Notes sur la transmission optique - 2° partie., Notes de Fondements informatiques
Francine88
Francine888 January 2014

Notes sur la transmission optique - 2° partie., Notes de Fondements informatiques

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Notes de fondements informatiques sur la transmission optique - 2° partie. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: La Réflexion, La Réfraction, L'absorption, La diffusion, La diffraction, Caractéristiques des E/...
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Microsoft PowerPoint - 4ITR optique [Mode de compatibilité]

La Réflexion

• La réflexion est le renvoi de la lumière par la surface qui la reçoit :

1ère loi de Descartes                            

– Le rayon réfléchi est dans le plan d'incidence

– L'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence

Rayon réfléchiRayon incident i i'

51GRT5

N n1

n2

La Réflexion

52GRT5

docsity.com

La Réfraction

• La réfraction est la déviation subie par les rayons lumineux à la 

2ème loi de Descartes

traversée de la surface séparant deux milieux transparents :

– Le rayon réfracté se trouve dans le plan d'incidence

– L'angle de réfraction suit la loi : n1 sin i = n2 sin r

Rayon incident i

irnn 21 >⇒>

53GRT5

N n1

n2 Rayon réfractér

Réflexion & Réfraction

Rayon incident i

α

N n1

n2

Rayon réfléchi

n1 > n2  

Rayon réfracté

54GRT5

⎟⎟ ⎠

⎞ ⎜⎜ ⎝

⎛ =

2

1arcsin n nα

i = α = angle limite de réfraction

i > α (effet miroir)

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L'absorption

• Partie de l'énergie lumineuse qui est absorbée par certains  éléments.

• Elle est transformée en une autre forme d"énergie :

– Vibrations moléculaires

– Rayonnement stimulé ……

55GRT5

La diffusion

• La diffusion est le renvoi de la lumière dans toutes les directions  par le milieu qu'elle frappe.

R

56GRT5

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La diffraction

• La diffraction est l'éparpillement d'un rayon lumineux traversant  une ouverture de faible diamètre sur une surface finement  striée.

théorique

57GRT5

réel

Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

• Une fibre Optique

– Différence d’indice normalisée

– Ouverture numérique

– Atténuation

– Dispersion intermodale

– Dispersion chromatique

– Non linéarité

58GRT5

– Dispersion modale de polarisation (PMD)

– Atténuation linéique

– Bande passante

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250 mm 125 mm

Fibres multimode 20 à 100µm  Fibres monomode < 10 mm

Structure d'une fibre optique

Gaine optique (n2)  

59GRT5

Gaine mécanique

Coeur (n1>n2)

Rayon réfracté

Principe du guidage dans une fibre

n1

Rayon guidé

N

60GRT5

n2

Il existe un angle limite d’injection

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Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

• Une fibre Optique

– Différence d’indice normalisée c

gc

n nn

=∆

– Ouverture numérique

– Atténuation

– Dispersion intermodale

– Dispersion chromatique

– Non linéarité

22sin gc nnON −== θ

61GRT5

– Dispersion modale de polarisation (PMD)

– Atténuation linéique

– Bande passante

Cône d’acceptance

L'injection dans la fibre

n1

N Nθ

62GRT5

n2

2 2

2 1sin nnON −== θOuverture numérique

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Ouverture numérique

• Si n1=1,490 et n2=1,470

• ON=0.24 et téta vaut 24°

• ce qui fait un demi angle au sommet de 12°

• On comprend alors les grosses difficultés à respecter cet angle d ’injection.

63GRT5

• Il existe deux conditions de guidage :

Conditions de guidage

– n1 > n2

– i > α réflexions totales tout au long de la fibre optique

64GRT5

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La fibre optique

Caractéristiques

Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

Atténuation en fonction de la longueur d’onde

65GRT5

Dispersion intermodale

• Si le diamètre du coeur est supérieur à environ 10 μm, ce type de  fibre possède un défaut important pour les télécommunications,  relié au fait que plusieurs modes existent pour la propagation de  la lumière le long de la fibre. 

• Ces modes peuvent être caractérisés par l’angle d’inclinaison  entre la direction de propagation de la lumière et l’axe de la  fibre. 

• On comprend facilement que les modes se propageant à des  angles d’inclinaison différents auront des temps de parcours

66GRT5

                différents (on parle alors de dispersion intermodale), ce qui  causera un élargissement des signaux pulsés et limitera  forcément le nombre de bits par seconde qui pourront être  transmis dans la fibre. 

