1JJB - Oct. 2009
Troisième partieLes réseaux multiplexés en longueur d’onde
Systèmes WDM
Jean-Jacques BERNARDOPTEL Formation
Tél. : 06 88 48 89 70E-mail : [email protected]
Ecole Centrale d’ElectroniqueING4 - Octobre 2009
2JJB - Oct. 2009
Sommaire
Systèmes WDM (wavelength division multiplexing) : Pourquoi ? Généralités sur les systèmes WDM Limitations dues aux effets non-linéaires dans la fibre de ligne
Mélange à quatre ondes FWM (four-wave mixing)
Spécificités de l’amplification WDM Platitude de la courbe de gain Considérations sur le bruit Influence du nombre d’amplificateurs et du nombre de canaux sur le rapport S/B Impact de la puissance d’entrée de l’amplificateur sur sa courbe de gain
Description de systèmes de transmission WDM
3JJB - Oct. 2009
Evolution des systèmes TDMsur fibre optique
Aujourd’hui, le taux d’accroissement du débit double tous les 2,5 ans On cherche à accroître le produit débit x distance
Et ensuite ?.....Le débit TDM de 10 Gbit/s (facteur 4) commence à être installéLe débit TDM de 40 Gbit/s (facteur 16) est en cours de développement
Transmetteur
Régéné-rateur OEO
Récepteur
Transmetteur Récepteur
Transmetteur
Transmetteur
Récepteur
Récepteur
Monocanal2,5 Gbit/s
Amplificateuroptique
4JJB - Oct. 2009
Etat actuel des réseaux terrestres
Systèmes déjà installés et opérationnels Basés sur la fibre monomode standard type G.652 à 1550 nm
– Atténuation minimum de la fibre ( 0.2-0.3 dB/km)– Possibilité d’amplification optique (EDFA)
Débits en TDM– Couramment 2,5 Gbit/s– Démarrage du 10 Gbit/s
Spécificités des systèmes TDM à 2,5 Gbit/s Modulation directe Booster et/ou pré-amplificateur Distance sans régénération 150 km
Evolution court terme Contrainte due au nombre limité de fibres installées Capacité accrue : passage à 10 Gbit/s multicanaux Plus grande distance sans régénération
5JJB - Oct. 2009
Multiplexage temporel(TDM : Time Division Multiplexing)
a b c d
a b c d
a b c d
a a a a b b b b c c c c d d d d
Trains binaires 2,5 Gbit/s(signaux électriques)4 bits sont montrés
400 ps
Temps
400/4 = 100 ps
Signaux numériquesmultiplexés à 10 Gbit/s(signaux électriques)
Multiplexeur synchrone4 vers 1
STM-16 # 1
STM-16 # 2
STM-16 # 3
STM-16 # 4
Transmetteuroptique
10 Gbit/s
Train binaireoptique à10 Gbit/s
a b c d
6JJB - Oct. 2009
Multiplexage en longueur d’ondeWDM (Wavelength Division Multiplexing)
a b c d
a b c d
a b c d
400 ps
Temps
Multiplexeur optiquepassif 4 vers 1
STM-16 # 1
STM-16 # 2
STM-16 # 3
STM-16 # 4
Trains binairesoptiques à 2,5 Gbit/s(1 par fibre)
Tx optique2,5 Gbit/s
2
3
4
1 2 3 4
1
Tx optique2,5 Gbit/s
Tx optique2,5 Gbit/s
Tx optique2,5 Gbit/s
Trains binaires à 2,5 Gbit/s(signaux électriques)4 bits sont montrés
Trains binairesoptiques à 2,5 Gbit/s(4 par fibre)
a b c d
a b c da b c d
Temps
a b c d
a b c d
Fibrede ligne
7JJB - Oct. 2009
Multiplexage en longueur d’ondeWDM (Wavelength Division Multiplexing)
Intérêts du multiplexage en longueur d’onde Très haute capacité de transmission sur la fibre de ligne
– 2,5 ou 10 Gbit/s par canal (longueur d’onde)– Grand nombre possible de canaux (typiquement 16 à 64 canaux)– Capacité globale équivalente transportée : 40 à 640 Gbit/s
Ne nécessite pas de circuits électronique à très haut débit– Electronique à 2,5 Gbit/s pour systèmes N x 2,5 Gbit/s (capacité jusqu’à 160 Gbit/s)– Electronique à 10 Gbit/s pour systèmes N x 10 Gbit/s (capacité jusqu’à 640 Gbit/s)
