Optique - Technologie DWDM

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1 Optique - Technologie DWDM
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2 - Evolution de la transmission sur fibre optique
Sommaire - Introduction - Evolution de la transmission sur fibre optique - Développement de la technologie DWDM - Fonctions du système DWDM - L'évolution des technologies - Composantes et Fonctionnement - Fibres Optiques - Comment fonctionnent les fibres optiques - Fibre optique Multimode et Monomode - Fibres optiques Monomode - Les challenges de la transmission Atténuation Dispersion - Conclusion - Emetteurs et Récepteurs de lumière - Emetteurs de lumière - LEDs et Lasers - Grille UIT-T - Détecteurs de lumière - Amplificateurs Optiques - EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) - Multiplexeurs et Démultiplexeurs - Techniques de multiplexage et démultiplexage - Multiplexeurs optiques à Insertion/Extraction - Interfaces DWDM - Fonctionnement d'un transpondeur basé sur un système DWDM ccnp_cch

3 Introduction ccnp_cch
L'émergence du DWDM est un des phénomènes récents et le plus important dans le dé- veloppement de la technologie de transmission sur fibre optique. Dans la suite de ce document seront retracées les évolutions de la technologie des fibres optiques ainsi que la place du DWDM dans leur développement. Nous examinerons les fonctions et les composantes d'un système DWDM en incluant les technologies émergeantes et en con- cluant avec une description détaillée du fonctionnement d'un système DWDM. Evolution de la transmission sur fibre optique La réalité d'une transmission sur fibre optique a été prouvée expérimentalement au 19ème siècle mais la technologie a fait des progrès très rapides dans la seconde moitié du vingtième siècle avec des applications dans le monde industriel et médical. Une fois que la viabilité de la transmission de la lumière sur fibre optique a été établie, l'étape suivante dans le développement des fibres optiques a été de trouver une source de lumière puissante et très concentrée. La diode émettrice de lumière (LED) et la diode laser fournissent ces deux prérequis. Les lasers arrivèrent dans les années 1960 pour atteindre leur point culminant avec des lasers à semi-conducteurs très largement em- ployés dans les fibres optiques aujourd'hui. La lumière a une capacité de transport de l'information fois plus grande que les plus hautes radio-fréquences. Les avantages supplémentaires de la fibre par rapport au cuivre sont la capacité de transmettre sur des distances plus longues sans regénérer le , un faible taux d'erreur, une grande immunité aux interférences électromagnétiques, faible poids et plus sécurisée. Conscients de ces caractéristiques, les chercheurs dans le le milieu des années proposèrent la fibre optique comme support de transmission possible. Il y avait un obstacle important qui était l'affaiblissement du signal ou l'atténuation très importante à cause du matériau qui était utilisé. Finalement en 1970 la société Corning produisit les premières fibres optiques utilisables pour de la transmission. Avec une attention inférieure à 20 décibels par kilomètre (db/Km), cette fibre en silice purifiée dépassait le seuil qui permettait de faire des fibres optiques une technologie viable. L'innovation a progressé lentement car les monopoles privés ou d'état qui détenaient les compagnies de téléphone étaient prudents. AT&T standardisa en premier une transmis- sion à 45 Mb/s (DS3) pour des fibres multimode. Peu de temps après les fibres mono- mode montrent une capacité de transmission dix fois supérieure à l'ancien modèle avec une couverture de 32 Kms. Au début des années 1980, MCI suivi par Sprint adoptèrent les fibres monomode pour les réseaux longue distance aux Etats-Unis. Les développements suivants dans les fibres optiques sont étroitement liés à l'utilisation de zones particulières du spectre optique, là ou l'atténuation est la plus faible. Ces zones appelées fenêtres se situent entre des zones d'absorption très élevée. Les tous premiers systèmes étaient développés pour fonctionner autour de 850 nm, la première fenêtre dans une optique de silice. Une seconde fenêtre (Bande S) à 1310 nm prouva rapidement sa supériorité à cause de son atténuation plus faible, suivie par une troi- sième fenêtre (Bande C) à 1550 nm avec une atténuation optique encore plus faible. ccnp_cch

4 Composantes et Fonctionnement
Aujourd'hui une quatrième fenêtre (Bande L) proche de 1625 nm est en cours de déve- loppement. Infrarouge Ultraviolet Visible 850 1310 1550 1625 Composantes et Fonctionnement Les premiers développements du DWDM débutèrent à la fin des années 1980 en utili- sant deux longueurs d'ondes largement espacées dans les régions 1310 nm et 1550 nm ( ou 850 nm et 1310 nm) quelquefois appelée "wideband" WDM. La figure ci-dessous montre un exemple de cette forme simple de WDM. Notez que une des fibres de la paire est utilisée pour émettre et l'autre pour recevoir. C'est une des dispositions des plus efficaces et la plus utilisée dans les systèmes DWM. Système d'Extrémité Emission Réception (1310 nm nm) Au tout début des années 1990 apparait une seconde génération de WDM appelée quelquefois "WDM bande étroite" et dans laquelle deux à huit canaux étaient utilisés. Ces canaux étaient espacés de 400 GHz environ dans la fenêtre 1550 nm. Au milieu des années 1990 , les systèmes DWDM dense émergeaient avec 16 à 40 canaux espacés de 100 à 200 GHz. A la fin des années 1990 les systèmes DWDM ont évolués à tel point qu'ils sont capables de supporter 64 à 160 canaux en parallèle avec un espacement de 25 GHz à 50 GHz. Comme le montre la figure page suivante, la progression de la technologie peut être vue comme un accroissement du nombre de longueurs d'ondes et d'une diminution de l'es- pacement des longueurs d'ondes. Avec l'accroissement de la densité des longueurs d'ondes, les systèmes ont aussi évolué en flexibilité de configuration au travers de fonc- tions d'extraction/insertion et de gestion. ccnp_cch

