc Data Selection interprète la courbe de transfert de la modulation comme une table

numérique des valeurs expérimentales réelles.

Le bloc V_bias Effect est la sortie du point de V-polarisation choisi. Cette sortie serait

produit comme le pourcentage de l’intensité du signal optique, cela réduirait ou

maximiserait le rendement du signal modulé.

Le bloc Phase Shift Block

76

Figure 3.24 : A l’intérieur du bloc de 10Gbps MZIM.

Ces trois blocs sont modelés selon la courbe caractéristique de MZIM sur la figure 3.24. Le bloc

Phase Shift Block sur le bras 2 du MZIM entraine un déphasage 0 pour un signal d’entrée à 1, on a

un état ON quand il recombine avec le signal du bras 1. Avec un déphasage π et un signal d’entrée

à 1 qui entraine l’annulation des signaux de commandes en sortie quand ils recombinent avec le

signal du bras 1, et cela donnera l’état OFF.

Figure 3.25 : Courbe caractéristique du MZIM

77

c. Bloc RF Voltage et Bloc Data Selection

Figure 3.26 : A l’intérieur du bloc RF Voltage ou Drive_voltage (a) et bloc Data Selection (b)

Sur la Figure 3.25, à partir du bloc RF Voltage (a), les niveaux de tension ON et OFF peuvent

générer les signaux vues sur la courbe caractéristique du MZIM. Pour modéliser le MZIM, la

mesure de cette courbe est employée.

Le bloc Data Selection est représenté sur la Figure 3.25 (b) incorporé avec le Direct Look-up

Table donnant ainsi les caractéristiques de la fonction de transfert. Ainsi à partir de ce bloc, la

sortie (intensité ou phase) optique de la sortie du modulateur peut être déterminée.

d. Bloc V_bias Effect et Phase Shift Block

Figure 3.27 : A l’intérieur du bloc V_bias Effect (a) et du bloc Phase Shift Block (b)

Sur la Figure 3.26, le bloc V_bias Effect (a) est utilisé pour générer toute l’intensité à la sortie du

modulateur. Le bloc Phase Shift block (b) entraine un déphasage pi ou 0 sur le deuxième bras du

MZIM. Quand un 1 est reçu; il est multiplié par pi. Après cela (π-π) produit un déphasage 0. Et

quand on multiplie par le complexe j et en prenant son exponentiel e0j

.

78

On aura un déphasage 0 sur le bras 2 du MZIM et par conséquent quand le signal du bras 2 se

recombine, il produira un signal donnant l’état ON. Si un 0 est reçu; il est multiplié par p, après

cela π-0 donne un déphasage π. Une fois multiplié par le complexe j et en prenant son exponentiel

eπj

entraine un déphasage π sur le bras 2 du MZIM. Par conséquent quand le signal sur le bras 2 se

recombine, et il en résulte une interférence destructive, par conséquent un état OFF.

e. Résultat

La Figure 3.27 (a) montre les données d’entrée du générateur de Bernoulli et celle de (b) montre

les signaux résultants ASK. Comparant les deux scopes, on peut voir que sur le scope (b) donne

un aperçu des données sous format NRZ avec le composant de porteur après la sortie 2 du MZIM.

Figure 3.28 : (a) Scope montrant les données du générateur binaire de Bernoulli et (b) scope

montrant les signaux modulés avec le porteur.

Figure 3.29 : Spectre du signal observé avec au centre la fréquence porteuse optique décalée en

bande de base.

79

Figure 3.30 : Spectre du signal observé en passe bande

En comparant la Figure 3.28 et la Figure 3.29, on peut observer qu’en passe bande, le porteur

s’est décalé à une valeur de 0,4 GHz après avoir être modulé par le modulateur pour que le signal

puisse s’adapter au canal de transmission (la fibre optique). En effet c’est l’avantage d’utiliser

Simulink en tant que simulateur car il peut illustrer les ondulations optiques qui ne seraient pas

possibles à observer en pratique.

Figure 3.31 : Diagramme de l’œil observé à 10 Gbps.

Le diagramme de l’œil est mesuré à 10 Gbps et le BER obtenu est 10-12

pour le signal à

transmettre.

