Systèmes de télécommunications optiques Master2 E3A Eric Vourc’h [email protected] 1 Présentation du cours Plan ☞ Quelques repères historiques ☞ Les amplificateurs optiques ☞ Notions fondamentales : ☞ Le multiplexage en longueur d’onde ☞ La compensation de dispersion chromatique - Les signaux transmis - La fibre optique ☞ Les données, la SDH ☞ Les émetteurs optiques ☞ Les récepteurs optiques ☞ Exemples de systèmes sous marins ☞ Les systèmes hybrides optique/microondes 2 Présentation du cours Emetteurs Données 1 2 Récepteurs Système de transmission numérique par fibre optique … 3 Emetteur Données 4 Données 2 Canaux WDM … Données 1 3 Fibre Amplificateur Multiplexeur Récepteur 4 3 Données Données Demultiplexeur Liaison par fibre optique insertion extraction d’une voie (longueur d’onde) 3 Quelques repères historiques 1958 Invention du laser 1962 Effet laser dans les semiconducteurs (mais courte durée de vie) 1966 Premières expériences de C. Kao (U.K.) sur les guides d’ondes optiques en silice (attenuation: 1000 dB/km) 1970 Diodes laser en semiconducteur GaAs fonctionnant à température ambiante ( attenuation de la lumière dans la silice : 20 dB/km @ =0.85 µm (Corning)) 1972 4 dB/km 1973 2 dB/km. Diode laser, durée de vie > 10,000 hours 1977 0.5 dB/km 1979 0.2 dB/km @ =1.55 µm 4 Quelques repères historiques Fin des 1970s Démonstration des systèmes de transmission par fibre optique 1980 Premier système commercial à fibre optique (fibres multimodes) Débit : 45 Mbit/s, distance entre répéteurs ~10 km, =0.85 µm (1ère génération) Début des 1980s Système commercial de 2nde génération @1.3 µm (pertes plus faibles) La dispersion dans les fibres multimodes limite le débit et la distance entre répéteurs 1987 Systèmes à fibres monomodes (3ème generation ) Débit: jusqu’à 1.7 Gbit/s , distance entre répéteurs ~ 50 km, = 1.3 µm 1988 TAT-8 Première liaison optique transatlantique (2 x 280 Mbit/s @1.3 µm) 5 Quelques repères historiques Fin des 1980s Invention de l’amplificateur à fibre dopée erbium (EDFA) (simultanément @ Bell Labs & University of Southampton) 1990 Systèmes à 2.5 Gbit/s @ 1.55 µm disponibles commercialement Faibles pertes @ 1.55 µm mais limitations dues à la dispersion chromatique Début des 1990s Démonstration du multiplexage en longueur d’onde (WDM) 1995 TAT-12/13 (5 Gbit/s & EDFA) Installation de systèmes terrestres WDM avec 4 à 8 (4ème génération) Fin des 1990s SEA-ME-WE3: premier réseau optique sous-marin WDM 2001 TAT 14: 4 x 16 x 10 Gbit/s = 640 Gbit/s opérationnel 6 Notions fondamentales Système de transmission numérique par fibre optique Emetteurs Données 1 2 ☞ Signaux transmis ☞ Le support de propagation 3 4 3 Données 4 Données Fibre 3 Multiplexeur Données … Amplificateur Données 1 2 Canaux WDM … Données Récepteurs Demultiplexeur insertion extraction d’une voie (longueur d’onde) 7 Notions fondamentales ☞ Signaux transmis Champ E.M. Un champ E.M. est défini par trois vecteurs formant un trièdre direct : E E0 cos 0t k r E Champ électrique H H0 cos 0t k r Champ magnétique k Vecteur d’onde k H Dans le vide, les champs E et H oscillent à la fréquence f0 (soit à la fréquence angulaire 0 = 2f0) et se déplacent dans la direction du vecteur d’onde k0 avec une période spatiale, ou longueur d’onde, 0 = c/f0. Dans le vide, longueur d’onde 0 (m), fréquence f0 (Hz), vitesse de propagation c (m/s) et « constante » de propagation k0 (rad/s) sont liées par les relations suivantes Dans le vide c 0 T0 0 f 0 (m/s) f0 c 0 (Hz) k0 2 0 (rad/m) 8 Notions fondamentales ☞ Signaux transmis Dans un milieu d’indice de réfraction n qui n’est pas le vide, l’onde ne se propage plus à la vitesse c, mais à la vitesse v = c/n. Dans ce milieu d’indice n la fréquence et la longueur d’onde du champ E.M. sont donc différentes de celles dans le vide : Milieu d’indice n v c f (m/s) n T f c n (Hz) c nf (m) Notion de spectre Si l’on s’intéresse au champ E de l’onde, celui-ci est caractérisée par son amplitude E0, sa fréquence f0 et sa phase . E E0 cos 0t k r Etant donnée la relation 0 = c/f0, connaître la fréquence f0 est équivalent à connaître la longueur d’onde 0. On parlera donc aussi bien de spectre en fréquence que de spectre en longueur d’onde. 9 Notions fondamentales ☞ Signaux transmis Notion de spectre … Les télécommunications numériques par fibres optiques reposent sur la transmission de champs E.M. dont la longueur d’onde (dans le vide) est de l’ordre de 1,55 µm (signaux optiques infrarouges). Sachant que f = c/, la fréquence (dans le vide) de ces signaux est donc de l’ordre de 193 THz (c/ = 3*108/(1,55*10-6)) Les fibres optiques classiquement utilisées (monomodes) permettent de transmettre des signaux dans la bande de longueur d’onde de largeur = 120 nm, centrée sur 1550 nm. Ceci correspond à une bande de fréquence f = 15 THz ,centrée sur 193 THz. Démonstration f c f c c 1 c 12 f c f c 2 2 f c 2 10 Notions fondamentales ☞ Signaux transmis Spectre en longueur d’onde Spectre en fréquence f P (W) c 2 = 120 nm P (W) f = 15 THz (m) f (Hz) = 1550 nm f = 193 THz f c Rq : f = 1 THz = 8 nm 11 Notions fondamentales ☞ Signaux transmis Spectre des signaux optiques numériques transmis par fibre optique Pour faire porter de l’information à une onde électromagnétique, il faut en faire varier, autrement dit en moduler, l’un des paramètres (intensité, fréquence ou phase). En optique, classiquement, c’est sur l’intensité de l’onde que l’on agit. Le signal dont on veut faire varier l’intensité est appelé porteuse optique. Sa fréquence est d’environ 193 THz. L’information que l’on veut transmettre est quant à elle un signal numérique (suite de zéros et de 1) dont la fréquence, quoique potentiellement très élevée dans le domaine des microondes, est très inférieure à celle de la porteuse. L’information est appelée signal modulant. La modulation de l’intensité de la porteuse optique par le signal modulant consiste en la multiplication de ces deux signaux. Le signal résultant est, quant à lui, appelé signal modulé (ou porteuse modulée). 12 ☞ Signaux transmis Rappels formats de modulation numérique 1 0 1 0 1 Données numériques qq Gbit/s t Fréquence porteuse 193 THz t Modulation d’amplitude ASK : Amplitude Shift Keying t OOK : On Off keying Modulation par saut de phase t PSK : Phase shift keying Modulation par saut de fréquence t FSK : Frequency Shift Keying 13 ☞ Signaux transmis Rappels Modulation OOK d’une porteuse par un créneau P Porteuse optique @ ~193 THz Porteuse optique t A cos 2 f0t 0 Données P Signal modulant fm qq GHz 1 0 1 0 1 f Spectre en bande de base f t DSF A Ai cos 2 if mt Mod i Signal modulé Produit de la porteuse par le signal modulant t 1 0 1 0 1 14 ☞ Signaux transmis Rappels Calcul du spectre du Signal modulé Port DSF A cos 2 f0t A Ai cos 2 if mt Mod 0 i Port DSF A A cos 2 f0t A0 Ai cos 2 if mt cos 2 f0t Mod 0 i Or, cos a cos b 1 cos a b cos a b 2 1 Port DSF A A cos 2 f0t Mod 0 2 Porteuse optique A0 Ai cos 2 f0 ifm t cos 2 f0 ifm t i Spectre en bande de base transposé autour de la porteuse f0 (de part et d’autre) 15 ☞ Signaux transmis Rappels P Porteuse optique @ ~193 THz t P Signal modulant fm qq GHz 1 0 1 0 1 A cos 2 f0t 0 Transposition du spectre en bande de base dans le domaine optique f t DSF A Ai cos 2 if mt Mod i Signal modulé P f t 1 0 1 0 f 1 1 A cos 2 f0t 2 A0 Ai cos 2 f0 ifm t cos 2 f0 ifm t i 16 ☞ Signaux transmis Rappels Modulation OOK d’une porteuse par une séquence PSA TB 1 1 1 0 1 0 Données numériques (Séquence PSA) 0 t 1 0 -1 t 1 0 -1 Porteuse optique 193 THz OOK t Spectre d’une séquence PSA Supposons des données aléatoires approximées par une séquence PSA, de temps bit TB, et de période (de la séquence PSA) T Le spectre (DSP en V2/Hz) est la TF de l’autocorrelation du signal (séquence PSA). L’autocorrélation d’une séquence PSA est un triangle de base TB périodisé tous les T. 17 ☞ Signaux transmis Rappels TB Séquence PSA : s(t) 1 1 0 1 0 t T Autocorrélation Séquence PSA : css(t) 2TB = TB TB 2TB TF TF sinc2 = sinc sinc 18 ☞ Signaux transmis Rappels DSP (V2/Hz) représentation bilatérale sinc2 TF f 2TB -3/TB -2/TB -1/TB 0 1/TB 2/TB 3/TB DSP (V2/Hz) TF sinc2 T 2TB f -3/TB -2/TB -1/TB 0 1/TB 2/TB 3/TB 1/T Périodiser css(t) discrétiser TF{css(t) } 19 ☞ Signaux transmis Rappels Données numériques TB (Séquence PSA) DSP (V2/Hz) sinc2 1 0 1 1 0 1 0 représentation mono latérale t f 0 fB 2fB 3fB Porteuse f 1 0 -1 t f f ASK 1 0 -1 t f f-2fB f-fB f f+fB f+2fB 20 ☞ Signaux transmis Rappels Spectre en longueur d’onde 2 f c bande passante utile P Spectre en fréquence P bande passante utile f (m) f 0 f0 c f Un signal optique transportant des données (canal) occupe une certaine bande de fréquence (i.e. de ). On parle d’occupation spectrale. 