SYSTEMES DE COMMUNICATIONS OPTIQUES Yves JAOUEN Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications Groupe Télécommunications Optiques Département Communications et Electronique, CNRS UMR 5141 46 rue Barrault, 75634 Paris Tel : 01 45 81 77 32 Email : yves.jaouen@telecom-paristech.fr

Principes généraux Accroissement des fréquences porteuses Débits - Domaine radiofréquence l = 37 cm  f = 800 MHz - Domaine millimétrique l = 1 cm  f = 30 GHz - Domaine optique l = 1 µm  f = 300 THz Débits - Domaine radiofréquence f = 1 GHz  B = qques 100 Mb/s - Domaine optique f = 300 THz  f = qques Tb/s Support de propagation - Espace libre Spectre radioélectrique limité (< 100 GHz) - Guides d’onde métalliques < 100 dB/km pour f ~1 GHz (l ~ 30 cm ) - Domaine optique < 1 dB/km pour l ~1 µm

Principe d’une transmission optique Emetteur Récepteur + – + –

Liaison optique longue distance Multiplexeur Démultiplexeur Amplificateur Input data Laser Modulateur Output data LPF 50 – 100 km N sections = 1000 à 10000 km Transmission optique - support fibre - amplification optique Génération de signaux optiques - transducteur E/O :lasers à semi-conducteurs - transducteur O/E : photodiode Accroissement des capacités - augmentation du débit  limitation par dispersion, circuits électroniques - multiplexage en longueur d’onde (systèmes WDM) Le traitement tout-optique des signaux pas encore mature

Evolution des systèmes optiques Ruptures technologiques 1ère génération : fibre multimode (0.85µm) 2ème génération : fibre monomode (1.3 µm) 3ème génération : laser DFB 1.55 µm 4ème génération : amplification optique 5ème génération : systèmes WDM L’accroissement des capacités est « tirée » par l’innovation technologie

Réseaux optiques trans-océaniques

Plan Support de propagation - Principe de guidage Fibre multimode Fibre monomode - Phénomène de dispersion - Atténuation Composants optoélectroniques - Rappel de physique électronique - Structures de laser à semiconducteurs - Photodetecteur Amplification optique Limitations physiques et familles de systèmes Réseaux tout-optiques Perspectives

Support de propagation fibre optique = guide d’onde diélectrique

Fibre optique Phase 1 : élaboration d’une préforme Phase 2 : tirage Gaine en polymère Gaine en silice pure Teflon Cœur en silice Phase 2 : tirage Structure géométrique

Propagation guidée : Approche géométrique Réflexion totale Fcoeur = 50-80 µm n0 n2 0 n1 i c Angle d’injection maximal : Ouverture numérique

Fibres multimodes : dispersion intermodale Profil à saut d’indice Profil à gradient d’indice (profil parabolique) Influence de la dispersion SI : Dn = 10-2  BL = 10 Mb/s * km GI : profil parabolique, Dn = 10-2  BL > 1 Gb/s * km

Propagation guidée : Approche électromagnétique Equation de propagation Solutions : modes TE, TH, EH, EH (fréquence normalisée) (constante de propagation normalisée) Propagation monomode : mode fondamental HE11 Dimensions du guide imposées pour maintenir propagation monomode Domaine spectral 1.2 – 1.7 µm Fcoeur = 9 µm, Dn = 5 10-3

Fibres monomodes : dispersion chromatique - dispersion matériau (nSI = f(l)) - dispersion « guide » (profil du mode = f(l))  BL ~ 1/(D Dl) = + D en ps/nm/km

Dispersion dans les fibres monomodes Dispersion dans les fibres standard Familles de fibres Influence de la dispersion D1.3 µm ~ 1 ps/nmm/km  BL = 100 Gb/s * km D1.55 µm ~ 17 ps/nmm/km  BL = 5 Gb/s * km

Atténuation dans les fibres optiques Origine Diffusion Rayleigh (la silice est un milieu amorphe) - Absorption (résonance du matériau à différents l) Silice : Absorption IR Ions OH- : 1.24 µm & 1.39 µm Ions métalliques