5 Fin 1990 1996 Début 1990 Début 1980 +64 canaux Espacement GHz +16 canaux Espacement GHz DWDM, fonctions insertion/extraction 2 à 8 canaux WDM Passif Espacement GHz 2 canaux WDM nm, 1550 nm L'accroissement de la densité des canaux avec la technologie DWDM a eu un impact très important sur la capacité de transport des fibres optiques. En 1995 quand les premiers systèmes à 10 Gb/s furent opérationnels, le facteur d'accroissement en capa- cité est passé de 4 tous les quatre ans à un facteur de 4 tous les ans. Mb/s 100000 10000 1000 100 10 1 ccnp_cch

6 ccnp_cch Fonctions d'un système DWDM
Au coeur du système, le DWDM comprend un petit nombre de fonctions de la couche physique. Ces fonctions sont décrites par la figure suivante qui montre une représenta- tion schématisée de quatre canaux. Chaque canal occupe sa propre longueur d'onde. Note: La longueur d'onde est exprimée (de manière usuelle en nanomètre) comme un point absolu du spectre électromagnétique. La lumière effective pour une longueur d'onde est située sur une bande étroite centrée sur la longueur d'onde. Transmetteurs Receveurs Combinaison des signaux Séparation des signaux Transmission sur fibre Le système réalise les fonctions suivantes: • Génération du signal - La source, un laser à semi-conducteur, doit fournir une lumi ère stable dans une bande étroite donnée qui transporte les données numériques modulée comme un signal analogique. • Combinaison de signaux - Les systèmes DWDM modernes utilisent des multiplexeurs pour combiner les signaux. Il y a une perte propre associée au multiplexage et au dé multiplexage. Cette perte est dépendante du nombre de canaux mais peut être limi tée avec des amplificateurs optiques qui amplifient toutes les longueurs d'ondes sans conversion électrique • Transmission des signaux - Les effets de la diaphonie et de la dégradation du signal optique sont des effets que l'on prendre en considération dans la transmission sur fibre optique. Ces effets peuvent être minimisés en contrôlant des éléments variables tels que l'espacement des canaux, la tolérance sur la longueur d'onde et le niveau de puissance des lasers. Sur une ligne de transmission, le signal aura peut-être besoin d'être amplifié optiquement. • Séparation des signaux reçus - Le signal démultiplexé est reçu par un photodétec teur En plus de ces fonctions, un système DWDM doit être équipé avec des interfaces côté client pour recevoir le signal d'entrée. Cette fonction est réalisée par des transpon- deurs (voir interfaces pour DWDM). Du côté DWDM sont situées les interfaces vers la fibre optique qui relie les deux systèmes DWDM. ccnp_cch

7 L'évolution des technologies Les réseaux optiques contrairement à SDH/SONET ne reposent pas sur le traitement électronique des données. Au contraire le développement des réseaux optiques est très lié à des techniques optiques. Dans sa forme primitive WDM pouvait transporter des signaux sur deux longueurs très espacées et sur une distance relativement courte. Pour aller au delà, le WDM nécessitait des améliorations dans les technologies existan- tes et des innovations technologiques. Les améliorations des fibres optiques et des la- sers bande étroite permirent au DWDM de combiner plus de deux longueurs d'ondes sur une fibre. L'invention des amplicateurs optiques de type "flat-gain" couplés avec la ligne de transmission en fibre optique pour booster le signal optique a permis d'accroître de manière spectaculaire la viabilité des systèmes DWDM en étendant de manière très importante la distance de transmission D'autres technologies ont joué un rôle très important dans le développement du DWDM. Les fibres optiques à faible perte, les EDFAs et des équipements tels que les réseaux de Bragg utilisés dans les multiplexeurs à insertion/extraction. ccnp_cch

8 Composantes et Fonctionnement
Le DWDM est une technologie de coeur de réseau dans un réseau de transport optique. Les composantes essentielles du DWDM peuvent être classées comme suit d'après leur place dans le système: • Du côté transmission, des lasers avec des longueurs d'ondes stables et précises. • Sur la liaison, la fibre optique avec une faible atténuation et des performances de transmission dans la bande passante du spectre avec en plus des amplificateurs optiques de type "flat-gain" pour pouvoir transmettre le signal sur de plus grandes distances. • Du côté réception, des photodétecteurs et des démultiplexeurs optiques utilisant des films fins ou des éléments diffracteurs. • Des multiplexeurs à insertion/extraction et des matrices de connexion. Ces composantes ainsi que d'autres avec les technologies sur lesquelles elles sont basées seront décrites dans les sections suivantes. Fibres optiques Cette section est un rappel sur les fibres optiques avec l'accent mis sur leurs applica- tions dans le DWDM. Comment fonctionnent les fibres optiques Le rôle principal des fibres optiques est de guider des ondes lumineuses avec un mini- mum d'atténuation. Les fibres optiques sont constituées d'une gaine enrobant un coeur très fin en silice qui peut transmettre la lumière avec une vitesse égale au deux tiers de la vitesse de la lumière dans le vide D'une manière généralement admise, la transmission de la lumière dans la fibre opti- que est expliquée en utilisant le principe de la réflexion interne totale. Dans ce cas % de la lumière qui frappe une surface est réfléchie. Par contraste, un miroir réfléchit 90% de la lumière qui le frappe La lumière est soit réfléchie (renvoyée vers la source) selon un angle d'incidence (angle avec lequel la lumière frappe la surface située à la frontière des deux milieux de pro- pagation) ou réfractée (absorbée par le matériau) avec un angle différent selon la na- ture du matériau traversé) La réflexion totale interne est réalisée si les conditions suivantes sont remplies: • Le faisceau lumineux passe d'un milieu plus dense à un milieu moins dense. La différence entre la densité optique d'un matériau donné et celle du vide est l'indice de réfraction du matériau • L'angle d'incidence est plus faible que l'angle critique. L'angle critique est l'angle pour lequel la lumière est totalement réfléchie. ccnp_cch

