munications, Composants optiques

Les composants optiques
ont ouvert, ouvrent et ouvriront
la voie aux systèmes WDM
E
Télécom-
munications,
Composants
optiques,
D-WDM.
par Philippe BREGI, Alcatel Optronics
L'innovation en matière de composants optiques permet la mise en
oeuvre de la technologie de multiplexage dense en longueur d'onde
(D-WDM) et par là l'augmentation des débits.
1. Introduction
La technologie de multiplexage dense en longueur d'onde
(D-WDM pour Dense Wavelength Division Multiplexing) a
permis aux opérateurs de réseaux longue distance de
répondre rapidement à la croissance soudaine du trafic liée
à l'explosion des besoins Internet (cf. figure 1).
Le facteur-clé du succès du WDM a été l'innovation en
termes de composants optiques ; c'est la disponibilité de
composants nouveaux tels que le laser multicolore ou l'am-
plificateur optique à fibre dopée qui a permis l'apparition,
puis la généralisation, des systèmes D-WDM dans tous les
réseaux longue distance, qu'ils soient terrestres ou sous-
marins.
L'innovation dans le domaine de l'optoélectronique se pour-
suit, et des composants nouveaux permettent à la technolo-
gie D-WDM de trouver de nouvelles applications, d'abord
dans les réseaux métropolitains, puis dans les réseaux de
distribution ou d'accès.
100-
90-
80 -+- Millions of
subscribers
60-
50
40
30
20-
10
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1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
1. Croissance du nombre d'abonnés internet.
A plus long terme, le multiplexage en longueur d'onde sera
utilisé, non seulement pour le transport de l'information, mais
aussi pour son traitement. Les composants permettant le rou-
tage ou la commutation optique existent en laboratoire ; ils
ouvriront demain au WDM la porte du réseau tout optique.
. Des composants optiques tels que les lasers multicolores ou
les amplificateurs à fibre dopée ont permis de passer en
quatre ans, sur les systèmes longue distance, de débits de
l'ordre du Gigabit/s au Terabit/s. avec la technologie D-WDM.
. Des composants optiques performants mais à un coût plus
faible peuvent être introduits au niveau des zones métropoli-
taines : des lasers modulateurs intégrés, des lasers forte
puissance, des amplificateurs compacts.
. Au niveau des réseaux d'entreprise, des réseaux hybrides
fibre-coax, des réseaux d'accès multiservices, il faut des
composants adaptés à chaque cas.
. Le prochain défi à relever sera de développer des compo-
sants permettant de brasser, répartir et de protéger optique-
ment les signaux.
SYNOPSI
. Over the past four years, the advent of optical components
such as tuneable tasers and doped fibre repeaters has made
possible long distance D-WDM networks with capacities
extending into the Terabit/s range.
. High performance low cost optical components, including
high-power lasers, compact repeaters and integrated laser
modulators, are now being introduced into metropolitan net-
works
. Local networks, multi-service networks and hybrid fibre-
coax networks ail require components designed to meet
their particular requirements.
. The next challenge will be the development of splitters,
cross-connect and optical signal protection systems.
REE
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A,,il 1999 1

LES TÉLÉCOMMUNICATIONS OPTIQUES HAUT DÉBIT
2. Les composants WDM pour les longues
distances
En 4 ans, les systèmes de transmission longue distance ont
évolué du Gigabit/s au Terabit/s, alors qu'il avait fallu 10
ans pour progresser de quelques centaines de Megabit/s à
quelques Gigabit/s (cf. figure 2). Cette accélération a été
rendue possible, non par des avancées techniques au niveau
des systèmes, mais par des percées technologiques au
niveau des composants.
Comme une liaison comprend des terminaux (émission et
réception) et des stations intermédiaires (répéteurs
optiques), des solutions innovantes étaient nécessaires, et
furent trouvées dans chacun de ces domaines.
10000000 1 280000
'Vs
1000000 Mb,t/s " 00
100000 M 80000 10000
10000 2488 5000 2411
113,1130
1000 280 565140
68
100 34 6.
10 I I I
11979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999
2. Evolutiort de la capacité des systèmes
de transmission optique.
2.1 Le composant émission
Le laser multicolore (cf. figure 3) émet, dans la fenêtre d'atté-
nuation la plus faible de la fibre, autour de 1550 nm, un
signal, modulé ou non, à une longueur d'onde précise, qui res-
tera stable à plus ou moins 0,1 nm près, dans le temps désiré
(15 ans pour des systèmes terrestres, 25 ans pour des systèmes
sous-marins) et en fonction des variations de températures
standards pour les télécommunications (de 0° à + 70°C).
