TECHNOLOGIES OPTO-ELECTRONIQUES Cours électif S8, 2012-2013 Pierre LECOY, Professeur ECP Pierre LECOY - Optoélectronique

Cours 4 : COMMUNICATIONS OPTIQUES Systèmes et réseaux sur fibres optiques Conception de liaisons Formats de modulation optique Pierre LECOY, Professeur ECP Pierre LECOY - Optoélectronique

LIAISONS SUR FIBRES OPTIQUES Liaisons numériques : infrastructure du réseau longue distance (WAN) aux hiérarchies numériques plésiochrones (PDH) et synchrone SDH (Synchronous Digital Hirarchy) évolution vers l’OTN (Optical Transport Network) réseaux métropolitains (MAN) protocoles SDH ou 1/10 Gigabit Ethernet réseaux locaux (LAN) protocoles Ethernet, FDDI, Fiber Channel, bus de terrain, multimédia (bus « firewire » 1394) … en point à point ou en PON (passive optical networks) réseaux de distribution et d'accès des abonnés (FTTx, fiber to the … ) Nouvelle étape : 100 Gbit/s ! Liaisons analogiques (surveillance vidéo, télémesures, radio sur fibre … ) Pierre LECOY - Optoélectronique

S.D.H. = Synchronous Digital Hierarchy Structure d'une trame STM 1 (Synchronous Transport Module) : En tête : 9 colonnes Charge utile : 261 colonnes (2349 octets) 9 rangées O H Conteneur virtuel Section Overhead : surdébit de section débit effectif 149,76 Mbit/s 1 3 4 5 9 Section de régénération multiplexage indications sur le conteneur éventuellement constitué par assemblage de conteneurs de capacités inférieures SOH P Pointeurs 125 µs Total : 2430 octets synchro Permet d'insérer dans la trame tous les systèmes existants (PDH, Ethernet, ATM, IP … ) et d'en extraire directement n'importe quelle voie grâce aux pointeurs Pierre LECOY - Optoélectronique

SDH/SONET SUR FIBRES OPTIQUES Spécifications couche physique sur fibre optique (principaux exemples de systèmes, portée sans amplification) : Nom SDH (norme UIT) Nom SONET (ANSI) canaux téléph. Débit (Mbit/s) Fibre optique Longueur d’onde (nm) Portée (km) STM 0 OC 1 672 51,84 Multimode 1310 2 STM 1 OC 3 2016 155,52 Multi/monomode 1310 / 1550 2/15/60 STM 4 OC 12 8064 622,08 Monomode standard 15 / 60 STM 16 OC 48 33256 2488,32 / dispersion décalée 1550 60/120 STM 64 OC 192 129024 9953,28 Monomode à dispersion décalée 60 STM 256 OC 768 516096 39813,12 Monomode à dispersion décalée et très faible PMD ? n x STMm par multiplexage en longueur d’onde Distances minimales prévues par les standards on peut faire mieux Pierre LECOY - Optoélectronique

RESEAUX ETHERNET SUR FIBRES OPTIQUES Architecture (exemple) : Etoile optique active Répéteur Fibres optiques Serveur Ethernet sur câble coaxial Etoile optique passive Pont switch Paires torsadées Routeur Vers réseaux extérieurs Stations Pierre LECOY - Optoélectronique

RESEAUX ETHERNET SUR FIBRES OPTIQUES Mode d’accès : aléatoire (protocole CSMA/CD)‏ Débits/supports : Standards IEEE 802.xx Dénomination Débit (Mbit/s) Code en ligne Support physique Topologie Portée 10 base 2/5 10 Mbit/s coaxial fin/épais bus en ligne 200/500 m 10 base T biphase paire torsadée non blindée stations 100 m 10 base FL (Manchester) fibre optique multimode à 850 nm (DEL) vers hubs 2000 m 10 base FT idem étoile passive 500 m 100 base T 100 Mbit/s bipolaire 50 m 100 base FX (Fast Ethernet) 4B5B fibre optique multimode à 1310 nm (DEL) 400 m 2 km sur 50/125 Pierre LECOY - Optoélectronique

