ENST Bretagne – Troisième année – Module CMS 303
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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 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. 1 Tbit/s 1 Tbit/s détection émission démultiplexage multiplexage commutation optique électronique Fig. 2 – Commutateur O.E.O .* 2 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-optique1 » 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 Electro-optique Electro-optique Electro-optique Thermo-optique Mécano-optique EXEMPLE Guides d’onde Cristaux liquides Holographie Bulles M.E.M.S Fig. 3 – Cinq technologies de commutation optique. § 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 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. « 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. 1 3 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 cidessous [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]. 4 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. 5 Fig. 8 – Un micro-miroir (Lucent). Diamètre: 0.5 mm. III – PERFORMANCES COMPAREES Diverses caractéristiques sont à prendre en compte pour l’étude des performances des commutateurs optiques : nombre d’entrées/sorties, vitesse de commutation, type de commutation (de canal, de paquets, de bit), consommation mais aussi coût, bande passante, pertes d’insertions, maturité technologique, diaphotie*. Ces paramètres permettent de classifier les diverses technologies possibles comme dans le tableau suivant [2]. Fig. 9 - Performances des technologies candidates. Nous nous bornons à donner les avantages et inconvénients des technologies présentées au paragraphe II. 2.1 – Cristaux liquides Avantages [1] - durée de vie (il n’y a aucune pièce en mouvement) [1]; - maturité technologique [1]. Inconvénients - stabilité en température [1] ; - les commutateurs sont de petite taille car « le nombre de ports de ce type de commutateurs est assez réduit » [3]. 2.2 – Holographie Avantages (d’après Martinez [3] qui se réfère au produit de Trellis Photonics). - temps de commutation très réduit de l’ordre de 10 ns ; - il est possible de réaliser des commutateurs de grande taille (par exemple 240x240) ; Inconvénient : le coût. 2.3 – Bulles Avantages - maturité technologique (« Mike Jamgochian, chef de produit senior pour l’OXC* CrossLight d’Alcatel, dit que son entreprise a choisi la technologie à bulles d’Agilent de préférence aux M.E.M.S pour des raisons de time-to-market »[5]) ; - commutateurs de grande taille. 6 Inconvénient : la consommation. 2.4 – M.E.M.S Avantages - commutateurs de grande tailles ; le produit le plus mature est 16x16 (OMM, firme américaine travaillant pour Alcatel ou Siemens), mais l’offre est centrée sur les tailles 4x4,8x8,64x64 (Onix, US). On annonce au maximum 400x400 (Movaz Networks Inc., US) [1] ; - bonne vitesse de commutation (de l’ordre de la milliseconde) ; Inconvénients - coût élevé :125 k$ pour un 16x16 de Agere [1]; - existence de diaphotie* entre les micro-miroirs ; - consommation élevée. Fig. 10 – Principe d’une matrice de commutation 3D (OXC*) en technologie MEMS [1]. IV – COMMUTATEURS OPTIQUES COMMERCIALISES Chaque commutateur optique est constitué de N voies d’entrée et M voies de sortie (exemple pour N =M= 3) : Fig 11 - Un commutateur à 3 entrées et 3 sorties. EXEMPLE 1 : N =1 , M = 2 . 7 Fabricant : O/E Land Inc. (Québec) [ Famille : commutateur électro-optique Description : ce commutateur optique à fibre optique à haute vitesse déplace la fibre à l'aide de courant pulsé ou DC pour atteindre une vitesse élevée de commutation et utilise des aimants pour garder la fibre en position. Le commutateur optique 1x2 peut être utilisé comme unité de base pour construire des commutateurs optiques jusqu'à 1x 4, 1x 8, 1x 16, etc Fig. 12 – commutateur électro-optique de O/E Land Spécifications : - Perte d'insertion ( max = 0.5dB , typ. = 0.35dB, min = 0.2dB ) Longueur d'onde