21 ☞ Signaux transmis Notions fondamentales Polarisation La polarisation d’une onde désigne l’orientation des champs (E,H). Considérons le seul champ E et décomposons le en en Ex et Ey. Dans le cas général où ces deux composantes sont déphasées de = cte qcq. E E y z ,t E0 y cos t kz x z ,t E0 x cos t kz Dans un plan z (axe de propagation) donné, l’orientation (polarisation) de E va varier au cours du temps et l’extrémité de E suivre une ellipse (E = (Ex2+Ey2)). Les polarisations rectiligne et circulaire sont des cas particuliers de la polarisation elliptique. Polarisation elliptique : Ex Ey 0 < < (elliptique gauche*) < < 2 (elliptique droite*) Ey Polarisation circulaire : Ex = Ey = /2 (circulaire gauche*) = 3/2 (circulaire droite**) Polarisation rectiligne : Ex Ey =0 = Ey Ey E E Ex E Ex =0 = Ex (*) Gauche : sens trigo. (**) Droite : inverse du sens trigo. 22 ☞ Signaux transmis Notions fondamentales Polarisation A un instant t0 donné l’extrémité des champs E(z,t0) se situe sur une certaine courbe. Pour une polarisation rectiligne, cette courbe est une sinusoïde. Pour une polarisation elliptique, cette courbe est une hélice. Polarisation rectiligne Polarisation circulaire E(z,t0) E(z,t0) z z Importance de la notion de polarisation dans les systèmes de télécommunicaions optiques : Certains composants sont sensibles à la polarisation… 23 Notions fondamentales Nature Principales caractéristiques ☞ Fibres optiques Guides d’ondes diélectriques cylindriques en verre (SiO2: silice) très pur ▪ Faible atténuation ⇒ transmissions longues distances Verres très purs → faible atténuation 1970 : 20 dB/km 1979 : 0,2 dB/km@1,55 µm ▪ Grande bande passante ⇒ transmissions très haut débit Types de fibres Saut d’indice b a n1 n1 Gradient d’indice b n2 a n1 n1 n2 n0 n0 0 n2 r 0 r 24 Notions fondamentales Etude des fibres ☞ Fibres optiques ▪ Approche géométrique ⇐ valable uniquement si le diamètre a >> Rappels… ▪ Equations de Maxwell Fibre à saut d’indice Approche géom. Pas de rayon transmis n0 sin i n1 sin r Condition de réflexion totale interne r 2 n2<n1 c n0 n sin c 2 n1 i n1 n r c c sinΦc= 2 et n1sinθi=n2 sinθr n1 Ouverture numérique (ON) ON n sin n sin n cos 0 i 1 r 1 C 2 n2 2 2 n cos c n 1sin c n 1 1 1 1 n1 n n Soit la variation relative 1 2 d’indice à l’interface n1 si n2 ≃ n1 alors n12 n22 ON n12 n22 ON n1 2 25 Notions fondamentales Approche géom. ☞ Fibres optiques Fibre à saut d’indice Dispersion multi-trajet (intermodale) L Exprimons le retard T entre les rayons incidents d’angle = 0 et = i d’indice à l’interface c c Li = L/sinc ▪ L distance parcourue par le rayon / = 0 v L c L L 1 i n1 T0 Ti sin c Ti ▪ Li = distance parcourue par le rayon / = i L L n1 L T T T i L i 0 v c sin c L T c n12 n2 T est l’élargissement d’une impulsion après traversée d’une fibre de longueur L. La dispersion intermodale limite le débit possible B=1/T0. Il faut que il faut que T < T0 ⇔ BT < 1 On a donc une limitation du produit débit.longueur n c BL 2 n2 1 (Exple. : n1 =1,5 et < 0.002 ⇒ BL < 100 ( Mbit/s)-1 km) 26 ☞ Fibres optiques Notions fondamentales Approche géom. Fibre à gradient d’indice r n2<n1 n1(r) n0 n sinΦc= 2 n1 et n1sinθi=n2 sinθr 0 n2 n1 Dispersion intermodale La vitesse des rayons varie en raison des variations de n1(r). Un rayon incident très incliné (en rouge) aura un trajet plus long mais une vitesse dans l’ensemble plus élevée qu’un rayon peu incliné (en bleu). ⇒ amélioration possible du produit débit-longueur BL, de trois ordres de grandeur par rapport à celui d’une fibre à saut d’indice à large cœur. Fibre à gradient d’indice optimisée, typiquement, BL < 100 ( Mbit/s)-100 km) 27 ☞ Fibres optiques Notions fondamentales Fibre à saut d’indice Approche E.M. Les supports des transmissions optiques numériques longues distances sont des fibres monomodes. Ce sont des fibres à saut d’indice dont le diamètre du cœur est comparable à la longueur d’onde des signaux transmis. Equations de Maxwell Equation de propagation Coordonnées cylindriques a n2 n1 z On résout les équations de propagation uniquement pour les composantes Ez et Hz, on déduit ensuite les autres composantes. 28 ☞ Fibres optiques Notions fondamentales ▪ Hypothèse de séparation des variables E F Z z f , e z j z H F ' ' Z ' z g , e z j z Avec () projection de la «constante de propagation» sur z ▪ Elimination des solutions non acceptables d’un point de physique. ▪ Application des conditions aux limites : continuité des composantes tangentielles de E et H (E, Ez, H, Hz) à l’interface cœur-gaine (=a). ⇒ obtention d’un système de 4 équations à 4 inconnues. ▪ Les solutions correspondent à l’annulation du déterminant du système. On obtient un ensemble discret de solutions identifiées par des indices m et n. 29 ☞ Fibres optiques Notions fondamentales Les solutions des équations de propagation sont les modes de propagation « Constante » de propagation définis par mn() Orientation du champ ⇔ (Polarisation) ▪ Les composantes Ez et Hz ne peuvent être toutes deux nulles ( pas de mode TEM dans les fibres). ▪ Lorsque m = 0 alors l’une ou l’autre des composantes Ez et Hz est nulle. Ez = 0 mode TE Hz =0 mode TM ▪ Si Ez et Hz non nuls, les modes sont désignées par EHmn ou HEmn selon que Ez ou Hz est dominant. H Lignes de champ des premiers modes guidés HE11 TE01 TM01 HE21a E L’orientation des champs définit le mode … HE21b 30 ☞ Fibres optiques Notions fondamentales Diagramme de dispersion mn() Diagramme de dispersion n1 () 11() 1 k0 n1 n2 n’ = /k0 n2 n1 n2 n2 V an1 n n 2 1 2 c n1 V dépend des caractéristiques de la fibre optique 31 Notions fondamentales ☞ Fibres optiques Pour des caractéristiques données de la fibre optique, une plage de f, , où la fibre est monomode et une plage où l’énergie de l’onde peut se répartir sur plusieurs modes de propagation. En pratique les signaux à transmettre ont une longueur d’onde contenue dans une certaine plage . On choisit donc pour les transmettre une fibre dont les dimensions et les indices sont tels qu’elle soit monomode dans la plage considérée. 32 ☞ Fibres optiques Notions fondamentales Diagramme de dispersion n1 () 11() 1 k0 n1 n2 Pas de fréquence de coupure fréquence de coupure n’ n’ n2 n1 n2 an n n V 1 2 1 2 c n1 dépend des caractéristiques de la fibre optique n’ = /k0 Dispersion n2 V n’ varie en fonction de c.a.d. de ⇒ v = c/n’ varie en fonction de 33 Notions fondamentales Caractéristiques de fibres monomodes ☞ Fibres optiques Dispersion ps/nm.km L’expression dispersion chromatique désigne le fait que l’indice de réfraction de la fibre optique est fonction de la longueur d’onde qui s ’y propage. La vitesse de propagation vg de l’onde (vitesse de groupe) étant fonction de l’indice de réfraction n du milieu de propagation (v = c/n), après avoir parcouru une longueur L de fibre, deux longueurs d’ondes espacées de se verront retardées de g : g = D.L. D dispersion en ps/(nm.km) Cette dispersion, ou variation d’indice a deux origines : la dispersion modale et la dispersion du matériau. D = Dmat + Dguide Dispersion matériau Dmat : liée aux propriétés physiques du matériau constitutif de la fibre. Dispersion du mode guidé Dguide : liée à la géométrie du guide d’onde (fibre) : variant avec (), l’indice n() du mode guidé varie donc en conséquence. 