1
3. Laser nililticoloi-e.
Ces lasers nécessitent une structure verticale à couches
actives faites de multipuits quantiques contraints (SL-
MQW) et une structure horizontale adaptée aux hautes per-
formances en température, telle la structure BRS (Buried
Ridge Stripe) présentée en figure 4.
La mise en oeuvre de ces structures nécessite des méthodes
d'épitaxie adaptées à la croissance de couches très fines ;
l'épitaxie à jet moléculaire permet de maîtriser des dépôts
de l'ordre de la dizaine d'Angstrôm.
1
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Pro
ii : : :/
Pro
Strained multi a
DFB Grating
Proton Implantation
Strained multi quantum well
active layer
4. Structure BRS.
L'espacement entre signaux transmis par 2 lasers est actuel-
lement normalisé par l'ITU-T à 50 GHz soit 0,4 nm. Les
systèmes D-WDM dép) oyés jusqu'à présent utilisent la
bande C, 1530-1570 nm. Une modification relativement
simple des couches actives du laser permet maintenant aux
fabricants de proposer des lasers émettant dans la bande L,
1570-1610 nm. C'est donc un total de 200 canaux qui peu-
vent être utilisés par les systémiers, 80 nm de bande entre
1530 et 1610 nm, divisés par 0,4 nm d'espacement, ce qui
avec des canaux à 10 Gibt/s représenterait près de 25 mil-
lions de voies téléphoniques simultanées dans la fibre.
2.2 Le composant d'amplification
En station intermédiaire, l'élément-clé a été l'amplificateur
à fibre dopée Erbium, c'est-à-dire un système permettant
l'amplification du signal optique sans retour au signal élec-
trique. Le gain en coût a été énorme puisqu'un seul amplifi-
cateur optique amplifie l'ensemble des signaux optiques
transmis sur la fibre alors qu'il fallait autant de répéteurs
électroniques qu'il y avait de signaux à amplifier.
Le problème particulier posé par les systèmes D-WDM aux
développeurs de composants est la non-uniformité du gain
spectral d'un amplificateur optique. Les différentes longueurs
d'onde étaient amplifiées avec des gains différents alors que
le déploiement d'un système nécessite une même amplifica-
tion pour toutes les longueurs d'onde. La solution trouvée
associe au développement d'une nouvelle fibre dopée erbium
avec une forte concentration d'aluminium, la réalisation de
filtres égaliseurs utilisant de nouvelles technologies tels le
FBG (Fiber Bragg Grating ou Filtre à réseau de Bragg).
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5. Amplificateur à gain plat.

Les composants optiques ont ouvert, ouvrent et ouvriront la voie aux systèmes WD ! V)
Les amplificateurs à gain plat (cf. figure 5) couramment uti-
lisés dans les réseaux offrent une platitude de gain inférieu-
re à 1,5 dB.
2.3 Le composant réception
Le photodétecteur utilisé à la réception pour transformer le
signal optique en signal électrique est, contrairement à
l'émetteur, un élément intrinsèquement large bande ; il est
donc nécessaire d'y associer une fonction de filtrage
optique.
Ce filtre peut être un composant gravé unitaire à base de
silice ou peut traiter un ensemble de signaux (démulti-
plexeurs de type planar ou hybride). Il est d'ailleurs parfois
nécessaire d'utiliser les deux techniques.
Ces filtres ou démultiplexeurs mettent en oeuvre des techno-
logies diverses :
- Réseaux de Bragg, réseaux gravés dans le coeur de la
fibre de silice, qui permettent une modulation périodique de
l'indice de réfraction.
- Cavités micro-optiques Fabry-Perot, cavités dont la lon-
gueur est ajustable, en fonction de la fréquence recherchée.
- Filtres diélectriques à couches multiples, où la longueur
d'onde est filtrée par l'empilement des couches réalisées.
- Réseaux de diffraction, renvoyant les différentes lon-
gueurs d'onde sur des réseaux de fibre positionnés dans des
Vés gravés.
- AWG pour Arrayed Wave Guide : ensemble de guides
d'onde en silice sur silicium, diffractant les signaux multi-
colores (cf. figure 6).
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6. Démultiplexeur de type A WG.
3. Les composants WDM pour le
Métropolitain
Les autoroutes de l'information multicolores, rendues pos-
sibles par l'apparition des composants WDM, assurent
désormais une capacité de transmission suffisante aux
réseaux longues distances, mais des goulots d'étranglement
apparaissent de plus en plus souvent dans les zones métro-
politaines.