d'application 1330nm 1550nm Type de fibre : fibre à mode simple ou autre type de fibres Perte dépendant de la polarisation : < 0.05 dB . Perte de retour : > 50dB . Seuil de passage : > 55dB . Vitesse de commutation : < 10ms Température de fonctionnement : 0 °C ~ + 70 °C Voltage électrique +5v , Courant électrique < 50 ma . EXEMPLE 2 : N = 1 , M = 9 . Fabricant : Sentronic [9] Famille : commutateur acousto-optique 8 Description : commutateur à fibres F-SM19. C’est un commutateur à fibres optiques mode multiple 1 x 9 voies. Il convient pour de multiples applications en spectroscopie. C'est par une commande piezzo-électrique que chaque fibre (fibre de verre d'entrée) est couplée à l'une des 9 fibres de sortie. On peut alors raccorder une voie de référence pour des mesures éventuelles en absorption ou en réflexion sans modifier la configuration du commutateur. Fig. 13 – Commutateur acousto-optique de Sentronic Spécifications : - Diamètre interne fibre optique : 100 - 200 µm (autres sur demande ) - Diaphonie : - 60 dB (max) , - 65 dB (typique) - Temps de commutation : 3 ms (max) , 2 ms (typique) - Tension de service = 5 V (500 mA) - Plage de température de service = 0 °C - 50°C . Et avant de conclure il convient bien entendu de citer le commutateurs MEMS WaveStar LambdaRouter de Lucent Technologies, le commutateur thermo-optique à bulles CrossLigth d’Agilent (tous deux plusieurs fois mentionnés ci-dessus) ainsi que le commutateur électrooptique d’EOSpace Inc. Fig. 14 – L’une des matrices de 256 miroirs du WaveStar LambdaRouter (Lucent). 9 CONCLUSION Le marché des commutateurs optiques est en plein essort et il n’est toujours pas facile de deviner laquelle des technologies ci-dessus l’emportera. Les M.E.M.S. , et les bulles [5] ou les cristaux liquides [4] (selon les sources) font figure de favori. En considérant la carte ci-dessous [1] on remarque que les constructeurs sont nombreux en Europe. Parmi les constructeurs français, nombreux également, se trouve Optogone entreprise située à proximité de l’E.N.S.T. de Bretagne et spécialisée dans la technologie à cristaux liquides. Si l’on se tourne vers les Etats-Unis le marché est également très prometteur. D’après certaines prévisions le marché total pourrait être de 1029 millions de dollars en 2005 et c’est sans doute les MEMS qui alimenteront principalement ce marché (presque 600 M$ attendus) [1]. 10 LEXIQUE BRASSAGE OPTIQUE : le brassage optique consiste à mélanger dans un multiplex optique des signaux provenant de fibres différentes. Avec le multiplexage en longueur d’onde, les nœuds de réseau deviennent naturellement des centres d'aiguillage où les différentes longueurs d'onde transportées sur une fibre sont orientées vers leurs fibres de destination respectives. Les fonctions de réseau réalisées par l'aiguillage optique peuvent être classées en fonction du niveau d'aiguillage : - la répartition de fibre (ou de canal) consiste à aiguiller n'importe quel multiplex optique entrant vers un multiplex (ou un canal) de sortie, - l'insertion,extraction est un cas particulier de brassage consistant à extraire ou insérer, en un point d'une liaison, un ou plusieurs signaux affluents. Cette fonction est particulièrement appliquée aux réseaux en boucle, La fréquence et la vitesse de reconfiguration de la machine d'aiguillage sont deux paramètres critiques pour analyser les différentes machines d'aiguillage. - la commutation lente (correspondant à une vitesse de reconfiguration supérieure à 1 ms), où la configuration d'aiguillage peut être gérée par un gestionnaire de réseau centralisé ; - - la commutation rapide (< 10 ns), où le nœud d'aiguillage se configure au rythme des trames ou paquets. COMMUTATEUR OPTIQUE : dispositif permettant aux signaux des fibres optiques d’être transférés de façon sélective d’un port d’entrée (ou canal) vers le port de sortie désiré. Fonctionnement de base du commutateur : le commutateur optique a la particularité