Possibilité d’exploiter la fibre standard SMF déjà installée à 1,55 µm– Supporte la forte dispersion chromatique de cette fibre si débit limité à 2,5 Gbit/s
Contraintes du WDM Sensibilité aux effets non-linéaires générés dans la fibre de ligne (FWM) Spécificités propres des amplificateurs optiques (platitude du gain…) Sources d’émission très stables en longueur d’onde
8JJB - Oct. 2009
Limitations de la transmissionDispersions chromatique et de polarisation
Hypothèses : - transmission monocanal- propagation linéaire- modulation d’intensité NRZ sans chirp
Débit (Gbit/s)
Dis
tanc
e sa
ns ré
géné
ratio
n (k
m)
Dc = 17 ps/nm.km
Dc = 2 ps/nm.km
PMD = 2 ps/km0.5
PMD = 0,5 ps/km0.5
Fibres SMFactuelles
Fibres DSFfutures
10
100
1000
10000
0.1 1 10 100
PMD =PolarizationModeDispersion
2.5
10 km
400 km
9JJB - Oct. 2009
Stratégies pour accroîtrela capacité par fibre
TDM
WD
M
1
10 Mbit/s 100 Mbit/s 1 Gbit/s 10 Gbit/s 100 Gbit/s
2
4
8
16
32
64
Débit par canal
Nom
bre
de c
anau
x W
DM 2.5 Gbit/s
10 Gbit/s40 Gbit/s160 Gbit/s
Capacitétotalepar fibre
155
Mbi
t/s S
TM-1
622
Mbi
t/s S
TM-4
2.5
Gbi
t/s S
TM-1
6
10 G
bit/s
STM
-64
Limitations dues à ladispersion chromatique et à ladispersion de polarisation
10JJB - Oct. 2009
Avantages techniques du WDM pour les systèmes terrestres de haute capacité
Pour les systèmes 2.5 Gbit/s : plus grande tolérance sur les artères optiques déjà installées : à la dispersion chromatique (fibres SMF G.652) à la dispersion de polarisation (fibres SMF G.652 et DSF G.653)
-> Distance plus grande sans régénération : accroissement d’un facteur 4
Transparence aux débits et aux standards, modularité, protection type (N+1)
TX
TX
Données RX
RXDonnées
11JJB - Oct. 2009
Propagation dans les systèmes WDM Effets non-linéaires dans les fibres
Systèmes WDM : propagation simultanée sur une même fibre de plusieurs porteuses optiques
Régime linéaire (Pcanal < 0 dBm = 1 mW) : Pas de différence entre propagation monocanal et multicanaux
Auto-modulation de phase SPM (self-phase modulation) : Effet non-linéaire présent à la fois en propagation monocanal et
multicanaux
Effet non-linéaire limitant la performance des systèmes WDM : Mélange à quatre ondes FWM (four-wave mixing)
12JJB - Oct. 2009
Le mélange à quatre ondes (Four Wave Mixing FWM) génère des fréquences optiques parasites par intermodulation du 3ème ordre :
Fi = F1 – F Fj = F2 + F où F = F2 - F1
La diaphonie FWM est générée par : une puissance importante par canal (> 0 dBm) une faible dispersion chromatique (< 2 ps/nm.km) un faible espacement ou un espacement égal entre canaux
Mélange à quatre ondes (FWM)dans les systèmes WDM
FréquenceoptiqueFréquence optique
Diaphoniedans la bande
Diaphoniehors bande
F0 F1 F2 F3
F0 F1 F2 F3
Fi Fj
13JJB - Oct. 2009
Solutions possibles pourminimiser l’impact du FWM
L’efficacité du FWM décroît avec :
une faible puissance par canal (< 0 dBm) un large espacement entre canaux (> 50 GHz) un arrangement judicieux de la polarisation des canaux (polarisations
croisées entre canaux adjacents) l’utilisation de nouvelles fibres
(0 en dehors de la plage du multiplex) :
– Conception de nouvelles fibres de ligne du type NZ-DSF :(Lucent TrueWave, Corning LEAF, Alcatel TeraLight...)
