Principes et potentialités des technologies optiques Principes et

Principes et potentialités
des technologies
optiques
Tutoriel du 2 décembre 2008
Philippe GALLION,
Professeur à TELECOM ParisTech
Principes et potentialités
des technologies optiques
Les fibres optiques et la bande passante
La dispersion et le débit
Les fonctions
La couleur
Les topologies
1
Principes et potentialités
des technologies optiques
Les fibres optiques et la bande passante
La dispersion et le débit
Les fonctions
La couleur
Les topologies
2
Nécessité d’un guidage

Divergence naturelle des ondes par diffraction
• θ de l’ordre de grandeur de λ /d
• θ = 10-4 rd pour d = 5 mm et λ = 1µ

Grande directivité des ondes optiques
•
•

d >> λ
Liaisons sans visibilité difficiles
Décroissance du flux d’énergie proportionnelle au carré de la distance r
• Elargissement Δd = λ θ = 10cm pour r = 1km

Absorption et turbidité de l’atmosphère
direction ou services
3
Fibre optique
n1
Gaine
n2 > n1
2a
Cœur
n1







Gaine
Silice pas chère et très ductile
Changement d’indice par dopage (Bore ou Germanium) : Δn = 10-2 à 10-3
Diamètre 2a de 5 à 50µ >> longueur d’onde λ de l’ ordre du µ
Diamètre extérieur 125µ
Un revêtement confère de bonnes propriétés mécaniques
Faible encombrement, faible poids, faibles rayons de courbures
Guide diélectrique : pas de pertes intrinsèques par guidage
direction ou services
4
Réflexion totale
n1
n2
n1

Loi de Snell Descartes

Réflexion totale pour


n1 sini1 = n 2 sini 2
sini2 >
n1
n2
!
Réflexion sans pertes
possible ,contrairement à la réflexion métallique
En réalité la lumière va aussi dans la gaine
!
direction ou services
5
Ouverture Numérique (ON)
n = 1,45

"n = 10#2
$ MAX = 10°
Connexion
• Aligner les cœurs
• Aligner les axes



Connecteur : de 0.1 à 0.3dB
Soudure : 0.05dB
Réparations pénalisantes
direction ou services
!
6
Un gisement fréquentiel énorme







Transparence dans le proche infra rouge (1250nm à 1650nn)
Minimum d’atténuation à 1500nm (1,5µm)
1500nm correspond à une fréquence de 200THz
1nm correspond à 125Ghz
0,25dB/km
Bande de 400nm soit 50THz
Portée de 120km, avec une atténuation de 30dB
direction ou services
7
Les bandes optiques (fibre en silice)

Bande XS (Xshort band) : 1250 à 1350nm

Bande S+ (short band) : 1450 à 1490nm

Bande S (short band) : 1500 à 1525nm

Bande C (conventional band): 1525 à 1565nm :
Bande d’amplification de l’ Erbuim

Bande L (long band) : 1568 à 1610nm

Bande L+ (long band) : 1610 à 1650nm
direction ou services
8
Fibres optiques en plastique
Plastic Optical Fiber (POF)

Fibres optiques en polymère
• Cœur en Poly Méthacrylate de Méthyle (PMM)
• Gaine en polymères fluorés




Transparence entre 600 et 850 nm,
Atténuation de l’ordre de 10 dB/km
Très gros diamètre de cœur : de 100µm à quelques mm,
Connections faciles et connecteurs à bon marché
direction ou services
9
Principes et potentialités
des technologies optiques
Les fibres optiques et la bande passante
La dispersion et le débit
Les fonctions
La couleur
Les topologies
10
Dispersion Inter-Modale
Gaine
Rayon lent
Rayon rapide
!
Cœur
Gaine
temps

L
Ils existent de nombreux « modes » (rayon)
• Diamètre 2a = 50µ >> λ
• Différence d’indices élevée (Δn = 10-2)
• Quelques centaines de modes

temps
"# ($ ) =
LnG $ 2
c 2
Tous modes n’arrivent pas en même temps
• Elargissement des impulsions proportionnel à la distance