80

3.4.2.3 NRZ-ASK Transmitter avec une fibre monomode de 80km (SMF Single Mode Fiber) et

une Module de Compensation de Dispersion (DCM Dispersion Compensation Module)

Après avoir modélisé l’émetteur NRZ, le modèle de fibre avec propagation est incorporé à ce

modèle NRZ. Le système ainsi conçu a une longueur totale de 80 Km en SMF Single Mode Fiber

suivi du DCM Module de Compensation de Dispersion. Les diagrammes de l’œil sont mesurés à

l’entrée et la sortie de la fibre. Le DCM a une dispersion totale de -1360 ps/nm à 1550 nm et une

pente de dispersion de 0,01 ps/nm.

Figure 3.32 : Modèle du système optiquement amplifié en utilisant SMF et DCM.

Figure 3.33 : Spectre observé avant le SMF.

Zero-Order

Hold

4.5

V_bias

B-FFT

Spectrum

Scope Passband

Sine Wave

In1 Out1

SMF Model

x[n/8]

FIR

Interpolation2

x[n/8]

FIR

Interpolation1

x[n/8]

FIR

Interpolation

Eye Diagram

before SMF

Eye Diagram

after Tx

Eye Diagram

after SMF

In1 Out1

DCM

Bernoulli

Binary

Bernoulli Binary

Generator

In_1

RF_In

V_bias

Out1

Out2

10Gbps MZIM Modulator

81

Figure 3.34 : Diagramme de l’œil de l’émetteur NRZ (domaine électrique) observé avant le SMF

Figure 3.35 : Diagramme de l’œil de l’émetteur NRZ (domaine électrique) observé après le SMF

Comparant les diagrammes de l’œil de la Figure 3.33 et celle de la Figure 3.34, on peut observer

que le BER est égal à 10-5

après la transmission de 80 kilomètres due aux effets de l’atténuation et

de dispersion dans la fibre. Après le DCM, on peut constater que, le diagramme de l’œil observé

sur la Figure 3.35 c’est-à-dire après le SMF de 80 Km et le DCM, le BER est redevenu à 10-12

donnant ainsi une erreur presque négligeable. Ceci démontre l’efficacité du DCM car une

augmentation du BER entraine une diminution du débit. Ainsi on peut en déduire qu’on a un

système efficace et rentable du point de vue qualité du signal (faible atténuation) pendant la

transmission.

82

Figure 3.36 : Diagramme d’œil après un SMF de longueur 80Km et d’un DCM

3.4.2.4 NRZ-ASK Transmitter avec une Fibre à Dispersion Décalée de longueur 80km (DSF

Dispersion Shifted Fiber)

Un autre modèle de fibre de 80 Km appelée fibre à dispersion décalée ou DSF Dispersion Shifted

Fiber est également incorporée avec l’émetteur NRZ. Les diagrammes d’œil avant et après ce type

de fibre sont observés pour pouvoir mesurer le taux d’erreur binaire.

Figure 3.37 : Modèle du système avec une DSF.

Zero-Order

Hold

4.5

V_bias

B-FFT

Spectrum

Scope Passband

Sine Wave

x[n/8]

FIR

Interpolation1

x[n/8]

FIR

Interpolation

Eye Diagram

before DSF

Eye Diagram

after Tx1

In1 Out1

DSF Model

Bernoulli

Binary

Bernoulli Binary

Generator

In_1

RF_In

V_bias

Out1

Out2

10Gbps MZIM Modulator

83

Figure 3.38 : Spectre observé avant le DSF.

Figure 3.39 : Diagramme de l’œil observé avant la fibre DSF

Figure 3.40 : Diagramme de l’œil observé après le DSF

84

Comparant la Figure 3.36 et 3.37, on peut observer qu’après la fibre DSF, le diagramme de l’œil

est sensiblement plus étroit dû à l’atténuation pendant la transmission. Le système met en

évidence la simulation des émetteurs NRZ ainsi que les modèles de fibre optique à propagation,

les effets de la dispersion linéaire, de la non-linéarité de fibre et de l’atténuation des fibres.

En déduisant sur les deux résultats des systèmes (SMF+DCM et DSF), on peut conclure que

l’utilisation de la fibre DSF pour la transmission tient compte des améliorations du paramètre Q

dérivé des diagrammes d’œil, par rapport à laquelle l’utilisation de la fibre SMF+DCM tient aussi

compte de cette amélioration mais de faible quantité. De plus, la différence principale dans les

diagrammes de l’œil prouve que le modèle NRZ-ASK SMF+DCM a plus de déformation tandis

qu’il y a minimum de déformation de forme d’onde dans le cas de NRZ-ASK DSF.