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• Issue du caractère ondulatoire de la lumière, l'injection d'une  onde électromagnétique dans la fibre optique entraîne une  décomposition de l'énergie incidente en sous entités

La notion de mode

              énergétiques ou "mode" qui se propagent différemment.

• En multimode l'énergie se répartie sur plusieurs modes ou  chemins possibles. 

• Les chemins étant de longueurs différentes, les temps de  propagation seront différents, ce qui limitera la bande passante.

67GRT5

C'est la dispersion modale. 

• Elle est négligeable en monomode

r

La fibre multimode à saut d'indice

n

68GRT5

Elles sont constituées: d’un cœur d’indice n1 d’une gaine d’indice n2

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Propagation de la lumière dans la fibre  multimode à saut d'indice

τ

n1

n2

69GRT5

t Pulse émis Étalement + atténuation

t

τ’ Plusieurs modes de propagation

Elles limitent le phénomène d’élargissement d’impulsion

Fibre multimode à gradient d'indice

r

n

70GRT5

L'indice du cœur varie suivant une loi parabolique fonction de r

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Propagation de la lumière dans la fibre  multimode à gradient d'indice

τ’τ

n1

n2

71GRT5

t Atténuation

Etalement moins important

t Pulse émis

Plusieurs modes de propagation

r mµ10à3

La fibre monomode

n

Le diamètre du cœur

72GRT5

      est très petitElles sont constituées:

d’un cœur d’indice n1 d’une gaine d’indice n2

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Propagation de la lumière dans la fibre  monomode

τ

n1

n2 τ

73GRT5

t Pulse émis

t

Faible atténuation Faible étalement

Un seul mode de propagation

Conditions de guidage

10 µm < Rayon de cœur < 100 µm

Bande passante limitée à 1GHz

Fibres à saut ou gradient d’indice

Fibre multimode

Rayon de cœur très faible

Bande passante > 1GHz

Fibres à saut d’indice

Fibre monomode

74GRT5

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Dispersion intermodale

• Une impulsion lumineuse très courte (10 ps, par exemple) injectée dans la  fibre sera étalée dans le temps sur au moins 10 ns après un parcours de  seulement 1 km dans une fibre multimode            . 

• De telles fibres peuvent servir à transmettre des données é un taux  relativement modeste de 10 Mbit/s sur une distance de 10 km.

• Pour une fibre optique à indice constant, la dispersion intermodale  sur une  distance L est donnée par la relation  : 

75GRT5

cnC ONL ××

× =∆

2

2

τ

Dispersion intermodale

• Pour éviter en partie les problèmes de dispersion intermodale,  on peut utiliser des fibres dites à gradient d’indice dans  lesquelles les rayons se propageant avec un angle d’inclinaison,                  plus grand passent par des régions d’indice plus faible. 

• Leur vitesse de propagation plus grande dans ces régions  compense le fait que leur trajet est plus long. Les effets de  dispersion intermodale sont alors minimisés

76GRT5

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Dispersion chromatique ou intramodale

Ce qui limite la capacité des fibres monomodes réside  notamment dans le fait que l’indice de réfraction de la fibre  varie avec la longueur d’onde (on dit que le matériau  constituant le coeur présente une dispersion optique, et on parle  en l’occurence de dispersion chromatique ou intramodale). 

• Comme le signal injecté possède toujours une certaine largeur  spectrale, ces composantes en fréquence du signal vont se  propager à des vitesses légèrement différentes. 

• Cet effet est au moins 100 fois plus faible que dans le cas de la

77GRT5

                              dispersion intermodale, mais après un parcours de plusieurs  dizaines de kilomètres, il devient toutefois suffisamment  important pour causer un élargissement substantiel des  impulsions signal, lequel limite la capacité de transmission (le  nombre de bits par seconde) des fibres.

Non linéarité

• On peut compenser l’effet de la dispersion intramodale en utilisant les  propriétés optiques non‐linéaires de certains matériaux (incluant la plupart  des verres de silice). 

• t, si le signal lumineux injecté est très intense, l’indice de réfraction d’un tel  matériau peut subir un léger accroissement proportionnel à l’intensité  lumineuse (cet effet est appelé l’effet Kerr +).

• Si l’intensité de l’impulsion ainsi que sa forme sont ajustées de manière à  compenser exactement l’élargissement de l’impulsion causé par la dispersion  chromatique (en régime de dispersion anormale), la forme de l’impulsion ne  varie pas le long de la propagation. 

78GRT5

• Nous avons alors un comportement solitonique (tout se passe comme si les  effets non‐linéaires induisaient un puits de potentiel voyageant à la même  vitesse que le paquet d’ondes et empêchant celui‐ci de se déformer). Il  devient alors possible de transmettre de l’information sur des milliers de km à  des taux extrêmement élevés (supérieurs à 20 Gbits/s).

