Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 1 Yves JAOUEN Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications Groupe Télécommunications Optiques Département Communications

Yves JAOUEN, Formation TNTA, page 1

Yves JAOUEN

Ecole Nationale Supérieure des TélécommunicationsGroupe Télécommunications Optiques

Département Communications et Electronique, CNRS UMR 514146 rue Barrault, 75634 Paris

Tel : 01 45 81 77 32Email : [email protected]

SYSTEMES DE COMMUNICATIONS OPTIQUES


Principes généraux

Accroissement des fréquences porteuses

- Domaine radiofréquence = 37 cm f = 800 MHz - Domaine millimétrique = 1 cm f = 30 GHz

- Domaine optique = 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 ( ~ 30 cm )

- Domaine optique < 1 dB/km pour ~1 µm


Principe d’une transmission optique

+ ––

Emetteur

+ –

Récepteur


Liaison optique longue distance

Inputdata

Laser Modulateur 50 – 100 km

Amplificateur

N sections = 1000 à 10000 km

LPFOutput

data

Multiplexeur Démultiplexeur

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


1975 1980 1985 1990 1995 2000100

102

104

106

* 2 par an5ème

génération

4ème

génération3ème

génération

2ème

génération

1ère

génération

Cap

acit

é *

dis

tan

ce (

Gb

/s.K

m)

Année

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

Evolution des systèmes optiques

Ruptures technologiques

L’accroissement des capacités est « tirée » par l’innovation technologie


Réseaux optiques trans-océaniques


Plan

Support de propagation - Principe de guidage

Fibre multimodeFibre 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

Structure géométrique

Phase 1 : élaboration d’une préforme

Phase 2 : tirage

Cœur en silice

Gaine en silice pureGaine en polymère

Teflon


Propagation guidée : Approche géométrique

Angle d’injection maximal :

,max cn

sin sinn

10

0

coeur = 50-80 µm

n1

n2

0

c

n0

2 2 20 0 1 1 1 21,max c cNA n sin n sin n cos n n

Ouverture numérique

avec n n n :

n n n n n

n n n

1 2

2 21 2 1 2

21 12

NA n n n n n 2 21 2 2 2

,maxNA . 001 6

,maxnn

n cos cosn

21 2 0

1

Réflexion totale nn sin i 1 2

i


Fibres multimodes : dispersion intermodale

Profil à saut d’indice

Profil à gradient d’indice (profil parabolique)

LnT

c 1

LnT

c

21

8

Influence de la dispersion

SI : n = 10-2 BL = 10 Mb/s * km

GI : profil parabolique, n = 10-2 BL > 1 Gb/s * km


Propagation guidée : Approche électromagnétique

oE n k E 2 2 2 0

Equation de propagation

Solutions : modes TE, TH, EH, EH

Propagation monomode : mode fondamental HE11

coeur = 9 µm, n = 5 10-3Domaine spectral 1.2 – 1.7 µm

Dimensions du guide imposées pour maintenir propagation monomode

2 21 1

2 aV n n

2

1 2

onkB

n n

(fréquence normalisée)

(constante de propagation normalisée)


Fibres monomodes : dispersion chromatique

Dispersion chromatique

- dispersion matériau (nSI = f())

- dispersion « guide » (profil du mode = f()) BL ~ 1/(D )

g

Lv

gvd L* * d

1

D en ps/nm/km

=

+

=

+


Dispersion dans les fibres monomodes

Dispersion dans les fibres standard Familles de fibres

D1.3 µm ~ 1 ps/nmm/km BL = 100 Gb/s * km

D1.55 µm ~ 17 ps/nmm/km BL = 5 Gb/s * km

Influence de la dispersion


Origine

- Diffusion Rayleigh (la silice est un milieu amorphe)

- Absorption (résonance du matériau à différents )

• Silice : Absorption IR• Ions OH- : 1.24 µm & 1.39 µm• Ions métalliques

Atténuation dans les fibres optiques

44 µm/dB2.17.0CavecC

)Lexp(PPPdz

dPinout

)kmen()log(encoreSoit km/dB1

1010

44 2170 µm/dB..CavecC


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

E1

E2

E1

E2

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)

spsp

NR 2

stimR gN 2


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’énergieConservation de la quantité de mouvement

Semiconducteur à gap-direct (AlGaAs, InP, …)

Ec

Ev

EgEne

rgie

Vecteur d’onde

Bande de conduction

Bande de valence

Ene

rgie

Vecteur d’onde

Bande de conduction

Bande de valence

Electrons

trous

Gap direct Gap indirect


Diodes électroluminescentes (DEL)