9 Ce principe de réflexion totale est illustré par la figure suivante
Ce principe de réflexion totale est illustré par la figure suivante. Le coeur a un indice plus élevé que la gaine ce qui permet à un rayon lumineux, qui frappe la surface de la gaine avec un angle inférieur à l'angle critique, d'être réfléchi. Le second rayon lumi- neux ne respecte pas l'angle critique et sera par conséquent réfracté. Réfracté Coeur Gaine n1 n2  Réfléchi Une fibre est constituée de deux types de verres différents très purs (silice) - le coeur et la gaine - auxquels sont incorporés des éléments chimiques appelés "dopants" afin d'ajuster leurs indices de réfraction. La différence entre les indices de réfraction des deux matériaux fait que la lumière est réfléchie par la gaine et reste dans le coeur. L'angle critique est respecté en contrôlant l'angle d'injection de la lumière dans la fibre. Deux ou plusieurs couches de protection entourant la gaine permettent de manipuler la fibre sans l'endommager. Fibre multimode et fibre monomode Il y a aujourd'hui deux grandes catégories de fibres optiques : la fibre multimode et la fibre monomode. La fibre multimode, première fibre commercialisé, a un coeur plus grand que celui de la fibre monomode. Elle tient son nom du fait du nombre important de modes ou rayons lumineux transportés dans la fibre. La figure suivante montre un exemple de transmission de la lumière dans une fibre multimode à saut d'indice. Cette appellation fait référence au changement brutal d'indice de réfraction à l'interface coeur/gaine. Notez que les deux rayons lumineux ou modes parcourent des distances différentes pour arriver à destination. La différence entre les durées des trajets est appelée dispersion modale. Ce phénomène engendre une qualité médiocre du signal reçu ainsi qu'une limitation importante de la distance. Ceci explique pourquoi les fibres multimode ne sont pas utilisées pour les longues distances. Coeur Gaine ccnp_cch

10 ccnp_cch Fibres Optiques Monomode
Pour compenser les inconvénients de la dispersion modale, une fibre optique à gradient d'indice à été créee. Le terme gradient d'indice fait référence au fait que l'in- dice de réfraction décroît graduellement du centre du coeur vers la périphérie. L'indi- ce de réfraction élevé au centre du coeur ralentit les rayons lumineux permettant ainsi à tous les rayons lumineux d'atteindre leur destination avec un faible écart ce qui réduit la dispersion modale. Le second type de fibre, la fibre monomode, a un coeur très fin ce qui autorise un seul mode de propagation de la lumière à travers le coeur. Le signal reçu est de meilleur qualité sur des distances plus longues et la dispersion modale est fortement réduite. Ces facteurs permettent une bande passante plus élevée que celle des fibres multimo- de. Ces caractéristiques font que ce type de fibre est utilisé pour les longues distances et des débits élevés incluant le DWDM. Coeur Gaine Fibres Optiques Monomode Les spécifications des fibres monomode ont évoluées sur plusieurs dizaines d'années. Les trois catégories de fibres spécifiées par l'UIT-T sont: • Avis G.652 (NDSF - Non-Dispersion-Shifted Fiber) • Avis G.653 (DSF - Dispersion-Shifted Fiber) • Avis G.655 (NZDSF - Non Zero Dispersion-Shifted Fiber) Comme cela a été illustré par la première figure de ce document, il y a quatre fenêtres du spectre infra-rouge qui ont été exploitées pour la transmission sur fibre optique. La première fenêtre vers 850 nm a toujours été exclusivement utilisée pour de courtes distances et les fibres multimode. Les fibres de type NFSF appelées également fibres monomode standard ont été conçues pour être utilisées dans la seconde fenêtre vers nm. Pour optimiser la performance de la fibre dans cette fenêtre, la fibre a été conçue pour que la dispersion chromatique soit la plus proche de zéro au voisinage de la longueur d'onde de 1310 nm Comme l'utilisation de la fibre optique est devenue plus commune et que les besoins en bande passante sont de plus en plus importants, une troisième fenêtre près des nm a été exploitée pour la transmission sur fibre monomode. La troisième fenê- tre (Bande C) offre deux avantages: l'atténuation est plus faible et la fréquence de fonc- tionnement est la même que celle des nouveaux amplificateurs EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). ccnp_cch

11 Cependant les caractéristiques de dispersion étaient très limitées
Cependant les caractéristiques de dispersion étaient très limitées. Ceci a été résolu jusqu'à un certain point en utilisant des lasers plus puissants et des caractéristiques et des caractéristiques de lignes plus étroites. Comme la troisième fenêtre a une atté- nuation plus faible que la fenêtre 1310 nm, les fabricants ont conçu une nouvelle fibre de type DSF (Dispersion-Shifted Fiber) qui amène le point de dispersion nulle dans la région des 1550 nm. Bien que cette solution fait que que l'atténuation optique la plus faible et le point de dispersion nulle sont dans la fenêtre 1550 nm, il se trouve qu'il y a des effets non-linéaires destructifs dans la fibre optique vers le point de dis- persion nulle et pour lesquels il n'y a pas de compensation efficace. A cause de ces limitations ces fibres ne sont pas recommandées pour des applications DWDM Le troisième type de fibre, NZDSF (Non-Zero-Dispersion-Shifted Fiber), est spéciale- ment conçu pour les besoins des applications DWDM. Le but de la conception de cette nouvelle fibre est de rendre la dispersion la plus faible possible mais non nulle dans la région des 1550 nm. Cette stratégie introduit une valeur de dispersion contrôlée qui va contrer les effets non-linéaires tels que le mélange "quatre-ondes" qui peut nuire aux performances du DWDM. Les Challenges de la transmission La transmission de la lumière dans les fibres optiques présente plusieurs challenges. Ces challenges sont divisés en trois grandes catégories: • Atténuation - Affaiblissement de la puissance du signal lorsque le signal se propage dans la fibre • Dispersion chromatique - Etalement des impulsions lumineuses lorsqu'elles traver sent la fibre • Effets non-linéaires - Effets cumulés de l'interaction de la lumière et du matériau qu'elle traverse et résultant en des changements de l'onde de lumière et en des interactions entre les longueurs d'ondes Atténuation L'atténuation dans les fibres optiques est causée par des facteurs intrinsèques pro- pres à la fibre, en premier lieu par l'absorption, la diffusion Rayleigh et par des fac- teurs externes tels que le processus de fabrication, l'environnement et la courbure physique de la fibre. La forme la plus commune de diffusion est la diffusion Rayleigh causée par de petites variations de le densité du verre lorsqu'il refroidit. Ces varia- tions sont plus petites que les longueurs d'ondes utilisées et par conséquent se com- portent comme des objets diffuseurs. La diffusion affecte plus les longueurs d'ondes courtes que les grandes longueurs d'ondes et limite l'utilisation des longueurs d'on des inférieures à 800 nm. ccnp_cch