34 ☞ Fibres optiques Notions fondamentales Caractéristiques de fibres monomodes Dispersion ps/nm.km La dispersion chromatique provoque l’étalement des impulsions temporelles et par conséquent des interférences entre symboles. Elle limite donc le la portée ou le débit des liaisons. Impulsions optiques Dispersion chromatique D t t Cependant, s’agissant des fibres optiques monomode, des techniques qui permettent d’en compenser efficacement la dispersion chromatique. 35 ☞ Fibres optiques Notions fondamentales Caractéristiques de fibres monomodes Dispersion de polarisation La biréfringence (2 valeurs d’indices de réfraction n selon deux axes) se manifeste dans les fibres ou de portions de fibres rendues asymétriques en raison de contraintes mécaniques (écrasement, perturbations externes). tPMD Axe lent Fibre optique Biréfringence Axe rapide La biréfringence provoque la décomposition du signal en deux modes dont l’un est appelé mode rapide (fast mode) et l’autre mode lent (slow mode). A l’arrivée, un retard entre la projection du champ sur l’axe rapide et celle sur l’axe lent. Le couplage entre le mode lent et le mode rapide est un phénomène aléatoire, comme le sont les contraintes mécaniques subies par les fibres (perturbations externes). Il en résulte une dispersion de polarisation (Polarization Mode Dispersion : PMD) dont la valeur, correspondant à une moyenne du couplage aléatoire, est donnée en ps/km. Typiquement ces valeurs sont de l’ordre de 0.1-1 ps/km. La PMD est un phénomène qui devient critique pour les systèmes de transmission à 40 Gbit/s. 36 ☞ Fibres optiques Notions fondamentales Atténuation Caractéristiques de fibres monomodes P(z=L)=P(z=0)e-L Fenêtre 1,3µm 1,55µm 230,7 THz* 193 THz 96 nm 12 THz 120 nm 15 THz Bande passante Atténuation 0,5 dB/km 0,2 dB/km Atténuation (dB/km) Atténuation dB/km 100 50 10 5 1 0,5 0,01 (*) 1 THz= 1012 Hz f c 2 120 nm 96 nm 0,1 0,05 1,3 µm 0,8 1,0 1,55 µm 1,2 1,4 1,6 Longueur d’onde (µm) 1,8 f = 1000 GHz = 8 nm Effets non linéaires … 37 Notions fondamentales ☞ Fibres optiques Principale caractéristiques des fibres les plus utilisées Fibre plastique Fibre multimode en silice Fibre monomode en silice Type Saut d’indice (1) Gradient d’indice (2) Gradient d’indice (4) Saut d’indice (5) Diamètre du cœur Diamètre de la gaine 0,25-1,5 mm 120 µm 230 µm 50-100 µm 125-140 µm 8-10 µm 125 µm Ouverture numérique 0,46 55 degrés 650 nm 650 nm 1,3 µm 850 nm 1,3 µm 1,3 µm 1,55 µm 10 dB/km@850 nm 10 dB/km@1,3 µm 2,5 Gbit/s.500m 10 Gbit/s.100m 2,4-2,5 dB/km@850 nm 0,4-0,5 dB/km@1,3 µm 400-600MHz.km@850 nm 400-1200MHz.km@1,3 µm 0,5 dB/km@1,3 µm 0,2 dB/km@1,55 µm Longueurs d’onde de fonctionnement Atténuation 150-300 dB/km Bande passante Dispersion Lieu de déploiement 17ps/(nm.km) Immeubles Réseaux locaux Immeubles Réseaux locaux Immeubles Réseaux locaux Réseaux longues distances (1) Datasheet Luxeri Fibres optiques plastique (2) Fibre Lucina de Asashi Glass (3&4) Datasheet SEDI Fibres optiques 38 Les données numériques : la SDH Système de transmission numérique par fibre optique Emetteurs Données 1 2 ☞☞ LesSignaux donnéestransmis transmises ☞ Le support propagation ☞ Lade SDH … 3 4 3 Données 4 Données Fibre 3 Multiplexeur Données … Amplificateur Données 1 2 Canaux WDM … Données Récepteurs Demultiplexeur insertion extraction d’une voie (longueur d’onde) 39 Les données numériques : • • • Codages Perturbations Bruit des composants optiques et électroniques Bande passante limitée des composants Les hiérarchies numériques PDH SDH 40 Les données numériques H Codage source Codage canal Codage en ligne Codages B Decodage en ligne Decodage canal Decodage source Perturbations : filtrage et bruit dans les composants Codage source : compression de l’information, ou comment transmettre le moins de données binaires possibles (symboles codés par des mots de longueur variable, alogorithme de Huffman …) Codage canal : redondance pour la correction des erreurs causées par le bruit additif du canal (but : améliorer le BER). Codage en ligne : mise en forme des données sous forme d’impulsions. Un des critères de choix du code en ligne est le rapport largeur de spectre/débit binaire. 41 Les données numériques Codages Critères de choix d’un code en ligne : Rapidité de modulation Sensibilité au bruit Occupation spectrale Récupération d’horloge en réception (lié au spectre du code : il est bon que celui-ci présente une raie à la fréquence d’horloge) Les caractéristiques spectrales sont importantes 42 Les données numériques Codages Comment les erreurs sont commises : Réception Canal Emission 2 distorsions s(t) = e(t)*h(t) e(t) filtrage t +b(r) bruit additif h(t) t b(t) Filtrage TF{corree} H(f) DSP DSP f 0 fs 2fs f 0 f 0 fs 43 Les données numériques Comment les erreurs sont commises… 1 1 Codages 0 1 0 Emission t Echantillonnage Comparaison à un seuil Réception t 0 1 1 1 0 Décision t Transitions du canal 44 Les données numériques Perturbations Perturbations liées au bruit Le BER est fonction du S/N reçu Principales sources de bruit : amplis optiques et électriques 45 Les données numériques Codages Codage canal (pour le traitement des erreurs liées au bruit) Codage sans répétition Symboles Mots codés Mots reçus Détection des transition Correction des erreurs 0 0 0 NON NON 1 1 1 NON NON Codage par double répétition Symboles Mots codés Mots reçus Détection des transition Correction des erreurs 0 00 00 NON NON 1 11 01 OUI NON 10 OUI NON 11 NON NON 46 Transmission en Bande de base Codage canal Codage canal (pour le traitement des erreurs liées au bruit) Codage par triple répétition Symboles Mots codés Mots reçus Détection des transition Correction des erreurs 0 000 000 NON NON 1 111 001 OUI OUI 010 OUI OUI 011 OUI OUI 100 OUI OUI 101 OUI OUI 110 OUI OUI 111 NON NON 47 Les données numériques Codages Codage en line ● Exemple : le code NRZ binaire (Non Retour à Zéro) 1 h(t) forme d’onde 1 0 1 V.a1 V t t Ts V.a0 0 Sk ak .V .h(t ) Le spectre (DSP) d’un code NRZ binaire s’annule les multiples de 1/Ts où Ts est le temps symbole 48 Les données numériques Codages Codage en line Sk ak .V .h(t ) ● Exemple : Le code RZ binaire : h(t) forme d’onde ak 0,1 V Ts t a1V 0 1 1 0 1 a0V t La forme d’onde h(t) est un signal de durée T consistant en une porte de durée Ts (0<<1) suivie d’un retour à zéro de durée (1-)Ts. La raie à 1/Ts est utile pour la récupération d’horloge en réception. 49 Les données numériques Le bruit additif des citcuits électroniques et optiques 2 perturbations Le filtrage dû à la bande passante limitée des composants H Codage source Codage canal Perturbations B Codage en ligne Decodage en ligne t Decodage canal t Filtrage DSP 0 Decodage source DSP fs 2fs f 0 f 0 fs f 50 Les données numériques Perturbations Perturbations liées à la limitation en bande passante des composants… Considérons maintenant l’effet du filtrage (bande limitée des composants opto.) sur les symboles reçus. 1 0 Canal à bande limitée 1 Décision 1 1 1 Seuil t Impulsions émises t t0 Empiètement des symboles adjascents sur le signal (symbole) utile détecté à t0. Interférences Entre Symboles (IES) Dégradation du TEB 51 Les données numériques Perturbations Perturbations liées à la limitation en bande passante des composants… Diaramme de l’oeil : L’observation à l’oscilloscope de la superposition des symboles reçus (rémanence ) est appelée diagramme de l’oeil. Dans un canal de bande B fixée, l’ du débit symbole l’ de l’IES et donc la fermeture du diagramme de l’oeil : 2,5 kbit/s 20 kbit/s Même B canal 52 Les données numériques Perturbations En présence de bruit le diagramme de l’oeil aura également tendance à se fermer 20 kbit/s 2,5 kbit/s Même B canal 53 Les données numériques Perturbations Pente : sensibilité aux erreurs de synchronisation Ouverture verticale : marge de bruit Meilleur instant de décision Le rapport entre l’épaisseur des traits et l’ouverture verticale est une indication du rapport signal sur bruit, et donc du TEB. Mais le diagramme de l’oeil reste une mesure approximative de la qualité de la transmission numérique. 