Zone P

Zone N

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

2

12

1 21

cCW sp

spspsp

fPdN I NP

dt eV avec ns

Contactsélectriques


En régime établi onde stationnaire

condition sur le gain :

condition sur la phase :

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)

Diodes laser (1)

matériaudupropriétéN

gavecNN

N

gNg th

oint21o EikL2expLexpRRgLexpE

Courant injecté

R1R2

L

21int RR

1lnL2

1g

nL2mcm2kL2


Diodes laser (2)

Caractéristique P (I)

Structure typique Boitier


2 familles de diodes laser

Laser Fabry-Pérot Laser DFB

nB

2

Conditiond’accord de phase

laser mono-

gain

Modes de cavité

Plusieurs modes se situent dans la courbe de gain

laser multi-


Modulation du champ optique

Photodiode = détecteur quadratique Modulation NRZ

Modulation directe Modulation externe

☺ Simplicité de mise en œuvre ☹ Influence de la dispersion

☹ Complexité de mise en œuvre ☺ Influence de la dispersion minimale

courantd’injection

Diode laser

données

Modulateurexterne

Diode laser

données

Pui

ssan

ce

Temps

1 1 0 1 0 1


Equations d’évolutions

• porteurs

• photons

• fréquence

Modulation directe d’un laser à semi-conducteur

GPN

e

)t(I

dt

dN

sp

P)t(Gdt

dP

sp

1

dt

dP)t(

4

Variation de la puissance optique P(t)(par la variation du gain du milieu)

Variation de la fréquence optique optique (t)(par la variation de l’indice de réfraction)

Indice de réfraction complexe

0 1 2 3 4 5 60

5

10

15

20

Pui

ssan

ce (

mW

)Temps (ns)

-20-10

010203040

Fré

quen

ce (

GH

z)

Rb = 2.5 Gb/s


Modulation externe

Modulateur de Mach-Zehnder

Principe :

- Modulateur de phase

- Interféromètre MZ → 1(t) = - 2(t) = ± /2

Possibilité de suppression du chirp

Modulateur à Electro-absorption

Pas de Chirp adiabatique

Chirp transitoire ajustable

2(t) n V(t) L

Data

1(t)

2(t)

1 2

1 2( ) cos2

jinout

EE t e


Photodiode

ZCE

Zone P Zone N

h

)Watt(Pe)A(I

( ~ 1 A/W à 1.55 µm) ⊕ ⊖

I

Signal : 1 photon 1 e- I = P

Bruits : - Bruit thermique Nth = 4kT/Rch

- Bruit de grenaille Nqn = 2e P


Réception optique

En réception, un comparateur à seuil régénère le signal

La présence de bruit engendre l’apparition d’erreur

Seuil de réception typique

Diagramme de l’oeil


3ème partie :

Amplification optique


Pré-amplification optique

2( ) ( ) ( )s bI t E t E t

* * *( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )s s s b b b

Signal Battement BattementSignal Ase ASE ASE

I t E t E t E t E t cc E t E t

Conclusion : pré-amplification optique

Apparition de nouvelles composantes de bruit

Emetteur

AmpliFiltre optique

Signal Emission spontanée

Bo

Signal

GPin Pout

photodétecteurfibre

Be


Sources supplémentaires de bruit

Battement Signal-ASE Battement ASE-ASE

2 24S Ase in sp eGP N B 2 2 24Ase Ase sp o eN B B

Signal Emissionspontanée

Signal

OPTIQUE

ELECTRIQUE= 42

OPTIQUE

ELECTRIQUE

GPinBo

Emission spontanée

Nsp

Bo/2

* GPin Nsp

Bo

Emission spontanée

Nsp

Emission

spontanée

Bo

BeBe

= 42 * NspNspBo

sp spRappel N G h n: ( 1)

o

o

Bo

o 1 o 2


Pré-amplification optique : sensibilité du récepteur

Si le gain de l ’amplificateur optique est suffisant :

2 2 2th S Ase Ase Aseet

1/ 22 2

2'

S Ase Ase Ase Ase Ase

G Pd où Q

Sensibilité du récepteur

2

2o

e

BFN Q Q

B

0

100

200

300

400

500

1 10Ph

oton

s/bi

t100 1000

F = 6 dB

4 dB

Bo/Rb

5 dB

3 dB


Systèmes optiques amplifiés (1)

Amplificateur

, , 1

(2 )

2 1

ASE

out i i out i i sp o

P polarisations

P G LP G n h B

Le S/B se dégrade avec le nombre d’amplificateurs

…

Chaine d’amplificateurs

ASE

GPin

Pout

Modélisation d’un amplificateur

Puissance de sortie constante (fonction de puissance de pompe)

auto-contrôle automatique du gain

ASEN ampli = N ASE1 ampli

Puissance signal diminuée (GL < 1)