12 L'atténuation due à l'absorption est due aux propriété propres au matériau utilisé , aux impuretés dans le verre et à tout défaut de la structure atomique dans le verre. Ces impuretés absorbent l'énergie optique rendant la lumière variable. Tandis que la diffusion Rayleigh est importante pour les longueurs d'ondes courtes, l'absorption est un problème pour les longueurs d'ondes plus grandes et s'accroît de manière spectaculaire au-delà de 1700 nm. Cependant l'absorption due à la présence d'eau dans la fibre introduite lors du processus de fabrication est en cours de correction dans les nouveaux types de fibres. Les principaux facteurs générant une atténuation dans les fibres optiques sont la longueur de la fibre et la longueur d'onde utilisée. La figure ci-dessous montre la perte en décibels par kilomètre (dB/km) par longueur d'onde pour la diffusion de Rayleigh , l'absorption intrinsèque et l'atténuation totale. L'atténuation dans les fibres optiques est compensée par l'utilisation d'amplificateurs optiques. ccnp_cch

13 Dispersion La dispersion est due à l'étalement des impulsions lumineuses lorsqu'elles parcourent la fibre optique. La dispersion entraine une distorsion du signal ce qui limite la bande passante de la fibre. Fibre Temps Temps Deux types de distorsion affectent les systèmes DWDM. Une de ces dispersions, la dis persion chromatique est linéaire tandis que la dispersion de mode de polarisation est non-linéaire Dispersion chromatique La dispersion chromatique est due au fait que les différentes longueurs d'ondes se propagent à des vitesses différentes. Les effets de la dispersion chromatique sont pro portionnels au carré du débit binaire. Dans une fibre monomode la dispersion chro matique a deux composantes, la dispersion due au matériau et la dispersion due au guide d'onde La dispersion due au matériau se produit quand les longueurs d'ondes traversent le matériau à des vitesses différentes. Une source de lumière quelque soit sont étroitesse émet plusieurs longueurs d'ondes sur un intervalle précis. Ainsi quand cet intervalle de longueurs d'ondes passe dans un médium, chaque longueur d'onde arrive à un temps différent à l'extrémité La seconde composante de la dispersion chromatique, la dispersion due au guide d'onde, est produite par les différents indices de réfraction du coeur et de la gaine de la fibre. L'indice de réfraction effectif varie avec la longueur d'onde comme suit: • Pour une longueur d'onde courte, la lumière est bien confinée dans le coeur de la fibre. L'index de réfraction effectif est très proche de celui du matériau du coeur • Pour une longueur d'onde moyenne, la lumière s'étale légèrement dans la gaine Ceci fait décroître l'indice de réfraction effectif • Pour une longueur d'onde plus grande, une partie importante de la lumière est absorbée dans la gaine. Ceci amène l'indice de réfraction effectif à une valeur très proche de celui de la gaine Le résultat de ce phénomène de dispersion causé par le guidage est un délai de pro- pagation différent pour les longueurs d'ondes les unes par rapport aux autres. ccnp_cch

14 Le tracé de la dispersion chromatique totale, avec ses composantes, par longueur d'onde est illustré par la figure suivante pour les fibres "Dispersion-Shifted". Pour les fibres "Non-Dispersion-Shifted" la longueur d'onde de dispersion nulle est 1310 nm. 1100 1200 1300 1400 1500 1600 30 20 10 -10 -20 -30 -40 -50 Dispersion(ps/nm*km) Longueur d'onde (nm) Dispersion due au matériau Dispersion chromatique totale Dispersion due au guide d'onde Bien que la dispersion chromatique ne soit pas un problème pour des débits inférieurs à OC-48 () celle-ci doit s'accroître avec des débits plus élevés à cause de la largeur de spectre requis. De nouveaux types de fibres "Zero-Dispersion-Fiber) réduisent grande- ment ces effets. Ce phénomène peut être aussi atténué avec des compensateurs de dispersion. Dispersion de mode de polarisation La majorité des fibres monomode supportent deux modes de polarisation perpendicu- laires, un vertical et un horizontal. Comme ces états de polarisation ne sont pas main- tenus il apparait une interaction entre les impulsions qui résulte en un brouillage du signal. La dispersion de mode de polarisation est causée par l'ovalité de la fibre qui elle-même est générée par le processus de fabrication ou par des contraintes externes. Comme ces contraintes peuvent varier dans le temps, la dispersion de mode de polarisation change au cours du temps. La dispersion de mode de polarisation n'est généralement pas un problème pour des débits inférieurs à OC Autres effets non-linéaires En plus du mode de dispersion de polarisation, il y a d'autres effets non-linéaires. Comme ces effets non-linéaires tendent à se manifester quand la puissance optique est élevée, ils deviennent importants dans le DWDM. Les effets linéaires tels que l'atté- nuation et la dispersion peuvent être compensés mais les effets non-linéaires sont cumulatifs. Ce sont les limitations fondamentales du débit d'information pouvant être transmis sur une fibre optique. ccnp_cch