qu'il n'est pas possible d'y stocker de l'information. Donc quand il se présente une trame à l'entrée, il faut tout de suite décider de l'acheminer sur une sortie. Soit donc une trame qui se présente à l'entrée du commutateur, deux cas peuvent se produire: 1- soit la voie de sortie correspondant à la destination de la trame est libre; la trame est alors aiguillée vers cette sortie; la voie de sortie restera occupée le temps nécessaire pour transmettre la trame au débit de 100Mbits/s. On négligera le temps qu'il faut à la trame pour traverser le commutateur ; autrement dit, un bit qui se présente à l'entrée se retrouve instantanément à la sortie. 2-soit cette voie est occupée par une autre trame , alors une nouvelle destination est choisie au hasard parmi les voies libres. On est en effet sûr qu'il y a au moins une voie de libre à ce moment-là. Ce changement forcé de destination se nomme déflexion. COMMUTATION OPTIQUE : Pour la commutation optique , on peut distinguer trois types de commutation : 1 - OOO : au cœur du système, c’est une commutation en longueur d’onde ; 2- OEO : le signal optique est converti en signal électronique pour commutation ; 11 3 - OEOEO : C’est le système le plus complexe avec une interface de conversion optique/électronique/optique en entrée et sortie du système. Mais la commutation se fait en longueur d’onde. COUCHE OPTIQUE : expression communément utilisée pour se référer à des longueurs d’ondes spécifiques ou à des canaux d’un réseau DWDM (multiplexage spectral dense) où chaque longueur d’onde sert comme la porteuse d’un train de données encodé dans le signal optique. DIAPHOTIE La diaphotie est l’équivalent en optique de la diaphonie dans les systèmes RF. MULTIPLEXEUR : dispositif regroupant différents signaux, généralement à des longueurs d’onde différentes, dans un signal composite pour les introduire dans une seule fibre (ou canal de transmission). OXC « Les OXC (Optical Cross Connect) sont des ensemblages de commutateurs réunis pour former une matrice NxN. Aujourd’hui, la commutation se fait par longueur d’onde. A terme, les OXC évolueront vers de la commutation par paquet nécessitant un temps de commutation de l’ordre de la nanoseconde » [1]. REPARTITEUR OPTIQUE : généralement, commutateur optique à multiples ports (canaux) à l’entrée et à la sortie ; un répartiteur permet d’aiguiller n’importe quel signal d’entrée vers un port de la sortie ; on parle aussi de routeur lambda. 12 BIBLIOGRAPHIE [1] « Problématique de la technologie optoélectronique et de son emploi dans les différents domaines d’applications », étude de Yole Développement, en collaboration avec Thales Airborne Systems pour le ministère de l'Economie, des finances et de l'industrie, juin 2002, http://www.telecom.gouv.fr/documents/etu_accueil.htm [2] ESTIBALS B., Conception, Réalisation et Caractérisation d'un micro-miroir à déflexion localisée appliqué aux Télécommunications Optiques, Doctorat de l'Institut National Polytechnique de Toulouse, déc. 2002, http://www.laas.fr/~bestibal/Biblio/Publi.html [3] MARTINEZ S., « Conception de commutateurs micro-usinés sur silicium pour les réseaux tout-optiques, doctorat de l’Institut National Polytechnique de Grenoble, chap. 2 pp. 25-47, mai 2002, http://tima.imag.fr/publications/files/th/dsm_175.pdf [4] BOUGRENET DE LA TOCNAYE J.-L. de, Liquid crystal-based optical spaces switches for DWDM Networks, ENST de Bretagne, Département optique, http://anini.colorado.edu/telecom/DeBougrenet.pdf [5] ILER D., Mirrors, bubble lead race to pure optical switching, CED Magazine, Septembre 2000, http://www.cedmagazine.com/ced/0009/9003.htm [6] A la découverte du Wave LambdaRouter de http://france.lucent.fr/presse/dossiers/pdf/Lambdarouter.pdf Lucent [7] « Communications optiques », Pour la science, n°304, février 2003, p. 92. [8] O/E Land Inc., www.o-eland.com/fr/passive/other/switch.htm [9] Sentronic, voir http://www.getspec.com 13 Technologies,