3.4.2.5 NRZ-ASK Transmitter with Demodulation

La modulation est une technique de superposition du signal m(t) sur le porteur à l’émetteur. Et à

l’extrémité au niveau du récepteur, la démodulation doit être faite pour recevoir le signal original

qui a été transmis.

Figure 3.41 : Bloc fonctionnel de la modulation (a) et (b) de la démodulation

Le concept de la modulation et de la démodulation est illustré sur la Figure 3.40 (a) et (b). La

Figure 3.50 montre le système sous Simulink.

Figure 3.42 : Modèle de l’émetteur NRZ avec démodulation.

Zero-Order

Hold1

Zero-Order

Hold

B-FFT

Spectrum Scope

Passband

Sine Wave

Optical carrier input Out1

NRZ_MZIM block

In1

Demodulation

Re(u)

Complex to

Real-Imag

Time

Carrier

85

a. NRZ_MZIM Block

Dans le bloc NRZ, le signal porteur est introduit dans le MZIM. Comme expliqué plus tôt, le

MZIM a deux bras. Sur le bras 2 de la Figure 3.41, un signal venant du générateur de Bernoulli

avec un temps d’échantillonnage de 10-10

(10Gbps) est introduit dans le bloc de déphasage (Phase

Shift Block) comme sur la Figure 3.42. Ce bloc de déphasage causera un déphasage dans le bras 2

du MZIM. Quand un bit 1 est reçu, le bloc de déphasage causera un déphasage dans le bras 2, et

quand les signaux des deux bras se combinent. Cela entraine donc un déphasage par conséquent

annule l’un ou l’autre qui donnera une intensité nulle à la sortie donc un état OFF. Quand un bit 1

est reçu, le bloc déphasage ne causera aucun déphasage sur le bras 2 et par conséquent quand les

signaux des deux bras se combinent. Cela produit un signal à l’état ON.

Figure 3.43 : A l’intérieur du bloc MZIM

Le bloc Phase Shift Block est déjà illustré sur la Figure 3.26 (b) et explicité dans le sous

paragraphe a. du Chap. III 3.4.2.2.

b. Bloc de démodulation

Afin au niveau du récepteur pour recevoir les données qui étaient transmis par l’émetteur, une

démodulation doit être faite. Dans le bloc de démodulation, le filtre passe bas exclut les signaux

ou composants à haute fréquence et par conséquent produit un signal démodulé comme observé

dans la Figure 3.43.

1

Out1

Zero-Order

Hold2

Zero-Order

Hold1

Zero-Order

Hold

B-FFT

Spectrum Scope

Baseband

Product

In1 Out1

Phase Shift Block

Time

OOK

NRZ(Optical)

Input Data

Time

Data In

Re(u)Complex to

Real-ImagBernoulli

Binary

Bernoulli Binary

Generator

Add

1

Optical carrier input

86

Figure 3.44 : A l’intérieur du bloc démodulation

c. Résultat

Figure 3.45 : Données (a) à l’entrée du MZIM et (b) après le MZIM.

La Figure 3.44 (a) montre les données observées à l’entrée du MZIM, et (b) montre ces données à

la sortie du MZIM. Comparant ces deux figures, on peut voir clairement, à la sortie du MZIM, le

signal porteur.

Figure 3.46 : Spectre observé à la sortie du MZIM.

B-FFT

before Filter

Baseband 100 GHz

Time

before Filter

Zero-Order

Hold

B-FFT

Spectrum Scope

Baseband 100GHz

Sine Fc

Lowpass

Lowpass Filter

x[4n]

FIR

Decimation1

x[4n]

FIR

Decimation

Eye Diagram

Scope

Time

Demodulate Scope

1

In1

87

La Figure 3.45 prouve que le porteur existe, et est localisé au centre du scope passe bande c’est à

dire une fréquence à 0. Pourtant on peut voir que la fréquence porteuse est à 0.1 THz car on l’a

initialisé à l’entrée au MZIM. Le diagramme d’œil après démodulation est observé à la Figure

3.46 avec un temps de prélèvement de 10-10

, le BER mesuré est de 10-12

.