15 Les effets non-linéaires les plus importants sont la diffusion Brillouin stimulée, l'effet Raman stimulé, l'automodulation de phase et le mélange quatre longueurs d'ondes. Dans le DWDM, le mélange quatre longueurs d'ondes est le plus critique de ces effets non-linéaires. Le mélange quatre longueurs d'ondes est causé par la nature non-linéaire de l'indice de réfraction de la fibre optique. L'inter-action non-linéaire entre les différents canaux DWDM crée des bandes latérales qui engendrent des interférences entre canaux. Dans la figure suivante, trois fréquences interfèrent pour produire une quatrième fréquence générant de la diaphonie et entraînant une dégradation du rapport signal/bruit. Puissance f1 fwm f3 f2 Fréquences L'effet du mélange quatre ondes est de limiter la capacité en canaux d'un système DWDM. Le mélange quatre ondes ne peut pas être filtré soit électriquement soit de ma- nière optique et s'accroît avec la longueur de la fibre. A cause de sa propension au mé- lange quatre ondes, les fibres DSF ne sont pas souhaitables pour des applications DWDM. Ceci accéléra la conception de fibres NZDSF qui utilise une partie de la disper- sion chromatique pour limiter le mélange quatre ondes. Conclusion Dans les réseaux longue distance, la majorité des fibres utilisées sont des fibres mono- mode standard (G.652) avec une dispersion élevée dans la fenêtre 1550 nm ce qui limi- te les distances pour la transmission avec le débit OC-192. La dispersion peut être li- mitée jusqu'à une certaine valeur et avec un certain coût en utilisant des compensa- teurs de dispersion. Les fibres NZDSF peuvent être utilisées pour les débits OC mais une puissance plus élevée introduit des effets non-linéaires. Dans les réseaux courte distance, la PMD et les effets non-linéaires ne sont pas aussi critiques que pour les systèmes longue distance où les débits élevés sont courants (OC-192 et au-dessus). les systèmes DWDM utilisant des signaux optiques à 2,5 Gb/s ou moins ne sont pas sujet à ces effets non-linéaires pour de courtes distances. Les principaux types de fibres et leurs applications peuvent être résumé de la manière suivante: • Non-Dispersion-Shifted-Fiber (Fibre monomode standard) - représente plus de 95% du déploiement; souhaitable pour du TDM (un seul canal) dans la région de 1310 nm ou DWDM dans la région 1550 nm (compensateurs de dispersion). Ce type de fibre peut aussi supporter du Gigabit Ethernet à des distances supérieures à 300 m. • Dispersion-Shifted-Fiber - souhaitable pour du TDM dans la région 1550 nm mais non souhaitable pour du DWDM dans cette région. ccnp_cch

16 • Nouvelle génération de fibres - incluant les types de fibres qui permettent à l'énergie de passer en partie dans la gaine créant ainsi une dispersion qui contre le mélange quatre ondes ainsi que les fibres à dispersion aplatie qui permettent l'utilisation de longueurs d'ondes dépassant la longueur d'onde optimale sans étalement des im pulsions. Note: Comme le débit binaire s'accroît vers les 40 Gb/s et au-delà, l'interdépendance entre la conception de fibres optiques et la conception de systèmes va devenir très im- portante pour une planification stratégique. ccnp_cch

17 Photodiode de supervision
Sources de lumière et détecteurs Les émetteurs de lumière et les récepteurs de lumière sont des équipements actifs aux extrémités opposées d'un système de transmission optique. Les émetteurs ou sources de lumières sont des équipements de transmission qui convertissent les signaux élec- triques en impulsions lumineuses. Ce processus de conversion ou de modulation peut être accompli en module de manière externe une onde de lumière continue ou en utili- sant un équipement capable de générer directement de la lumière modulée. Les détec- teurs de lumière réalisent la fonction opposée à celle des émetteurs de lumière. Ce sont des équipements optoélectroniques situés côté réception et qui convertissent les impul- sions de lumière en signaux électriques. Emetteurs de lumière - LEDs et Lasers La source de lumière utilisée dans la conception d'un système est un choix important car cela peut être un des éléments les plus coûteux. Ses caractéristiques sont le plus souvent un facteur important limitant les performances générales d'une liaison optique. Les équipements émetteurs de lumière utilisés en transmission optique doivent être compacts, monochromatiques, stables et à longue durée de vie. Note: Monochromatique est un terme très relatif; dans la pratique il y a uniquement des sources de lumière émettant dans un intervalle donné. La stabilité d'une source de lumière est une mesure qui indique la stabilité de l'intensité lumineuse et de la lon- gueur d'onde. Deux grands types de sources de lumière sont utilisés en transmission optique, les LEDs (Ligth Emitting Diodes) et les diodes Laser ou des lasers à semiconducteurs. Les LEDs sont des composants relativement lents utilisables pour des débits ne dépas- sant pas 1 Gb/s. Elles ont un spectre relativement large et elles transmettent la lumière avec un cône de dispersion assez large. Ces composants peu coûteux sont souvent uti- lisés dans les communications avec des fibres multimode. D'un autre côté les lasers à semiconducteurs ont des caractéristiques de performance meilleures et sont par consé- quent utilisés pour des applications avec fibres monomode. La figure suivante montre le principe général d'injection de la lumière générée par un laser dans une fibre. Le composant diode laser émet de la lumière dans une direction vers des lentilles pour être focalisée et injectée dans la fibre et en direction opposée vers une photodiode. La photodiode qui est inclinée pour réduire les réflexion vers le laser fournit un moyen de contrôle de la sortie du laser et des indications pour pouvoir faire des ajustements. Lentilles Photodiode de supervision Fibre Diode laser ccnp_cch