!
La bande passante est faible et elle diminue
avec la distance
(Bande passante pour 1km) " quelques dizaines de MHz
direction ou services
!
11
Fibres à gradient d’indice (GI)
n(r/a)
n
Gaine
"=#
"=2
n(1-!)
!
"=1
Cœur
Gaine
1
L
r/a
LnG # 4
c 8
L’indice décroît progressivement quand on d’éloigne de l’axe
Les rayons ne sont plus rectilignes
Gain d’un facteur théorique de 1000
Gain de quelques centaines en pratique
! " (# ) =




(Bande passante pour 1km ) ! quelques GHz
direction ou services
12
Fibre
Monomode
Les
fibres
optiques
Single Mode Fiber (SMF)

Multimode
• Gros coeur (de 50µm à quelques mm)
•
•
•
•
•
•
•
•
Grande différence d’indice ( 10-2)
Grande ouverture numérique (10°)
Connexion facile
Plusieurs centaines de modes
Correction par gradient d’indice
Débit limité
Souvent en polymère
Réseau indoor
direction ou services

Monomode
•
•
•
•
•
Petit coeur (10µm)
Petite différence d’indice (10-3)
Petite ouverture numérique (quelque °)
Connexion délicate
Un seul mode
• Grand débit
• En silice
• Réseau FTTH
Dispersion de vitesse de Groupe
Group Velocity Dispersion (GVD)
Les différentes composantes spectrales n’ont pas la même vitesse

1,2
L
1
1,2
0,8
1
0,8
1,5
0,6
1,5
1
1
0,6
0,5
1,5
0,4
1
1
11
21
31
41
51
61
71
81
1
0,2
-1
10
-01
01
11
1
1
1
0
91
-0,5
0,5
1,5
-1,5
-0,5
0,5
1,5
0,5
0,4
0
11
11
21
31
41
51
61
71
21
31
41
51
61
71
41
51
61
71
21
31
81
81
0,2
-0,5
0
-1
91
1
91
81
11
11
21
0,5
1
1 31 11
-0,5
91
-1
0
-1,5
-0,5
-0,5
1
-1
41
51
21
41 31
61
41
51
81
91
51
71
61
61
71
81
71
91
81
41
51
61
71
81
91
91
0,5
-1,5
11
21
31
-1
-1,5
temps

31
1,5
0
21
-1,5
-1,5
temps
Elargissement des impulsions par propagation
! " = DL!#

D est la dispersion de la fibre en ps/nm/km
direction ou services
14
Dispersion de vitesse de Groupe
Group Velocity Dispersion (GVD)
Dispersion > 0 :
1,5
20
1
0,5
1,5
0
1
1
11
21
31
41
51
21
31
41
51
61
61
71
81
91
-0,5
0,5
1,5
-1
0
1
10
1
-1,5 11
71
81
91
-0,5
0,5
-1
0
1
11
21
31
41
51
61
71
81
91
-1,5
-0,5
t
-1
-1,5
0
1,5
1
1,5
0,5
1
-0,5
-1
Dispersion < 0 :
1
0
- 10
11
21
0,5
- 20
-0,5
1
11
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
21
41
31
51
41
61
51
71
61
81
71
91
81
91
0,5
-1
0
-1,5
-0,5
1
-1
0,6
31
1,5
0
1
-1,5
-1,5
11
21
31
41
51
61
71
81
91
t
Longueur d’onde en µm

Dispersion > 0 : Le bleu est le plus rapide
Dispersion < 0 : Le rouge est le plus rapide

D = 0 @ λ =1,3µ

D = 17ps/(nm.km) @ λ =1,5µ pour le minimum d’atténuation

direction ou services
15
Dispersion de vitesse de Groupe
Group Velocity Dispersion (GVD)
20
Standard dispersion
10
Dispersion shifted
Flat dispersion
0
- 10
t
- 20
0.6
0.8
1.0
1.2
1.6
1.4
1.8
Wavelength in µm

Compensation de la dispersion chromatique par la dispersion de guidage
direction ou services
16
Limitation du débit
des fibres monomodes
1,2
1,2
1
1
0,8
0,8
0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
1,2
1,2
1
1
0,8
0,8
0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0
0
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91

11
121
11
31
21
41
31
51
41
61
51
71
61
81
z
z

0
1
t
0
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Mélange des impulsions successives
Un débit numérique plus élevé implique :
• Impulsions plus proches et plus vulnérables
• Impulsions plus courtes au spectre plus large