54 Les données numériques Perturbations Critère de Nyquist portant sur l’expression temporelle des impulsions reçues Ts Critère de Nyquist r (t0 mT ) 0 m 0 t t0 0 1 t0+Ts t0+2Ts Aux instants de décision pas d’IES 0 55 Les données numériques Perturbations Objectif : pas d’IES aux instants t0-nT de prise de décision (peu importe ce qui se passe aux autres instants) (1) Critère de Nyquist : l’expression temporelle des impulsions doit s’annuler kT (T temps symbole) Quid du spectre ? (2) En traduisant le critère de Nyquist dans le domaine fréquentiel on obtient la condition équivalente relative au spectre des impulsions (reçues). (3) Il en découle une condition nécessaire (mais pas suffisante) pour que le critère de Nyquist soit respecté : B f/2 (f = fréquence symbole) 56 Les données numériques PDH Hiérarchie plésiochrone plusieurs normes ou hiérarchies organisant le transport de données. La hiérarchie numérique asynchrone PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) transporte des flux de données dont les débits sont définis avec une certaine tolérance (voir tableaux). Les horloges des générateurs de données étant supposés quasisynchrones (plésiochrones). Débits de hiérarchies PDH européenne et américaine : Niveau hiérarchique USA 1.5 Mbit/s Hiérarchie PDH européenne : débits et tolérances Niveau hiérarchique Débit nominal Tolérance 2 Mbit/s 2,048 Mbit/s 50.10-6 ( 50 bit/s ) 8 Mbit/s 8,448 Mbit/s 30.10-6 34 Mbit/s 34,368 Mbit/s 20.10-6 140 Mbit/s 139,264 Mbit/s 15.10-6 2 Mbit/s UE 6 Mbit/s 8 Mbit/s 34 Mbit/s 45 Mbit/s 140 Mbit/s 57 Les données numériques PDH Multiplexage plésiochrone Le multiplexage temporel consiste générer un flux numérique (données binaires : 0 et 1) de haut débit à partir de flux de bas débit. Le multiplexage plésiochrône procède par entrelacement de bits. Quant au multiplexage synchrône il procède par entrelacement d’octets (byte). Prenons l’exemple du multiplexage de 4 canaux à 2 Mbit/s sous forme d’un canal à 8 Mbit/s. En raison des écarts de débits entre les 4 canaux à 2 Mbit/s, le multiplexage plésiochrône requière, deux étapes : ▪ la justification : insertion de bits de bourrage ▪ le multiplexage (proprement dit) :entrelacement de bits Flux plésiochrônes 2 Mbit/s 2,045 Mbit/s 2,048 Mbit/s 2,047 Mbit/s 2,049 Mbit/s Débit identique > Aux débits nominaux 2,053 Mbit/s Multiplexage Justification 2 AAAAA BBBBB CCCCC DDDDD Insertion de bits de bourrage 8,212 Mbit/s ABCDABCDABCDABCD 8 Données + bits de bourrage Bits entrelacés (info+bourrage) 58 Les données numériques PDH Génération d’un flux à 140 Mbit/s par multiplexage de flux à 2 Mbit/s et 8 Mbit/s MUX 2 Mbit/s 2 8 Mbit/s MUX 8 8 34 Mbit/s 34 2 MUX 8 34 140 Mbit/s 140 2 8 8 34 2 8 Ici le terme multiplexage sous entend à la fois la justification (stuffing) et l’entrelacement de bits (interleaving). 59 Les données numériques PDH La PDH présente l’inconvénient majeur de nécessiter de démultiplexer l’intégralité d’une trame pour simplement en extraire un affluent de bas niveau. 140 Mbit/s 140 Mbit/s 140/34 34/140 8/34 34/8 2/8 8/2 2 Mbit/s 2 Mbit/s Déjustification 60 Les données numériques SDH Origines de la SDH ▪ Quand ? A la fin des années 80. ▪ Pourquoi ? Le manque d’une norme internationale. ▪ La possibilité de réaliser des transmissions optiques à un débit > 2,5 Gbit/s avait été démontrée, cependant, le débit maximum prévu par la hiérarchie PDH américaine était limité à 45 Mbit/s. Conséquence Développement d’un nouveau standard aux USA SONET (Synchronous Optical Network) Trame de base : OC-1 (Optical Carrier-1) @ 45 Mbit/s 61 Les données numériques SDH 1988: Normalisation par le CCITT* (maintenant ITU-T**), nouveau nom : Synchronous Digital Hierachy (SDH) Hiérarchie numérique synchrone Principales caractéristiques • • - Surdébit (Overhead) de trame (10% du débit) gestion des flux plus efficace que pour la PDH Error monitoring : surveillance des erreurs Framing management : gestion des trames - L’augmentation du débit n’est pas une contrainte pour les systèmes optiques • - La SDH est une solution globale face à plusieurs problèmes de transmission • - Plusieurs types de données peuvent être transportées par la SDH (PDH,ATM,IP) (*) CCITT: Consultative Committee on International Telegraphy and Telephony (**) ITU-T: International Telecommunication Union - Transmission Standards 62 Les données numériques SDH Les sous-ensembles de données de la SDH Considérons les affluents de la PDH et voyons comment leurs données sont assemblées pour former les trames de la SDH. La SDH définit des sous ensembles qui sont constitués et assemblés (multiplexés) pour former une trame STM-N (Synchronous transfer module d’ordre N). Débit t t 63 Les données numériques SDH Les sous-ensembles de données de la SDH Une trame STM-N procède du multiplexage de sous ensembles de données. Ces sous ensembles contiennent de la charge utile et du surdébit (étiquetage : quoi? pour qui? où dans la trame?) ▪ Le conteneur C (Container) ▪Le conteneur virtuel VC (Virtuel Container) ▪ L’unité d’affluent TU (Tributary Unit) Ces ensembles peuvent procéder du multiplexage de sous ▪ Le Groupe d’unités administratives AUG (Administrative Unit Group) ensembles ▪ L’unité administrative AU (Administrative Unit) ▪ Le Groupe d’unités d’affluent TUG (Tributary Unit Group) Débit 64 Les données numériques SDH Constitution des sous ensembles d’une trame STM-N Affluent Conteneur Conteneur virtuel ordre inférieur ordre supérieur Unité affluent 1.5 Mbit/s 2 Mbit/s C-11 C-12 VC-11 VC-12 TU-1 6 Mbit/s C-2 VC-2 TU-2 34 Mbit/s 45 Mbit/s C-3 VC-3 TU-3 140 Mbit:s C-4 Mapping (Projection) ▪ Groupement en octets (bytes) ▪ justification (stuffing) + surdébit (Path Overhead : POH) pour la gestion du conteneur Unité Administrative VC-3 AU-3 VC-4 AU-4 + pointeur + pointeur pour la localisation du conteneur virtuel Ajout de débit pour la mise en forme, la gestion et la localisation des conteneurs au sein de la trame STM-N 65 Les données numériques SDH Hiérarchie de multiplexage SDH (normalisée par la recommandation G.707 de l’IUT-T) La façon dont sont ordonnées (multiplexées) les données dans une trame SDH est normalisée par la recommandation G.707 de l’IUT-T. Cette norme prévoit une grande variété de combinaisons. Les flux correspondant à les débits de la hiérarchie PDH, mais pas seulement, peuvent être transportés par les trames SDH. Les trames STM-N sont générées par des équipements (terminaux, multiplexeurs), capables de réaliser certaines des configurations permises par la norme. Ceux-ci effectuent en outre une gestion dynamique des trames. Autrement dit, ils sont capables de passer d’une configuration à une autre, au gré des affluent reçus. Quant aux informations concernant la gestion des données (emplacement des données dans la trame…), elles sont abondées aux octets de surdébit, et ainsi, communiquées aux différents équipements par lesquels passent les trames. 66 Les données numériques SDH Hiérarchie de multiplexage SDH (normalisée par la recommandation G.707 de l’IUT-T) STM-16 16 STM-4 STM-1 + POH (Path OverHead) pour la gestion du conteneur 4 + + AU-4 VC-4 AUG 3 3 TUG-3 + + AU-3 VC-3 7 + + G : Groupe + VC-3 C-4 140 Mbit/s C-3 34/45 Mbit/s 7 TUG-2 Ajout de débit (gestion de conduit + pointeur +) + TU-3 Mapping (adaptation) : Structuration en octets + justification Affluents PDH + TU-2 + VC-2 C-2 6 Mbit/s 3 + TU-12 3 + TU-11 + VC-12 C-12 2 Mbit/s + VC-11 C-11 1.5 Mbit/s 67 Les données numériques SDH Structure de la trame STM-1 (Synchronous Transfer Module) Le débit d’une trame STM-1 est de 155,520 Mbit/s. La structure de cette trame est répétitive, de période 125 µs. 155,520 106 155,520 106 En 125 µs il défile 19440 bits 2430 octets 1 8000 125 106 125 µs (2430 0ctets) Une période de 125 µs consiste en 9 segments de durée identique, soit de 270 octets chacun Chaque segment débute par 9 octets de surdébit et pointeurs, suivis par 261 octets de charge utile 125 µs 1 2 3 4 (2430 0ctets) 5 6 7 8 9 (270 0ctets) (9 octets) Surdébit ou bien pointeur (261 0ctets) Charge utile (données) 68 Les données numériques SDH Un segment de 125 µs d’une trame STM-1 est généralement représenté sous forme d’un tableau de 9 rangées et 270 colonnes. 