Réduction de l’impact du FWM :
Espacement inégal entre canaux... Solution abandonnée car non gérable pour un très grand nombre de canaux
14JJB - Oct. 2009
Fibres SMF standard, DSF et NZ-DSF
Fibres SMF standard type G.652 : Longueur d’onde d’annulation de la
dispersion chromatique (0) entre 1290 et 1320 nm
Atténuation typique : 0.25 dB/km
Fibre à dispersion décalée DSF (dispersion-shifted fiber) G.653 : 0 entre 1530 et 1570 nm Atténuation typique : 0.28 dB/km
Fibre NZ-DSF (non-zerodispersion-shifted fiber) G.655 : 0 vers 1520 ou 1580 nm La fibre la plus prometteuse ? Déjà déployée aux USA
-10
-5
0
5
10
15
20
25
1200 1300 1400 1500 1600
Longueur d’onde (nm)D
ispe
rsio
n ch
rom
atiq
ue (p
s/nm
.km
)
G.652 (
0.08 p
s/nm
2 .km)
G.653
Ban
deED
FA
G.655
G.655
15JJB - Oct. 2009
Fibres NZ-DSF pour systèmes WDM
Fibre à dispersion décalée (DSF) G.653 : 0 entre 1530 et 1570 nm Pire cas : 0 à l’intérieur du multiplex
Développement d’une nouvelle fibre avec 0 en dehors du multiplex défini par la bande d’amplification des EDFA : NZ-DSF G.655
2 alternatives: 0 1520 nm @ D +2 ps/nm.km 0 1580 nm @ D -2 ps/nm.km
– évite les instabilités de modulation– permet la compensation de dispersion
par concaténation de plusieurs fibres standard
Fibre de l’avenir ?
1500 1520 1540 1560 1580 1600
Longueur d’onde (nm)
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Dis
pers
ion
chro
mat
ique
(ps/
nm.k
m)
BandeEDFA
0 1520 nm
0 1580 nm
16JJB - Oct. 2009
Spécification en diaphoniepour les démultiplexeurs WDM
Pénalité de 0.5 dB pour diaphonie de -13 dB Diaphoniecanal < -20 dB pour 8 canaux avec spectre plat à
l’entrée du démultiplexeur Diaphoniecanal < -25 dB pour 8 canaux après la chaîne
d’amplificateurs
Système 4 canauxsans amplificateur
DEMUX
Diaphonie totale hors bande (dB)
0
2
4
6
8
10
-25 -20 -15 -10 -5 0
Péna
lité
en s
ensi
bilit
é@
BER
= 1
0-10
(dB
)
17JJB - Oct. 2009
Considérations concernantl’espacement entre canaux
Limite inférieure : Stabilité de la longueur d’onde de l’émetteur nécessitant des circuits de contrôle
complexes et coûteux Contraintes technologiques sur le démultiplexeur (diaphonie et stabilité en
longueur d’onde) Effets non-linéaires dans la fibre de ligne :
(mélange à quatre ondes FWM)
Limite supérieure : Courbe de gain non uniforme des amplificateurs optiques Bande passante totale pour accroissement du nombre de canaux
-> Un espacement de 50 à 100 GHz est un bon compromis(en accord avec la recommandation ITU-T G.692)
18JJB - Oct. 2009
Amplification WDMExigences et spécificités
Les amplificateurs optiques WDM doivent présenter : Une puissance uniforme par canal tenant compte
– de la dynamique du récepteur– des effets non-linéaires dans la fibre de ligne
Un rapport Signal/Bruit uniforme– pour assurer une excellente performance en taux d’erreur (BER) quel que soit le
nombre de canaux
Tx 1 MULTIPLEXEUR
Tx 2
Tx 3
Tx 4
Tx 5
Tx 6
Tx 7
Tx 8
DATA IN
DATA IN
DATA IN
DATA IN
DATA IN
DATA IN
DATA IN
DATA IN
DEMUX
Rx
Rx
Rx
Rx
Rx
Rx
Rx
Rx
DATA OUT
DATA OUT
DATA OUT
DATA OUT
DATA OUT
DATA OUT
DATA OUT
DATA OUT
1
2
3
4
5
6
7
8
Super-vision
Equipementterminal de ligne
Equipementterminal de ligne
Amplificateurde ligne
19JJB - Oct. 2009