Pour les fibres en silice
2
2
[Débit(GBit/s)] [Longueur (km)] < 6000 (Gb/s) km
• Fibre standard (SMF) à 1500nm : 60km de portée à 10Gb/s
• Meilleures performances à 1300nm ou avec de la compensation
• Dégradation
avec une source laser bon marché (chirp)
!
direction ou services
17
71
91
81
91
t
Les différentes fibres optiques en silice

Fibres standard (G652) Standard Monomode Fiber (SMF)
• Non Dispersion Shifted Fiber (NDSF)
D = 0 @ λ = 1,310 µ et D =17 ps/(nm.km) @ λ= 1,550µ

Fibre à dispersion décalée (G653)
• Dispersion Shifted Fiber (DSF)
D < 1 ps/(nm.km) @ λ = 1,550µ

Fibre à compensation de dispersion
• Dispersion Compensation Fiber (DCF)
D = - 80 ps/(nm.km) @ λ = 1,550µ

Fibre G-655, NZDSF (Non Zero Dispersion Fiber)
• Infrastructures terrestres et sous-marines longue distance
® Alcatel
- TrueWave ® Lucent ,performances homogènes dans la bande 1528-1565 nm
- All Wave ® Lucent, spectre étendu 1300 nm-1400 nm - 1550 nm-1620 nm
- Leaf ® Corning…
Fibre G 657 supporte de très faibles rayons de courbure (indoor)
- TeraLight

direction ou services
Non-linéarités dans les fibres optiques

Non-linéarités : effet Kerr optique
• La lumière modifie l’indice de la fibre
• La puissance optique moyenne est faible
• Le champ électrique à des valeur crêtes importantes
- Confinement dans le cœur
- Impulsions brèves
• Cumul des effets sur des grandes distances

Auto modulation de phase (SPM)
SPM
E=
direction ou services
I exp j!
19
Auto-modulation de phase
Self Phase Modulation (SPM)
I (intensité)
Auto modulation de phase
Impulsion
1,2
1
1,5
0,8
1
0,6
0,5
1,5
0
0,4
1
11
-0,5
-1
0
1 21
31
1
11
61
31
41
1 21
11
21-0,5
31
-1
t (temps)
51
71
81
51
61
91
1,5
0
-1,5
1
41
0,5
0,2
41
0,5
71
51
81
61
91
71
81
91
0
1
-1,5
11
21
31
41
51
61
71
81
91
-0,5
t
-1
" =-kz (phase)
-1,5
z
Automodulation de phase
Dispersion avec D > 0
1,2
t
1,5
1
1
0,8
0,5
!0(t)-d "/dt
1,5
0,6
0
1
0,4
1
11
21
31
21
31
41
51
61
71
41
51
61
71
81
91
81
91
-0,5
0,5
1,5
0,2
-1
0
"Chirp" fréquentiel
1
1
0
1
11
-0,5
11
0,5
21
-1,5
31
41
51
61
71
81
91
-1
0
1
11
-0,5
-1
-1,5
21
31
41
51
61
71
81
91
t
z
t

-1,5
L’auto-modulation de phase peut compenser une dispersion positive
direction ou services
20
Propagation non linéaire

Propagation linéaire :

Propagation non linéaire :
direction ou services
21
Principes et potentialités
des technologies optiques
Les fibres optiques et la bande passante
La dispersion et le débit
Les fonctions
La couleur
Les topologies
22
Interfaces optique/électrique

Emission laser
•
•
•
•

Conversion des électrons en photons
Puissance optique proportionnelle au courant
Puissance optique 1mW (0dBm) environ
Courant de seuil
Photo détection
• Courant proportionnel à la puissance optique (1A/W)
• Bruit thermique : -30dBm pour un BER de 10-9
• Perte de la couleur

Dynamique de 25 à 30dB
• Atténuation
• Partage
• Connexions

Les conversions O/E et E/O sont peu avantageuses
• Goulet d’étranglement pour la bande passante
• Rendement énergétique faible
direction ou services
23
Les amplificateurs optiques