Comme un réseau métropolitain ne comprend pas, ou com-
prend peu de stations intermédiaires, l'avantage de coût
donné au WDM par l'amplification optique n'existe plus.
Toute la pression des coûts s'applique aux terminaux ; des
solutions nouvelles ont donné naissance à des composants
optiques permettant la maîtrise des coûts.
3.1 Le laser modulateur intégré
La réalisation de la fonction de modulation en technologie
InP permet d'intégrer monolithiquement - dans la même
puce - le laser et le modulateur. Ce laser modulateur intégré
(cf. figure 7) permet des portées de 100 km à 10 Gbit/s et de
400 km à 2,5 Gbit/s. Son coût, réduit par rapport à la somme
d'un laser et d'un modulateur externe niobate, en fait un pro-
duit bien adapté aux demandes du réseau métropolitain.
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7. Laser rnodulateur intégré.
3.2 Le laser forte puissance
Afin d'éviter toute amplification optique sur une liaison, il
est parfois nécessaire de choisir un laser de plus forte puis-
sance.
Alors que les lasers D- WDM classiques ont à 2,5 Gbit/s une
puissance de 2 ou 4 mW, ces lasers forte puissance peuvent
émettre un signal modulé à 2,5 Gbit/s de 10, 20 ou même
30 mW.
Ils sont obtenus grâce à des puces qui ont une optimisation
différente de celle des puces lasers classiques.
3.3 L : amplificateur compact
Lorsque la topologie de la liaison le nécessite, il sera fait
appel à un amplificateur compact, d'encombrement, de
consommation et de coût réduits par rapport aux amplifica-
teurs longues distances (cf. figure 8).
8. Amplificatecar compact.
Ces amplificateurs sont moins performants en termes de
gain ou de platitude de gain, mais s'utilisent sur des struc-
tures monopompes alors que les amplificateurs longue dis-
tance nécessitent des structures bipompes.
Ils répondent donc bien aux attentes du réseau métropoli-
tain.
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JES TÉLÉCOMMUNICATIONS OPTIQUES HAUT DÉBIT
4. Les composants WDM pour l'accès
La grande diversité des réseaux d'accès en termes d'archi-
tecture et de topologie nécessite des composants adaptés
aux solutions retenues.
4.1 Composants WDM pour réseaux d'entreprise
Les réseaux d'entreprise sont généralement similaires aux
réseaux métropolitains, leur particularité étant la nécessité
de mélanger des signaux à des débits variés (155 Mbit/s,
622 Mbit/s et 2,5 Gbit/s par exemple).
Du point de vue des composants optiques, l'une des spécifi-
cités est le recours presque systématique à des interfaces
optiques multicolores. Les interfaces optiques SDH/Sonet
(cf. figure 9) intègrent dans un boîtier compact les fonctions
électriques et les fonctions optiques. Outre un excellent
compromis coût/performance, ces produits présentent
l'avantage de pouvoir être mis en oeuvre par des systémiers
ayant peu l'expertise des transmissions. C'est donc le choix
premier de nombreuses start-up ou industriels déjà recon-
nus, mais venant du monde de la commutation de données.
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9. lntei face optique SDH l Sonet.
4.2 Composant WDM pour réseaux hybrides
Fibre-Coax
Les réseaux HFC (Hybrid Fiber Coax) utilisent déjà aux
Etats-Unis la technologie WDM pour augmenter la capacité
de la partie fibre. Les composants utilisés sont des lasers
multicolores standards associés à des amplificateurs
optiques de forte puissance (environ 1 watt), afin d'aug-
menter le facteur de partage.
Des composants entièrement nouveaux qui apparaissent
actuellement telles les sources multi-longueur d'onde (cf.
figure 10) vont permettre l'arrivée de nouveaux services
offrant en particulier le bénéfice de la flexibilité de la lon-
gueur d'onde dans la gestion du trafic.
10. Source multi-
longueur d'oilde.
1
4.3 Réseaux d'accès multiservices
Dans le cas où le besoin de l'abonné ou du groupe d'abon-
nés en bande passante sera trop important pour être servi
par du raccordement cuivre, même de type XDSL (pour
digital subscriber line), la connexion optique sera du type
accès multimedia. La norme internationale FSAN (Full Ser-
vice Access Network) définit un raccordement monofibre
pour lequel un composant intégrant l'émetteur, le récepteur
et la fonction duplexeur est le meilleur choix économique.
