Réseaux de transmission photoniques Généralités Marc Wuilpart 5ème Electricité - Télécommunications II 1

En quoi consistent les communications optiques ? L’idée est d’utiliser la lumière afin de transmettre de l’information d’un point à un autre. Si nous interprétons les télécommunications optiques au sens large, cette idée n’est pas récente. 2

Bref historique 3

Les feux d’alarme liant Minas-Tirith et Edoras Les communications optiques commencent avant notre ère. Dans les premiers systèmes optiques, le rôle de la lumière est de rendre visible le signal codé de manière à être relayé : Feux allumés (au VIè siècle avant JC) Drapeaux agités (Gengis Khan : 1115-1227) Signes noirs et blancs installés sur des tours en Angleterre (1633) Télégraphe de Claude Chappe (1792) Télégraphe Shutter : de Plymouth à Londres (1795) Les feux d’alarme liant Minas-Tirith et Edoras Vidéo tirée de l’adaptation cinématographique du "Seigneur des Anneaux" (J.R.R. Tolkien). Ces systèmes ont été abandonnés dès l’apparition du télégraphe électrique (vers 1850)  début de l’ère des télécommunications électriques. 4

Télégraphe de Claude Chappe (1792) 1er réseau européen de télécommunications optiques Vitesse 500 km/h http://www.ieee.org/organizations/history_center/cht_papers/dilhac.pdf 5

Télégraphe de l’Amiral Shutter (1795) 15 min Tiré de Tricker R.L., "Optoelectronic Line Transmission", Heinemann Newnes, 1989 6

1870 : Une première expérience montre que la lumière peut être guidée Principe de la fontaine lumineuse par John Tyndall (1870): la lumière suit un jet d’eau incurvé http://www.i-fiberoptics.com/educ/Tyndall.pdf 7

Le photophone de Graham Bell 1880 : Premier essai réussi de modulation de la lumière par l’intermédiaire d’un diaphragme réfléchissant. Le photophone de Graham Bell A l’émission, les vibrations de la voix provoquent les vibrations similaires d’un miroir  modulation. A la réception, une cellule au selenium, dont la résistance électrique dépend de l’intensité du rayonnement lumineux qu’elle reçoit, reproduit la modulation dans le récepteur d’un téléphone électrique conventionnel (effet photoacoustique) 8

Vers 1970 : nécessité de l’optique pour répondre à la demande en bande passante Avant 1970 : les télécommunications électriques et micro-ondes ont permis un produit BL de 100 Mbit/s.km. mais L’essor des télécommunications exige plus.  Possibilité de l’optique est envisagée mais problème de disponibilité de source et de milieu de transmission.  Invention du laser et fabrication des fibres optiques (vers 1960). Tiré de Agrawal, " Fiber-Optic Communication systems", Wilez Interscience, 2002 9

Les télécommunications optiques guidées ont commencé avant la 2d guerre mondiale Allemagne 1930 (Heinrich Lamm) : expériences de transmission de la lumière sur des fibres en verre. Angleterre 1958 (Kao et Hockham) : prototype de l’actuelle fibre optique (deux cylindres concentriques) Japon 1960 : transmission d’images optiques sur 1 mètre car grande atténuation 1966 : Application des lasers à semiconducteurs aux télécommunications optiques (infra-rouge) 1970 : Réduction de la perte dans les fibres optiques de 150 dB/km à 20 dB/km Actuellement : atténuation de l’ordre de 0.30 dB/km à 1.55 µm 10

Depuis 1980, la capacité des systèmes de télécommunications optiques n’a cessé de croître Le déploiement commercial est en phase avec le développement de la recherche Tiré de Agrawal, " Fiber-Optic Communication systems", Wilez Interscience, 2002 11

Généralités sur les fibres optiques 12

 cheveu humain (80 µm en moyenne)  fibre optique (125 µm) Comparaison des dimensions d’un cheveu humain avec celles d’une fibre optique  cheveu humain (80 µm en moyenne)  fibre optique (125 µm) Tiré de Tricker R.L., "Optoelectronic Line Transmission", Heinemann Newnes, 1989 13

La transmission optique est confinée dans un diamètre de 8 µm (10-6 m) coeur n n n n coeur n 2 2 125 µm 50 µm n 125 µm 8 µm 50 µm n 1 1 enveloppe enveloppe La figure de gauche représente une fibre multimode, celle de droite une fibre monomode. L’indice de réfraction du cœur doit être supérieur à l’indice de réfraction de l’enveloppe pour permettre le guidage. En pratique, une couche de protection en polymère est également utilisée (généralement 900 m). 14