Gain
•
•

Typiquement 20 dB à 30 dB
Facteur de bruit minimal de 3dB
G=
Puissance optique de sortie
Puissance optique d'entrée
Technologies
• Semi-conducteur (SOA)
!
- Pompage électrique
• Fibres optiques dopées à l’Erbuim (EDFA)
- Pompage optique ( à 1480nm ou à 980nm)
• Amplificateur Raman
- Utilisation de la fibre de transmission
- Amplification distribuée
Equilbrage spectral du gain
- Pompage optique (λ +13,2THz )
direction ou services
24
Utilisation des amplificateurs optiques

Pré- amplification
Signal optique
Photo
détecteur
Amplificateur
optique

Amplification en ligne
Amplificateur
électronique
Fibre optique
...
Emetteur
Amplificateur
optique



Compensation des pertes par répartition
Amplification en ligne (booster)
Traitement «tout optique» de l’information
direction ou services
Récepteur
Filtre optique
Auto Modulation de Phase (SPM)
et Modulation de Phase Croisée (XPM)

Auto modulation de phase (SPM)
SPM
E=

I exp j!
Modulation de phase croisée (XPM)
XPM
E1 =


E2 =
I1 exp j! 1
I2 exp j! 2
Perturbations pour les systèmes et les réseaux de communications
Effets intéressants pour les systèmes de traitement « tout optique »
direction ou services
26
Chirping dans un SOA


La fréquence optique diminue dans le front montant
La fréquence optique augmente dans le front descendant
direction ou services
27
Principes et potentialités
des technologies optiques
Les fibres optiques et la bande passante
La dispersion et le débit
Les fonctions
La couleur
Les topologies
28
Multiplexage en longueur d’onde (WDM)
 Multiplexage
temporel électrique (ETDM)
 Multiplexage
en longueur d’onde (WDM)
direction ou services
29
Une des premières tentatives
Le multiplexage en longueur d’onde
(WDM) est une vieille idée !
Rê Horaky
(le Soleil à midi)
transmet un faisceau
lumineux multicolore à Tapéret
(800-900 B.C.)
Le Louvre, Paris
direction ou services
30
Intérêts du WDM
pour les liaisons à grand débit



Moins de câbles
Amplification collective
Relaxe des contraintes liées à l’augmentation des débits
•
•
•
•



Electronique rapide
Dispersion chromatique
Dispersion polarisation
Non linéarités
Utilisation des anciennes fibres dispersives
Montée en débit modulaire (Capex reduction)
Utilisation de la longueur d’onde comme dimension supplémentaire
direction ou services
Le WDM pour les liaisons à grand débit
EXFO, guide to WDM technology testing

Multiplexage en longueur d'onde (WDM)
•
•
•
•

Moindre efficacité spectrale
Moins de contraintes sur l'électronique
Moins de contraintes sur la dispersion
Complexité
Multiplexage temporel (ETDM)
•
•
•
Grande efficacité spectrale
Fortes contraintes sur l'électronique
Forte limitations par la dispersion
direction ou services
32
Augmentation du débit global

Augmentation du débit par canal
• 10 Gbit, 40 Gbit/s…
• Taille optimale du grain ?
• Limitation par la dispersion et les non-linéarités

Resserrement des canaux
•
•
•
•

100Ghz, 50 GHz, 25 GHz …
Limitations par les effets non linéaires
Limitation par les Mux/demux
Nombre élevé de canaux à gérer
Elargissement de la bande
•
•
•
•
Elargissement de la bande des EDFA
Utilisation de la bande L
Amplification Raman
Limitation par le bruit et la disponibilité des pompes
direction ou services
Amplificateurs à fibres dopée à l’Erbuim
(EDFA)
40 Channel Capability Standard Amplifier
40
Optical Bandwidth
2.0 THz
16.1 nm
WAVELENGTH (nm)
96 Channel Capability C-Band Gain Flattened Amplifier
40
40
16
Optical Bandwidth
4.8 THz
38.3 nm
196.25 THz,
1527.60 nm
191.50 THz,
1565.50 nm
WAVELENGTH (nm)
direction ou services
Les multiplexeurs (Mux)
démultiplexeur (Démux)

Réseaux de guides (AWG)

MMI

Réseaux de Bragg (FBG)