Accumulation de l’ASE

/

S Ase sp eS Ase Ase Ase Ase Ase

G PG P G PQ ~ Q

N B1 22 2

2 2

2

1 amplificateur :

N amplificateurs :

ASE sp oP G h n B2( 1)

ASE sp onm

ASE nmopre amplificateur

ASE accumulée

GPP G h n B

BOSNR B0.1

0.1

2( 1)*

0.1 0.1

2*sp elec

nm nm

PQ

Pn h B

OSNR B

2 zones de fonctionnement

0.1 0.10.1 0.1

** nm nm

nm nm plancherelec

OSNR BP OSNR B Q

B

0.1 0.1

1*

2nm nmsp elec

PP OSNR B Q

n h B

Zone linéaire

Plancher d’erreur



0.1 0.1

1*

12

*sp elecnm nm

r PQ

r Pn h B

OSNR B

S Ase S Ase

G P G PQ ~

(' ') (' ')1 0

1 0

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -51E-19

1E-16

1E-13

1E-10

1E-7

1E-4

Belec

= 6.5 dBT

Ex = 15 dB

TE

B

Input power (dB)

OSNR = 15 dB OSNR = 18 dB OSNR = 20 dB OSNR = 25 dB OSNR = 30 dB

Rapport S/N requis en extrémité

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -51E-19

1E-16

1E-13

1E-10

1E-7

1E-4

TEx

= 15 dBOSNR = 18 dB

TE

B

Belec

= 6.5 GHz B

elec = 7.5 GHz

Belec

= 10 GHz

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -51E-19

1E-16

1E-13

1E-10

1E-7

1E-4

Belec

= 6.5 dBOSNR = 18 dB

TE

B

Input power (dBm)

TEx

= 10 dB T

Ex = 15 dB

TEx

= 20 dB T

Ex = 25 dB

TEx

= 30 dB

(Influence du taux d’extinction)

10 Gb/s : OSNR0.1nm = 18-21 dB

40 Gb/s : OSNR0.1nm = 25-28 dBInfluence TEx & Belec


Système optiques amplifiés (4)

. nm outà dB nbred ' ampliG en dBFonction du débit

OSNR (endB) P (endBm) SpanLoss NF log(N )0 15 6

10 58

0 1 2 3 4 5 610

15

20

25

30

OSNR10 Gb/S

Pout

= 0dBm, NF = 5dB, loss = 0.2 dB/km

OS

NR

(dB

)

Distance (Mm)

Perte/tronçon 13 dB Perte/tronçon 18 dB Perte/tronçon 23 dB Perte/tronçon 28 dB Perte/tronçon 33 dB

out

. nmsp . nm

POSNR

N(G )h n B0 10 12 1

10 100-20

-10

0

10

20

Po

ut (

dBm

)

Tronçon de fibre (Km)

1000 Km 10000 Km

La dégradation de OSNR est une fonction de pertes/tronçon 10 Gb/s / 1000 Km : pas 100 km10 Gb/s / 10000 Km : pas < 50 km

OSNR = 20 dB


Amplificateur à fibre dopée Erbium

Niveaux d’énergiede l’ion Erbium

Architecture

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)

Transition rapide

Pompage980 & 1480 nm

EmissionStimulée1550 nm

E3

E2

E1

mux mux

Fibre dopée Er5-15 m

PinPout

Diode de pompe(50 – 350 mW)

Diode de pompe(50 – 350 mW)


Amplificateur à fibre dopée Er3+

ka e

k k

N N P NN N

t t h A2 1 2

1 221

1500 1550 16000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

Se

ctio

ns

eff

ica

ces

(* 1

0-24 )

Longueur d'onde (nm)

Absorption Emission

a et e : sections efficaces d’absorption/émission

Evolution des populations

e a

a e a Er

g N N

soit g N N

2 1

2

Gain par unité de longueur

La courbe de gain est dépendante de l’inversion de population n2 = N2/NEr

1500 1550 1600

inversion de population

gain > 1

gain < 1

1

ga

in (

u.a

.)