Composants optiques d’extrémités Lasers à semi-conducteurs & photodiodes

Sources à semi-conducteurs (1) Concepts de base : Interactions onde-matière 3 types de transitions entre le niveau fondamental E1 et le niveau excité E2 entre 2 niveaux d’énergie d’un atome E2 E2 E2 E1 E1 E1 Absorption stimulée Emission spontanée - Direction aléatoire - Phase aléatoire Emission stimulée - Cohérence spatiale - Cohérence temporelle Taux d’émission  Spontanée (proportionnelle à la population du niveau E2)  Stimulée (gain stimulé proportionnel à la population du niveau E2)

Sources à semi-conducteurs (2) Recombinaison radiative dans les semi-conducteurs Structure de bande d’énergie : bande de valence (trous libres), bande de conduction (e- libres) Une transition radiative est possible si : Conservation de l’énergie Conservation de la quantité de mouvement Semiconducteur à gap-direct (AlGaAs, InP, …) Gap direct Gap indirect Bande de conduction Bande de conduction Electrons Ec Energie Energie Eg Ev trous Bande de valence Bande de valence Vecteur d’onde Vecteur d’onde

Diodes électroluminescentes (DEL) Zone P Zone N Contacts électriques Emission spontanée obtenue par recombinaison radiative Bande passante limitée par la durée de vie des porteurs (porteur = e- + trou) Diagramme de rayonnement lambertien ( rdt de couplage source-fibre = qques %) qques 10 à 100 µW de puissance optique couplée

Diodes laser (1) condition sur le gain : condition sur la phase : Courant injecté Zone active = Milieu amplificateur Confinement optique  zone active = structure optique guidante Confinement électronique  inversion de population Cavité résonnante optique Miroirs externe Faces clivées du matériau (n ~ 3-3.5) L R1 R2 En régime établi  onde stationnaire condition sur le gain : condition sur la phase :

Diodes laser (2) Structure typique Boitier Caractéristique P (I)

2 familles de diodes laser Laser Fabry-Pérot Laser DFB gain Plusieurs modes se situent dans la courbe de gain  laser multi-l w Modes de cavité Condition d’accord de phase  laser mono-l

Modulation du champ optique Photodiode = détecteur quadratique  Modulation NRZ 1 1 1 1 Puissance Temps Modulation directe Modulation externe courant d’injection Diode laser Diode laser Modulateur externe données données ☺ Simplicité de mise en œuvre ☹ Influence de la dispersion ☹ Complexité de mise en œuvre ☺ Influence de la dispersion minimale

Modulation directe d’un laser à semi-conducteur Equations d’évolutions porteurs photons fréquence Rb = 2.5 Gb/s Variation de la puissance optique P(t) (par la variation du gain du milieu) Variation de la fréquence optique optique n(t) (par la variation de l’indice de réfraction) Indice de réfraction complexe

Modulateur à Electro-absorption Modulation externe Modulateur de Mach-Zehnder Principe : - Modulateur de phase - Interféromètre MZ → Df1(t) = - Df2(t) = ± /2 Possibilité de suppression du chirp Modulateur à Electro-absorption Pas de Chirp adiabatique Chirp transitoire ajustable Data

Photodiode I ZCE  ⊕ ⊖  Signal : 1 photon  1 e-  I =  P Bruits : ( ~ 1 A/W à 1.55 µm) Zone P Zone N Signal : 1 photon  1 e-  I =  P Bruits : - Bruit thermique Nth = 4kT/Rch - Bruit de grenaille Nqn = 2e  P

Réception optique Diagramme de l’oeil En réception, un comparateur à seuil régénère le signal La présence de bruit engendre l’apparition d’erreur Seuil de réception typique

3ème partie : Amplification optique

Pré-amplification optique fibre Filtre optique photodétecteur Ampli B e Emetteur P in P out G Signal Signal Emission spontanée B o Conclusion : pré-amplification optique  Apparition de nouvelles composantes de bruit

Sources supplémentaires de bruit Battement Signal-ASE Battement ASE-ASE Bo Signal Emission spontanée Bo Emission spontanée Nsp GPin Bo Emission spontanée Nsp Ä Ä OPTIQUE OPTIQUE Signal Emission spontanée Bo Bo/2 ELECTRIQUE = 42 * GPin Nsp ELECTRIQUE = 42 * NspNspBo Be Be

Pré-amplification optique : sensibilité du récepteur Si le gain de l ’amplificateur optique est suffisant : Sensibilité du récepteur