Figure 3.47 : Diagramme de l’œil observé à 10 Gbps.

Figure 3.48 : Spectre observé (a) avant le filtre passe bas et (b) après le filtre passe bas

Sur la Figure 3.47 (a), on observe le spectre du signal avant le filtre passe bas et (b) après le filtre

passe bas. Comparant les deux fréquences issues de chaque spectre, on constate qu’après le filtre

passe bas, les composants à haute fréquence ont été filtrés. Par conséquent, la Figure 3.48 montre

le signal démodulé après le filtre passe bas où certain composant de la fréquence porteuse est

enlevé.

88

Figure 3.49 : Signal observé après démodulation.

Comme conclusion, on peut déduire qu’après modulation, démodulation et une transmission à

travers les différents types de fibres, les déformations du signal sont minimes c’est-à-dire que les

pertes de données dans une fibre pendant la transmission restent faibles.

3.5 Conclusion

Les réseaux optiques représentent une part non négligeable des transmissions très haut-débits.

Aujourd’hui utilisés dans de nombreux réseaux MAN ou WAN, SDH et DWDM sont deux

technologies qui ont révolutionné ce type de réseaux.

L’utilisation de DWDM permet bientôt d’effectuer des communications à un débit de quelques

Gigabits par seconde. De tels débits semblent aujourd’hui inimaginables et pourtant, ils sont

arrivés à notre porté.

Pour mettre en application les modèles sous SIMULINK pour les diverses formats de modulation,

l’exactitude du modèle est un facteur très important. Beaucoup de difficultés ont été rencontrés en

mettant en application le MZIM, principalement:

L’implémentation du bloc V_bias du MZIM

La non-linéarité du MZIM et de là entrainant des effets

L’implémentation du bloc Drive voltage

Signal sur bruit (SNR) généré dans le MZIM

Modéliser les bruits de non-linéarité du MZIM

89

Corriger le prélèvement des formats à la sortie des diagrammes de l’œil pour chaque

résultat requis.

Ces difficultés ont été résolues pour produire un modèle Simulink pour les différents formats de

modulation. Ces solutions sont :

L’utilisation d’un appareil de mesure pendant une longue période jusqu’à un résultat

stabilisé pour mesurer le taux d’erreur binaire du MZIM

La polarisation de la puissance optique d’entrée

Les diagrammes de l’œil produits ont eu le bruit désiré au niveau de la fibre optique et du

système lui-même. Car les bruits non désirés rendaient la lecture des résultats difficiles à

analyser

En raison de la complexité des modélisations sous Simulink et les paramétrages de ces modèles,

les résultats du travail ont pris des retards. Il y a quelques blocs qui peuvent être facilement mis en

application par Simulink mais d’autre s’est avéré plus difficile de le modéliser dans le logiciel.

90

CONCLUSION GENERALE

Pour répondre à la demande non cessante en termes de débit des marches de télécommunications

et à la norme de sécurité des données, l’utilisation de la fibre optique semble, surtout combinée

avec DWDM, une meilleure solution pour satisfaire ces demandes par rapport aux autres types de

canaux de transmission.

Ainsi l’objectif de ce mémoire consiste à concevoir un modèle de transmission optique à 10 Gbps

avec un taux d’erreur minime en utilisant le logiciel Matlab Simulink. Le modèle est conçu en

considérant des types liaisons par fibre optique, par exemple une fibre optique monomode de 80

Km ou une fibre optique avec dispersion décalée.

La technologie DWDM représente une évolution par rapport à celle de SDH car cette technologie

peut être appliquée à divers protocoles et structures de réseaux. Pour cela, nous avons commencé

par un rappel sur la SDH puis DWDM. A cela, nous avons également passé à l’étude des bandes

passantes utilisés et sa capacité pour convoyer les données transmises. Nous avons présenté aussi

les avantages ainsi que les futures perspectives de DWDM.

Les systèmes optiques peuvent être utilisés dans les différentes types du réseau de

télécommunications. Les techniques de multiplexage de données pour une transmission optimisée

sont réalisable pour ces systèmes et plus convaincant en termes de débit d’informations. Ainsi,

l’évolution vers l’utilisation du multiplexage en longueur d’ondes devient un objectif important

dans le domaine de la télécommunication. Comme il y a toujours des changements et des

améliorations constants dans la communication à système optique, particulièrement sur les

techniques de modulation. Ce modèle de simulation permet à des utilisateurs de simuler et de

modifier les divers formats de modulation pour convenir à une liaison longue distance DWDM à

grande vitesse et pour la conception et la planification du système.

