Notes sur la transmission optique - 3° partie, Notes de Fondements informatiques. Université Vincennes Saint-Denis (Paris VIII)
Francine88
Francine888 January 2014

Notes sur la transmission optique - 3° partie, Notes de Fondements informatiques. Université Vincennes Saint-Denis (Paris VIII)

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Notes des fondements informatiques sur la transmission optique - 3° partie. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Multiplexage optique, Equipements WDM, DWDM, CWDM, FTTH : le retour de la fibre optique, FTTH, ...
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Microsoft PowerPoint - 4ITR optique [Mode de compatibilité]

Multiplexage optique

101GRT5

Multiplexage optique

Avantages WDM Sans WDM :

Avec WDM :

102GRT5

docsity.com

Multiplexage optique

Réseau local à répartition en longueur d’onde

103GRT5

Chaîne de transmission

Equipements WDM

Convertisseurs de longueur d ’onde

104GRT5

Multiplexeur/Démultiplexeur

Multiplexeur optique à insertion extraction (OADM)

Optical cross connect (OXC)

EDFA

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Convertisseurs de longueur d ’onde

Equipements WDM

• Situés à la périphérie du réseau WDM

• Adaptent les longueurs d ’onde des clients WDM à la grille ITU‐T  G692

• Offrent une interface pour les clients WDM: SDH, ATM, IP,  GigaEthernet….

105GRT5

• Attribuent à chaque couple interface‐protocole de transport une  longueur d ’onde

Multiplexeurs/Démultiplexeurs

• Le multiplexeur combine plusieurs longueurs d’onde, coté TX, pour une transmission sur une seule fibre optique de tous les signaux le démultiplexeur opère la fonction inverse

Equipements WDM

, , coté RX. Leur première utilisation a été d’augmenter la capacité de transmission sur une fibre optique

• Ils utilisent des composants comme les filtres, les atténuateurs, les coupleurs, les circulateurs et les réseaux de diffraction

λ1+ λ2+ λ3+ λi+ λj…….

106GRT5 λ1 λ2 λ3 λi

λj λj

λi λ3

λ2 λ1

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OADM

• plusieurs ondes lumineuses multiplexées arrivent sur un module optique de dé lti l

Equipements WDM

mu p exage

• la longueur d’onde désirée est extraite puis redirigée vers un nouveau module de traitement

• cette dernière est incluse dans un nouveau train de longueurs d’onde par un multiplexeur

107GRT5

OXC

Equipements WDM

• Egalement appelés routeurs optiques

• Utiles pour gérer les incidents sur les fibres

• Trouver de nouveaux chemins

• Interconnecter des boucles WDM

108GRT5

• Capacités supérieurs à celle des OADM

• Taille varie d’un simple interrupteur On/Off à un matrice n*n

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Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)

Equipements WDM

109GRT5

Mécanisme d’amplification de l’ EDFA

Equipements WDM

110GRT5

docsity.com

Avantages de l’EDFA – Evite la conversion en signal électrique du signal optique à amplifier.

– Amplifie simultanément toutes les canaux WDM.

Equipements WDM

– Grand gain 

– Réflexions très faibles

– Grande puissance de saturation (de 10 à 30 dBm)

– «faible» facteur de bruit de 4 à 7 dB (près de la limite théorique de 3 dB)

– Peu sensible à la polarisation et à la température

– Bande passante élevée : 30 nm soit environ 4000 GHz

111GRT5

DWDM

• La technologie WDM est dite dense (DWDM) lorsque l ’espacement entre les canaux est  inférieur ou égale à 100 GHz (0.8 nm) 

WDM

200 GHz   (4 à 8 canaux)

DWDM

f 100 GHz (16 à 128 canaux)

112GRT5

              

U‐DWDM

f  50 GHz  (plus de 128 canaux)

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CWDM

• CWDM (Coarse Wavelength Data Multiplexing) permet  d'utiliser des canaux très espacés limitant ainsi la probabilité  d’interférence inter‐canaux et rendant possible l’utilisation de              liaisons optiques avec des lasers à moyenne stabilité  thermique. 