Systèmes optiques amplifiés (1) Chaine d’amplificateurs … Modélisation d’un amplificateur Amplificateur Puissance de sortie constante (fonction de puissance de pompe)  auto-contrôle automatique du gain Pin Pout Å G ASEN ampli = N ASE1 ampli Puissance signal diminuée (GL < 1) ASE Le S/B se dégrade avec le nombre d’amplificateurs

Systèmes optiques amplifiés (2) 2 zones de fonctionnement Accumulation de l’ASE 1 amplificateur : N amplificateurs : 2 zones de fonctionnement Zone linéaire Plancher d’erreur

Systèmes optiques amplifiés (3) Rapport S/N requis en extrémité (Influence du taux d’extinction) 10 Gb/s : OSNR0.1nm = 18-21 dB 40 Gb/s : OSNR0.1nm = 25-28 dB Influence TEx & Belec

Système optiques amplifiés (4) OSNR = 20 dB 10 Gb/s / 1000 Km : pas 100 km 10 Gb/s / 10000 Km : pas < 50 km La dégradation de OSNR est une fonction de pertes/tronçon

Amplificateur à fibre dopée Erbium Niveaux d’énergie de l’ion Erbium Architecture Fibre dopée Er 5-15 m E3 Transition rapide Pin Pout E2 mux mux Emission Stimulée 1550 nm Pompage 980 & 1480 nm Diode de pompe (50 – 350 mW) Diode de pompe (50 – 350 mW) E1 L’absorption d’un photon de pompe permet la transition entre les états d’énergie E1  E3 Transition rapide E3  E2 Population E2 > population E1 (inversion)  émission stimulée Gain = 20-30 dB Pout = 13 – 23 dBm Bande de gain 1530-1562 nm (bande C) 1530-1605 nm (bande L)

Amplificateur à fibre dopée Er3+ Evolution des populations Gain par unité de longueur sa et se : sections efficaces d’absorption/émission La courbe de gain est dépendante de l’inversion de population n2 = N2/NEr

Amplification Erbium en régime WDM Non-uniformité de la courbe de gain des amplificateur EDFA Solutions : Pré-égalisation Fibre dopée à verre fluoré EDFA Filtre-égaliseur passif

Techniques d’égalisation de gain Pré-égalisation des signaux Sortie de chaîne d’EDFA Entrée Sans pré-égalisation Avec pré-égalisation Nbre d’EDFA et bande de gain réduits Egalisation du gain de l’amplificateur Input Output Mux Mux Mux Mux Pompe Pompe Pompe Pompe Techniques : réseaux photo-inscrits, films diélectriques, … Atténuation : 1 à 10 dB en fonction de la longueur d’onde et de l’architecture de l’EDFA NFtotal = NF1 + NF2 /(G1 . T) ~ NF1 si G1T >> 1

Multiplexage en longueur d’onde

Plan de fréquence EDFA Bande C Bande L Spectre d’absorption Longueur d’onde de référence Spectre d’absorption cyanure d’hydrogène (H13C14N) Système de stabilisation d’une source laser (laser DFB, laser à cavité externe)

Technologies de multiplexage Exemple : Multiplexeur 40 canaux, 100 GHz Kylia 100GHz spacing < 18 ch. < 45 ch. Insertion loss < 2.5 dB < 3 dB PDL < 0.1 dB < 0.2 dB IL uniformity < 0.3 dB < 0.7 dB Adjacent X-talk > 33 dB Cumulative X-talk > 30 dB Channel width@-1dB > 14 GHz Channel width@-3dB > 24 GHZ PMD < 0.2 ps Chromatic dispersion ±10 ps/nm Operating °C range -5 to 70 °C Caractéristiques typiques - Espacements: 25 (?), 50, 100 & 200 GHz - Nbr de canaux variables : 100GHz / 8 à 80 Ch - Gabarit de filtre : flat-top ou gaussien - pertes d’insertion : 2-3 dB - PDL < 0.2 dB - Pas de dépendance à la température

Familles de systèmes optique

Familles de systèmes Fenêtre I (0.85 µm) Fibre multimode (2.5 dB/km) / Laser FP AsGa Fenêtre II (1.3 µm) Fibre monomode (0.5 dB/km) / Laser FP InP  minimum de dispersion chromatique Fenêtre III (1.55 µm) Fibre monomode (0.2 dB/km) / Laser DFB  minimum d’atténuation, amplification optique

