fibres et telecom partie ii · 2018. 1. 18. · • fibres à dispersion négative (dcf ou non zero...
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Fibres et Telecom Partie II
LIOVIS
Michael Scherman
Ingénieur de Recherche ONERA
PLAN
1. Composants (briques élémentaires) 1. Coupleurs 2. Modulateurs 3. Multiplexeurs 4. Amplificateurs 5. Compensateurs 6. Emetteurs 7. Détecteurs
2. Réseaux optiques 1. Budget en Puissance 2. Caractérisation d’une ligne de transmission 3. Qualité d’un canal 4. Types de codage 5. Limitations
COMPOSANTS OPTIQUES FIBRÉS
Exemple de réseau
COUPLEURS
2x2 coupleur : • 3 dB coupleur: puissance partagée
à parts égales entre les deux guides • Splitter : 1 input, 2 outputs • Combiner : 2 inputs, 1 output
• Modules passif, symétriques • Deux guides d’ondes ou deux fibres
qu’on rapproche
COUPLEURS
Multiplexeur • Coefficient de coupage dépend de λ => Possibilité de Coupleur 1-n • Association de multiples coupleurs en Y
pour former un coupleur 1-> 2n Résonateur anneau • Equivalent fibré d’un interféromètre de
Fabry Perot • Utile pour cavité laser, effets non linéaires
MODULATEURS
Modulation directe : • Fréquence limitée • Modulation en fréquence parasite (couplage 𝜆, 𝑃 = 𝑓(𝐼)) Modulation externe : • Hautes fréquences • Introduit des pertes en entrée • Longueur d’onde stable
Plusieurs technologies : • Modulateurs de phase
• Cristal électro-optique • Modulation d’amplitude via interféromètre • Modules externes encombrants mais performants
• Modulateurs d’absorption • Electro-absorption : translation d’un bord de bande d’absorption vers les grandes • Semi-conducteur intégrable directement sur le chip de l’émetteur
• Déflecteurs • Cristal acousto-optiques
MODULATEURS
Mach Zehnder Effet électro-optique • Indice de réfraction modifié par un champ
électrique (Effet pockels) : Δ𝑛 ∝ 𝐸 ∝ 𝑉 • Cristal LiNbO3: fort effet à 1,3 µm et 1,55 µm
Interféromètre Mach Zehnder • Déphasage appliqué sur un bras d’un circuit
symétrique : ΔΦ =2𝜋
𝜆Δ𝑛 ∙ 𝑒
• Tension 𝑉𝜋 ⇒ déphasage de 𝜋 (qq V) Modulateurs commerciaux • Pertes par injection < 6 dB • Bande passante ~ 100 GHz (typ. 20 GHz) • Taux d’extinction ~ 20 dB
CONNECTEURS
Embouts pour connections provisoires/modifiables :
Connecteurs provisoires :
CONNECTEURS
Connections permanentes (splicing) : Fusion par arc électrique ou filament : • Raccord optimal et robuste • équipement couteux • Pertes ~0,02 dB Connection mécanique permanente : • Support mécanique de raccord entre les
deux fibres • Injection d’un gel d’adaptation d’indice
entre les deux bouts de fibre • Pertes ~0,2 dB
SWITCHS
Permet de router l’information vers un canal particulier MEMS • Micro-electro méchanical systems • Puce contenant matrice de micro miroirs • 1D : N voies => N² mioirs 2 positions • 2D : N² voies => 2N² miroirs ajustables en angle
Switchs commerciaux • Pertes par injection ~1 dB (typ. 0,7 dB) • Temps d’exécution ~ 1-100 ms • Durée de vie ~ 106-109 cycles
Prismes
MEMS
Moteurs pas-à-pas
ISOLATEURS OPTIQUES
Rotateur de Faraday : • Rotation de la polarisation du champ électrique
fonction du champ B et de la constante de Verdet du matériau
Isolateur optique : • Diode optique • Combinaison polariseur / rotateur / polariseur • Version espace libre ou fibrée • Composant optique non réciproque
Caractéristiques : • Isolation : 30-60 dB • Pertes d’insertion < 1dB • Dispersion des modes de polarisation (PMD) :
