TÉLÉCOMMUNICATIONS PAR FIBRE OPTIQUE INTRODUCTION

IntérêtdescommunicaBonsopt.
Intérêt d’une porteuse optique ?!
TÉLÉCOMMUNICATIONSPARFIBREOPTIQUE
INTRODUCTION
Spectre des ondes
électromagnétiques
Nicolas DUBREUIL
[email protected]
Fréquence = 200 THz = 2 1014 Hz!
2
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
IntérêtdescommunicaBonsopt.
DutélégrapheopBquedeChappe…
Du phare d’Alexandrie (300 a.v. J.C.)!
I (mA)!
Puissance (mW)!
•  Intérêt d’une porteuse optique ?!
Au télégraphe optique de Chappe (1793)!
Diode laser!
0
10 km"
Courant (mA)!
E(t)
EMETTEUR"
νporteuse=192 THz = 1,9 1014 Hz!
Bras articulé"
1 position = 1 mot codé"
T!
RECEPTEUR"
I (mA)!
1! 1! 0!1!0! 1! 1!
Diode laser! E(t)
T!
temps
Bande passante de modulation potentiellement très élevée
(liée à la fréquence de l’onde porteuse)
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
http://perso.club-internet.fr/jcb57/chappe/portail.html"
3
4
RéseauxàfibreopBque
CÂBLESSOUS-MARINSà
traverslemonde
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
5
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
6
1
RéseauxàfibreopBque
LafibreopBque
Structure :
Unefibreop,que:guided’ondediélectriqueàsymétriecirculaire
Réseau "
local"
Réseau "
d’accès"
Cœur:zonecentraledanslaquellesepropagelalumière
Réseau "
Métropolitain"
Tailletypique:qqµmàquelquesmm
Gaine:zoneenrobantlecœurdelafibre
Tailletypique:125µmàquelquesmm
Réseau WAN"
- Backbone -"
Réseau "
Local"
Fibre optique à saut d’indice
Indice de
réfraction
Réseau "
Local ou Métro"
nc > ng >
1
nc
ng
Cœur
Gaine
Gaine
Rayon
N.D.Op,queGuidée:FibresOp,ques
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
7
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
FibreopBquemonomode
FibreopBquemonomode
•  Courbe d’atténuation du mode fondamental en fonction de λ
Fibreop,queenSILICE
Fibre
107
Paire torsadée
100
105
10
Guide d’ondes
1
- Cas d’une fibre en silice -
Cable coaxial
Fibre
103
10
silice
0,1
0,1
1 kHz 1 MHz 1
GHz
-3000 1000
Absorption Silice
Minimum d’atténuation
#P &
1
× 10 Log% out (
L
$ Pin '
α=
Impureté ion OH -
Diffusion Rayleigh
prédominante
Atténuation en dB/km
Pertes en
Pertes en dB.km-1
Massif
dB.km-1
88
Origine de la fenêtre
télécom. optique à 1,55 µm
Unité : dB/km!
1900 1966
1979
Minimumd’a_énua,on:0,2dB/km
Pertede(seulement)50%dufluxaprès…15km!!!!!
1 THz 1 PHz
N.D.Op,queGuidée:FibresOp,ques
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
N.D.Op,queGuidée:FibresOp,ques
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
99
CapacitédestransmissionssurfibresopBques
10
10
CapacitédestransmissionssurfibresopBques
TechniquesdeModula,onetdeMul,plexagedel’informa,on
Multiplexage de modes
Fibre multi-modes/multi-cœurs
Multiplexage temporel
P
t
y
Temps
x
Multiplexage en longueur d’onde
Espace
Longueur
d’onde
λ
Polarisation
Multiplexage en polarisation
D.J.Richardson,
NaturePhot.,2013
Modulation en amplitude et phase
Im
TE
Im
00
01
Re
TM
11
0111
Re
10
11
(P.Jennevé,NokiaBell-Labs)
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
Quadrature
(Amp/phase)
QPSK
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
16-QAM
12
2
CapacitédestransmissionssurfibresopBques
Im
DATA2
.....
DATAN-1
λn
DATAN
Polar.
ModulaBonenamplitude&enphase
MulBplexageenpolarisaBon
MulBplexageenlongueurd’onde(WDM)
DétecBoncohérente
Traitementnumériquedusignal(DSP)
//
λ
DMUX
λn-1
ü 
ü 
ü 
ü 
ü 
Re
.....
DATA1
λ2
.....
