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Etude d’une liaison optique
Fibre optique
En 1980, les premiers systèmes de transmission optique apparaissaient. Ce developpement commercial est l’aboutissement de plus de deux decennies de recherche de base pour obtenir des composants et dispositifs (en particulier des sources), mais aussi des fibres dont l’attenuation est compatible avec les exigences d’un reseau de télécommunication. En 1970, la compagnie Corning Glass Works de New York, produit la premiere fibre optique avec des pertes suffisamment faibles (20 dB/km) pour etre utilisee dans les reseaux de telecommunications (actuellement les pertes sont de l’ordre de 0,15 dB/km). Les premieres annees de la fibre optique sont marquees par des evolutions importantes. Le passage consecutif de la premiere fenetre de transmission autour de 850 nm (fibre multimode) a la deuxieme autour de 1310 nm (minimum d’attenuation d’environ 0,3 a 0,4 dB/km), puis a celle autour de 1550 nm (minimum d’attenuation de 0,15 dB/km), qui est la norme aujourd’hui en matiere de reseau. Ces changements de fenetre de transmission ont ete rendus possibles par l’amelioration des techniques de fabrication des preformes et au developpement des sources optiques.
L’atténuation
L’attenuation dans les fibres optiques caracterise l’affaiblissement du signal au cours de sa propagation (figure 1.7). L’attenuation de la fibre optique (en silice) est liee a plusieurs causes. D’une part, la lumiere est partiellement absorbee par la matiere dans l’infrarouge et dans l’ultra-violet. Par ailleurs, une quantite residuelle d’eau, incorporee sous forme d’ions OH- au cours de la fabrication, peut etre responsable d’un pic d’attenuation, bien visible sur la figure 1.8 au voisinage de 1.4 μm. Par ailleurs, Les inhomogeneites de matiere (matrice de silice), sont responsables d’une diffusion partielle de la lumiere, appelee diffusion Rayleigh. La courbe de la figure 1.8 fait apparaitre des longueurs d’onde privilegiees. Au voisinage de λ=1.31 μm, on note la presence d’un minimum relatif des pertes de propagation, tandis qu’au voisinage de λ=1.55 μm, les pertes sont les plus faibles. C’est la raison pour laquelle les telecommunications par fibre optique s’effectuent principalement autour de cette derniere longueur d’onde (1.55 μm). L’attenuation est alors de l’ordre de 0.2 dB/Km, ce qui signifie que la lumiere peut parcourir 100 Km avant que son niveau de puissance ne soit divise par 100 [1].
Dispersion de guidage
L’élargissement est cause par le fait que la constante de propagation du guide depend de la longueur d’onde. La Figure 1.11, montre la courbe de la dispersion chromatique (en ps/nm.km), en fonction de la longueur d’onde λ (en nm). Calee sur les fenetres de transmission actuelles, dans la silice et sur les regions proches de l’infrarouge, la dispersion est : negative aux longueurs d’onde courtes, nulle a la longueur d’onde a peu pres de 1.3 μm, et positive aux longueurs d’onde plus larges. Dans une fibre monomode standard, le coefficient de dispersion chromatique est a peu pres de } 4 ps/nm.km a une longueur d’onde de 1,3 μm, et a peu pres de 17 ps/nm.km a une longueur d’onde de 1,55 μm. La dispersion du guidage depend de la geometrie du materiau de la fibre. Dans la pratique, il est possible d’ajuster ce type de dispersion pour compenser la dispersion du materiau et ainsi obtenir des fibres optiques a dispersion decalee dans lesquelles le zero de dispersion se trouve a 1,55 μm. Il est egalement possible d’obtenir des fibres optiques a dispersion plates, qui presentent une dispersion faible dans l’intervalle de longueur d’onde entre 1,3 μm et 1,55 μm [1].
