munications, Composants optiques

Les
composants
ont
la
ouvert,
ouvrent
voie
E
optiques
aux
et
Télécommunications,
Composants
optiques,
D-WDM.
ouvriront
systèmes WDM
par Philippe BREGI, Alcatel Optronics
L'innovation
oeuvre
(D-WDM)
de
en
matière
de
composants
la technologie de multiplexage
et
par
dense
là l'augmentation
des
1. Introduction
La technologie de multiplexage
optiques
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
termes de composants optiques ; c'est la disponibilité
en
de
composants nouveaux tels que le laser multicolore ou l'amplificateur 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 sousmarins.
permet
la mise
en longueur
en
d'onde
débits.
1009080
-+- Millions of
subscribers
6050
40
30
2010
01990 1991 1992 19931994 1995 1996 19971998 19992000
1. Croissance du nombre d'abonnés internet.
se pour-
A plus long terme, le multiplexage en longueur d'onde sera
suit, et des composants nouveaux permettent à la technolo-
utilisé, non seulement pour le transport de l'information, mais
aussi pour son traitement. Les composants permettant le rou-
L'innovation dans le domaine de l'optoélectronique
gie D-WDM de trouver de nouvelles applications, d'abord
dans les réseaux métropolitains, puis dans les réseaux de
distribution ou d'accès.
tage ou la commutation optique existent en laboratoire ; ils
ouvriront demain au WDM la porte du réseau tout optique.
SYNOPSI
. Des composants optiques tels que les lasers multicolores ou
. Over the past four years, the advent of optical components
les amplificateurs à fibre dopée ont permis de passer en
such as tuneable tasers and doped fibre repeaters has made
quatre ans, sur les systèmes longue distance, de débits de
l'ordre du Gigabit/s au Terabit/s. avec la technologie D-WDM.
possible long distance D-WDM networks with capacities
extending into the Terabit/s range.
. Des composants optiques performants mais à un coût plus
. High performance low cost optical components, including
faible peuvent être introduits au niveau des zones métropolitaines : des lasers modulateurs intégrés, des lasers forte
puissance, des amplificateurs compacts.
high-power lasers, compact repeaters and integrated laser
modulators, are now being introduced into metropolitan networks
. Au niveau des réseaux d'entreprise, des réseaux hybrides
. Local networks, multi-service
fibre-coax, des réseaux d'accès multiservices, il faut des
composants adaptés à chaque cas.
coax networks ail require components designed to meet
their particular requirements.
. Le prochain défi à relever sera de développer des compo-
. The next challenge will be the development of splitters,
sants permettant de brasser, répartir et de protéger optiquement les signaux.
cross-connect and optical signal protection systems.
networks and hybrid fibre-
REE
q
A,,il 1999 1
LES TÉLÉCOMMUNICATIONS OPTIQUES
2.
Les composants
WDM
HAUT
DÉBIT
pour les longues
distances
DFB Grating
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
Pro
ii : : :/
Pro Implantation
Proton
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.
multi
a
Strainedmulti
quantum
well
active layer
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
1280000
'Vs
Mb,t/s
1000000
"00
100000 M 80000
10000
10000 2488 5000
2411
1130
113,
1000 280 565
140
100 34 6.68
10
1
I
I
I
4. Structure BRS.
L'espacement entre signaux transmis par 2 lasers est actuellement 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 peuvent 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 millions de voies téléphoniques simultanées dans la fibre.
19791981198319851987198919911993199519971999
2.2
2. Evolutiort de la capacité des systèmes
de transmission optique.
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
Le laser multicolore (cf. figure 3) émet, dans la fenêtre d'atténuation la plus faible de la fibre, autour de 1550 nm, un
l'amplification
du signal optique sans retour au signal électrique. Le gain en coût a été énorme puisqu'un seul amplificateur optique amplifie l'ensemble des signaux optiques
transmis sur la fibre alors qu'il fallait autant de répéteurs
signal, modulé ou non, à une longueur d'onde précise, qui restera stable à plus ou moins 0,1 nm près, dans le temps désiré
électroniques qu'il y avait de signaux à amplifier.
Le problème particulier posé par les systèmes D-WDM
(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).
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 amplification 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).
2.1
Le composant
émission
1
3. Laser nililticoloi-e.
Ces lasers nécessitent une structure verticale à couches
actives faites de multipuits
quantiques contraints (SL-
1. :) - b - 1 .-,, "
MQW) et une structure horizontale adaptée aux hautes performances en température, telle la structure BRS (Buried
4te-.
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.
REE
1
e* 1, -- ..'
5. Amplificateur à gain plat.
aux
Les composants
optiques
ont ouvert,
ouvrent
Les amplificateurs à gain plat (cf. figure 5) couramment utilisés dans les réseaux offrent une platitude de gain inférieure 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
et ouvriront
3.1
la voie
aux systèmes
Le laser modulateur
WD ! V)
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 produit bien adapté aux demandes du réseau métropolitain.
optique.