RESEAUX ETHERNET SUR FIBRES OPTIQUES Gigabit Ethernet : Dénomination Débit (Gbit/s) Code en ligne Support physique Topologie Portée 1000 base TX 1 Gbit/s 2 paires torsadées cat.6 100m 1000 base SX fibre optique multimode à 850 nm (VCSEL) étoile 250 m 550 m sur 50/125 1000 base LX 8B10B fibre optique monomode à 1310 nm (DL) active 5 km 10G base SX 10 Gbit/s fibre multimode OM 3 à 850 nm (VCSEL) 300 m 10G base LX4 fibre multimode à 4 longueurs d'onde, fenêtre 1310 nm (DL) 300 m ; 1 km sur fibre OM3 10G base LX 10 km Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique FIBER CHANNEL Standard ANSI Utilisations : Interconnexion à haut débit pour tous protocoles : Ethernet, interfaces SCSI, HIPPI, TCP/IP, ATM … Recommandé pour anneaux de stockage (SAN, storage area networks) Couches Fiber Channel : FC0 = émission / réception sur le support, régénération FC1 = constitution des trames : 2168 octets codés 8B10B + contrôle d’erreur et de flux FC2 = architecture de réseau : point à point, en boucle ou en étoile active (avec switch) Débit nominal : 100 Moctets/s soit 1062,5 Mbauds Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique FIBER CHANNEL Débits et supports : Débit de base “1” à 1062,5 Mbauds Multiples et sous-multiples : Futur échelon à 16 Gbit/s Emetteur l(nm) Portée maximale Dénomination 1/8 1/4 1/2 1x 2x 4x 8x Débit utile (Moctets/s) 12,5 25 50 100 200 400 800 Paire torsadée 100 m 50 m Coaxial 75 m 25 m Fibre multi. GI 62,5/125 DEL 1300 1,5 km GI 50/125 VCSEL 850 2 km 1 km 500 m 300 m 150 m 300 m (OM3) Fibre monomode DL 10 km 4 à 10 km 2 à 10 km Pierre LECOY - Optoélectronique

RESEAUX D’ACCES SUR FIBRES OPTIQUES Différentes architectures possibles … Fibres optiques CD Point à point (1G) paires (branchement) CD = Centre de distribution Fibres optiques (distribution) Points de branchement ou liaisons radio CD Fibres optiques CD coupleurs PON (Passive Optical Network) VDSL Réseaux optiques FTTH (fiber to the home) Réseaux optiques FTTC (fiber to the curb), FTTB (fiber to the building) … HFC (hybrid fiber-coax) : distribution coaxiale tête de réseau ONU fibre optique optical network unit réutilisation des réseaux câblés Débits typiques : 100 Mbit/s dans chaque sens Pierre LECOY - Optoélectronique

FTTH / PON Exemple d’architecture : WDM (Wavelength Division Multiplexing) = multiplexage en longueur d’onde entre les 2 sens et les services + un canal de monitoring à 1625 nm (pour la réflectométrie) Solution future ? DWDM/PON Multiplexage dense entre nombreux utilisateurs sur la même fibre Pierre LECOY - Optoélectronique

TRANSCODAGE Codes en ligne utilisés sur fibres optiques : plutôt à bas débit (Fr est doublé) Codes en ligne utilisés sur fibres optiques : Bit NRZ Format RZ code biphase différentiel code CMI Duo-binaire 00 01 séquence identique à la précédente 10 1 séquence inversée par rapport à la précédente 00 ou 11 alternés 1 ou -1 Par alternance de la phase optique dans un modulateur   codes de blocs nBmB : n bits remplacés par m bits   embrouillage (scrambling) : multiplication par une séquence pseudo-aléatoire à plus haut débit (Fr est multiplié par m/n) Seul utilisé par SDH/SONET Pierre LECOY - Optoélectronique

CONCEPTION DES LIAISONS Filtrage : Filtre minimum théorique (critère de Nyquist) ∆F = Fr/2 Fr fréquence rythme (après transcodage) Règle pratique : filtre type cosinus surélevé, ∆F = 0,7 Fr Bande de bruit Bande passante minimale de la fibre : si BP > Fr fonctionne sans égalisation si 0,7 Fr < BP < Fr pénalité due à la dispersion (ou à l’égalisation) si BP < 0,7 Fr  modifier le support optique … soit Dt < T/2 (un demi-bit) En format NRZ. Plutôt 0,6 Fr en RZ Pierre LECOY - Optoélectronique

DIAGRAMME DE L’ŒIL 155 Mbit/s 622 Mbit/s instant de décision optimum seuil instant de décision optimum Le récepteur a une bande passante de 500 MHz Pierre LECOY - Optoélectronique

BRUIT DU RECEPTEUR Modèle (simplifié) : Rapport signal / bruit : RSB = Bruit de fond électronique <iF2> indépendant de P iS=S.P P PEB. F équivalente Bruit quantique (shot noise)‏ <iq2> = 2qSP.F Rapport signal / bruit : RSB = Puissance équivalente de bruit : PEB = pW/Hz d’où RSB = optique Pierre LECOY - Optoélectronique

CONCEPTION DES LIAISONS Calcul de la puissance en réception : Probabilité d’erreur : PE (Q) = avec Q2 = = Photocourant moyen : im = S.Pmr courant de bruit 155 Mbit/s 622 Mbit/s sans dispersion PE(Q) : valeurs usuelles P PE mr -44 -42 -40 -38 -36 -34 dBm 10-4 10-6 10-8 10-10 avec dispersion Exemples d’ordres de grandeur Q 4,8 5,2 5,6 6,0 6,4 6,7 7,0 PE 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 Relation PE (Pmr) : Pmr = Q.PEB.DF pénalité Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique BILAN DE LIAISON Bilan en puissance (loss budget) : puissance moyenne à l'émission : 10 log Pme (dBm) - atténuation des raccordements : - AR (dB) - atténuation des coupleurs, et/ou multiplexeurs : - AM (dB) - marge : - m (dB) - puissance moyenne en réception : - 10 log Pmr (dBm) = atténuation disponible : = a (dB) Permet de calculer la portée L = a/a (en point à point) Pmr = Q.PEB.DF Pierre LECOY - Optoélectronique