• L'UIT propose l'utilisation de CWDM avec 20 nm au lieu de  0,8nm, 0,4nm ou même 0,2 nm dans la bande 1270 nm ‐ 1610  nm. 

113GRT5

• CWDM permet d’utiliser 18 signaux par fibre

• Il en résulte un débit inférieur mais un coût moindre en  termes de matériel et de maintenance (de l'ordre de 50 à  70 %).

CWDM

• CWDM consiste à multiplexer dans une seule fibre plusieurs  signaux à la même vitesse de modulation mais chacun à des  longueurs d’onde différentes espacées de 20nm          . 

• CWDM est principalement utilisé dans le réseau Metro 

• vu que l'espacement spectral est important, le CWDM  autorise une dérive en longueur d'onde d'émission des lasers  ainsi qu'une dérive en fréquence des multiplexeurs. 

C d d' ili d l f idi

114GRT5

• Le  WDM permet  onc  ut ser  es  asers non re ro s et  beaucoup moins précis ainsi que des Mux/Demux également  non contrôlés en température. 

• C'est un grand avantage pour une application à l'accès car le  coût du laser est plus faible.

GRT‐5‐M3.1‐RHD‐QoS 114

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CWDM

• Les points forts du CWDM sont comme suit :

– Le CWDM est privilégié pour de courts trajets sans  amplification. 

– Le CWDM est plus adapté pour les réseaux Metro, de  collecte et d’accès.

– Possibilité d’augmenter la capacité d’un réseau CWDM par  insertion des canaux DWDM. 

115GRT5

– Solution simple et moins coûteuse

– Gain en CAPEX et OPEX

FTTH : le retour de la fibre optique

• La famille FTTx (Fiber To The … ) • … FTTH (home) au domicile Terminaison en câble coaxial, pairetorsadée, radio (wifi), ou fibre

ti l ti ?• FTTB (building) au bâtiment FTTC (curb) au « trottoir » (sous-répartiteur) FTTN (node) au point de raccordement FTTP (premises) au local technique FTTO (office) au bureau

op que p as que

Prolongement chez l’abonné

par VDSL

116GRT5

FTTD (desk) au poste de travail

Usages professionnels

Débits typiques : 100 Mbit/s dans chaque sens (Ethernet)

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FTTH : Concept

TV Haute

Services

C l

Optical Network

Termination

Définition

VoD Haute Définition

Jeux vidéo

Visioconférence

E-Commerce

Application P2P

117GRT5

oup eur Optique

Optical Line Termination

FTTH : Apports • En plus des avantages connus de la fibre optique (Bande passante et

distance importantes, taux erreur faible…)

• la FTTH présente les avantages suivants:

ff i ill it t i lt éité d' g l i i t t – o r r une me eure v esse e s mu an usa e pour es serv ces ex s an s

– Satisfaire tous les besoins de la famille, actuels et à venir en simultané et avec un niveau élevé de qualité en matière de :

• TV Haute Définition sur un ou plusieurs postes (très haute qualité d'image)

• consultation de programmes TV interactifs

• usage de la téléphonie sur IP et de la visioconférence dans des conditions optimales

• téléchargement instantané et consultation de vidéos, sur un ou plusieurs téléviseurs

• consultation de sites commerciaux électroniques dans des conditions de rapidité et d'affichage inégalées

118GRT5

• stockage sécurisé des données

• P2P

– autoriser l'usage simultané de tous ces services pour répondre aux besoins de l'ensemble de la famille

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FTTH : limitations

• Coût plus élevé que celui de la boucle cuivre

• Nécessité de re-câbler pratiquement tous les réseaux d i itée prox m

• L’investissement immédiat est plus important que les xDSL, particulièrement si le déploiement nécessite la réalisation de travaux de génie civil. Néanmoins les réseaux FTTH peuvent être amortis sur le long terme grâce à leur grande pérennité

119GRT5

Commutation optique

• Basée essentiellement sur l’utilisation de microsystèmes

P t l l é t t ti• erme   e passage vers  es r seaux  ou ‐op que

• Eviter les conversions opto‐électroniques trop coûteuse et qui limitent le débit