La technologie planar permet la réalisation de tels compo-
sants (cf. figure 11) à coût réduit par l'utilisation des tech-
nologies d'alignement passif. Ces produits sont disponibles
c
dans des boîtiers permettant le montage en surface de ces
composants (CMS).
. ".-..
Il. Cornposarat FSAN de technologie Planar
5. Composants WDM pour brasseurs et
répartiteurs optiques
La technologie et les composants D-WDM permettent aux
opérateurs de bâtir des réseaux qui pourront transporter une
quantité d'informations quasi infinie, sans aucun goulot
d'étranglement. Le prochain défi que devront relever les
concepteurs de réseaux, sera de brasser, de répartir et de
protéger optiquement les signaux pour optimiser les coûts
en évitant autant que possible les conversions optoélectro-
niques. Les répartiteurs et brasseurs optiques Terabit/s vont
devenir des éléments-clés du réseau.
Dès maintenant, une nouvelle famille de composants, les
ORM (pour Optical Routing Modules), est disponible et va
stimuler le passage de l'état de recherche à l'application
réseau.
5.1 Lamplificateur optique à semi-conducteur
Ce composant, ou SOA pour Semiconductor Optical Ampli-
fier, est la brique de base des composants de routage
optique. Il permet un gain d'amplification de l'ordre de
10 dB, réalisé à l'aide d'une puce semi-conducteur à base
de Phosphure d'Indium (InP).
Des avancées technologiques récentes, et notamment la
technologie Planar, rendent possible la réalisation de boî-
tiers intégrant des barrettes de SOA à un coût attractif (cf.
figure 12). Ces boîtiers assurent la commutation optique,
sans pertes d'insertion, à une vitesse extrêmement rapide
(de l'ordre de la nanoseconde), performance exigée pour les
nouvelles générations de routeurs d'IP optiques.
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Les composants optiques ont ouvert, ouvrent et ouvriront ! a voie aux systèmes WD ! V)
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12. Barr-ette de 4 SOA.
CW input
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Pr
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i3
i'3 i'4
r
i4
convert (I
output Signohnput
13. Structure Intet-féi-oinétrique du convertisseiii-
de longueur d'onde.
5.2 Le convertisseur de longueur d'onde
Cet autre élément-clé du routage optique est obtenu en asso-
ciant deux puces SOA montées en une structure interféro-
métrique de type Mach-Zehnder (cf. figure 13). Un signal
optique modulé porté par une longueur d'onde donnée est
appliqué à l'entrée du composant ainsi qu'un signal non
modulé à une autre longueur d'onde ; le signal résultant en
sortie est le même signal modulé mais porté par la nouvelle
longueur d'onde. Ce composant est disponible en boîtier
Butterfly standard pour des fonctionnements à 2,5 Gbit/s ou
à 10 Gbit/s (voir figure 14).
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14. Corxvertisseavr de longueur d'onde.
6. Conclusion
Les innovations en matière de composants optiques, qui ont
permis à la technologie D-WDM de s'imposer dans le
domaine de la transmission, vont encore s'accélérer, per-
mettant la poursuite de l'évolution des réseaux vers plus
d'efficacité.
Transistors et circuits intégrés ont été à l'origine de l'essor
des réseaux de communication et ont fait du xxe siècle le
siècle de l'électronique.
Lasers et modules optiques intégrés sont les éléments-clés
d'une croissance sans précédent de ces réseaux ; ils feront
du XXIe siècle le siècle de la photonique.
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Philippe BREGI est diplômé de l'Ecole Centrale de Lyon et de
l'Institut dAdministration d'Entreprises. En 1977, ri a démarré sa carriè-
re chezThomson-CSF. à la Division Faisceaux Hertziens en tant qU'In-
génieur projet, en charge de systèmes clés en main. II a rejoint en
1983, le département Transmission d'Alcatel CIT Durant ces dix
années, ri a occupé successivement les responsabilités des projets
US, du marketing export et enfin de la ligne de produits transport (sys-
tèmes de transmission optique. multiplexeurs et cross-connects !.
avant d'avoir la responsabilité globale, pour l'ensemble du groupe
Alcatel, des produits de transmission terrestre SDH/Sonet. En 1993,
Phi ippe BREGI relo t Alcate Optronics, a société du groupe Alcatel
spécialisée dans le développement et la commercialisation de compo-
sants optoélectroniques pour les télécommunications. Il est alors
Directeur du Marketing jusqu'en Janvier 2000, date à laquelle il est
nommé Directeur Général Adjoint.
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