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La dispersion modale de polarisation

• La dispersion modale de polarisation (Polarization Mode  Dispersion) caractérise l’étalement du signal. 

• Ce phénomène est dû à des défauts dans la géométrie des fibres  optiques qui entraînent une différence de vitesse de groupe  entre les modes se propageant sur différents axes de  polarisation de la fibre

79GRT5

La fibre optique Caractéristiques

Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

Dispersion modale de polarisation (PMD)

80GRT5

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la longueur d’onde λc en dessous de laquelle la fibre n’est plus monomode. Ce paramètre est relié à la fréquence normalisée, notée V, qui

La fréquence normalisée (V)

dépend de la longueur d’onde λ, du rayon de cœur a de la fibre et des indices du coeur nc et de la gaine ng. La fréquence normalisée est exprimée par

λ π ONaV ×= 2

81GRT5

Si V<2,405 alors la fibre est MONOMODE

Si V>2,405 alors la fibre est MULTIMODE

Les valeurs typiques de bande passante pour une fibre de 1 km sont:

Bande passante

100 MHz

Multimode à saut d'indice

quelques GHz

Multimode à gradient  d'indice

> 10 GHz

Monomode

82GRT5

       

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• Si on injecte une puissance lumineuse P0 alors sa décroissance  linéique est donnée par la relation suivante :

Atténuation de la fibre optique

( ) dBW)ou (W 0 eP xxP α−= α atténuation linéique en 

(dB/km)

P0

83GRT5

x en km

• Aujourd’hui α vaut typiquement 0 2dB/km ce paramètre

Atténuation de la fibre optique

    , ,      d’atténuation traduit l’ensemble des pertes causées par  différents processus physiques (absorptions atomique ou  moléculaire, diffusion,…)

• Typiquement en 1974 on avait α=20 dB/km on a donc réussi à  optimiser la transmission optique dans un rapport de 100 000

84GRT5

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• Aujourd’hui α vaut typiquement 0,2 dB/km, ce paramètre  d’atténuation traduit l’ensemble des pertes causées par  diffé t h i ( b ti t i

Atténuation de la fibre optique

ren s processus p ys ques  a sorp ons a om que ou  moléculaire, diffusion,…).

• Typiquement en 1974 on avait α = 20 dB/km on a donc réussi à  optimiser la transmission optique dans un rapport de 100 000.

• Les valeurs recommandées par la spécification G 957 de l’UIT  sont :

85GRT5

 

– λ = 1310 nm,   α = 0,3 – 0,4 dB/km

– λ = 1550 nm,   α = 0,15 – 0,25 dB/km

Répéteurs / régénérateurs optiques

Principe de la génération 2R (Répéteur Régénérateur) Auto régénération 2R     

Régénération croisée 2R

Principe de la régénération 3R (Répéteur Régénérateur Resynchroniseur)

Régénération 3R croisée 

86GRT5

Modulation synchrone (SM) 

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Caractéristiques des E/R lasers et de la FO

• Une fibre Optique

– Différence d’indice normalisée c

gc

n nn

=∆

– Ouverture numérique

– Atténuation

– Dispersion intermodale

– Fréquence normalisée

– Non linéarité

22sin gc nnON −== θ

cnC ONL ××

× =∆

2

2

τ

λ π ONaV ×= 2

( ) dBW)ou (W 0 eP xxP α−=

87GRT5

– Dispersion modale de polarisation (PMD)

– Bande passante

Multiplexage en longueur d'onde WDM

Wavelenght Division Multiplexing (WDM) ou Multiplexage par  longueur d'onde.

• Besoin d'augmenter la capacité des liaisons sans les remplacer  matériellement.

• Rentabiliser l'infrastructure existante.

• Optimisation de l'infrastructure déjà déployée afin de véhiculer :

– La multitude de nouveaux services numériques

88GRT5

– Les services usuels dont le débit d’informations annexes (de qualité par  exemple) augmente

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WDM

89GRT5

WDM

• La technologie WDM est née de l'idée d'injecter simultanément  dans la même fibre optique plusieurs trains de signaux  numériques à la même vitesse de modulation mais chacun à une            ,          longueur d'onde distincte. 

• A l'émission, on multiplexe "n" canaux au débit nominal D, à la  réception, on démultiplexe le signal global "n * D" en "n" canaux  nominaux.