Les matériaux utilisés pour les fibres optiques doivent présenter certaines caractéristiques précises Possibilité de réaliser des guides longs, fins et flexibles. Le matériaux doit être transparent dans un certain intervalle de longueur d’onde afin que le signal optique se propage efficacement. 3. Des matériaux physiquement compatibles et possédant des indices de réfraction différents pour le coeur et l’enveloppe doivent être disponibles.  VERRES et PLASTIQUES Fibres multimodes Diamètre de 1mm, ce qui augmente les tolérances liées à la connectique. Grande atténuation (courte distance) Moins coûteux Domotique, véhicules, FTTH Fibres multimodes ou monomodes Diamètre de 125 m. Faible atténuation (longue distance) A base de silice  Cadre de ce cours  Chapitre 9 15

Dans les fibres à base de silice, le profil d'indice s'obtient par dopage Tiré de Keiser, "Optical Fiber Communications“, Mc Graw Hill, 2000  Différentes possibilités : 16

La fibre optique possède de nombreux avantages Une faible atténuation. Une transparence dans le domaine du visible et de l’infrarouge (intérêt pour les télécom), d’où une bande passante importante. Une immunité vis à vis des interférences électromagnétiques. Elles ne génèrent pas de bruit. Elles sont résistantes à la corrosion, aux hautes températures et aux chocs thermiques. Elles sont légères, fines et faciles à placer. La matière première pour la silice est le sable et est donc largement disponible. 17

Tiré de Senior, " Optical Fiber Communications, Prentice Hall, 1992 La gamme de longueurs d’onde utilisée en télécommunications optiques s’étend de 800 à 1700 nm Tiré de Senior, " Optical Fiber Communications, Prentice Hall, 1992 18

L’atténuation varie avec la longueur d’onde 1310 nm : atténuation de 0,5 dB/km 1550 nm présente le minimum d’atténuation Pic d’atténuation autour de 1400 nm : absorption des molécules d’eau  Chapitre 4 Tiré de Keiser, "Optical Fiber Communications“, Mc Graw Hill, 2000 19

Les phénomènes de dispersion limitent le débit  Chapitre 5 La dispersion d’un signal optique dans une fibre optique provoque des distorsions pour des systèmes de transmission tant numériques que analogiques. Dans un système de transmission numérique, le mécanisme de dispersion induit un élargissement temporel de l’impulsion émise à mesure de sa progression dans la fibre. Cela réduit la bande passante de la fibre et induit de l’interférence entre symboles (ISI) Tiré de Senior, "Optical Fiber Communications", Prentice Hall, 1992 20

Il y a trois types de dispersion La dispersion intermodale. Chaque mode se propage selon un chemin optique différent et dès lors, l’impulsion s’élargit. Ce phénomène dispersif n’est présent que dans les fibres multimodes. La dispersion intramodale ou chromatique. La dispersion chromatique provient du fait que la vitesse de propagation dépend de la longueur d’onde. La dispersion de mode de polarisation : provient de la dépendance de l’indice de réfraction par rapport à l’état de polarisation de la lumière 21

La dispersion chromatique varie d’un type de fibre à l’autre Les sources optiques ne sont pas monochromatiques (largeur spectrale, chirp, modulation)  dispersion chromatique. Fibres à saut d’indice (SI) : dispersion nulle à 1310 nm Fibres à dispersion décalée (DSF) : dispersion nulle à 1550 nm 22

Évolution des systèmes de communications optiques 23

De 1975 à 2000, 4 générations de systèmes optiques se sont succédées Tiré de Agrawal, " Fiber-Optic Communication systems", Wilez Interscience, 2002 24

La première génération utilise des longueurs d’onde autour de 850 nm : première fenêtre des télécommunications Utilisation de longueurs d’onde autour de 850 nm, qui correspondait à une longueur d’onde pour laquelle des sources et des détecteurs étaient disponibles. Les fibres utilisées étaient de type multimode, les sources, de type GaAs les détecteurs de type silicium. Les principales limitations des systèmes de première génération étaient la dispersion intermodale et l’atténuation des fibres encore trop importante. Ces systèmes ont permis d’utiliser des débits de 45Mbits/s avec une distance inter-répéteurs pouvant aller jusqu’à 10 km. 25

La deuxième génération utilise des longueurs d’onde autour de 1300 nm : deuxième fenêtre des télécommunications Le développement de sources optiques (de type In-GaAsP) et de détecteurs (de type germanium) fonctionnant à 1300 nm a permis de transférer la longueur d’onde de 800 nm vers 1300 nm.  de la distance inter-répéteurs car faible atténuation (0,5-1 dB/km) et dispersion minimale à 1300 nm. Débits 100Mbit/s à cause de l’utilisation de fibres multimodes (dispersion encore trop importante). Amélioration considérable : fabrication de fibres de type monomode (annulation de la dispersion intermodale).  Les systèmes de seconde génération ont permis d’utiliser des débits de 1.7 Gbits/s avec une distance inter-répéteurs valant 50 km. 26