On peut dire que la fibre optique est un cadeau de la nature. Elle a une largeur de bande quasiment

infini, les techniques de transmission à large bande notamment par fibre optique nous ont permis

d’en être là aujourd’hui. Nous n’aurons pas Internet ni e-mail ni Google…à des débits plus

importants, nous n’aurons pas pu communiquer entre nous en haut débit par exemple la vidéo

conférence.

91

ANNEXE 1

Code NRZ

Le code NRZ est le plus simple. C’est la forme que l’on rencontre tout naturellement lors de

l’échange de signaux binaires au sein d’un circuit. Le 1 est codé par un niveau haut maintenu

pendant un période d’horloge bit, un 0 est un niveau bas pendant la même durée.

C’est le code élémentaire des données numériques issues des systèmes de brassage ou

d’embrouillage. La suite {bk} des valeurs numériques (bk ∈ {0,1}) est supposée comme des

éléments indépendants et identiquement distribués (ou équiprobables). Le formant rectangulaire

g(t) = A. Π(t) est dit NRZ par opposition au RZ.

Figure A1.1 : Format NRZ

Ce signal peut être considéré comme la juxtaposition aléatoire d’un motif rectangulaire

représentant le caractère 1. Son densité spectral de puissance est alors le même que celui de ce

motif c’est-à-dire un sinus cardinal au carré de largeur 1/T.

( ) (

)

( ) (3.03)

Figure A1.2 : Densité spectrale de puissance

On peut constater que le spectre ne possède pas de raie à la fréquence bit en effet le produit du

signal NRZ et d’une sinusoïde à la fréquence de l’horloge bit à une moyenne nulle. A la réception

la restitution de cette horloge risque donc d’être difficile. Ce format ne convient pas pour les

canaux de transmission qui ne passent pas le continu, en effet dans ce cas une longue suite de 1 est

indiscernable d’une longue suite de zéros.

92

ANNEXE 2

Hiérarchie numérique plésiochrone ou PDH

La hiérarchie numérique plésiochrone ou PDH (en anglais Plesiochronous Digital Hierarchy) est

une technologie utilisée dans les réseaux de télécommunications afin de véhiculer les voies

téléphoniques numérisées. Le terme « plésiochrone » vient du grec plesio (proche) et chronos

(temps) et reflète le fait que les réseaux PDH utilisent des éléments pratiquement mais non

parfaitement synchronisés : ils ont un même débit nominal pour toutes les artères du même type

mais ce débit diffère légèrement en fonction de l’horloge de traitement local.

Le transfert de données est basé sur un flux à 2 048 Kbps. Pour la transmission de la voix, ce flux

est séparé en 30 canaux de 64 Kbps et 2 canaux de 64 Kbps utilisés pour la signalisation et la

synchronisation. On peut également utiliser l’intégralité du flux pour de la transmission de donnée

dont le protocole s’occupera du contrôle. Le débit exact des données dans le flux de 2 Mbps est

contrôlé par une horloge dans l’équipement générant les données. Le débit exact varie légèrement

autour de 2 048 Kbps. Afin d’amener plusieurs flux de 2 Mbps d’un point à un autre, ils sont

combinés par multiplexage en groupes de quatre. Cette opération consiste à prendre 1 bit du flux

#1 suivi d’un bit du #2, puis le #3 et enfin le #4. L’équipement émetteur ajoute également des

informations permettant de décoder le flux multiplexé.

Chaque flux de 2 Mbps n’étant pas nécessairement au même débit, des compensations doivent être

faites. L’émetteur combine les 4 flux en assumant qu’ils utilisent le débit maximum autorisé.

Occasionnellement le multiplexeur essaiera donc d’obtenir un bit qui n’est pas encore arrivé. Dans

ce cas, il signale au récepteur qu’un bit est manquant ce qui permet la reconstruction des flux à la

réception. Des techniques similaires permettent d’agréger quatre de ces flux pour former des

conduits de 34 Mbps puis 140 Mbps et enfin 565 Mbps. Ces débits sont nommés Ei avec :

E1 correspondant à 2 048 Kbps

E2 correspondant à 8 Mbps

E3 correspondant à 34 Mbps

E4 correspondant à 140 Mbps (le plus haut débit normalisé)

560 Mbps n’ayant jamais été normalisés.

L’utilisation du PDH se limite le plus souvent à 140 Mbps après quoi on lui préfère la SDH.