0,5-0,05 ps
CIRCULATEURS OPTIQUES
Circulateur : • Inspiré des circulateurs électroniques • Fonctionne sur le même principe que
l’isolateur de Faraday (composant non réciproque)
• Un des composants les plus utilisés (ombreuses applications)
Caractéristiques : • Isolation entre voies : 30-45 dB • Pertes d’insertion ~ 1dB • Dispersion des modes de polarisation (PMD) :
0,5-0,05 ps
CIRCULATEURS OPTIQUES
Existe en différentes géométries, et en version tout fibrée…
FILTRES DE BRAGG
Réseau de Bragg : • Variation périodique de l’indice de réfraction • Interférences à N ondes générées à chaque interface • Interférences constructives en réflexion sur une
bande spectrale très fine (Condition de Bragg) • Profil spectral dépend de Δ𝑛, Λ, 𝐿
Filtre de Bragg fibré : • Indice de cœur directement modulé par effet
photosensible • Illumination UV avec motif d’interférences ou
masque d’intensité • Faibles variation de Δ𝑛
Caractéristiques : • Faibles pertes : 0,1 dB • Finesse spectrale ~ 0,04 nm (5 GHz) • Facteur de rejection ~ 40 dB
MULTIPLEXEURS
MU
X D
EMU
X
1
2
3
4
N
i
1
2
3
4
N
i
1, 2, 3, …, N
Plusieurs types de multiplexage: • Temporel (téléphone)
Augmenter le débit d’information pour remplir la bande passante du canal
• Longueur d’onde • Spatial (modes, multi-cœur)
Augmenter la bande passante d’une structure en multipliant les canaux sur le même support physique
MULTIPLEXEURS
Multiplexage temporel : • TDM (Time Division Multiplexing) • Similaire au téléphone :
• donnée voix transmise à d0=64 kbit/s => TBit=15 µs • Hierarchie DS-1 :
• Amérique du Nord & Japon : Multiplexage de 24 canaux « voix » => 1,544 Mbit/s • Europe : Multiplexage de 30 canaux « voix » => 2,048 Mbit/s • 𝐵𝑃 > 𝑛 𝑑0 car Injection de codes correcteurs d’erreur
• Hierarchie DS-2 : multiplexage de 4 canaux DS-1 • Amérique du Nord & Japon : 6,312Mbit/s • Europe : 8,448 Mbit/s
• Hierarchie DS-3…
MULTIPLEXEURS
Synchronous optical Network (SONET)
500 000 communications téléphoniques en simultanément transmises sur une seule fibre
MULTIPLEXEURS
Multiplexeurs en longueur d’onde (WDM – Wavemength Division Multiplexing): • Quelques canaux de 𝜆 éloignés : coupleurs en X • Quelques canaux de 𝜆 proches : circuits avec filtres de Bragg • Grand nombre de 𝜆 : phasars
TDM + 100 chaines WDM => Transmission de 50 millions de conversations vocales simultanées sur une seule fibre
MULTIPLEXEURS
CWDM (Coarse WDM) : • canaux séparés de 20 nm entre 1270 nm et 1610 nm (bande E si fibres à faible pic OH) • Faible coût, robuste • Segments courts <100 km (Metropolitain) • Topologie : point à point ou maillage DWDM (Dense WDM) : • intervalle de 32 nm de la Bande C (dispersion et atténuation minimisée, ampli disponible)
• Écart inter-canal : • 200 GHz (1,6 nm), • 100 GHz (0,8 nm), • 50 GHz (0,4 nm), • 25 GHz (0,2 nm), • 12,5 GHz (0,1 nm)
UDWDM (Ultra Dense WDM) • Grandes artères >100 km (Long Haul) • Topologie : point à point avec nœud
Add/Drop + régénération ~80 km • Débit : 2-40 Gbit/s • Limites WDM : 0,1 Pbit/s
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gue
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Ori
gin
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Evolution techno WDM
• 1980 : Système monocanaux : 45 Mbits/s • 2001 : 273 canaux à 40 Gbit/s Capacité x 200 000 !