La troisième génération utilise des longueurs d’onde autour de 1550 nm : troisième fenêtre des télécommunications Les progrès dans la fabrication des fibres optiques a permis de minimaliser l’atténuation à 1550 nm (0,2-0,3 dB/km). Cette longueur d’onde présentait néanmoins une dispersion importante.  Fabrication de fibre à dispersion décalée qui présentent à la fois une atténuation et une dispersion minimales à 1550 nm.  Utilisation de débits allant jusqu’à 10 Gbits/s (correspondant à 150.000 communications téléphoniques simultanées sur une seule fibre) avec une distance inter-répéteurs de 60-70 km 27

Première génération Deuxième génération Troisième génération Tiré de Keiser, "Optical Fiber Communications“, Mc Graw Hill, 2000 Quatrième génération 28

La quatrième génération utilise l’amplification optique et le multiplexage en longueur d’onde (WDM). Invention de l’amplification optique   de la distance inter-répéteurs. Les pertes des fibres sont compensées périodiquement en utilisant des amplificateurs espacés de 30-120 km. Utilisation de la technique WDM (Wavelength Division Multiplexing) : transmission de plusieurs longueurs d’onde sur une même la fibre. Réalisations : - transmission à 2.5Gbits/s sur une distance de 21000 km.  liaisons sous-marines et intercontinentales possibles. - 82 canaux, chacun opérant à 40Gbits/s (équivalent à 51.250.000 communications téléphoniques simultanées sur une seule fibre), sur une distance de 3000 km, résultant en un produit BL égal à 10000 Tbits/s- km. 29

Réseau intercontinental et Africa One http://www.cybergeography.org/atlas/cables.html 30

Exemple de réseau terrestre 31

L’offre technique de capacité explose encore grâce au WDM 0,1 1 10 100 1000 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 Year Capacity [Gbit/s] WDM + TDM TDM (single channel) 565 Mbit/s 2.5 Gbit/s 10 Gbit/s 40 Gbit/s 4 x 2.5 Gbit/s 16 x 2.5 Gbit/s 32 x 2.5 Gbit/s 16 x 10 Gbit/s, 64 x 2.5 Gbit/s 96 x 2.5 Gbit/s 40 x 10 Gbit/s 32

La génération future a pour objectif d’encore augmenter le débit utilisable  des domaines de longueurs d’onde exploitées simultanément par la technique WDM. - Actuellement : 1530 nm à 1570 nm (bande C) - Avenir : 1570 nm-1610 nm (bande L) et 1460 nm-1500 nm (bande S). Avec l’aide de l’amplification Raman. Un nouveau type de fibre a été introduit, permettant d’obtenir une faible atténuation partout entre 1300 nm et 1650 nm.  du débit par canal. En laboratoire : transmission s’effectuant à 160 Gbits/s. Ces systèmes requièrent une gestion soignée de la dispersion. 33

Utilisation des fibres optiques en télécommunications Téléphonie Réseaux de données WAN (Wide Area Network) : Echelle d’un pays, plusieurs opérateurs de télécommunication MAN (Metro Area Network) : Echelle d’une région, généralement un seul opérateur LAN (Local Area Network) : Réseau informatique local Réseaux transocéaniques (TAT, FLAG, AFRICA ONE) Réseaux d’accès (CATV, FITL, FTTH, ...) Point-à-point Point-à-multipoints 34

Chaîne de télécommunications optiques 35

Une chaîne de télécommunications optiques possède trois éléments clés Une source optique en début de liaison permet de générer un signal lumineux à la longueur d’onde désirée. Ce signal est une image d’un signal électrique véhiculant l’information utile. Les sources les plus utilisées sont les LED (Light-Emitting Diodes, large spectre) et les diodes lasers (faible largeur spectrale). Un câble optique contenant des fibres et offrant une protection suffisante par rapport à l’environnement. Un détecteur optique en fin de liaison permet de convertir le signal lumineux arrivé à destination en un signal électrique qui pourra ainsi être traité. Deux types de détecteurs sont principalement utilisés : types PIN et APD (Avalanche Photodiode). 36

Schéma-bloc d’une liaison optique Distance inter-amplificateurs 30 à 120 km Tiré de Keiser, "Optical Fiber Communications“, Mc Graw Hill, 2000 37

Selon les besoins, d’autres éléments peuvent être utilisés Si les distorsions (comme la dispersion) sont trop importantes, il est nécessaire de remettre en forme le signal  régénérateurs Si le signal optique devient trop faible de part une trop forte atténuation  amplificateurs optiques. Ceux-ci sont de trois types : amplificateurs à semi-conducteurs (SOA), amplificateurs à fibre dopée à l’erbium (EDFA) et amplificateurs Raman. Des éléments liés aux connexions fibre-fibre ou fibre-équipement doivent également être présents  connectique (connecteurs, soudure) Si le signal doit être divisé en deux ou plusieurs parties  coupleurs optiques 38

Différents types d’installation sont possibles pour les fibres Les fibres optiques peuvent être installées dans : des conduits (ducts) dans les airs (pylônes) sous eau (liaisons transocéaniques) sous terre Tiré de Keiser, "Optical Fiber Communications“, Mc Graw Hill, 2000 39