• La recommandation IUT‐T G 692 (Interfaces optiques pour 

90GRT5

systèmes multi‐canaux avec amplificateurs optiques) a défini un  peigne de longueurs d'onde autorisées dans la fenêtre de  transmission n°3. (1530‐1565 nm). 

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WDM

• La technologie WDM est dite dense (DWDM) lorsque la séparation des canaux  entre longueurs d'onde voisines est inférieure à 2nm.

• La technologie WDM / DWDMmultiplie la capacité de transfert                    d'informations d'une fibre par le nombre de longueurs d'onde qu'elle  transporte.

• Les systèmes WDM / DWDM commercialisés actuellement comportent 4, 8,  16, 32, 80, 160 canaux optiques, ce qui permet d'atteindre des capacités de  10, 20, 40, 80, 200, 400 Gbits/s en prenant un débit nominal de 2,5 Gbits/s et  de quatre fois plus avec un débit nominal de 10 Gbits/s.

/

91GRT5

• Un des composants clés du WDM DWDM est l'amplificateur à fibre dopée à  l'erbium (EDFA, Erbium Doped silica based Fibre Amplifier) qui permet de  compenser les pertes d'insertion dues aux multiplexage/démultiplexage des  longueurs d'onde sans passer par un circuit électronique.

WDM

• L'amplificateur optique EFDA fonctionne autour d'une fenêtre de  30nm dans la bande C (1535‐1565nm) ou dans la bande L (1570‐ 1600nm).

• Un canal de surveillance à 1625nm permet de détecter les  éventuels défauts.

• Le WDM introduit des phénomènes non linéaires qui ont  notamment pour conséquence de limiter en pratique la distance  entre amplificateurs autour de 100 km.

92GRT5

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Soliton

• De nouvelles techniques en cours de développement  permettront de multiplier encore plus les capacités des systèmes  optiques en particulier : la transmission Soliton,            .

• Elle permet le transport d'impulsions très étroites pouvant être  régénérée sans déformation sur de grande distance.

• La transmission par Soliton est liée à la notion de train  numérique multiplexé temporellement.

93GRT5

Perspectives

• Alcatel a établi en laboratoire un nouveau record du monde en  transportant une capacité de 5 Tbit/s (125 canaux DWDM à 40  Gbits/s) sur une distance de 1 500 kilomètres de sa fibre optique                        TeraLight(TM) Ultra. 

• La performance ainsi réalisée permet de transporter  simultanément, sur une seule fibre optique, 78 millions d'appels  téléphoniques ou plus de 500 000 connexions Internet ADSL. 

• Des liaisons sans répéteur peuvent comporter jusqu'à 48 paires 

94GRT5

de fibres, l'ensemble acheminant plus de 15 Tb/s sur une  distance de 200 km.

• La combinaison de ces deux technologies (WDM et Soliton)  semble possible et pourrait permettre d'atteindre des débits de  l'ordre du pétabits/s soit 1015 bits/s sur une même fibre optique.

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WDM

• Les systèmes WDM / DWDM commercialisés aujourd' hui comportent 4, 8, 16, 32 voire 80 canaux optiques, ce qui permet d'atteindre des capacités de 10 20 40 80 voire , , , 200 Gb/s en prenant un débit nominal de 2,5 Gb/s et de quatre fois plus avec un débit nominal de 10 Gb/s.

Ainsi, on obtient 800 Gb/s avec 80 canaux optiques à 10 Gb/s.

95GRT5

• Un des composants clés du WDM/DWDM est l'amplificateur à fibre dopée erbium (EDFA) qui permet de compenser les pertes d'insertion dues aux multiplexage/démultiplexage des longueurs d'onde.

Sources  LASER, chacune modulée par 1 débit

+ filtres optiques 

Principe du WDM

Fibre optique

Lentille de focalisation

96GRT5

 

Débit total transmis = 6 ∗ Débit nominal

On multiplexe ainsi 6 porteuses optiques  modulées, d’où l’appellation WDM‐6

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Multiplexage optique

WDM : Définition et principe

97GRT5

Multiplexage optique

Plan de multiplexage (UIT-G 692) La norme internationale ITU-T G 692 (Interfaces optiques pour systèmes

multi-canaux avec amplificateurs optiques) a défini un peigne de longueurs d'onde autorisées dans la seule fenêtre de transmission 1530-1565 nm appelée bande C. Elle normalise l'espacement en nanomètre (nm) ou en Gigahertz (GHz) entre deux longueurs d'onde permises de la fenêtre : 1,6 - 0,8 nm ou 200GHz -100GHz.

98GRT5

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Multiplexage optique

Fonctionnement

99GRT5

Multiplexage optique

Fonctionnement

100GRT5

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