Amplification WDMLimitation due à l’autofiltrage
de la courbe de gain G()
Accroissementdu nombre decanaux :
Accroissementdu nombred’amplificateurs:
5 dB
/div
4 canaux, 7 EDFAs (800 km) 16 canaux, 7 EDFAs (800 km)
8 canaux, 1 EDFA (200 km) 8 canaux, 7 EDFAs (800 km)
50 nm
5 dB
/div
20JJB - Oct. 2009
Platitude de la courbe de gainCo-dopants et nouveaux matériaux de base
Fluo
resc
ence
Longueur d’onde (nm)1500 1550 1600
1450 1600 16501450
Différents co-dopantsdans les fibres à basesilice dopée Erbium-> intérêt du dopage Al
Silice et verre fluorécomme matériaux de basepour le dopage Erbium
Fibre silice dopée Erbium
Fibre verre fluoré dopée Erbium
Atté
nuat
ion
Fluo
resc
ence
Longueur d’onde (nm)
21JJB - Oct. 2009
Platitude de la courbe de gain Impact de la puissance d’entrée
Influence de lapuissance d’entrée(puissance pompe constante)
PIN = -22 dBmPIN = -15 dBmPIN = -10 dBmPIN = -5 dBm
Longueur d’onde (nm)Pu
issa
nce
(dB
m)
-3
-2
-1
0
1546 1548 1550 1552 1554 1556 1558 1560
Un seul EDFA avecco-dopage Aluminium
La platitude de la courbe de gain dépend directement de la puissance totale d’entrée sur l’amplificateur: Une puissance d’entrée trop faible conduit à un gain plus faible vers les
grandes longueurs d’onde La bonne platitude du gain nécessite un contrôle permanent de la puissance
d’entrée pour l’ajuster à sa valeur optimale
22JJB - Oct. 2009
Platitude de la courbe de gain Filtrage spectral
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
1550 1552 1554 1556 1558 1560 1562
Chaîne de 10 EDFA : impact du filtre aplatisseur de gain
Longueur d’onde (nm)
Puis
sanc
e (d
Bm
)
1550 1552 1554 1556 1558 1560 1562-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5Sans filtre Avec 1 filtre
Puis
sanc
e (d
Bm
)Longueur d’onde (nm)
23JJB - Oct. 2009
Limitations de l’amplification WDMConsidérations sur le bruit
Accroissement du nombre de canaux :1 canal 4 canaux 8 canaux
S/B
S/B
200 km - 1 amplificateur 400 km - 3 amplificateurs 800 km - 7 amplificateurs
S/B S/
B
20 nm
5 dB
/div
Accroissement du nombre d’amplificateurs de ligne :
24JJB - Oct. 2009
Mise en œuvre pratiquedes amplificateurs optiques WDM
La réponse d’un EDFA WDM (platitude de la courbe de gain, puissance de sortie par canal) dépend directement de la puissance totale d’entrée
Les amplificateurs WDM sont conçus pour être utilisés à une puissance d’entrée spécifique pour optimiser la platitude de la courbe de gain
La puissance totale d’entrée peut ne pas être constante : Perte en ligne non uniforme entre amplificateurs de ligne Variation du nombre de canaux :
– Augmentation progressive du nombre de canaux (upgrade)– Défaillance possible d’une carte transmetteur– Réseaux à routage en longueur d’onde avec fonction ADM
25JJB - Oct. 2009
Transmission de 16 canaux à 2,5 Gbit/ssur 440 km de fibre standard G.652
Utilisation d’amplificateurs large bande à verre fluoré : 16 canaux WDM, espacement de 200 GHz soit 1,6 nm (1533.7 1558.2 nm)
Débit par canal 2,5 Gbit/s : Capacité totale de 40 Gbit/s avec excellente tolérance à la dispersion
chromatique et à la dispersion de polarisation
Tx 1 MULTIPLEXEUR
Tx 2
Tx 15
Tx 16
2.5 Gbit/sDATA IN
Rx
2.5 Gbit/sDATA OUT
i
16 à 2,5 Gbit/s
.