λ1
Polar.//
MUX
DATA
1
λ1
CapacitédestransmissionssurfibresopBques
Traitement
Mixeur EchanBllonnage numérique
Coherent
(scope)
(PC)
Oscillateur
Local
D.J.Richardson,
NaturePhot.,2013
RxN-1
RxN
ü  100-200Gbit/sparcanal
ü  70à150canaux(bandesC+L)
ü  RecorddetransmissiondesBellLabs:53Tbit/ssur6000km
N.D.Op,queGuidée:FibresOp,ques
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
13
13
TransmissionssurfibreopBquemulBmode
TransmissionssurfibreopBquemulBmode
TransmissionssurfibreopBquemulBmode
e1(t)
e2(t)
MUX
Spa,al
FibreOp,queMul,mode
SignauxIN
DMUXSpa,al
y1(t)
y2(t)
e5(t)
14
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
MilieuMulBmode
SignauxOUT
e1(t)
s1(t)
e2(t)
s2(t)
y5(t)
em(t)
sm(t)
MulBplexagedemodes
Distance
(Time)
Fibremul,-modes/mul,-cœurs
- Mul,-coreFibers(MCF)
y
sj (t) =
- Coupled-coremulicorefibers(CC-MCF)
x
15
TransmissionssurfibreopBquemulBmode
FibreOp,queMul,mode
e1(t)
e2(t)
DMUX
Spa,al
e5(t)
hjk (t
⌧ )ek (⌧ )d⌧
k
- Few-ModeFibers(FMF)
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
MUX
Spa,al
XZ
y5(t)
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
16
ExempleliaisonSDM
40km Transmission of Five Mode Division Multiplexed Data
Streams at 100Gb/s with low MIMO-DSP Complexity
MIMO(Mul,ple
Input/Output)
y1(t)
y2(t)
Réponseimpulsionnelledu
canal«jk»
e1(t)
e2(t)
e5(t)
ALCATEL LUCENT - PD ECOC 2011
Abstract: Mode-division multiplexing is demonstrated over five modes for the first time. Five
data streams are modulated at 100Gb/s with PDM-QPSK modulation format, multiplexed
altogether, transported over 40km few-mode fiber, demultiplexed, and successfully recovered.
MDM sur 5 modes : LP01, LP11a,b, LP21a,b
Approchesactuellespourletraitementdesdonnées:
OPTIQUE/SPATIAL - Démul,plexeurspa,al=conver,sseurdemodes
ELECTRIQUE/SPATIOTEMPOREL
- Détec,oncohérenteèyk(t)
- Traitementnumérique(DSP)«tempsréel»
- MIMO(inversionmatricedetransfert)èek(t)
- ComplexitéduMIMOìN2,N=NbreCanaux
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
17
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
18
3
Réseauxd’accès...Oùl’onreparledelafibrechez
l’abonné
Quelques chiffres
CommunicaBonsOpBques:enjeuxetdéfis
Source:CiscoVisualNetworkingIndex
Source : Cisco Visual Networking Index
Réseaux PON : pour Passive Optical Networks!
CENTRAL
Traffic
IP mondial
(Eo/mois)
Trafic
IP mondial
(Eo/mois)
ONUs : Optical Network Units"
Maison
Flux
descendant
@ 1,55 µm"
Récepteur"
Coupleur 1×
N"
Maison
Rx"
Tx"
Rx"
Maison
Tx"
Emetteur"
Rx"
Flux montant "
@ 1,3 µm"
Filtre"
Tx"
OLT : Optical Line
Termination"
FTTH : Fiber To The Home
•  Distances entre OLT et coupleur : 10 à 20 km"
•  Distances entre coupleur et ONU : 0,5 à 1 km"
2014:77Eoctet/mois=30To/s=240Tbit/s
Dernier record en date
RecorddetransmissiondesBellLabs:53Tbit/ssur6000km
Eoctets/mois
•  Emission continue dans le sens descendant (allocation
d’un créneau temporel par abonné)"
•  Emission en mode paquet dans le sens montant"
19
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
59,1
des Bell Labs :
= 22 To/s = 176 Tbits/s
20
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
31 Tbits/s sur 7200km
Ph. Jennevé, 2013
5
Les Télécommunications optiques
COPYRIGHT © 2013 ALCATEL-LUCENT. ALL RIGHTS RESERVED.
ALCATEL-LUCENT — INTERNAL PROPRIETARY — USE PURSUANT TO COMPANY INSTRUCTION
CommunicaBonsOpBques:enjeuxetdéfis
350
300
CommunicaBonsOpBques:enjeuxetdéfis
4.0%
3.5%
3.0%
250
2.5%
200
2.0%
150
1.5%
100
1.0%
50
0.5%
0
Percentage of total worldwide
electricity consumption
2007:219TWhparan
2012:354TWhparan,soituneaugmentaBon
de10%paran!!!