Dispersion : limitation du produit débit*distance (1) Critère : élargissement de l’impulsion sf < Tb/4 (Rb = 1/Tb) Tb Fibre multimode  dispersion intermodale Saut d’indice BL = c/(2n1D) D = 10-2  BL = 10 Mb/s * km Gradient d’indice BL = 2c/(n1D2) D = 10-2  BL = 1 Gb/s * km Fibre monomode  dispersion chromatique sf = D Dl L E = m(t) . exp(jwot + f(t))  Sopt(f)= Slaser(f)  Sm(f) Laser FP : Slaser >> Sm (spectre d’émission  Slaser ~2-4 nm) BL < (4D Dl )-1 D = 1 ps/nm/km, Dl = 2 nm  BL = 125 Gb/s * km Laser DFB : Slaser << Sm (spectre d’émission  Sm = Rb) B2L < c /(4Dl2 ) (avec Dl ~ Rb * l2/c) D = 17 ps/nm/km, B2L = 6000 Gb2/s * km

Dispersion : limitation du produit débit*distance (2)

Familles de systèmes 1ère génération : fibre multimode 0.85 µm R < 50 Mb/s  liaisons très courtes distances Limitation par l’atténuation Faible bande passante Application : réseaux locaux (  technologies bas coût) 2ème génération : fibre monomode R < 560 Mb/s  Liaisons courtes distances Dispersion chromatique faible à 1.3 µm Utilisation de laser FP Application: réseaux d’accès (< 50 km) 3ème génération : laser mono-longueur d’onde (structure DFB) R < 2.5 Gb/s  Liaison moyennes distances Dispersion chromatique élevée à 1.55 µm Modulation directe de laser DFB Application: réseaux métropolitains (< 150 km)

Minimisation de la dispersion chromatique La distance maximale transmissible d’une liaison amplifiée est limitée par la dispersion chromatique de la fibre. Utilisation de fibres à dispersion décalées : Dguide et Dmatériau sont de signe opposé La dispersion guide est déterminée par le profil d’indice du cœur La dispersion guide est « exacerbée »  dispersion totale faible 1.55 µm SMF 17 ps/nm/km DSF < 0.1 ps/nm/km NZ-DSF 4-8 ps/nm/km DCF ~ -100 ps/nm/km 4ème génération : systèmes mono-l (amplification en ligne, fibre DSF)  Systèmes trans-océaniques 5 Gb/s > 10 000 km

Systèmes WDM à gestion de dispersion Suppression de la dispersion accumulée Fibre de ligne Fibre de compensation D L + Dcomp*Lcomp = 0 5ème génération : systèmes WDM longue distance 50 – 100 km Limitation : bruits des EDFAs, effets non-linéaires (interaction NL entre canaux Performances : 1000 à >10000 km en fonction du pas d’amplification

Réseaux tout optiques

Metropolitan/Regional Réseaux tout optiques Global Network Wide Area Network Metropolitan/Regional Area Optical Network Corporate/ Enterprise Clients Cable modem Networks Client/Access FTTH Mobile SDH/ SONET ATM PSTN/IP ISP Gigabit Ethernet Cable FTTB < 10000 km < 10 Tbit/s < 100 km < 1 Tbit/s < 20 km 100M - 10 Gbit/s

Commutateur tout optique Management, Signaling OXC Controller Technology Multiplexeurs/Demultiplexeurs  adressage mono-l Commutateurs spatiaux  routage fibre m vers fibre m Convertisseurs en l  matrice sans blocage 1 1 Optical Switch Matrix NM×NM (MEMS) 1 1 M M 1 1 N N M M l-Demux l - Mux Tunable wavelength converter

Perspectives

Filière d’optique intégrée pour dispositifs HD-WDM Les communications optiques « tirées » par les évolutions technologiques Brasseurs WDM Brasseurs WDM Filière d’optique intégrée pour dispositifs HD-WDM Systèmes HD-WDM anneaux WDM, … sources WDM Systèmes WDM optical amplifiers Transmission mono-l > 10000 km Fibres Systèmes point-à-points

Accroissement de la bande spectrale