125 µs 1 2 3 4 5 6 7 8 9 t=0 1 2 3 9 Rangées 4 5 6 7 8 9 Surdébit Charge utile Overhead Payload VC-4 9 261 270 Colonnes (Octets) t = 125 µs Chaque octet corresponds à une capacité de 64 kbit/s 69 Les données numériques SDH Un segment de 125 µs d’une trame STM-1 généralement représenté sous forme d’un tableau de 9 rangées et 270 colonnes. RSOH (Regenerator POH contient les caractéristiques du signal (type de conteneur…) Section Overhead) utilisé pour le dialogue avec/entre régénérateurs Pointeur d’AU Indique l’emplacement du début d’un conteneur virtuel dans la trame MSOH (Multiplexer Section Overhead) utilisé pour le dialogue avec/entre multiplexeurs 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Charge utile VC-4 9 261 270 octets RSOH et MSOH permettent aux équipements du réseau de dialoguer entre eux en insérant et en extrayant des information dans ces espaces réservés. 70 Les données numériques SDH Qu’est ce qui permet d’extraire, sans démultiplexage, un conteneur virtuel d’une trame SDH ? Un système de pointeurs (compteurs) : un pointeur (conteneurs virtuels d’ordre supérieur). deux pointeurs (conteneurs virtuels d’ordre inférieur). L’emplacement d’un conteneur virtuel n’étant pas fixe dans la trame, il faut un moyen de savoir où celui-ci se trouve pour pouvoir l’extraire. Contrairement aux conteneurs, l’emplacement des pointeurs servant à indiquer leur position est fixe dans la trame. Et cet emplacement, fixé par la norme, est bien entendu connu des multiplexeurs. Ainsi, ayant lu les pointeurs, ceux-ci savent quand extraire les octets correspondant aux conteneurs virtuels. Rque : Il va de soi que le début d’un VC arrive dans la trame après le passage des pointeurs correspondants. 71 Les données numériques SDH Pourquoi l’emplacement d’un conteneur virtuel n’est il pas fixe? Pour des raisons de dérive (fluctuations) d’horloge (clock drift) inhérentes aux affluents PDH. la fréquence des horloges est la même mais il se peut qu’un déphasage existe Le pointeur est un compteur qui s’incrémente ou se décrémente en fonction des mouvements de l’affluent. L’emplacement du début d’un VC-4 ne coïncide pas obligatoirement avec le début d’une trame, il peut être décalé La valeur du pointeur indique le décalage (offset) entre le pointeur et la position du premier octet du conteneur virtuel VC. 72 Les données numériques 1 RSOH 2 3 4 AU Pointer 5 6 MSOH 7 8 9 1 RSOH 2 3 4 AU Pointer 5 6 MSOH 7 8 9 t SDH Trame n VC-4 Trame n+1 73 Les données numériques SDH Les niveaux de la hiérarchie SDH sont des multiples quadruples du débit du STM-1 (Synchronous transfer Module de niveau 1). Les débits de la hiérarchie SDH Niveau Débit STM-1 155,520 Mbit/s STM-4 622,080 Mbit/s STM-16 2,48832 Gbit/s STM-64 9,95328 Gbit/s STM-256 39,81312 Gbit/s 74 Les données numériques SDH Une trame STM-N procède du multiplexage de N trames STM-1 par entrelacement d’octets. Entrelacement d’octets t Trame STM-1 t Trame STM-1 Trame STM-1 Trame STM-1 Multiplexeur par entrelacement d’octets t t Trame STM-4 4 STM-1 La charge utile d’un STM-4 résulte du multiplexage par entrelacement d’octets des charges utiles des STM-1. De la même manière, le surdébit d’un STM-4 procède du multiplexage par entrelacement d’octets des surdébits des STM-1. 75 Les données numériques SDH Trame STM-4 1 2 RSOH 3 4 AU Pointer t = 125 µs 5 6 MSOH 7 8 9 4 9 Charge utile 4261 4270 octets 76 Les données numériques SDH Les équipements de l’infrastructure SDH Le multiplexeur de terminal TM (terminal multiplexer) Cet équipement sert à multiplexer les contributions locales de bas débit (exple : affluents E1-E4 de la hiérarchie PDH) dans les STM-N, mais aussi des STM-M d’ordre M<N. Cet élément est appelé terminal car il est placé à l’extrémité de la chaine de transmission. E1-E4 STM-N TM STM-N ADM STM-N STM-M STM-M E1-E4 Le multiplexeur à insertion extraction MIE ou ADM (Add-Drop Multiplexer) Cet équipement sert à interconnecter plusieurs réseaux, il est donc placé aux nœuds de l’infrastructure. L’ADM insère et extrait d’une trame STM N qui passe en un nœud des contributions de bas débit (exple : affluents E1-E4 de la hiérarchie PDH) mais aussi des STM-M d’ordre M<N. TM et ADM ont le plus souvent un fonctionnement bidirectionnel et permettent une gestion dynamique des flux. 77 Les données numériques SDH Les topologies de l’infrastructure SDH Mesh Etoile : Star/ Hub Anneau : Ring Chaine : Chain 78 Les données numériques SDH Exemple d’infrastructure de réseau SDH Anneau STM-4 ADM 4 STM-1 STM-1 ADM 4 Anneau STM-4 STM-4 TM E1-E4 ADM 4 STM-4 ADM 4 STM-1 STM-1 E1-E4 TM 79 Les débits dans les réseaux de télécommunications numériques Reference: Agere Systems 80 Emetteurs optiques Système de transmission numérique par fibre optique Emetteurs Données 1 2 ☞☞ Les Modulation donnéestransmis transmises directe ☞ Signaux ☞ Le propagation ☞support Modulation ☞ Lade SDH externe … 3 4 3 Données 4 Données Fibre 3 Multiplexeur Données … Amplificateur Données 1 2 Canaux WDM … Données Récepteurs Demultiplexeur insertion extraction d’une voie (longueur d’onde) 81 Emetteurs optiques ☞ Les lasers Types de lasers (FP, DFB, DBR) ☞ Les formats de modulation ☞ Les techniques de modulation La modulation directe La modulation externe Modulateurs de phase Interféromètres de Mach-Zehnder Modulateurs électro-absorbants ☞ Les drivers 82 ☞ Les Lasers Emetteurs optiques Généralités sur les Lasers ▪ Rôle : Les lasers (lightwave amplification of stimulated emission of radiation) sont utilisés comme sources lumineuses monochromatiques. Ce sont des oscillateurs optiques. ▪ Structure : Zone active limitée par des facettes semi-réfléchissantes. Igain Zone active Les lasers utilisés en télécommunications optiques (1.3 µm et 1.5 µm) sont des diodes en technologie InP. ▪ Fonctionnement : Un courant d’injection joue un rôle de pompage, il provoque l’émission de photons (émission spontanée et stimulée). L’onde lumineuse est transmise au travers des facettes. La condition d'oscillation dépend de la longueur de la cavité et des coefficients de réflexion des facettes. 83 ☞ Les Lasers Emetteurs optiques Laser Fabry-Pérot (FP) Igain P Spectre émis Zone active Le spectre transmis est multi-longueur d'onde. A cause de la dispersion chromatique, une telle configuration n'est évidemment pas souhaitée pour les transmissions longues distances/haut débit par fibre optique. C'est pour cette raison que sont conçus des lasers mono-fréquence présentant la meilleure pureté spectrale possible. 84 ☞ Les Lasers Emetteurs optiques Laser distributed feedback (DFB) ou laser à contre réaction P Igain Spectre émis Zone active Réseau B Un réseau de Bragg (filtre) est inscrit au dessus ou en dessous de la zone active. Par rapport à un laser Fabry-Pérot, le réseau a pour effet de sélectionner des modes proches de la longueur d'onde de Bragg du réseau. Généralement, le spectre émis par ce type de structure comporte deux raies. Mais par le traitement antireflet de la face de sortie du laser ou bien par l’introduction d'un déphasage d'une demi période dans le pas du réseau, le laser peut être rendu mono-mode (fréquence). Les lasers DFB sont employés dans la plupart des systèmes de transmission optiques en raison de leur stabilité en longueur d'onde. 85 ☞ Les Lasers Emetteurs optiques Laser distributed Bragg reflector (DBR) Igain Iphase IBragg Spectre émis Accord grossier Accord fin P Zone active Réseau ▪ Une facette de la cavité Fabry-Perot est remplacée par un réseau de Bragg qui sert à sélectionner un mode de la cavité. En appliquant un courant de Bragg (IBragg) à la section contenant le réseau on en modifie l'indice de réfraction, ce qui provoque un saut dans la longueur d'onde de Bragg du réseau et permet de sélectionner un autre mode de la cavité. ▪ Cette accordabilité en longueur d'onde peut être affinée par l'ajout, entre la cavité et le réseau, d'une troisième section commandée par un courant de phase. Ce dernier agit sur le chemin optique par variation de l'indice de réfraction modifiant ainsi le spectre. Lasers DBR : accordable. Typiquement (DBR deux sections) : 15 nm avec un pas de 0,4 nm (50 GHz). 