=>1.8%delaconsommaBonélectrique
mondiale
Customer premises equipment
Office networks
Telecom operator networks
Share of total electricity consump"on
400
Electricity consumption in
communication networks (TWh/y)
ü ImpacténergéBquedessystèmesde
communicaBons
5
ü InterconnexionsopBques: è RéseauxLonguedistance,METRO[100-1000km]
è FTTH(FibretotheHome)[km]
è LiaisonsDataCenters,serveurs[m]
Capacités>100Gbit/s-m
è OpBqueintégrée,liaisonsentreprocesseurs
èliaisonOPTIQUE
(PhotoniquesurSilicium)[mm->µm]
0.0%
2007
2008
2009
2010
2011
2012
ESTIMATIONpour2025:7%delaconsomma,on
Fig. 3. Worldwide use phase
electricity consumption of communication networks (columns,
S.Lambertetal.«Worldwideelectricityconsump,onof
électriquemondialede2010!
left axis) and share of networks
in total worldwide electricity consumption (dotted line,
communica,onnetworks»,Opt.Express20(2012)
MEMO:Puissanced’une
tranched’unecentrale
nucléaire≈0,8GW(soit7
TWhparan)
right axis).
communication networks only consumed about 1.3% of worldwide electricity in 2007, their
relative contribution has increased to 1.8% in 2012.
6.
Comparison with previous studies
To validate our results we list a number of power consumption values from related studies in
Importancedel’améliora1ondes
Table 5. The Smart 2020 report [9] estimate for the use phase carbon footprint of telecoms
infrastructure and broadband modems is converted to an electricity consumption value assumperformancesénergé1quesdes
ing an average worldwide conversion factor of 500 gCO2/kWh [24]. Considering our value for
élémentsduréseau!
2012 and the growth rate for 2007-2012, 414 TWh in 2020 seems to be a rather conservative
estimate. The calculation in the Smart 2020 report is based on the assumption that the number
!Améliorerl’efficacitéénergé1que
of mobile, fixed and broadband accounts will reach 7 billion in 2020, whereas our subscription data suggest that the aggregated number of subscriptions
has already exceeded 8 billion in
Tucker,JSTQE,17(2011)
desSWITCHs!
2012 (see Table 1). In the Smart 2020 report itself, the authors note there is a high degree of
uncertainty in the telecoms figures.
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
The 2007 value from Malmodin et al. [10] for operator networks is about 25% 21
lower than
BennerA(2012)Op,calinterconnectopportuni,esinsupercomputersandhighendcompu,ng.In:Op,calfibercommunica,on
conference.OSATechnicalDigest(Op,calSocietyofAmerica,2012),paperOTu2B.4
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
22
our value (assuming offices and retail make up 13% of the value they provide). This difference
can probably be attributed to the fact that they used a different sample and did not distinguish
between fixed broadband and fixed telephony users in their calculation method. Their value
for office networks is similar to our value. For broadband modems their value is significantly
higher than our result (which is 25.1 TWh/y). This is due to the fact that they assume relatively
high per-user power consumption values (9 W per modem plus an additional 9 W per router,
with one router for every two modems).
In a 2011 study by Kilper et al. [6], an estimate is given for the average power per user
for mobile and fixed access, core and metro networks (Fig. 5 in [6]). When we add up these
per-user values and multiply them by our global subscription numbers (mobile and fixed broadband, see Table 1), we obtain very high values for the mobile network power consumption in
2007 and 2012. Since we do not know the breakdown of the electricity consumption among
different services, we do not know the power consumption per mobile user in our results, but
we can make a rough estimate based on the electricity consumption and subscription numbers
of the two operators in our sample that offer (almost) exclusively mobile services: China Mobile and Vodafone. The electricity consumption for these mobile operators is between 0.75 and
CommunicaBonsOpBques:enjeuxetdéfis
ü InterconnexionsopBques: è RéseauxLonguedistance,METRO[100-1000km]
OSA
10 December 2012 / Vol. 20, No. 26 / OPTICS EXPRESS B522
è (C)F2012
TTH(FibretotheHome)[km]
è LiaisonsDataCenters,serveurs[m]
Capacités>100Gbit/s-m
è OpBqueintégrée,liaisonsentreprocesseurs
èliaisonOPTIQUE
(PhotoniquesurSilicium)[mm->µm]
Versdesliaisonsop,ques
Intégrées:
èPhotoniquesurSilicium
compa,bleCMOS
èConsomma,on:pJ/bitpourdes
liaisonsinférieuresaumètre
A.V.Krishnamoorthy,ProgressinLow-PowerSwitched
Op,calInterconnects,IEEEJSTQE17(2011)
TélécomsOp,ques–Introduc,on–N.D.
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4