ENST Bretagne – Troisième année – Module CMS 303

ENST Bretagne – Troisième année – Module CMS 303
Année 2003-2004
COMMUTATION ET BRASSAGE OPTIQUE
Fig. 1 – Un commutateur optique à M.E.M.S. (Nortel)
Les taux de transmissions de données ne cessant d’augmenter sur les fibres optiques
(WDM) il devient de plus en plus intéressant (nécessaire) de commuter les flux de données
optiques (pour éviter détection, démultiplexage, commutateurs électroniques très haute
vitesse, remultiplexage : très cher et forte consommation d’énergie et d’espace).
- Identifier et expliquer le besoin de commutation optique ;
- comprendre les différentes façons d’effectuer la commutation optique entre fibres ;
- identifier les paramètres importants(vitesse de commutation, pertes,diaphotie, fan-out) ;
- comparer les premières solutions commercialisées en termes de ces paramètres.
Jean-Philippe Allamandy
Tahar Mecheri
Encadrant : Kevin Heggarty

2
Commutation et brassage* optique sont des enjeux technologiques majeurs liés aux
télécommunications sur fibres optiques. Celles-ci ont connu un développement rapide
grâce à la mise en œuvre de technologies de pointe comme le multiplexage en longueur
d’onde. Mais un réseau de télécommunications optique suppose non seulement des
solutions de transport sur fibres optiques, mais aussi des solutions d’interconnexion et de
routage des signaux vers leur destinataire. La commutation optique est donc un domaine
de recherche et de développement qui mérite notre intérêt. Il est en particulier important
de surveiller l’évolution des technologies dans ce domaine, de les comparer grâce à
certains critères et cela non seulement au niveau des laboratoires mais aussi dans le
commerce où l’on trouve d’ores et déjà des commutateurs optiques.
Ces considérations inspirent notre plan. Dans une première partie, nous
identifierons le besoin actuel de commutation optique à partir du contexte des
télécommunications sur fibres optiques des cinq ou dix dernières années.
Dans une seconde partie nous parcourrons l’éventail des technologies de
commutation optique faisant actuellement l’objet d’études de recherche et
développement.
Dans une troisième partie nous comparerons les caractéristiques des différents
systèmes possibles : nombre d’entrées/de sorties, pertes, coût, temps de commutation et
autres caractéristiques.
Dans une quatrième partie nous présenterons quelques commutateurs optiques
actuellement disponibles sur le marché.
N.B. Les termes désignés d’un (*) sont définis dans le lexique en fin de document.
I – LE BESOIN DE COMMUTATION OPTIQUE
« Aujourd’hui, le point faible des fibres optiques utilisées en électronique est la vitesse de
commutation. Pour atteindre sa destination, une donnée parcourt plusieurs segments de route, où
à chaque relais elle est redirigée dans la bonne direction. Dans un ordinateur classique, ces relais
effectuent l’opération plusieurs millions de milliards de fois par seconde. Leur analogue pour les
fibres optiques – une chaîne d’éléments constituée de détecteurs de lumière, de transmetteurs
électroniques et d’émetteurs – en accomplit seulement 100 fois moins » [7].
Il est vrai que dans un réseau optique le cœur des commutateurs reste souvent
électronique, comme on le voit sur la figure ci-dessous. Or les débits de transmission
rendus possibles par le multiplexage en longueur d’onde sont désormais de l’ordre du
Tbit/s. En effet, chaque longueur d’onde transmise sur fibre autorise un débit de l’ordre
du Gbit/s et il n’est pas rare de multiplexer plusieurs dizaines de longueurs d’onde sur
une seule fibre.
Fig. 2 – Commutateur O.E.O .*
1 Tbit/s
1 Tbit/s
détection
démultiplexage
commutation
multiplexage
émission
optique
électronique