Modulation externe
La modulation externe consiste a ecrire les donnees electriques sur un signal optique continu. Elle est obtenue en modulant directement le faisceau lumineux en sortie du laser et non plus le courant d’alimentation a l’entree du laser. Ainsi les defauts de la modulation directe qui incombent au laser ne seront plus presents sur le signal optique. Cette modulation consiste a utiliser un modulateur externe. Celui-ci est commande par une tension externe v(t), modulee et representative de l’information a transmettre. Cette tension appliquee au modulateur a pour propriete de modifier le facteur de transmission en intensite en sortie. Le signal optique continu emis par le laser alimente par un courant constant est donc peu degrade. En traversant le modulateur, il subit les modifications du facteur de transmission et le signal de sortie se trouve module selon v(t). Un driver est souvent present entre les donnees et le modulateur afin de fixer les niveaux de v(t) et choisir les modifications du facteur de transmission [7].
Techniques de multiplexage
La bande passante des fibres optiques permet théoriquement l’établissement de systèmes de transmission à des débits très élevés. Cependant, le traitement électronique des données, à l’émission et à la réception, impose des limitations en termes de débits, dues aux composants électroniques dont la bande passante reste bien en deçà de celle accessible par l’optique. L’augmentation du nombre d’utilisateurs et de la quantité d’informations échangées dans les réseaux de communication a poussé au développement de solutions pour augmenter la capacité des réseaux, et profiter de l’avantage en bande qu’offre la fibre optique. Des techniques de multiplexage ont ainsi été développées, chacune permettant de transmettre N signaux de débit D sur le même canal, ce qui équivaut à la transmission d’un signal global de débit N×D. Ces techniques de multiplexage doivent néanmoins respecter la condition nécessaire de pouvoir restituer les données propres à chaque utilisateur après leur transmission sans créer d’interférences entre les données des différents utilisateurs. Pour cela, le signal physique représentant les données de chaque utilisateur se distingue des autres signaux par sa bande spectrale, sa propre fenêtre temporelle ou encore son propre code. Ceci permet alors de les séparer finalement avec des techniques de démultiplexage appropriées [10].
Multiplexage à répartition par code CDM (Code Division Multiplexing)
Cette technique permet la transmission des données des utilisateurs sur la même bande de fréquence et en même temps. Le principe consiste à attribuer à chaque utilisateur un code, appelé également « signature », constitué d’une suite de bits rapides (appelés « chips » pour les distinguer des bits de données de l’utilisateur). Le débit après codage est celui des données utilisateur multiplié par la longueur de la séquence de codes. Le multiplexage par répartition de code CDM permet d’étaler spectralement le signal transmis sur une bande N fois plus large que celle du signal initial, N étant la longueur de la séquence de code. Cependant, tous les utilisateurs exploitent la même bande spectrale, mais leurs données transmises se distinguent par le code propre à chaque utilisateur, ce qui permet d’éviter les interférences d’accès multiples, à condition que les codes utilisés soient orthogonaux [10]. Le CDM se décline en deux catégories de codage : le CDMA direct et le CDMA hybride. Le CDMA hybride consiste à associer la technique du CDMA aux autres techniques de multiplexage. Le CDMA direct se divise en CDMA à séquence directe, ainsi que le CDMA à saut de fréquence et le CDMA à saut temporel. Utilisée initialement dans le domaine de la radiofréquence, le CDMA peut être adapté dans le domaine optique grâce à des dispositifs de codage et de décodage optique, appelé Optical Code Division Multiplexing OCDM a été étudiée à partir de 1986 [14].
Comparaison entre WDM et TDM Au premier abord, on pourrait penser que les deux approches de multiplexage optique TDM et WDM sont semblables. Elles le sont au niveau formel puisqu’elles permettent la superposition sur le même support physique de transmission de plusieurs canaux de communication, identifiables selon leur décalage temporel pour TDM et selon leur longueur d’onde pour WDM. Cependant, au niveau technologique l’approche TDM présente des inconvénients significatifs par rapport à l’approche WDM. En premier lieu, les canaux TDM ne sont pas transparents pour le débit de modulation ni pour le type de modulation. Ils sont uniquement modulables numériquement en amplitude et leur débit imposé par le multiplexeur temporel. A l’inverse, chaque canal WDM peut être modulé individuellement, numériquement ou analogiquement, en amplitude ou en phase.