Réseaux métropolitains, FAMILLES DE LIAISONS Débit (échelle log)‏ 200 100 50 20 10 5 Lmax (km) (échelle log)‏ 2 1 0,5 1 3 10 Gbit/s 1 3 10 30 100 300 Mbit/s 0,2 0,1 amplification optique Liaisons longue distance 1,55 µm fibres monomodes standard à dispersion décalée (ou compensation de dispersion)‏ multiplexage en longueur d'onde 1,3 µm fibres monomodes standard + DL 1,3 µm fibres multimodes + DEL Réseaux métropolitains, FTTH/PON Accès d'abonnés 1G 0,85 µm fibres multimodes + DEL 0,85 µm fibres multimodes + VCSEL Réseaux locaux Réseaux locaux haut débit liaisons industrielles sur fibres silice sur fibres plastiques Pierre LECOY - Optoélectronique

SYSTEMES DE TRANSMISSION A AMPLIFICATEURS OPTIQUES Liaisons longues : Jusqu’à 350 km ! Em Réc Liaison Amplificateur optique "booster" Em Réc Liaison Préamplificateur optique Liaisons très longues : Em Réc Amplificateurs optiques intermédiaires À cause de leur bruit, la distance entre amplis décroît avec la longueur de la liaison Pierre LECOY - Optoélectronique

LIAISONS A MULTIPLEXAGE EN LONGUEUR D’ONDE Avantages : Souplesse des investissements augmentation progressive des débits, jusqu’à des valeurs très élevées (10 Tbit/s par fibre !) partage entre opérateurs, utilisateurs, services … possibilité de réseaux multiterminaux Bande C Un canal tous les 100 GHz (0,8 nm) l (nm) 1530 1565 2 ou 4 x plus dense possible Difficultés : exigence de lasers de haute pureté et asservis en l platitude et stabilité du gain des amplis effets non linéaires limitent le nombre de canaux  augmenter le débit par canal (de 10 à 40 Gbit/s) Pierre LECOY - Optoélectronique

EFFETS DES DISPERSIONS Problèmes posés par les liaisons très longues et à très haut débit (DB débit par canal) : surtout sous-marines dispersion chromatique : limite DB.L puis DB2.L si élargissement de raie (car Dtc  Dl.L  DB .L) Solution : « management » de la dispersion (tenant compte des effets non-linéaires) Fibre de ligne, à dispersion positive EDFA Fibre compensatrice, à dispersion négative Mutiplexeur Démutiplexeur Sources à différentes longueurs d'onde Compensateurs de dispersion chromatique Récepteurs dispersion de polarisation : limite DB2.L et plus difficile à compenser Nouveaux formats de modulation : RZ, duobinaire, DPSK (repoussent un peu les limites) Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique FORMATS DE MODULATION Format NRZ (non return to zero) : en modulation externe (Mach-Zehnder Modulator), ici à 43 Gbit/s diagramme de l’œil Pierre LECOY - Optoélectronique

FORMATS DE MODULATION Format duobinaire : avec mise en forme RZ (return to zero) et suppression de porteuse (CS-RZ) facilite la récupération d’horloge détection directe résiste mieux à la dispersion peut être filtré en BLU  efficacité spectrale améliorée Pierre LECOY - Optoélectronique

Démodulation différentielle : FORMATS DE MODULATION Modulation de phase différentielle à 2 états avec mise en forme RZ (RZ-DPSK ou IM-DPSK) 1 : phase conservée 0 : phase inversée mêmes avantages + puissance constante RSB optique doublé peut être pratiqué à 4 états (DQPSK)  efficacité spectrale doublée Démodulation différentielle : Interféromètre de Mach-Zehnder avec retard d’un bit sur un bras Pierre LECOY - Optoélectronique

Pierre LECOY - Optoélectronique FORMATS DE MODULATION DP-(D)QPSK dual polarization, (differential) quadrature phase shift keying retenu par l’OIF (Optical Internetworking Forum) pour l’Ethernet 100 Gbit/s deux trains à 50 Gbit/s sur deux polarisations orthogonales chacun modulé à 4 états de phase (différentiel ou non) émetteur récepteur Pierre LECOY - Optoélectronique

TRANSMISSION COHERENTE Principe : utilisation de la modulation de phase ou de fréquence de la lumière, et de la détection hétérodyne comme en radio signal entrant Modulation : de fréquence ou de phase (interne) (externe) Emetteur Laser à ws Fibre optique à maintien de polarisation Amplificateur optique Multiplexeur en longueur d'onde signal sortant Démodulateur Oscillateur FI de référence Fréquence intermédiaire PLL Asservissement Récepteur hétérodyne Démultiplexeur en longueur d'onde Mais : très délicat à mettre en œuvre. Resté longtemps expérimental Pierre LECOY - Optoélectronique