93

ANNEXE 3

Interface de la simulation

L’interface suivant est réalisé à partir du logiciel Matlab donc Matlab doit être exécuté. La figure

suivante représente la page d’accueil, puis le bouton Menu permet d’accéder à une fenêtre où on a

les boutons permettant d’appeler les différents modèles de simulation qui sont modélisés sous

Matlab Simulink.

Figure A3.1 : Page d’accueil

Le bouton Quitter permet de fermer l’application. Sur la Figure A3.2, on peut voir aussi sur la

barre de menu les options, par exemple permettant d’appeler les différents modèles de simulation

qui sont modélisés sous Matlab Simulink.

94

Figure A3.2 : Menu d’appeler les modèles sous Simulink

Voici un extrait du code source de l’interface sous MATLAB :

function varargout = AccueilNOM(varargin) % Begin initialization code - DO NOT EDIT gui_Singleton = 1; gui_State = struct(‘gui_Name’, mfilename, ... ‘gui_Singleton’, gui_Singleton, ... ‘gui_OpeningFcn’, @AccueilNOM_OpeningFcn, ... ‘gui_OutputFcn’, @AccueilNOM_OutputFcn, ... ‘gui_LayoutFcn’, [] , ... ‘gui_Callback’, []); if nargin && ischar(varargin{1}) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1}); end

if nargout [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); else gui_mainfcn(gui_State, varargin{:}); end % End initialization code - DO NOT EDIT

% --- Executes just before AccueilNOM is made visible.

95

function AccueilNOM_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)

handles.output = hObject; guidata(hObject, handles); axes(handles.axes8); t=imread(‘7.jpg’); image(t) axis off; axes(handles.axes9); U=imread(‘2.jpg’); image(U) axis off;

function varargout = AccueilNOM_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) varargout{1} = handles.output;

function quitter1_Callback(hObject, eventdata, handles) exitProg(handles);

function exitProg(handles) selection = questdlg([‘Voullez-vous quitter cette application ?’],... [‘Quitter’],... ‘Oui’,’Non’,’Oui’); if strcmp(selection,’Non’) return; end delete(handles.figure1)

% --- Executes on button press in menu1. function menu1_Callback(hObject, eventdata, handles) delete(handles.figure1); Accueil

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FICHE DE RENSEIGNEMENT

Nom : RANDRIANARISON

Prénoms : Solofotsiriniaina Luciano

Adresse de l’auteur : Logt 237 Cité Ambodin’Isotry

Antananarivo 101 – Madagascar

Tel : +261 33 14 57739 / +261 34 45 36663

E-mail : lucianorandrianarison@yahoo.fr

Titre du mémoire :

« LA TECHNOLOGIE DWDM ET SON APPLICATION DANS UN RESEAU BACKBONE. »

Nombre de pages : 99

Nombre de tableaux : 08

Nombre de figures : 83

Mots clés :

Réseaux de télécommunications, Fibres optiques, SDH, DWDM.

Directeur de mémoire :

Nom : ANDRIANTSILAVO

Prénoms : Haja Samiarivonjy

Tel: +261 33 14 22323/ +261 34 06 79696

E-mail: xahajas@yahoo.fr

RESUME

Ce mémoire montre une vue d’ensemble du réseau DWDM avec ses technologies courantes.

L’évolution de la transmission de données employant la fibre optique a été accélérée depuis

l’arrivée de la technique de multiplexage de longueur d’onde (WDM), qui aide à réaliser un débit

binaire de quelques Gbps transporté sur une fibre monomode. Dans ce contexte, nous proposons

dans ce travail de faire une simulation d’un système WDM à 10 Gbps avec Simulink.

ABSTRACT

This memoirs provides an overview of the DWDM network and its current technologies. The

evolution of data transmission using optical fiber media has been accelerated since the advent of

technical multiplexing wavelengths (WDM), which helps to achieve bit rates of a few Gbps

transported by a single fiber. In this context, we propose in this work, to make a simulation of a

system WDM, at 10 Gbps with the Simulink simulator system.