86 ☞ Les formats de modulation Emetteurs optiques ☞ Les formats de modulation 1 0 1 0 1 Données numériques t Porteuse optique @ ~193 THz t Modulation d’amplitude t Modulation de phase t Modulation de fréquence t 87 Emetteurs optiques ☞ Les techniques de modulation ☞ Techniques de modulation La modulation directe La modulation externe Données Données Modulateur Laser Laser Modulateurs de phase (MP) Interféromètres de Mach Zehnder (MZM) Modulateurs électro-absorbants (MEA) 88 Emetteurs optiques ▪ La modulation directe La modulation directe Popt Diode laser P1 PDC I0 T de polarisation Données Zone linéaire de fonctionnement P0 IDC IDC Point de polarisation IDC I1 I Imod Commande électrique 89 ▪ Direct modulation 5 Optical transmission Laser Data 1 1 0 1 0 Optic Optique Electronique Electronic t f 193 THz Optical signal f 0 fB 2fB Laser bandwidth Data Filtered data 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 t t f Filtering 193 THz Bandwidth < 3 GHz f f 0 fB 2fB 0 f 0 fB 90 ▪ La modulation directe Emetteurs optiques Photodiode de contrôle Isolateur optique Lentille à gradient d’indice Fibre optique Diode laser Thermistance I0 Contrôle de polarisation et de puissance imod Module Peltier i Contrôle en température t 91 Emetteurs optiques ▪ La modulation directe Modulation directe, points à retenir : ▪ Laser commandé en courant ▪ Courants de commande qq dizaines de mA ▪ Fréquence max de modulation : qq GHz (limitée par le chirp). Au delà de qq GHz le taux de modulation devient faible. ▪ Popt qq mW ▪ Les lasers doivent être régulés en T° ▪ Les lasers utilisés en télécommunications optiques sont de type DFB Les lasers DBR peuvent être utilisés pour la maintenance (car accordables) 92 Emetteurs optiques ☞ Les Lasers 2 mW < Pout < 10 mW Thermoelectric cooler 93 Emetteurs optiques ☞ Les Lasers Contrôle en T° 94 Emetteurs optiques ☞ Les Lasers Courant de commande 50 mA Impédance d’entrée 25 Courant de commande 25 Diode laser 95 ▪ La modulation externe (MP) Emetteurs optiques Modulateur de phase Effet électro-optique dans le LiNbO3 v = c/[n+n(V)] (V) = (2/ ).n(V) (V) = (V).L V n(V) Déphasage (V,L) Onde incidente Onde sortante E0 e E0 j V E0 e j Masse Guide optique 96 Emetteurs optiques Interféromètres de Mach Zehnder… ☞ La modulation externe (MZM) Effet électro-optique dans le LiNbO3 Résultante E0 j E j l e 0e 2 2 E0 E0 2 E0 2 E0 e j 97 ☞ La modulation externe (MZM) Emetteurs optiques Interféromètres de Mach Zehnder… Effet électro-optique dans le LiNbO3 Tension appliquée sur l’un des bras Sur une longueur L v = c/[n+n(V)] (V) = (2/ ).n(V) (V) = (V).L V n(V) Variation de vitesse ↘ Déphasage (V,L) V L 98 ☞ La modulation externe (MZM) Emetteurs optiques Interféromètres de Mach Zehnder Effet électro-optique dans le LiNbO3 Résultante E0 E0 j V e 2 E0 2 E0 j e 2 - E0 2 Déphasage (V,L) V L 99 ☞ La modulation externe (MZM) Emetteurs optiques Interféromètres de Mach Zehnder Effet électro-optique dans le LiNbO3 V = V E0 E0 2 = E0 2 Opposition de phase E0 j e 2 E0 j e 2 Résultante nulle - Déphasage V L 100 Emetteurs optiques ☞ La modulation externe (MZM) Calcul de la fonction de transfert Pout/Pin d’un MZM E j t l 1 E 0e out 2 E j t l V L 2 E 0e out 2 Soit E0 j t l j V L E e 1 e out 2 E j t l j E 0e 1 e out 2 avec V L 2 E02 E * 1 e j 1 e j 0 2 e j e j P E E out out out 4 4 E02 1cos P out 2 1 P out P 1 cos in 2 Fonction de transfert 101 ☞ La modulation externe (MZM) Emetteurs optiques Expression de en fonction de V V L La tension V engendre le champ E = V/d qui par effet électro-optique engendre la variation d’indice n : Indice moyen n 1 rn 2 3 m V d 2nV L V d E Epaisseur de la zone active L Coeff. Électro-optique On a donc 3 rnm VL d On peut exprimer la tension de commande V du modulateur pour laquelle = Pout 1 Pin 2 1 cos V Pout 1 Pin 2 1 cos V d rn3 L m V 102 ☞ La modulation externe (MZM) Emetteurs optiques Fonction de transfert optique : Pout V 1 Pin 2 1 cos V 1 V - 3V -V 0 V 3 V LiNb03 : r = 30.8 pm/V (pour une polarisation donnée de la lumière dans le cristal) nm = 2.2 Valeur typique de V : L=10 mm; d=10 µm V = 4.7 V 103 ☞ La modulation externe (MZM) Emetteurs optiques Modulation d’un MZ Point de polarisation @ V 2 1 -V V 0 2 Electrique Optique V V En phase 104 Emetteurs optiques ☞ La modulation externe (MZM) Modulation d’un MZ Point de polarisation @ Vπ 2 -V 1 0 Optique V 2 V V En opposition de phase Electrique 105 ☞ La modulation externe (MZM) Emetteurs optiques Disposition des électrodes de commande Electrode de masse Vue en coupe Electrode chaude Electrode de masse Si02 (couche tampon pour réduire les pertes optiques) LiNbO3 (substrat) Lignes de champ verticales V Régime statique du MZM : V = cte 106 ☞ La modulation externe (MZM) Emetteurs optiques Mise en œuvre d’un MZM Régime dynamique (exple modulation numérique d’amplitude) Porteuse optique Porteuse modulée T de polarisation Vpol vmod Données P1 Ppol Point de polarisation Vpol 50 Popt Zone linéaire de fonctionnement P0 V1 V Commande électrique 107 ☞ La modulation externe (MZM) Emetteurs optiques Pout 1 1 1 cos V Pin 2 V V -2 V -V 0 V 2 V Dérive Avec le temps, la fonction de transfert d’un MZM se déphase. Un asservissement du point de polarisation du MZM est donc nécessaire. 108 Emetteurs optiques ☞ La modulation externe (MZM) MZM, points à retenir : ▪ Commandé en tension ▪ Tensions de commande : V 4,5 V ▪ Fréquence de modulation : des MZM commerciaux de bande passante 40 GHz (utilisables pour le 40 Gbit/s) ▪ Pertes d’insertion 3-5 dB ▪ Dérive de le fct° de transfert ▪ Sensibles à la polarisation ▪ Dimensions : typiquement 10 mm ▪ Composants très robustes 109 Emetteurs optiques ☞ La modulation externe (MZM) 110 111 Reference: JDS Uniphase 112 Reference: JDS Uniphase 113 Reference: JDS Uniphase Reference: JDS Uniphase 114 Emetteurs optiques ☞ La modulation externe (MEA) Les modulateurs électro-absorbants (MEA) L’électro-absorption: Les modulateurs électro-absorbants utilisent le phénomène d'électro-absorption qui consiste en la variation de l’absorption dans un semi-conducteur en fonction du champ électrique appliqué. Structure d’un modulateur électro-absorbant : Un matériau semi-conducteur électro-absorbant (InGaAsP…) est inclus dans la région intrinsèque d’une diode « pin» qui possède en plus une structure de guide d’onde. Le semi-conducteur utilisé est l’InP (même techno. que pour les lasers) ~2 µm ~100 µm p-InP InGaAsP MQW n-InP Zone guidante & électro-absorbante n-InP substrat 115 Emetteurs optiques Tension appliquée nulle Photon d’énergie E = hc/ E ☞ La modulation externe (MEA) Tension appliquée V<0 V0 P Champ E I N Déformation de la bande interdite Egg E’ E Eg E<Eg le photon traverse le guide En appliquant une tension < 0 on absorbe la lumière Ceci est vrai pour une donnée L’ du photon est > E’g ⇒ Absorption du photon & génération d’un e- Modulation de la lumière n’est possible que dans une très faible page de 116 ☞ La modulation externe (MEA) Emetteurs optiques Absorption vs Absorption Transmission vs V pour différentes Pas de polarisation Polarisation inverse signal Commandé en tension inverse 117 ☞ La modulation externe (MEA) Emetteurs optiques Transmission vs V PdBm -12 -14 -16 -18 P2 -20 P0 -22 P1 -24 V -4 -3 -2 -1 0 1 Taux d’extinction 10 dB * Taux d’extinction (dB) (Pmax/Pmin)dB 118 Emetteurs optiques ☞ La modulation externe (MEA) MEA, points à retenir : ▪ Commandé en tension inverse ▪ Tensions de commande : 2,5 V (Vpp) ▪ Fréquence de modulation : des MEA commerciaux de bande passante 40 GHz (utilisables pour le 40 Gbit/s) ▪ Pertes d’insertion 10 dB ▪ Régulés en T° ▪ Dimensions : typiquement 50-200 µm ▪ Intégrables avec des lasers ▪ Sensibles à la Théoriquement, les MEA ne sont pas sensibles à la polarisation 119 Emetteurs optiques ☞ La modulation externe (MEA) Bande passante 10 GHz Tension de commande crête à crête Pertes d’insertion 10 dB Insensible à la polarisation 120 Emetteurs optiques ☞ La modulation externe (MEA) Tension de commande inverse MEA régulé en T° 121 ☞ La modulation externe (MEA) Emetteurs optiques v t Vpol<0 DC Isolateur optique Métallisation Métallisation Lentille à gradient d’indice p+ InGaAsP p-InP p-InP InGaAsP n-InP Métallisation n-InP Substrat n+-InP Thermistance Module Peltier 400 µm Laser DFB 70-100 µm Guide MEA Contrôle en température 122 Emetteurs optiques ☞ La modulation externe (MEA) 123 Emetteurs optiques ☞ La modulation externe (MEA) 124 Emetteurs optiques ☞ La modulation externe (MEA) Longueur d’onde Vpp = 2,6 V Puissance optique de sortie Taux d’extinction Caractéristiques hyperfréquence Bande passante à -3 dB (indique la limite de freq de modulation) 125 Emetteurs optiques ☞ La modulation externe (Drivers) 126 Emetteurs optiques ☞ La modulation externe (Drivers) Paramètres S Coeff. de réflexion S11 Coeff. de transmission S21 127 ☞ Synthèse Emission optique Modulation directe Jusqu’à qq GHz Syst. 2,5 Gbit/s Modulation externe MZM Liaisons sous marines Syst. 10 et 40 Gbit/s DFB-MEA intégrés Liaisons terrestres Syst. 10 et 40 Gbit/s Le chirp des MEA limite la longueur des liaisons (syst. terrestres) DFB-MEA intégrés plus économiques que DFB + MZM 128 129 Récepteurs optique Système de transmission numérique par fibre optique Emetteurs Données 1 2 ☞☞ Les Modulation donnéestransmis transmises directe ☞ Signaux ☞ Récepteurs ☞ Le support propagation ☞ Modulation ☞ Lade SDH externe … 3 4 3 Données 4 Données Fibre 3 Multiplexeur Données … Amplificateur Données 1 2 Canaux WDM … Données Récepteurs Demultiplexeur insertion extraction d’une voie (longueur d’onde) 130 Récepteurs optique ☞ Module de réception Module de réception Données Impulsions optiques Popt I Front end t 1 1 0 1 0 0 1 Preamplificateur Linear channel Amplificateur Mise en forme des données t Circuit de décision 1 1 0 1 0 0 1 Filtre Photodiode Contrôle automatique de gain Récupération d’horloge 131 Récepteurs optique Comment les erreurs sont commises… ☞ Module de réception 1 1 0 1 0 Emission t Echantillonnage Comparaison à un seuil Réception t 0 1 1 1 0 Décision t Transitions du canal 132 Récepteurs optique ☞ Photodiodes photodiodes PIN photodiode & photodiode à avalanche (APD) • • • Principe: - Illumination d’une jonction polarisée en inverse - L’essentiel de la lumière est absorbé dans la région de déplétion - Ceci génère des paires electron-trou Structure d’une jonction PIN de base et circuit de polarisation RD : Réponse (A/W) Anneau de contact Type-n Popt Iph = RD Popt RL ou rendement… V=RL Iph Région de dépletion Type-p Vpol 133 Récepteurs optique ☞ Photodiodes PIN Photodiodes PIN Jonctions PIN polarisées en inverse ( -5V) Photocourant Illumination Génération de charges Vpol Réponse 0,8 A/W RL • P opt p Zone de déplétion Iphot i n Anneau de contact p-InP InGaAs n-InP InGaAs sensible aux longueurs d’ondes dans la plage 1 - 1.6 µm Scanning electron microscope (SEM) photograph Reference: Discovery Semiconductors 134 Reference: Discovery Semiconductor 135 Reference: Discovery Semiconductor 136 Récepteurs optique ☞ Photodiodes PIN ☞ Caractérisation de la réponse en fréquence d’une photodiode Vpol f c 2 1 2 1 f = |f2- f1| f1 I f2 E Ae j2 f1t Ae j2 f2t Ae j2 f1t 1 e j2 ft I EE* Ae j2 f1t 1 e j2 ft Ae j2 f1t 1 e j2ft I EE* A2 1 e j2 ft e j2ft 1 I 2A2 1 cos 2ft i var 2A2 cos 2ft 137 Récepteurs optiques ☞ Photodiodes PIN ☞ Caractérisation de la réponse en fréquence d’une photodiode Rampe de courant I, Balayage en f c 2 1 2 f 1 Laser DBR 3 0 DUT -3 Vpol Laser DBR -6 -9 Popt = cte 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Analyseur de spectre électrique Iphot 138 Récepteurs optique ☞ Photodiodes APD une seconde couche p-layer pour une deuxième génération de paires electron-trou par ionisation par impact Plus grande sensibilité mais requière de plus grandes tensions (inverses) de polarisation M: Facteur de multiplication Iph = M RD Popt Popt RL V=RL Iph p-InP InGaAs p-InP Multiplication layer n-InP ! Le mécanisme de gain d’avalanche est un processus bruyant Responsivité totale: M RD Vbias Le facteur d’excès de bruit FAPD doit être pris en compte 139 Récepteurs optique ☞ Architecture du front end • Front end haute impédance Photodiode Vbias RL Iph Vin Iph Amplifier RL Amplificateur CA RA Vout CD : capacité de la Charge résistance & amplificateur CA, RA: impédances d’entrée de l’amplificateur photodiode Haute valeur de Vin Haute valeur de RL CD Résistance de charge Circuit équivalent Haute sensibilité Faible bruit Inconvénient: Faible bande passante BW R RLR A RL R A 1 2RC C=CD+CA 140 • Front end transimpédance Iph Rf Photodiode Rf Iph Vbias Iph 0V Résistance équivalente Amplificateur -Av CD -Av Vout - Rf Iph CA RA CA, RA: impédances d’entrée de l’amplificateur Résistance de contre réaction & amplificateur (fort gain, haute impédance d’entrée) Circuit équivalent Forte résistance de contre réaction Faible résistance équivalente Rf 1 AV Faible bruit Grande bande passante 141 Reference: JDS Uniphase 142 Reference: JDS Uniphase 143 Récepteurs optique ☞ Sources de bruit Circuit équivalent d’un récepteur transimpedance Effet de la résistance de contre réaction Photodiode is ish Amplificateur -Av CD Signal Bruit quantique Rf 1 AV ith Bruit thermique CA RA Filtre passe bas iA (non bruyant) Bruit de l’amplificateur 144 Bruit quantique Dû à un processus aléatoire d’absorption de photons (Statistique poissonnienne) Densité quadratique moyenne de courant de bruit quantique Pour les photodiodes PIN : iq2 2 q R D Popt f Charge de l’électron Résponse de la Photodiode Rque: La valeur exacte est Photocourant moyen Bande équivalente de bruit du récepteur iq2 2 q (R D Popt Idark ) f Mais le courant d’obscurité est souvent négligé 145 Pour les photodiodes APD : Photocourant moyen : Iph= M RD Popt (M : Facteur de multiplication) Ionization par impact 2nd processus de bruit quantique Facteur d’excès de bruit F(M) Finalement, la densité quadratique moyenne de courant de bruit quantique d’une APD est donnée par : 2 ish 2 q R D Popt M2 F(M) f F(M) M x avec x dépendant du matériau x 0,3 0,7 pour l’InGaAs 146 Bruit thermique Dû à au mvt des electrons dans les resistances en fct° de la température 2 i th 4 kB T f Rf kB : Constante de Boltzmann (kB=1.38 10-23 J/°K) T: Température (K) Bruit de l’amplificateur Modélisé par une source de courant de bruit à l’entrée de l’amplificateur 2 2 dA : Densité spectrale de courant de bruit ramenée en entrée i a d A f de l’amplificateur (en pA / Hz ) 147 Rapport signal sur bruit 2 isignal S Puissance du signal electrique 2 N Puissance du bruit electrique i total bruit 2 (M R D Popt ) S N 4 kB T 2 x 2 2 q M R D Popt d A f Rf Toutes les sources sont considérées comme Gaussiennes et non corrélées, ainsi leurs puissances peuvent être additionnées pour calculer la puissance de bruit totale 148 Amplification optique Système de transmission numérique par fibre optique Emetteurs Données Récepteurs ☞ L’amplification 1 2 … 3 4 3 Multiplexeur 3 Données 4 Données Fibre Amplificateur Données Données 2 Canaux WDM … Données 1 Demultiplexeur insertion extraction d’une voie (longueur d’onde) 149 Amplification optique Emetteur (Tx) Amplification de puissance 3 EDFA Modulateur Isolateur Booster Fibre EDFA 100 km Amplification en ligne EDFA Récepteur (Rx) Amplification de puissance Pré-amplificateur optique Préampli. Ampli. Récupération d’horloge 150 Amplification optique 151 Amplification optique 152 Amplification optique 153 154 Le multiplexage en longueur d’onde Système de transmission numérique par fibre optique Emetteurs Données 1 2 ☞ Le multiplexage en longueur d’onde (WDM) 3 4 3 Données 4 Données Fibre 3 Multiplexeur Données … Amplificateur Données 1 2 Canaux WDM … Données Récepteurs Demultiplexeur insertion extraction d’une voie (longueur d’onde) 155 Le multiplexage en longueur d’onde (WDM) Multiplexage temporel WDM : Wavelength Division Multiplexing D-WDM : WDM STM-16/64/256 t U-DWDM : Ultra Dense WDM t t TM Multiplexage en longueur d’onde t t Modulateur Modulateur Multiplexeur (MUX) 156 Le multiplexage en longueur d’onde Les longueurs d’ondes Peigne ITUutilisables dans les systèmes de transmission numériques par fibres optiques sont normalisées par l’ITU-T. En pratique les canaux sont espacés de 100 GHz ou 50 GHz Etc. 157 Le multiplexage en longueur d’onde Arrayed Waveguide grating Typiquement l’espacement entre canaux WDM est de 100 GHz MUX DEMUX Un multiplexeur insère dans une seule fibre plusieurs longueurs d’ondes issues de fibres différentes Un démultiplexeur sépare sur plusieurs fibres les longueurs d’onde transportées par une même fibre. 158 Le multiplexage en longueur d’onde Arrayed Waveguide grating Les MUX et DEMUX peuvent être basés sur des AWG Réseaux de guides optiques réalisés sur substrat de silice Fonctionnement symétrique longueurs angles Interférences Constructives et destructives Recombinaison des sur bras de sortie 159 Le multiplexage en longueur d’onde 160 Le multiplexage en longueur d’onde 161 Le multiplexage en longueur d’onde 162 Le multiplexage en longueur d’onde 163 Le multiplexage en longueur d’onde ☞ Caractérisation d’un AWG Rampe de courant I, Balayage en Transmission dB Laser DBR 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -3 dB 1542 BP-3dB 50 GHz 1545 nm 50 GHz AWG Analyseur de spectre optique 164 Le multiplexage en longueur d’onde 165 Le multiplexage en longueur d’onde ☞ Réseaux de Bragg L y nm+n1 nm ext int = n1 ex x Longueur d’onde de Bragg B (longueur d’onde pour laquelle le coefficient de réflexion du réseau est maximum) B = 2nm L cos =0 B = 2nm L 166 Le multiplexage en longueur d’onde ☞ Réseaux de Bragg y L nm+n1 nm n1 L x Rmax 99% (dans cet exple) 1 Réflectivité 0,8 Transmission 0,6 Rmax & fct(L, n1) 0,4 B = 2nm L Réflection 0,2 0 1549,5 B 1549,7 1549,9 1550,1 nm 1550,3 1550,5 167 Le multiplexage en longueur d’onde ☞ Réseaux de Bragg Faisceau UV Fibre optique Masque de phase Ordre -1 Ordre +1 168 Le multiplexage en longueur d’onde Signal incident ☞ Réseaux de Bragg Signal transmis Signal réfléchi Coefficient de réflexion Coefficient de transmission 169 Le multiplexage en longueur d’onde Multiplexeur à insertion extraction Optical add drop multiplexer (OADM) Insère ou extrait un canal d’un multiplex 1 i n Réseau de Bragg centré sur i Circulateur i i Extraction de i Circulateur 1 i n i i Insertion de i 170 Récepteurs optique Système de transmission numérique par fibre optique Emetteurs Données Récepteurs 1 2 1 Demultiplexeur Canaux WDM 3 4 3 Données 4 Données Fibre Amplificateur Données 2 … … Données Données 3 Multiplexeur insertion extraction d’une voie (longueur d’onde) La compensation de dispersion 171 Compensation de dispersion chromatique Photo-détecteur Laser 2 D 2 f 2 L i f , L cos 4 c Modulateur Courant photo-détecté Spectre électrique à l’émission Spectre électrique photodétecté dBm 0 -5 Effet de la dispersion chromatique sur le spectre photo-détecté -10 -15 -20 -25 -30 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 GHz 172 Compensation de dispersion chromatique Circulateur Laser Réseau de Bragg Modulateur Fibre monomode standard Lmin Photodiode Lmax Bmax =2 nmLmax L Bmin =2 nmLmin tot LBragg Bragg inf Retard causé par la dispersion chromatique Dans une fibre de longueur L donnée. fibre sup min max LBragg est calculée de façon à compenser la dispersion chromatique dans une fibre de longueur L. 173 Compensation de dispersion chromatique 174 Compensation de dispersion chromatique 175 Compensation de dispersion chromatique Compensation de dispersion pour un canal WDM normalisé par l’ITU-T 176 Exemples de Systèmes sous marins 177 Exemples de Systèmes sous marins 1995-96 TAT-12/13 (2 x 5 Gbit/s = 10 Gbit/s) (First TAT Loop) 1998 TAT 12/13 augmenté (WDM) to (2 x 3 x 5 Gbit/s = 30 Gbit/s) 1998 SEA-ME-WE 3 (2 x 4 x 2.5 Gbit/s = 20 Gbit/s), Optical Add-Drop 1999 SEA-ME-WE 3 augmenté (2 x 8 x 2.5 Gbit/s = 40 Gbit/s) 2001 TAT 14 (4 x 16 x 10 Gbit/s = 640 Gbit/s), Loop 2003 SEA-ME-WE 3 augmenté (2 x 8 x 10 Gbit/s = 160 Gbit/s) 2 x 4 x 2.5 Gbit/s = 20 Gbit/s 2 fibres transportant chacune 4 avec un débit de 2.5 Gbit/s par 178 Exemples de Systèmes sous marins 1995-96 TAT-12/13 (2 x 5 Gbit/s = 10 Gbit/s) (First TAT Loop) 1998 TAT 12/13 upgraded (WDM) to (2 x 3 x 5 Gbit/s = 30 Gbit/s) 1998 SEA-ME-WE 3 (2 x 4 x 2.5 Gbit/s = 20 Gbit/s), Optical Add-Drop 1999 SEA-ME-WE 3 upgraded (2 x 8 x 2.5 Gbit/s = 40 Gbit/s) 2001 TAT 14 (4 x 16 x 10 Gbit/s = 640 Gbit/s), Loop 2003 SEA-ME-WE 3 upgraded (2 x 8 x 10 Gbit/s = 160 Gbit/s) 2005 SEA-ME-WE 4 (2 x 64 x 10 Gbit/s = 1.28 Tbit/s ; 20.000 km) 179 Exemples de Systèmes sous marins SEA-ME-WE 4 : - Mis en fonctionnement en fin 2005 : - Capacité : 2 x 64 x 10 Gbit/s = 1.28 Tbit/s - Longueur : 20.000 km - 14 pays reliés - 16 points d’atterrissage - Exploité par 16 opérateurs Système livré par Alcatel(-Lucent) Fujitsu Rq. : Ce système a défrayé la chronique en 2008 en raison de ruptures de câbles. 180 181 182 Les systèmes hybrides optique/microondes ☞ Contexte Réseaux de transport et de distribution Liaison 2,5 Gbit/s continentale Anneau métropolitain 2,5-10 Gbit/s sous-marine Accès Liaison Distribution 2,5-10-40 Gbit/s Abonné 183 Les systèmes hybrides optique/microondes ☞ Contexte Réseaux d’accès / boucle locale Réseau d’accès = derniers km vers l’abonné Services haut débit pour le grand public Enjeu Internet haut débit, vidéo à la demande télévision haute définition + télephonie Jusqu’à 50 Mbit/s par abonné Abonné 184 Les systèmes hybrides optique/microondes ☞ Contexte Technologies pour le réseau d’accès Solution Ligne téléphonique Débit Coût xDSL FTTH Fibre Nœud d’accès de distribution HFC Fibre Câble HFR Fibre Liaison hertzienne microonde Hybride Fibre Radio 185 Les systèmes hybrides optique/microondes Atouts des liaisons optique/microonde Station de base Station centrale Débit important Déploiement Progressif Rapide Reconfigurable La technologie cellulaire permet d’envisager des communications fixes ou mobiles Coût supportable 186 Les systèmes hybrides optique/microondes ☞ Applications Quelques applications des liaisons optique/microondes (concernant des communications fixes) Le débit dépend de la bande de fréquence … Station centrale 60 GHz Cellules qq m2 MVDS 40-42,5 GHz 26 GHz Zones à moyenne densité de population cellules < 1 km 25-50 Mbit/s < 25 Mbit/s < 2 Mbit/s 2 Mbit/s Cellules urbaines < 2,5 km 187 Les systèmes hybrides optique/microondes ☞ Architectures La bande de base sur fibre Station centrale Données Station de base Bande de base sur fibre optique OL fm-FI fm Modulateur FI PD Laser fm Spectre électrique Simple Complexe 0 FI fm f 188 Les systèmes hybrides optique/microondes ☞ Architectures La FI sur fibre Station centrale FI Données Mod Station de base FI sur fibre optique OL fm-FI fm FI PD Laser Simple FI fm Complexe Spectre électrique 0 FI fm f 189 Les systèmes hybrides optique/microondes ☞ Architectures La radio sur fibre Station centrale OL FI Données fm Radio sur fibre optique Mod Station de base fm fm fm Modulateur PD Laser Complexe Spectre électrique 0 Simple fm f 190