Ce filtre peut être un composant gravé unitaire à base de
silice ou peut traiter un ensemble de signaux (démultiplexeurs de type planar ou hybride). Il est d'ailleurs parfois
nécessaire d'utiliser les deux techniques.
r ; :éesr
Ces filtres ou démultiplexeurs mettent en oeuvre des technologies diverses :
- Réseaux de Bragg, réseaux gravés dans le coeur de la
1 1 Il
il , jp -
fibre de silice, qui permettent une modulation périodique de
l'indice de réfraction.
- Cavités micro-optiques Fabry-Perot, cavités dont la longueur 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 longueurs 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 multicolores (cf. figure 6).
"- , :
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t.4,a b
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f' d.
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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 puissance.
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 amplificateurs longues distances (cf. figure 8).
".a4,.,...
6. Démultiplexeur de type A WG.
3.
Les composants
WDM
pour
le
Métropolitain
Les autoroutes de l'information multicolores, rendues possibles 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 métropolitaines.
Comme un réseau métropolitain ne comprend pas, ou comprend 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.
8. Amplificatecar compact.
Ces amplificateurs
sont moins performants
en termes de
gain ou de platitude de gain, mais s'utilisent sur des structures monopompes alors que les amplificateurs longue distance nécessitent des structures bipompes.
Ils répondent donc bien aux attentes du réseau métropolitain.
REE
N'4
?(!û000
Atni2
() t 1
JES TÉLÉCOMMUNICATIONS OPTIQUES HAUT DÉBIT
t_
4.
Les composants
WDM
pour
l'accès
La grande diversité des réseaux d'accès en termes d'architecture 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 spécificités 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 reconnus, mais venant du monde de la commutation de données.
4.3
Dans le cas où le besoin de l'abonné ou du groupe d'abonnés 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 Service 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 composants (cf. figure 11) à coût réduit par l'utilisation des technologies
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
W ..
.1
Il
Réseaux d'accès multiservices
YM
5.
Composants
WDM
répartiteurs
optiques
pour
brasseurs
La technologie et les composants D-WDM
9. lntei face optique SDH l Sonet.
4.2 Composant
Fibre-Coax
WDM pour réseaux hybrides
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
menter le facteur de partage.
1 watt), afin d'aug-
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-
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 optoélectroniques. 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 Amplifier, est la brique
gueur d'onde dans la gestion du trafic.
et
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 boîtiers intégrant des barrettes de SOA à un coût attractif (cf.
10. Source multilongueur d'oilde.
REE
1
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.
Les
composants
optiques
ont
ouvert,
ouvrent
et ouvriront
! a voie aux systèmes WD ! V)
eo
,'0'0,
e
--j>
lle,l
11
lî-0
0000
14. Corxvertisseavr de longueur d'onde.
12. Barr-ette de 4 SOA.
6.
Conclusion
Les innovations
CW input
en matière
de composants
permis
à la technologie
D-WDM
domaine de la transmission,
vont
mettant
la poursuite
qui ont
des réseaux
vers plus
d'efficacité.
14
Transistors
13 -0
i3
des réseaux
et circuits
intégrés
ont été à l'origine
de communication
et ont fait du xxe
de l'essor
siècle
le
siècle de l'électronique.
Pr
Lasers et modules
1,3
i'3
de l'évolution
optiques,
de s'imposer
dans le
encore s'accélérer,
per-
d'une
i'4
i4
croissance
optiques
intégrés
sans précédent
sont les éléments-clés
de ces réseaux
; ils feront
du XXIe siècle le siècle de la photonique.
r
convert (I
output
Signohnput
13. Structure
Intet-féi-oinétrique du convertisseiii-
les>
â. !u''
ê'/û
Î'S
de longueur d'onde.
5.2
Le convertisseur
Cet autre élément-clé
ciant
deux
métrique
optique
de longueur
du routage optique
puces SOA
montées
de type Mach-Zehnder
modulé
porté
d'onde
est obtenu en asso-
en une structure
(cf. figure
par une longueur
interféro-
13). Un signal
d'onde
donnée
appliqué
à l'entrée
du composant
ainsi qu'un signal
modulé à une autre longueur d'onde ; le signal résultant
sortie est le même signal
longueur
d'onde.
modulé
Ce composant
est
non
en
mais porté par la nouvelle
est disponible
Butterfly
standard pour des fonctionnements
à 10 Gbit/s (voir figure 14).
en boîtier
à 2,5 Gbit/s
ou
Philippe BREGI est diplômé de l'Ecole Centrale de Lyon et de
l'Institut dAdministration d'Entreprises. En 1977,ri a démarré sa carrière chezThomson-CSF.à la Division Faisceaux Hertziens en tant qU'Ingénieur 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 (systèmes 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 composants optoélectroniques pour les télécommunications. Il est alors
Directeur du Marketing jusqu'en Janvier 2000, date à laquelle il est
nommé Directeur Général Adjoint.
REE
? 4
1