120GRT5

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Commutateurs optique de type portes optiques

• Une entrée et une sortie

Commutation optique

• Les fibres, miroirs ou prismes sont déplacées grâce à des actionneurs électromagnétiques

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• Grande consommation d’énergie et temps de commutation élevé à cause du poids des éléments à déplacer

Commutateurs optiques utilisant des micro‐miroirs

L’activation des miroirs se fait de différentes manières

Commutation optique

électromagnétique: bobines placées sous le miroir

actionneurs électrostatiques

magnétique: une couche de matériau magnétique est déposée sur le miroir et une bobine  est placée sous la structure pour actionner le miroir

thermique

mécanique

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Matrices de commutation à base de guides d ’ondes

• Facilement implémentées par l ’utilisation de guides d ’ondes micro‐usinés, sur silicium

Commutation optique

• Nécessitent une tension d ’alimentation permanente pour maintenir le commutateur  dans l ’état fixe requis

• Le système comprend un index rotatif au dessus d ’un réseau de guides d ’ondes. Il peut  déposer ou retirer une goutte d ’huile à l’intersection de deux guides d’ondes 

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Tendances 

• Le très haut débit, distribué dans les domiciles via la fibre  optique, est désormais au coeur des projets des opérateurs  télécoms. 

• La technologie, FTTH (Fiber to the Home) permet des débits  pouvant atteindre jusqu'à 100 Mbps.

• Le TV‐HD, la visio‐conférence, la VOD (vidéo à la demande), les  jeux‐vidéos en ligne ne sont que quelques‐uns des usages qui se  développent grâce à l’utilisation des fibres optiques.

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IP over WDM

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Principe du réflectomètre ODTR

• Une fraction de la puissance optique incidente excite localement la matière qui rayonne la même puissance dans toutes les directions

• Ainsi une partie (faible) de la puissance émise par la source de lumière est retro-diffusée vers la source.

• Cette puissance a pour expression : Prd = K.Po.e-2.α.L

– Prd : représente la puissance reçue à l'origine de la fibre.

– K : est une constante qui dépend de l'ouverture numérique de la fibre et de l'indice optique.

– P : représente la puissance de la source de lumière.

125GRT5

o

– α : représente l'atténuation linéique de la fibre.

– L : représente la distance du lieu d'origine.

• (Le facteur 2 permet de tenir compte du trajet aller-retour de l'onde lumineuse)

Principe du réflectomètre ODTR

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Principe du réflectomètre ODTR

• A l'entrée d'une fibre en défaut, on injecte une impulsion lumineuse à l'aide d'une diode Laser.

• Une photodiode PIN permet de récupérer la fraction de la puissance retrodiffusée Prd due à la diffusion de Rayleigh.

• Dès que l'impulsion traversera le milieu d'indice n1 (lieu du défaut) s'ajoutera à cette puissance retrodiffusée la puissance réfléchie Pr.

• Le réflectomètre est muni d'un écran qui affiche la courbe correspondant à la puissance reçue par la diode PIN en fonction de la distance à l'origine.

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• Le niveau reçue par la diode PIN décroît de façon exponentielle en fonction de la distance, un défaut se traduira par pic de puissance et en fonction du temps de propagation, on peut en déduire la distance qui sépare l'origine du lieu de défaut.

Principe du réflectomètre ODTR

128GRT5

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Paramètres de réglage du réflectomètre

• Largeur d'impulsion

– Une grande largeur d'impulsion offre une grande dynamique (longueur mesurable élevée) mais une faible résolution, elle permet la détection de défauts lointains.

– Une faible largeur d'impulsion permet une grande résolution mais avec une faible dynamique, elle est plus adaptée à la mesure de pertes.

– Valeurs typiques : de 5nS à 10µS

• Indice de réfraction

129GRT5

• Le réflectomètre calcule toutes les distances par rapport au temps écoulé depuis le départ de l'impulsion, comme L = C.t/n toute variation sur l'indice entraîne une variation inversement proportionnelle à la distance calculée.

Mise en service d'une liaison – maintenance

• Le réflectomètre permet de mesurer l'atténuation de la liaison, de repérer les différents défauts présents lors de la mise en service (mauvaise jonction contrainte ). , ,...