Le débit de chaque canal WDM peut en outre être choisi arbitrairement, du moment que les signaux ne se recouvrent pas spectrelement. Il en résulte une plus grande flexibilité. Une autre caractéristique désavantageuse du multiplexage optique TDM provient du très haut débit du signal multiplexé, qui résulte de l’agrégation des canaux entrelacés temporellement. Cette conséquence inhérente au multiplexage temporel constitue un inconvénient majeur pour les systèmes de transmission optiques, lorsque le signal multiplexé se met à couvrir des dizaines de gigahertz. Le traitement électronique constitue alors un frein aux opérations de multiplexage et démultiplexage temporels, alors que l’approche WDM effectue celle-ci optiquement et passivement. De plus, le phénomène de dispersion limite d’autant plus la propagation du signal TDM multiplexé que son débit est important. Les débits moindres de chaque canal WDM permettant d’éviter ce problème. Enfin, l’approche TDM souffre d’un manque d’extensibilité. L’addition d’un nouveau canal TDM nécessite une modification des décalages temporels et une resynchronisation de tous les canaux déjà existants. Inversement, l’indépendance des canaux WDM autorise la création d’un nouveau canal simplement par l’ajout d’un émetteur et d’un filtre optique appropriés, sans affecter les autres canaux [18].
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Table des matières
Dédicace
Tables des matières
Listes des figures
Introduction générale
Chapitre 1 : Etude d’une liaison optique
1.1 Introduction
1.2 Intérêts des télécommunications optiques
1.3 Description d’une liaison optique
1.4 Fibre optique
1.4.1 Structure de la fibre optique
1.4.2 Principe de fonctionnement de la fibre optique
1.4.3 Différents types de fibre
1.5 L’atténuation
1.6 La dispersion
1.6.1 Dispersion modale
1.6.2 Dispersion chromatique
1.7 Partie émission
1.7.1 Diode électroluminescente (DEL)
1.7.2 Les Sources laser
1.8 Partie réception
1.8.1 Photodiode PIN
1.8.2 Photodiode à avalanche PDA
1.9 Effets non linéaire dans les fibres optiques
1.9.1 Effet Kerr
1.9.2 Effet Raman
1.9.3 Effet Brillouin
1.10 Modulation du signal
1.10.1 Modulation directe
1.10.2 Modulation externe
1.11 Conclusion
Chapitre 2 : Différentes techniques de multiplexage
2.1 Introduction
2.2 Techniques de multiplexage
2.2.1 Multiplexage temporel TDM (Time Division Multiplexing)
2.2.2 Multiplexage fréquentiel FDM (Frequency Division Multiplexing)
2.2.3 Multiplexage à répartition par code CDM (Code Division Multiplexing)
2.2.4 Multiplexage en longueur d’onde WDM (Wavelength Division Multiplexing)
2.3 Le développement des capacités
2.4 Comparaison entre WDM et TDM
2.5 Applications de la technologie WDM
2.6 Amplificateurs optiques
2.6.1 Amplificateur optique à semi-conducteur (SOA)
2.6.2 Amplificateur optique à fibre dopée Erbium (EDFA)
2.6.3 Amplificateur Raman
2.6.4 Comparaison des amplificateurs
2.7 Fibres compensatrices DCF (Dispersion Compensating Fiber)
2.8 Composants de multiplexage
2.9 Convertisseurs optiques
2.10 Conclusion
Chapitre 3 : Etude d’une liaison WDM
3.1 Introduction
3.2 Présentation du logiciel OptiSystem
3.2.1 Interface OptiSystem
3.2.2 Paramètres caractéristiques
3.3 Résultats de la simulation
3.4 Partie émission
3.5 Partie transmission
3.6 Partie réception
3.7 Critères et méthodes d’évaluer la qualité de transmission
3.7.1 Taux d’erreurs binaires
3.7.2 Facteur de qualité
3.7.3 Diagramme de l’oeil
3.8 Effet de variation d’espacement en longueur d’onde
3.9 Effet de la variation du nombre de tronçons
3.10 Effet du débit et de la distance parcourue
3.11 Comparaison de modulation
3.10.1 Modulation directe
3.10.2 Modulation externe
3.11 Format de modulation
3.11.1 Format NRZ (No Return to-Zero)
3.11.2 Format RZ (Return-to-Zero)
Conclusion
Liste des acronymes
Bibliographie
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