MULTIPLEXEURS
Bulle des Télécom
MULTIPLEXEURS
Module intermédiaire - Optical Add/Drop Multiplexer (OADM) : • Rejette ou rajoute du signal sur le canal d’une longueur d’onde donnée,
sans toucher aux canaux des autres longueurs d’ondes sur la même fibre
• Reconfigurable OADM (ROADM) : switchs + OADM Réseaux complexes, chaque emeteur peut atteindre n’importe quel
recepteur avec un circuit tout optique
MULTIPLEXEURS
SDM (Space DM) Fibres multicoeurs : • Fibres multicoeurs • 2017 : 1 Pbit/s (5000 vidéos HD en 1s) sur 205
km via fibre 32 coeur Few mode fibers : • modes spatiaux différents guidés dans une
fibre à « quelques modes » (few modes fiber) • Débit fibre x400 sur courte distance • CaiLabs • 2017 : Record du monde 10 Pbit/s (KDDI
Research) 25000 blueRays en 1s ou 100 milions de
personnes à 100 Mbits/s (ADSL~10 Mbits/s)
Réseaux mixtes
http://www.zdnet.fr/services/test-bande-passante/
AMPLIFICATEURS
EDFA
Amplificateurs tout optiques : • Nécessaire pour compenser périodiquement
l’atténuation dans les fibres ~100 km • Plus performants que les répéteurs basés sur
détection/remise en forme/ré-émission car • Suppose une connaissance du format de
modulation et du débit de données • Un régénérateur par canal (si WDM ou SDM)
• Amplification compatible WDM, préserve la phase • Technologies :
• Dopage Erbium: bandes C et L • Dopage Thulium: bande S • Dopage Praseodyme: ~1300 nm • Raman : large bande • Semiconducteurs
• Mais : • Amplification limitée par effets non-linéaires • Systèmes analogiques => réglage précis • Amplification du bruit et rajout d’ASE • Signaux remis en forme en bout de ligne
AMPLIFICATEURS
Amplificateur dopé Erbium (EDFA) • Par émission stimulée (milieu à gain laser) • large bande spectrale qq 10s nm • Gain ~ 30 dB • Puissance sortie ~ 17 dB • (EDFA de puissance, 𝑃𝑜𝑢𝑡~36 𝑑𝐵𝑚) • Bruit > 3 dB (typ. 5 dB) • Dispersion ~ 0,06 ps/nm
1,48 µm
AMPLIFICATEURS
Gestion de la puissance en entrée : • Canal DWDM à 10 dBm => 1 mW • 40 canaux DWDM à 10 dBm => 40 mW (= 10 + 10 log (40) = 26 𝑑𝐵𝑚)
• Si 𝑃𝑖𝑛𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖
= 10 𝑑𝐵𝑚, chaque canal doit être en dessous de 10 − 10 log 40 = −6 𝑑𝐵𝑚 (250 µ𝑊)
• L’ajout ou la suppression de canaux DWDM doit être pris en compte en amont dans le bilan énergétique total
Platitude de la courbe de gain : • Optimisable via filtre en entrée • Ou dopants et longueur de fibre Présence d’ASE : Milieu à gain sans cavité laser Emission spontanée amplifiée
AMPLIFICATEURS
Amplificateur Raman • Très grande bande passante • Platitude du gain < 2dB • Fonctionne dans n’importe quelle fibre en silice (pas de dopant) • Décalage Raman Silice = 13,2 GHz ~93 nm @ 1455 • Gain distribué => meilleure gestion des effets non linéaires • Processus peu efficace : forte puissance de pompe (~500 mW) pour gain modeste (10 dB) • Ajout de bruit ~ 1 dB
COMPENSATEURS
Compensateurs de dispersion : • en fin de parcours pour décompresser le
signal étalé sous l’effet de la dispersion
• Fibres à dispersion négative (DCF ou Non Zero Dispersion NZD-) : ~ 102 -103 ps/(nm*km) • Fort dopage (ex: GeO2) • Absorption augmente
• Réseau de Bragg chirpé utilisé avec
circulateur : pas du réseau variable. • Dispersion : +/- 103-105 ps/nm
EMETTEURS
Cahier des charges : • Accordabilité longueur d’onde centrale • Pureté spectrale (largeur spectre) pour
permettre modulation HF • Puissance et stabilité long terme • Sortie fibrée et intégration rack
LED ou LASERS DFB (Distributed FeedBack) diode laser : • Diode laser avec Réseau de Bragg intégré
dans la cavité laser (dans le guide d’onde voire dans le milieu à gain)
• La longueur d’onde dépend du courant de diode
Transmetteur optique complet :
EMETTEURS
DWDM Thorlabs
RECEPTEURS
Photodétecteurs rapides : • Bande passante : jusqu’à 60 GHz • Diodes GaAs • Pré-amplification ou amplification par avalanche
Sources de bruit : • Bruit thermique (agitation de e- dans semi-conducteur) • Bruit de grenaille, bruit de photons (caractère corpusculaire des photons et
électrons) • Courant d’obscurité
Récepteur optique complet :
RECEPTEURS
Communications optiques A. Migan – 2007/2008
LIAISONS INTERCONTINENTALES
99,8% du trafic intercontinental transite via 366 cables sous marins Rendues possibles par les technologies d’amplificateurs « tout optique »
Telegeography.com
submarinecablemap.com/
Pose cables sous-marin : https://www.youtube.com/watch?v=gWJWtGwrF9I Réparation cable sous-marin : https://www.youtube.com/watch?v=TWaVrj9-aWE
RESEAUX
WAN : World Area Network
MAN : Metropolitan Area Network
LAN : Local Area Network
BUDGET EN PUISSANCE
Pour prévoir un réseau optique, il est nécessaire d’effectuer un budget en puissance (avec des marges).