.
.
.
.
40 nm
50 d
B
110 km 110 km 110 km 110 km
26JJB - Oct. 2009
Transmission de 16 canaux à 10 Gbit/ssur 531 km de fibre standard G.652
16 à 10 Gbit/sTx 1 M
ULTIPLEXEUR
Tx 2
Tx 15
Tx 16
10 Gbit/sDATA IN
.
.
.
.
.
i
60 km 66 km 86 km
77 km60 km93 km
61 km 28 km
Rx 10 Gbit/sDATA OUT
32 nm
30 d
B
Sortie transmetteur Entrée récepteur
: EDFA à verre fluoré
DCF DCF DCF
DCFDCFDCF
DCF
DCF
DCF : Fibre àcompensation de dispersion
27JJB - Oct. 2009
Expérience NEC à 2,6 Tbit/s :132 canaux à 20 Gbit/s sur 120 km
132 canauxà 20 Gbit/s
Récepteur120 km
fibre G.652DCF D
EMUX
28JJB - Oct. 2009
Démonstrateur système WDMnon-régénéré 16 x 2,5 Gbit/s sur 427 km
Terminal transmetteur
TX 16Pompe
#250 km
277 kmEDFA
50 kmWDM
EDFBoosterdéporté
Mux
Pompe#1
TX 1
...
Cou
pleu
r 16
-> 1
Filtreoptique
100 km
Terminal récepteur
EDFA
Pompe#3
EDF
Pré-ampli déporté
Isolateuroptique
WDM Mux
Pompe#4
100 km
RXAPDDCF
29JJB - Oct. 2009
Démonstrateur système WDMnon-régénéré 8 x 2.5 Gbit/s sur 461 km
Filtreoptique
Terminal récepteur avec FEC
EDFA
Pré-ampli déporté
Mux
50 kmRx
APDDCF
Isolateuroptique
EDFEDF 50 km
100 km
Pré-ampli déporté
Pompe350 mW
Pompe350 mW
Pompe140 mW
BER inférieur à 10-15
après code correcteur d’erreur (FEC)
Mux Mux
361 km
Terminal transmetteur avec FEC
TX 8
TX 1...