18 Les spécifications pour les lasers comprennent une longueur d'onde précise, un spectre
étroit, une bonne puissance et un contrôle de la dérive dans le temps. Les lasers à semiconducteurs répondent très bien aux trois premières spécifications. La dérive en fréquence dans le temps peut être influencée par des moyens utilisés pour moduler le signal. Dans les lasers modulés directement, la modulation de la lumière utilisée pour représenter les données est faite en interne. Avec la modulation externe, la modulation est faite avec un équipement externe. Quand les lasers à semiconducteurs sont modu- lés directement, la dérive en fréquence peut devenir un facteur de limitation pour des débits élevés (10 Gb/s). D'autre part, la modulation externe permet de limiter la dérive en fréquence. La figure suivante illustre la modulation externe.  UIT-T Modulateur externe Laser DFB 15xx  UIT-T modulée Les deux types de lasers à semiconducteurs largement utilisés sont les lasers monoli- thiques Fabry-Perot et les lasers DFB (Distributed Feed-Back). Ce dernier type est par- ticulièrement bien adapté pour les applications DWDM car il émet une lumière presque monochromatique. Il peut atteindre des débits élevés avec un rapport signal/bruit plus favorable et une linéarité supérieure au type Fabry-Perot. Les lasers DFB ont également des fréquences centrales dans les régions 1310 nm et de 1520 à 1565 nm. Ce dernier intervalle de longueurs d'ondes est compatible avec les EDFA (Erbium Doped Fiber Am- plifier). Il y a d'autres types et sous-types de lasers. Des lasers à spectres étroits ajusta- bles sont disponibles, mais leur intervalle d'ajustement est limité approximativement de 100 à 200 GHz. Les lasers à spectres plus larges ajustables sont en cours de déve- loppement. Grille UIT-T Les lasers DFB refroidis sont disponibles pour des longueurs d'ondes très précises. Le standard UIT-T non définitif G.692 définit une grille pour les systèmes DWDM point à point basés sur un espacement de longueurs d'ondes de 100 GHz avec une longueur d'onde centrale de 1553,52 nm. Fréquence (THz) Longueur d'onde (nm) 196,1 1528,77 194,6 1540,56 193,1 1552,52 196,0 1529,55 194,5 1541,35 193,0 1553,33 195,9 1530,33 194,4 1542,14 192,9 1554,13 195,8 1531,12 194,3 1543,73 192,8 1554,94 195,7 1531,9 194,2 1544,53 192,7 1555,75 195,6 1532,68 194,1 1545,32 192,6 1556,56 ccnp_cch

19 Fréquence (THz) Longueur d'onde (nm) 195,5 1533,47 194,0 1545,32 192,5 1557,36 195,4 1534,25 193,9 1546,12 192,4 1558,17 195,3 1535,04 193,8 1546,92 192,3 1558,98 195,2 1535,82 193,7 1547,72 192,2 1559,79 195,1 1536,61 193,6 1548,51 192,1 1560,61 195,0 1537,40 193,5 1549,32 192,0 1561,42 Tandis que cette grille définit un standard, les utilisateurs sont libres d'utiliser les lon- gueurs d'ondes de manière arbitraire dans le spectre. De plus, les fabricants peuvent dériver de la grille en étendant les limites inférieures et supérieures ou en espaçant les longueurs d'ondes plus étroitement, typiquement 50 GHz pour doubler le nombre de canaux. Plus les canaux sont rapprochés plus il y a de diaphonie entre les canaux. L'impact des effets non-linéaires des fibres optiques telles que le FWM augmentent éga- lement. L'espacement des canaux à 50 GHz limite également le débit par longueur d'onde à 10 Gb/s. L'introduction de la flexibilité dans l'implémentation a deux consé- quences: Il n'y a pas de garantie de compatibilité entre deux systèmes d'extrémité de deux fabricants différents et il existe un compromis entre l'espacement des longueurs d'ondes, le nombre de canaux et le débit binaire maximum. Détection de la lumière A l'extrémité réceptrice, il est nécessaire de récupérer les signaux transmis sur les dif- férentes longueurs d'ondes dans la fibre. Comme les photodétecteurs sont large bande par nature, les signaux optiques sont démultiplexés avant d'atteindre les détecteurs. Deux types de photodétecteurs sont très largement déployés, la photodiode PIN (Positive - Intrinsic - Negative) et la photodiode à avalanche (APD). Les photodiodes PIN fonction- nent sur des principes similaires aux LEDs mais à l'inverse. Ceci veut dire que la lumi- ère est absorbée au lieu d'être émise et les photons sont convertis en électrons sur une relation 1 pour 1. Les diodes à avalanche sont similaires aux photodiodes PIN mais fournissent un gain au travers d'un processus d'amplification: un photon libère plusieurs électrons. Les photodiodes PIN ont plusieurs avantages dont le faible coût et la fiabilité mais les diodes à avalanche ont une sensibilité et une précision meilleure. Toutefois les diodes à avalanches sont plus chères que les photodiodes PIN, elles néces- sitent plus d'énergie et sont sensibles à la température. ccnp_cch