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Pour un coût acceptable les commutateurs électroniques ne sont plus capables de
travailler à de telles fréquences et c’est ce besoin de commutation « tout-optique
1
» qui
suscite l’engouement des chercheurs et des opérateurs pour les commutateurs optiques.
Pour ces commutateurs optiques, un grand nombre de technologies sont actuellement à
l’étude.
II – LES TECHNOLOGIES CANDIDATES
Dans sa thèse soutenue en 2002 Martinez présente 6 grandes familles de
commutateurs optiques selon que ceux-ci sont électro-optiques, thermo-optiques,
acousto-optiques, magnéto-optiques, tout-optiques ou mécano-optiques [3]. Retenons
surtout les cinq exemples suivants :
FAMILLE
EXEMPLE
§
Electro-optique
Guides d’onde
2.1
Electro-optique
Cristaux liquides
2.2
Electro-optique
Holographie
2.3
Thermo-optique
Bulles
2.4
Mécano-optique
M.E.M.S
2.5
Fig. 3 – Cinq technologies de commutation optique.
2.1 - Guides d’onde.
« Ici le faisceau lumineux est transporté le long d’un guide en silice sur silicium ou
sur verre. La fonction de commutation peut être alors réalisée par un dispositif du type
interféromètre de Mach-Zender afin de rediriger le signal d’entrée sur l’une ou l’autre
des sorties » [1].
2.2 - Cristaux liquides.
Les cristaux liquides sont des matériaux qui ont une propriété intéressante pour la
commutation optique : leurs propriétés vis-à-vis de la lumière qui les traverse dépendent
de la tension qu’on leur applique. Une tension de commande permet en particulier de
défléchir le faisceau émergent et ce principe permet de construire des commutateurs.
Le système présenté ci-dessous par M. de Bougrenet [4] utilise une matrice de
cristaux liquides (L.C.) derrière laquelle un miroir a été disposé. L’entrée et la sortie se
font donc du même côté du système. Dans d’autres cas la matrice est traversée par le
faisceau lumineux sans qu’on utilise de miroir.
Au département optique de l’ENST de Bretagne des travaux de thèse actuellement
en cours visent à mettre au point des procédés de commutation optique par cristaux
liquides, en particulier à l’aide de nano-PDLC.
1
« A présent, le terme “réseau tout-optique” est utilisé pour référencer les réseaux où les signaux qui transportent
l’information restent dans le domaine optique depuis les ports émetteurs jusqu’aux ports récepteurs ,
indépendamment du type de contrôle utilisé pour la commutation. Ce sens de réseaux tout optiques [..] établit une
différence par rapport aux réseaux qui utilisent des commutateurs opto-électroniques. Dans le sens strict du
terme[..], un réseau tout-optique utilise des faisceaux optiques aussi bien pour le transport d’information que pour
le contrôle des commutateurs », Martinez [ 3], p.31.

4
Fig. 4 - Commutation optique à cristaux liquides.
2.3 – Holographie
« Certaines recherches sont également menées autour des technologies
holographiques pour la réalisation de matrices de commutation » [1]. La figure ci-
dessous [4] illustre l’utilisation possible d’hologrammes pour rediriger les faisceaux
lumineux.
Fig. 5 – Commutation optique à technologie holographique
2 .4 – Bulles
« La technique développée par Agilent Technologies utilise une combinaison de
deux technologies, le jet d’encre et des circuits à onde lumineuse plane (planar lightwave
circuit - PLC), pour rediriger la lumière sans s’aider de miroirs. Le commutateur
d’Agilent est composé de matrices verticales et horizontales de guides d’ondes fixes et
alignés. La lumière est transmise selon un trajet horizontal du port d’entrée au port de
sortie jusqu’à ce qu’un ordre de commutation soit envoyé. Sur ordre, une bulle est créée
à l’intersection des guides concernés et la lumière est réfléchie en bas selon un trajet
vertical jusqu’au port que l’on veut connecter. La bulle est formée en utilisant la même
technologie que dans les imprimantes à jet d’encre » [5].

5
Dans sa thèse [2] Estibals présente un dispositif qui illustre de façon très parlante le
principe ci-dessus même si le mécanisme de formation de la goutte d’huile est différent
de celui qui chez Agilent permet d’obtenir une bulle d’encre :
Fig. 6 – Commutateur à goutte d’huile.
2.5 - M.E.M.S. (Micro Electro-Mechanical Systems)
« De minuscules miroirs à commande micro-mécanique reçoivent chacun un
faisceau lumineux composé d’une ou plusieurs longueurs d’onde et le réfléchissent vers
une des 256 fibres de sortie, déterminée par leur inclinaison ». Dans le cas du Wave
LambdaRouter de Lucent Technologies les 256 miroirs tiennent sur un substrat de
silicium de moins de 10 cm² [6] .
Fig. 7 – Schéma de principe d’un commutateur à M.E.M.S.
Fig. 8 – Un micro-miroir
(Lucent). Diamètre: 0.5 mm.