• Il est courant de mémoriser la réflexion comme la "signature de liaison" lors de la recette de l'installation.

• La courbe peut être imprimée ou stockée sur un ordinateur pour ensuite être utilisée pour vérifier la performance de liaison par fibre soit périodiquement, soit

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en continu. (en utilisant un système d'alarme)

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Caractéristiques principales :

• Dynamique du signal : 45dB, permet de mesurer des défauts situés à une distance de 190km.

é• Temps de r ponse rapide, 10 s pour une distance de 190km.

• Longueurs d'onde: 1310, 1450, 1550, 1625nm.

• Mesure des pertes de Fresnel.

• Mesure des caractéristiques de dispersion chromatique.

131GRT5

• Emission à 635nm (rouge visible) pour vérifier visuellement la continuité d'une fibre de courte longueur.

Exercice 1 : Réflexion

• Un rayon lumineux se propage dans un premier milieu constitué d'air. Le rayon incident dans l'air frappe une surface de verre, puis une surface d'eau, ensuite une surface de verre et se propage finalement dans l'air. L'angle d'incidence dans l'air est de 40°.

1. Quel est l'angle de réfraction dans le 2ème milieu constitué de verre ?

2. Quel est l'angle de réfraction dans le 3ème milieu constitué d'eau ?

3. Quel est l'angle de réfraction dans le 4ème milieu constitué de verre ?

4. Quel est l'angle de réfraction dans le 5ième milieu constitué d'air ?

132GRT5

5. Conclure

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reflexion

• Un pêcheur voit passer un poisson sous l'eau à une profondeur apparente de 45 cm.

é• Quelle est la profondeur r elle du poisson ?

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Reflexion

• Une piscine possède une profondeur réelle de 2 m.

• Quelle est la profondeur apparente de la piscine ?

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Reflexion

• Un rayon lumineux traverse l'une des faces d'un cube en matière transparente sous une incidence de 45° puis rencontre une seconde face perpendiculaire à la , première ; en admettant que le plan d'incidence soit normal à ces deux faces et que le rayon sorte dans l'air en rasant la face de sortie, calculer l'indice de la substance du cube.

135GRT5

Réfraction et réflexion à travers un multicouche

• Les indices de réfraction dans les milieux 1, 2 et 3 sont respectivement n1= 1.5, n2 = 1.51 et n3 = 1.

• 1. Calculer les angles critiques des deux interfaces respectivement Θ12 et Θ23.

• 2. Tracer les rayons optiques réfléchis et réfractés à chaque interface (si ce dernier existe) issus d’un rayon arrivant sur l’interface entre le milieu 1 et 2 avec un angle d’incidence i1 = ∏ /4. (Tracer 4 rayons au

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maximum).

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Exercice

• Un rayon lumineux se propage en ligne droite dans un milieu  d’indice n1 = 1,33.

• Ce rayon pénètre, à travers une surface de séparation plane,  dans un deuxième milieu d’indice n2 = 1,5. 

• L’angle d’incidence est i1 = 30°.

1. Calculer l’angle réfracté i2 et faire un schéma.

2. Calculer l’angle minimum de réflexion totale lorsque le rayon se 

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propage du milieu 2 vers le milieu 1 ( faire un schéma ).

Solution

138GRT5

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Exercice

La propagation d’un rayon lumineux à l’aide d’une fibre optique à saut d’indice peut  être schématisé par la figure ci‐dessous :

On donne : 

0 1 2n  =  ,  

Longueur de la fibre : L = 2 km.

n1 = 1,85

n2 = 1,5

1. Calculer l’angle minimal i1R qui permet la réflexion totale du rayon dans la fibre.

2. Calculer l’angle maximal Θ0MAX qui autorise la propagation du signal dans la fibre.

139GRT5

3. Pour le mode de propagation en ligne droite sans réflexions, calculer le temps de  transmission d’une information dans cette fibre.