20 Amplificateurs optiques
A cause de l'atténuation, il y a des limites sur la longueur du segment de fibre pouvant propager un signal sans que celui-ci soit regénéré. Avant l'arrivée des amplificateurs optiques, il devait y avoir un amplificateur pour chaque signal transmis comme cela a été décrit dans les chapitres précédents. L'amplificateur optique a rendu possible l'am- plification simultanée de toutes les longueurs d'ondes et cela sans conversion optique/ électrique/optique. Tout en étant utilisés sur les liaisons optiques, les amplificateurs optiques peuvent être utilisés pour amplifier le signal avant multiplexage ou après démultiplexage lesquels introduisent des pertes dans le système. Amplificateur dopé à l'Erbium En rendant possible le transport haut débit dont DWDM est capable sur de longues distances, l'EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) était une clé de cette technologie. En même temps l'EDFA a été un élément moteur pour le développement d'autres élé- ments de réseaux. L'Erbium est une terre rare qui lorsqu'elle est excitée émet de la lumière aux alentours de 1540 nm - Longueur d'onde de plus faible perte pour les fibres optiques utilisées dans le DWDM. La figure suivante montre un schéma simplifié d'un EDFA. Un signal affaibli entre dans la fibre dopée à l'erbium dans laquelle de la lumière d'une longueur d'onde de 980 nm ou 1480 nm est injectée avec une pompe laser. Cette lumière injectée stimule les atomes d'erbium pour qu'ils libèrent leur énergie sous forme de lumière d'une longueur d'onde de 1550 nm. Comme ce processus se prolonge dans la fibre le signal devient plus puissant. L'émission spontanée dans l'EDFA ajoute du bruit au signal. Pompe Laser Isolateur Coupleur Fibre dopée à l'Erbium (10 à 50 m) Les paramètres clés des performances des amplificateurs optiques sont le gain, l'unifor- mité du gain, le niveau de bruit et la puissance de sortie. Typiquement les EDFA ont des gains de 30 dB ou plus et une puissance de sortie de +17 dB ou plus. Les para- mètres cibles pour la sélection d'un EDFA sont le faible bruit et gain uniforme. Le gain doit être uniforme car tous les signaux doivent être amplifiés uniformément. Comme l'amplification de signal fournie par la technologie EDFA est dépendante de la longueur d'onde, elle peut être corrigée avec des amplificateurs à gain uniforme. De tels filtres sont souvent construits dans EDFA modernes. Le faible bruit est un prérequis car le bruit est amplifié avec le signal. Comme cet effet est cumulatif et ne peut pas être filtré, le rapport signal/bruit est un facteur limitant le nombre d'amplificateurs pouvant être mis en série et par conséquent la longueur de la liaison en fibre optique. Dans la pratique, les signaux peuvent parcourir jusqu'à ccnp_cch

21 120 Kms entre amplificateurs
120 Kms entre amplificateurs. Pour des distances plus grandes de 600 à 1000 Kms, le signal doit être regénéré. C'est parce que l'amplificateur optique amplifie uniquement le signal et ne réalise pas les fonctions de remise en forme, remise en phase et de re- transmission. Les amplificateurs EDFA sont disponibles dans la bande C et la bande L. Multiplexeurs et Démultiplexeurs Parce que les systèmes DWDM transmettent des signaux issus de différentes sources sur une seule fibre, ils doivent inclure des moyens de combiner les signaux entrants. Ceci est fait avec un multiplexeur qui prend les signaux optiques issus de différentes fibres à différentes longueurs d'ondes et les combine dans un seul faisceau. A l'extrémité réceptrice le système doit être capable de séparer les différentes longueurs d'ondes pour qu'elles puissent être détectées séparément. Les démultiplexeurs effec- tuent cette fonction en séparant les différentes longueurs d'ondes et en les couplant à des fibres individuelles. Le démultiplexage doit être fait avant la détection de la lumière car les photodétecteurs sont large bande par nature et ne savent pas détecter une longueur d'onde seule. Dans un système unidirectionnel, il y a un multiplexeur à l'extrémité émettrice et un démultiplexeur à l'extrémité réceptrice. Deux systèmes seront requis à chaque extrémi- té pour une communication bidirectionnelle et deux fibres séparées sont nécessaires. MUX DEMUX Dans un système bidirectionnel, il y a un multiplexeur/démultiplexeur à chaque extrémité et une communication sur une seule paire de fibres optiques. Les multiplexeurs peuvent être de par leur conception passifs ou actifs. La conception d'équipements passifs est basée sur des prismes, des filtres ou des grilles de diffraction tandis que les équipements actifs combine des équipements passifs avec des filtres réglables. Les principaux challenges dans ces équipements sont de minimiser la dia- phonie et de maximiser la séparation des canaux. La diaphonie permet de mesurer la qualité de séparation des canaux tandis que la séparation des canaux fait référence à la capacité de distinguer chaque longueur d'onde. ccnp_cch

22 Longueurs d'ondes réfléchies
Techniques de Multiplexage/Démultiplexage Une forme simple de multiplexage ou de démultiplexage de la lumière est le prisme. La figure suivante montre le cas du démultiplexage. Un faisceau parallèle de lumière polychromatique frappe la surface d'un prisme; chaque longueur d'onde de lumière est réfracté différemment. Ceci est appelé effet arc-en-ciel. A la sortie chaque longueur d'onde est séparée des autres en faisant un angle déterminé. Une lentille focalise cha- que longueur d'onde vers le point d'entrée d'une fibre. Lentilles 1 2 Prisme . Lentilles . . Fibres aux points de focale n Une autre technologie est basée sur les principes de la diffraction et de l'interférence optique. Quand une source de lumière polychromatique frappe une grille de diffraction chaque longueur d'onde est réfléchie avec un angle différent vers un point de l'espace. En utilisant une lentille, ces longueurs d'ondes peuvent être focalisées individuellement dans des fibres. Longueurs d'ondes réfléchies 1 2 n 1+2+...+n Faisceau incident Lentilles Réseau diffracteur Les réseaux de grilles guides d'ondes (Arrayed waveguide Gratings) sont aussi basés sur les mêmes principes de diffraction. Un équipement AWG appelé également routeur gui- de d'onde optique est constitué de guides d'ondes courbés avec une différence connue dans la longueur du chemin entre canaux adjacents. Les guides d'ondes sont connectés à deux cavités à chaque extrémité. Quand la lumière entre dans la cavité, elle est dif- fractée et entre dans le réseau de guides d'ondes. La différence de longueur d'onde entre les différents guides d'ondes introduit des délais de phase dans la cavité de sortie sur laquelle un réseau de fibre est couplé. Le processus consiste en la séparation des lon- gueurs d'ondes à différents points qui correspondent aux sorties. Le schéma page sui- vante décrit ce principe. ccnp_cch