Le contrôle fin de λ passe par celui de la température (12,5 GHz/K)
direction ou services
35
Intérêts du WDM
pour les réseaux d’accés
 Utilisation
•
•
•
•
•
•
la longueur d’onde
Séparation montant/descendant
Séparation des utilisateurs
Séparation des services
Séparation des fournisseurs d’accès
Augmentation de la capacité
Augmentation du nombre d’utilisateurs
 Assigner la longueur d’onde
• Statique (Démux) ou dynamique (Routeur en λ)
• Routage ou sélection par filtrage
direction ou services
36
CWDM versus DWDM
C (coarse) DWDM
D (Dense) DWDM


Le contrôle fin de λ passe par celui de la température (12,5 GHz/K)
Le CWDM est à très bas coût
direction ou services
37
Génération de nouvelles fréquences
par non linéarités
Input
direction ou services
Output
38
Principes et potentialités
des technologies optiques
Les fibres optiques et la bande passante
La dispersion et le débit
Les fonctions
La couleur
Les topologies
39
Point à point (P2P)

Sur la même fibre ou sur 2 fibres séparées
• Longueur d‘onde descendante à 1500nm
• Longueur d‘onde montante à 1300nm






Beaucoup de fibre
Zone à forte densité
Réparation facile
Pas de partage optique
Upgradabilité
Ressources fréquentielles disponibles
• CATV
• Nouveau services
• Différents fournisseurs
direction ou services
40
Point à Multipoint (P2MP)




Coupleur optique passif 1 vers N (de 16 à 128)
Moins de fibres
Zone à faible densité
Partage de la puissance réduisant la portée
•


•


Utilisation possible d’amplificateurs optiques Erbium
Gestion électrique de la ressource optique commune
Synchronisation
Distance variable des ONU
Mode broadcast du flux descendant
Voie montante
•
•
Laser sans couleur (Interférences optiques entre lasers à éviter)
Super continuum (Spectrum slicing)
direction ou services
41
Réseaux WDM

Chaque longueur d’onde est un canal (presque) indépendant

• Diaphotie
• Non linéarités
Amplification collective




Pas de partage de la puissance optique en mode routage
Duplication du mode broadcast sur le tronçon commun
Mux/démux passifs ou actifs
Même longueur d’onde montante ou descendante
• Composants actifs réfléchissants (ampli ou modulateur)
direction ou services
42
Réseaux optiques passifs
ATM P ON
ATM P ON ex t
G P ON
E P ON
Norme
ITU G983.1
ITU G983.3
ITUG984
IEEE802.3
D ébi t
montant / d escenda n t
L o ngu eur d’onde
montant e /
d escendante
No mbr es de
branches
P rotocole
155/622Mb / s
2,5Gb/s
1,25/2,5Gb/s
1,25/2,5Gb/s
1260 à 1360
/1480 à 1580nm
1260 à 1360
/1480 à 1500nm
1310/1490 n m
1310/1490 n m
32
64
(64) 128
16 (64)
ATM
ATM
Ethernet
Cellule
53 bytes
53 bytes
Bilan de liaiso n
20 à 30 dB
Ampli Erbuim
Synchronisation
30 dB
Band for CATV and
future services
GEM (ATM,
Ethernet,TD)
53-1518
bytes
28dB
direction ou services
43
64-1518 bytes
20dB
Plan de fréquence optique
Plan de fréquence ATM PON
direction ou services
44
Conclusion






Ressource fréquentielle quasi illimitée
Equité par rapport à la distance
Symétrie montant/descendant
Gestion de la longueur d’onde
Amplification optique
Place pour de nouveaux services
• CATV
• …
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Perspectives
•
•
•
•
•
•
Gestion dynamique de la longueur d’onde
Communications numériques optiques : FEC
Technique optiques cohérentes : QPSK, DPSK…
Radio over Fiber (RoF)
OCMA
…
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Merci de votre attention
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Professeur, à TELECOM Paris Tech, Philippe GALLION enseigne les communications et les
réseaux optiques dans de nombreuses institutions françaises et étrangères.Il est auteur de
250 publications et communications scientifiques internationales et de nombreux ouvrages
pédagogiques. Il est expert auprès de différentes instances internationales, membre du
comité scientifiques de nombreuses revues conférences et acteur dans de nombreux projets
nationaux et européens. Il est le Chairman du Chapitre Français de IEEE Laser and Electro
Optics Society (IEEE, LEOS).
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