BUDGET EN PUISSANCE
CARACTERISATION D’UNE LIGNE DE TRANSMISSION
OTDM : Optical Time Domain Reflectometer • Injecte des impulsions optiques en entrée de circuit • Analyse la lumière rétro-diffusée. • Permet d’obsever :
• Atténuation continue liée à la propagation dans la fibre • Les pertes localisées à des interfaces ou des connections • Des éventuelles ruptures • Le bout du circuit fibré
Diagramme de l’Œil : • Renseigne sur le niveau de discernabilité :
• Entre 2 bits successifs • Entre les niveaux haut et bas
Taux d’Erreur Binaire (TEB) : • Seuil de décision optimal : ID
• Probabilité de faire une erreur de décision entre les niveaux haut et bas
• Critère final de performance d’une liaison
QUALITÉ D’UNE LIAISON
ID
1,E-15
1,E-14
1,E-13
1,E-12
1,E-11
1,E-10
1,E-09
1,E-08
1,E-07
1,E-06
1,E-05
1,E-04
1,E-03
1,E-02
1,E-01
1,E+00
0 1 2 3 4 5 6 7 8Q
BIT
ER
RO
R R
AT
E
BER typiques : • Téléphone : BER ~10−6 • Data : BER ~ 10−9 • Sécurisée: BER ~ 10−12
QUALITÉ D’UNE LIAISON
Codes correcteurs d’erreurs : • Permet de diminuer le BER par des artifices
algorithmiques • Cout en bande passante (bits rajoutés) • Ex : +7% de bande passante (10,32->11 Gb/s) => +50% distance de transmission (80->120 km)
Puissance équivalente au bruit : NEP (Noise Equivalent Power) tq SNR=1 en 𝑊
𝐻𝑧
𝑆𝑁𝑅 =𝑃 ²
𝐵𝑒(𝑁𝐸𝑃)² avec 𝐵𝑒 la bande passante électrique du détecteur
CODAGE DE L’INFORMATION
Format de modulation • NRZ : Non retour à Zéro :
• chaque symbole code pour 1 bit • Spectre = sinus-cardinal de largeur
Δ𝜈 =2
𝑇𝐵= 2𝑑 avec 𝑇𝐵 : durée bit, 𝑑: débit
• RZ : Retour à Zéro • Spectre deux fois plus large que NRZ • Utilisé pour liaisons haut débit > 10Gbit/s • Possibilité de retrouver facilement la
fréquence d’horloge ASK PSK
QPSK Multilevel QPSK
Modulation et Détection cohérentes
CODAGE DE L’INFORMATION
Efficacité spectrale : • Nombre de bits transmis en 1s sur une bande passante de 1Hz • WDM + ASK ⇒ 0,8 bit/s/Hz (40 Gbits/s sur 50 GHz par canal) • QPSK + polarisation multiplexing ⇒ >3 bit/s/Hz
Limite de Shanon
Les effets NL cassent l’efficacité spectrale à haut SNR
CODAGE DE L’INFORMATION
CODAGE
LIMITATIONS