Cou
pleu
r 8 v
ers
1EDFA
+30 dBm
30JJB - Oct. 2009
Démonstrateur système WDMnon-régénéré 8 x 2,5 Gbit/s sur 377 km
Opticalfilter
Terminal récepteur avec FEC
EDFAMux
377 kmDCF
Pompe350 mW
TX 8 Cou
pleu
r 8 v
ers
1
EDFA+30 dBm
TX 1
Pré-amplificationRaman
APDRX
Terminal transmetteur avec FEC
BER inférieur à 10-15
après code correcteur d’erreur (FEC)
31JJB - Oct. 2009
Terminal commercial 8 x 2,5 Gbit/s
Code correcteur d’erreur FEC (Forward Error Correction) Post-amplificateur forte puissance de sortie (+26 dBm) Pré-amplificateur faible bruit Espacement entre canaux conforme à la norme ITU-T Compatible avec les multiplexeurs SDH et SONET
Débit ligne 2.666 Gbit/s (FEC)
+26 dBm
ADM
(STM 16)#1
ADM
(STM 16)#8
1666 UWPA: Post-amplificateur (booster)PR: Pré-amplificateur
TX 1
TX 8
RX
RX
ADM
(STM 16)#1
ADM
(STM 16)#8
MUX
1666 UW
PR
DEMUX
PA
32JJB - Oct. 2009
Systèmes sous-marins16 x 2,5 Gbit/s en exploitation
+ Pré-amplification déportéeet pompage Raman côtéréception
Terminal de ligne avecFEC et amplificateurs
+ Pré-amplificationet pompage Raman côtéréception
Marge de 4 dB pour réparationet installation/maintenance
Fibre dopée
Pompe
Fibre dopée
PompePompe
Fibre dopée
Pompe
ADM ADM
ADM
ADM
ADM
ADM
ADM
ADM
205 km
300 km
235 km
330 km
SLTE SLTE
SLTE SLTE
SLTE SLTE
SLTE SLTE+ Pré-amplification déportée
et pompage Raman côtésémission et réception
33JJB - Oct. 2009
Systèmes sous-marins16 x 10 Gbit/s en développement
+ Pré-amplification déportéeet pompage Raman côtéréception
Terminal de ligne avecFEC et amplificateurs
+ Pré-amplificationet pompage Raman côtéréception
Marge de 4 dB pour réparationet installation/maintenance
Fibre dopée
Pompe
Fibre dopée
PompePompe
Fibre dopée
Pompe
ADM ADM
ADM
ADM
ADM
ADM
ADM
ADM
140 km
230 km
170 km
300 km
SLTE SLTE
SLTE SLTE
SLTE SLTE
SLTE SLTE+ Pré-amplification déportée
et pompage Raman côtésémission et réception
34JJB - Oct. 2009
Nouvelles fonctions et nouveauxcomposants dans les réseaux WDM
TX 1 MULTIPLEXEUR
TX 2
TX 3
TX 4
TX 5
TX 6
TX 7
TX 8
DATA IN
DATA IN
DATA IN
DATA IN
DATA IN
DATA IN
DATA IN
DATA IN
DEMUX
RX
RX
RX
RX
RX
RX
RX
RX
DATA OUT
DATA OUT
DATA OUT
DATA OUT
DATA OUT
DATA OUT
DATA OUT
DATA OUT
1
2
3
4
5
6
7
8
Equipement terminal de ligne
Amplificateurde ligne
+ supervision
Canal desupervision
RX TX
Chaque TX fournitla puissance
correcte etla bonne longueur
d’onde
Combinaison de toutes leslongueurs d’onde dansla même fibre de ligne
Amplificationsimultanée de
tous les canaux
Possibilité de contrôle/maintenancedes amplificateurs de ligne
(nouveaux composants réseau)
TX sup
Processeurcontrôlesystème
Gestion duréseau
RX sup
Processeurcontrôlesystème
Sélection d’un canalpar fibre de sortie
Equipement terminal de ligne
Gestion duréseau
35JJB - Oct. 2009
Multiplexage en longueur d’ondeAvantages clés
Accroissement de la capacité des réseaux existants Upgrade d’un système monocanal vers un système multicanaux Exploitation de l’infrastructure existante de fibres standard SMF pour leur
utilisation en WDM à 10 Gbit/s par canal
Amélioration de la connectivité et de la flexibilité Granularité plus fine des canaux WDM (espacement réduit entre
canaux adjacents) Adaptabilité à la configuration du trafic
Possibilité de mise en œuvre du réseau par étapes successives Upgrade progressif en fonction de la demande
Optimisation globale du coût de réalisation du réseau Coût optimisé pour le réseau définitif visé
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