4. Pour un mode de transmission correspondant à des réflexions successives de 

i1 = 70°, calculer le temps de transmission de l’information. 5. Calculer le débit réel de cette fibre

Solution

140GRT5

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Exercice

• Soit une fibre optique dont les caractéristiques sont : Δ = 0.833%, ON = 0.1855, longueur = 50km.

• En déduire les valeurs de n1 et n2. (précision = 3 décimales)

• Calculer le paramètre de dispersion intermodale.

• La fibre est elle mono mode ou multimode

141GRT5

Exercice

• Les caractéristiques d’une fibre optique " multimode à gradient  d’indice " sont :

– Bande passante : 500 MHz.km

– Affaiblissement : 5 dB / km

– La longueur de la fibre est L = 500 m.

1‐ On désire transporter une information numérique provenant du  codage d’un signal analogique.

Calculer la fréquence maximale du signal analogique si on veut

142GRT5

                    récupérer toute l’information après transmission.

2‐ La fibre transporte maintenant un signal analogique d’une  puissance de 250 mW à l’entrée de la fibre.

Calculer la puissance du signal électrique en sortie du dispositif.

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Solution

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Exercice

• On utilise une fibre optique à 155 Mbps et une vitesse de propagation 276000m/s, reliée à un ordinateur qui émet ses données à 155 Mbps .

• Calculez Combien d’octets, de bits sont-ils présents dans la fibre de longueur :

• L mètres de long

• 100 mètres

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• 3000 mètres ?

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Exercice

• 1. Un rayon lumineux est envoyé dans la fibre avec un angle Θ0. À quelle condition pour Θ0 le rayon se propage- t-il dans la fibre par réflexions successives ? On appelle ouverture numérique de la fibre optique ON la valeur sinΘ0 max, qui définit l’ouverture maximale du cône de lumière pouvant être propagé par la fibre. Que vaut ON en fonction de n0 et n1 ?

• 2. Quel est le retard de ce rayon parcourant une distance d par rapport à un rayon suivant l’axe z ? Quelles

145GRT5

déductions pour le débit possible d’impulsions lumineuses (et donc d’information) qu’on peut faire passer dans cette fibre ?A.N. : n0 = 1;5 ; n1 = 1;49 ; d = 1 km.

Atténuation dans une fibre optique

• Un système de communication est constitué d’une fibre optique multimode dont l’atténuation A est 0.5 dB/km. La puissance à l’entrée Pin est 10 mW et la longueur de la fibre est de 15 km.

• 1. Convertir Pin en dBm.

• 2. Ecrire une relation entre Pin en dBm, Pout en dBm, A et L.

• 3. Calculer Pout en dBm puis en mW.

• 4. Quelle longueur de fibre peut-on utiliser si le récepteur est capable de mesurer une puissance minimum de 20 µW ?

146GRT5

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Dispersion modale

• 1. Dessiner une fibre optique à saut d’indice de longueur L (coeur et gaine) avec les indices de réfraction de coeur n0 et de gaine n1. Représenter les 2 rayons extrêmes associés au trajet le plus court et au trajet le plus long.

• 2. Calculer le temps de parcours tD du rayon au trajet le plus court en fonction de L, c et n0.

• 3. Calculer le temps de parcours tL du rayon extrême en fonction de L, c, n1 et n0.

• 4. En déduire l’élargissement d’une impulsion quelconque injectée dans cette fibre en fonction de L, c, n1 et n0.

147GRT5

• 5. Calculer l’élargissement temporel par km de la fibre plastique multimode (n0=1.495; n1=1.402), puis de la fibre silice multimode (n0=1.48 n1=1.46) et enfin de la fibre silice monomode (n0=1.4675 n1=1.4622).

• 6. En déduire les bandes passantes normalisées en MHz.km.

Dispersion

• Un verre a l’indice n=1,595 pour la lumière rouge et n=1,625 pour la lumière violette.

è• Un rayon de lumi re blanche, qui contient ces deux couleurs, se propage dans ce verre et arrive à la surface de séparation avec l’air sous une incidence de 35°

• 1. Calculer l’angle que font dans l’air les rayons rouge et violet

2 Calculer l’angle limite dans le verre pour ces deux

148GRT5

• . longueurs d’onde

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