23 Filtre d'interférence multi-couche Longueurs d'ondes démultiplexées
Réseau de Guides d'ondes W1 Wn Réseau de fibres 1+ 2+..+ n 1 n Une technologie différente utilise des filtres d'interférence appelés "films fins" ou filtres d'interférence multi-couches. En positionnant des films fins dans le chemin optique, les longueurs d'ondes peuvent être démultiplexées. La propriété de chaque filtre est qu'il laisse passer une seule longueur d'onde tandis qu'ils réfléchit toutes les autres. En cascadant ces équipements, plusieurs longueurs d'ondes peuvent être démultiple- xées. Lumière polychromatique Filtre d'interférence multi-couche Longueurs d'ondes démultiplexées De tous ces concepts, l'AWG et le film fin d'interférence sont dominants. Les filtres offrent une bonne stabilité et une bonne isolation entre canaux à un coût modéré mais avec une forte perte d'insertion. Les AWG dépendent de la polarisation (qui peut être compensée), ils offrent un spectre de réponse plat et une faible perte d'insertion. Le problème potentiel est qu'ils sont sensibles à la température ce qui limite leur utilisa- tion à certains environnements. Leur principal avantage est qu'ils peuvent être conçus pour multiplexer et démultiplexer simultanément. Les AWG sont également meilleurs pour un grand nombre de canaux où l'utilisation de films fins cascadés est impossible. ccnp_cch

24 Multiplexeurs à Insertion/Extraction Entre les points de multiplexage et démultiplexage, dans un système DWDM, il y a une zone dans laquelle on utilise plusieurs longueurs d'ondes. Il est souvent souhaitable de pouvoir extraire ou insérer une ou plusieurs longueurs d'ondes dans cette zone. Un multiplexeur à insertion/extraction (OADM - Optical Add/Drop Multiplexer) réalise ces fonctions. Au lieu de combiner ou de séparer toutes les longueurs d'ondes, l'OADM peur extraire des longueurs d'ondes tout en laissant passer les autres. Les multiple- xeurs OADM sont un des éléments clés vers les réseaux "tout optique" Les OADMs sont similaires sous plusieurs aspects aux OADMs de SONET/SDH sauf que seules les longueurs d'ondes optiques sont insérées ou extraites, il n'y a pas de conversion optique/électrique du signal. La figure suivante donne une représentation très schématisée du processus d'insertion/extraction. Cet exemple inclut la pré-ampli- fication et la post-amplification. Ces deux parties sont ou ne sont pas présentes selon la conception des systèmes. Fibre OADM 1+ 2+..+ n n Amp 1+ 2+... Il y a deux types généraux d'OADM. La première génération est un équipement à confi- guration fixe pour extraire et insérer des longueurs d'ondes prédéterminées. La seconde génération est configurable et peut sélectionner dynamiquement quelles sont les lon- gueurs d'ondes qui doivent être extraites et insérées. Les films fins sont devenus la technologie dominante pour les OADMs dans les systè- mes DWDM métropolitains à cause de leur faible coût et de leur stabilité. Pour les der- niers équipements de la seconde génération d'OADMs, d'autres technologies émergent telles les grilles réglables et le circulateurs. ccnp_cch

25 Interfaces vers DWDM La majorité des systèmes DWDM supportent les interfaces optiques courte distance SONET/SDH auxquelles tout client conforme à SONET/SDH peut être attaché. Dans les systèmes WDM longue distance c'est le plus souvent une interface OC-48c /STM-16c fonctionnant sur longueur d'onde de 1310 nm. En plus d'autres interfaces très impor- tantes dans les accès de réseaux métropolitains et dans les réseaux d'accès sont commu- nément supportées: Ethernet (FastEthernet et EthernetGigabit), ESCON, Time Sysplex et Sysplex Coupling Facility Links et Fibre Channel. Le nouveau standard 10 Gigabit Ether- net est supporté en utilisant une interface très courte distance OC-192 avec une fibre multimode entre Ethernet 10 Gigabit et l'équipement DWDM. Du côté client il peut y avoir des terminaux SONET/SDH ou des ADMs, des commuta- teurs ou des routeurs. En convertissant les signaux optiques entrants vers les longueurs d'ondes spécifiées par l'UIT-T pour être multiplexées, les transpondeurs sont souvent la clé qui détermine l'accessibilité des systèmes DWDM. Dans le système DWDM un transpondeur convertit le signal optique du client en signal électrique avec regénération. Le signal électrique est ensuite utilisé pour piloter le laser WDM. Chaque transpondeur dans le système convertit le signal du client en une lon- gueur d'onde différente. Les longueurs d'ondes issues de tous les transpondeurs du sys- tème sont ensuite multiplexées de manière optique. Dans le sens réception du système DWDM, le processus inverse est réalisé. Chaque longueur d'onde est filtrée à partir du signal multiplexée et injectée sur chaque transpondeur qui convertit la lumière en signal électrique et pilote une interface standard. De l'équipement terminal Longueur d'onde UIT-T Récepteur Regénération Transmetteur De l'équipem Les conceptions futures de systèmes comprennent des interfaces passives qui acceptent les longueurs d'ondes conformes à l'UIT-T issus directement d'un commutateur ou d'un routeur avec une interface optique. ccnp_cch

26 Fonctionnement d'un système DWDM avec transpondeur
• Transpondeurs Transpondeurs • Amplificateurs Amplificateurs Connexions directes Connexions directes Les étapes suivantes décrivent le fonctionnement du système représenté ci-dessus: Le transpondeur accepte une entrée laser en monomode ou multimode. L'entrée peut supporter différents types de média, différents protocoles et différents types de trafic La longueur d'onde de chaque entrée est mise en correspondance avec une longueur d'onde DWDM Les longueurs d'ondes DWDM du transpondeur sont multiplexées en un signal optique et transmises sur la fibre Un amplificateur de sortie donne de la puissance au signal optique Optionnellement des amplificateurs optiques peuvent être utilisés sur la liaison A l'entrée du système un pré-amplificateur amplifie le signal reçu (Option) Le signal entrant est démultiplexé en longueurs d'ondes DWDM La longueur d'onde DWDM est mise en correspondance avec les sorties correspon dantes (fibre monomode OC-48) et transmise par l'intermédiaire du transpondeur. ccnp_cch