0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 %


• Pré-égalisation

• Fibre dopée à verre fluoré EDFA

• Filtre-égaliseur passif

Amplification Erbium en régime WDM

1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

1 ampli 5 ampli

G = 2.5 dB

1529-1562 nm

Ga

in f

luct

ua

tion

(d

B)


Non-uniformité de la courbe de gaindes amplificateur EDFA

Solutions :


Techniques d’égalisation de gain

Pré-égalisation des signaux

Egalisation du gain de l’amplificateur

Mux

Input

Pompe

Mux

Output

Pompe PompePompe

Mux Mux

Techniques : réseaux photo-inscrits, films diélectriques, …

Atténuation : 1 à 10 dB en fonction de la longueur d’onde et de l’architecture de

l’EDFANFtotal = NF1 + NF2 /(G1 . T) ~ NF1 si G1T >> 1

Entrée Sortie de chaîne d’EDFA

Sans pré-égalisation

Avec pré-égalisation

Nbre d’EDFA et bande de gain réduits

1530 1540 1550 1560-6

-4

-2

0Transmission


Multiplexage en longueur d’onde


Plan de fréquence

EDFABan

de C

EDFABan

de L

Spectre d’absorptioncyanure d’hydrogène (H13C14N)

Système de stabilisation d’une source laser(laser DFB, laser à cavité externe)

Longueur d’ondede référence


Technologies de multiplexage

Exemple : Multiplexeur 40 canaux, 100 GHz

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

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


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


Fibre multimode dispersion intermodale

• Saut d’indice BL = c/(2n1) = 10-2 BL = 10 Mb/s * km

• Gradient d’indice BL = 2c/(n1) = 10-2 BL = 1 Gb/s * km

Fibre monomode dispersion chromatique f = D L

E = m(t) . exp(jot + (t)) Sopt(f)= Slaser(f) Sm(f)

• Laser FP : Slaser >> Sm (spectre d’émission Slaser ~2-4 nm)

BL < (4D )-1

D = 1 ps/nm/km, = 2 nm BL = 125 Gb/s * km

• Laser DFB : Slaser << Sm (spectre d’émission Sm = Rb)

B2L < c /(4D ) (avec ~ Rb * 2/c)

D = 17 ps/nm/km, B2L = 6000 Gb2/s * km

Dispersion : limitation du produit débit*distance (1)

Critère : élargissement de l’impulsion f < Tb/4 (Rb = 1/Tb)

Tb22fbT


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 amplifiéeest 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/kmNZ-DSF 4-8 ps/nm/km

DCF ~ -100 ps/nm/km

4ème génération : systèmes mono-amplification en ligne, fibre DSF) Systèmes trans-océaniques 5 Gb/s > 10 000 km

1200 1300 1400 1500 1600 1700-10

-5

0

5

10

15

20

D (

ps/n

m/k

m)


Fibre standard Fibre DSF Fibre NZ-DSF


Systèmes WDM à gestion de dispersion

Suppression de la dispersion accumulée

D L + Dcomp*Lcomp = 0

Fibre de ligne Fibre de compensation

5ème génération : systèmes WDM longue distance

Limitation : bruits des EDFAs, effets non-linéaires (interaction NL entre canauxPerformances : 1000 à >10000 km en fonction du pas d’amplification

50 – 100 km


Réseaux tout optiques


Réseaux tout optiques

Global Network

Wide Area Network

Metropolitan/Regional Area Optical Network

Corporate/Enterprise Clients

Cable modemNetworks

Client/Access Networks

FTTHMobile

SDH/SONET

ATM

PSTN/IP

ISPGigabit Ethernet

Cable

FTTB

ATM

< 10000 km< 10 Tbit/s

< 100 km< 1 Tbit/s

< 20 km100M - 10 Gbit/s


1

Commutateur tout optique

-Demux - Mux

1

N

1

N

1

1 1

M M

M M

Management,Signaling

OXC Controller

OpticalSwitchMatrix

NM×NM(MEMS)

Tunable wavelength converter

Technology

• Multiplexeurs/Demultiplexeurs adressage mono-

• Commutateurs spatiaux routage fibre m vers fibre m

• Convertisseurs en matrice sans blocage


Perspectives


Les communications optiques « tirées » par les évolutions technologiques

• Fibres

• optical amplifiers

• sources WDM

• Filière d’optique intégrée pour dispositifs HD-WDM

• Brasseurs WDM

• Systèmes point-à-points

• Transmission mono- > 10000 km

• Systèmes WDM

• Systèmes HD-WDM anneaux WDM, …

• Brasseurs WDM


Accroissement de la bande spectrale

Rayleigh

CurvatureFIBRE

AMPLIFIERS

XS band S+ band S band C band L band L+ band

EDF(F)A

EDFA + gain equalizing filter

EDF(F)A + gain equalizing filter + Raman amplification

Telluride EDFA

RAMAN

30nm 40nm

47nm52nm

75nm

76nm

80nm

SOAs achievable range

Multi-pump Raman achievable range

P(praseodymium)DFA

36nm38nmTm(thullium)DFA Multi-pump RAMAN

22nm 36nm

After Nakagawa : ref.1 1390 nm

-OH

Ref.2

1250 1350 1450 1490 1530 1570 1610 1650

EDFA

} }

Documents

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