Soutenance mémoire
Ce travail a été réalisé dans le cadre d’une collaboration entre le Professeur A. Dandache (laboratoire LICM) et le Professeur A. Boudrioua (auparavant au laboratoire LMOPS). Il tire profit des compétences de ces deux partenaires dans le domaine de l’électronique et de l’optique, respectivement. Il s’insère dans un projet global ayant pour objectif d’étudier et de mettre au point une architecture électronique capable de rendre les transmissions sur support optique intelligentes.
Le travail présenté dans ce mémoire constitue la phase initiale de ce projet. Il porte essentiellement sur l’étude des effets de la PMD dans les fibres optiques standards. Il constitue une étape importante vers la conception et le développement d’une architecture permettant de compenser la PMD par traitement numérique du signal. L’idée sous-jacente est de remplacer une technologie coûteuse (composants optiques) par une architecture numérique à faible coût et plus universelle.
Le déploiement du réseau futur de télécommunications à haut débit (40 Gb/s et au-delà) nécessite le développement de nouveaux composants et architectures optoélectroniques adaptés à ces vitesses de transmission. Les enjeux stratégiques et économiques de ces développements découlent notamment de la nécessité de disposer, à assez court terme, de composants et d’outils économiquement viables (en matière de bas coûts de production et d’utilisation).
En outre, on peut identifier un certain nombre d’axes de recherche récents qui, s’ils débouchent sur des solutions industrialisables, pourront jouer un rôle important. Cela concerne d’une part les composants optoélectroniques et d’autre part la gestion du trafic des données ainsi que le traitement du signal optique.
En particulier, on note le besoin de sources lasers couvrant la fenêtre 1,5 µm et dans une certaine mesure la fenêtre 1,3 µm, de modulateurs du faisceau laser, d’amplificateurs optiques, etc. En ce qui concerne l’évolution des amplificateurs optiques pour les télécoms, la tendance actuelle va vers des puissances plus importantes et l’extension de la bande spectrale utile. Les besoins de puissance découlent de l’augmentation du nombre de canaux dans les systèmes DWDM (Wave Length Division Multiplexing). Le rapprochement des longueurs d’onde pourrait faire naître des besoins d’amplificateurs avec des puissances de sortie relativement élevées nécessitant des lasers de pompes particulièrement puissants.
L’extension de la bande passante utilisable se fait dans deux directions : par l’élargissement de la bande C (C++), et par la couverture des bandes L et S avec des amplificateurs adéquats. En optimisant les filtres égalisateurs de gain, des bandes passantes dépassants 40 nm sont possibles avec un bruit inférieur à 6 dB.
D’autres fonctions passives seront aussi importantes à développer pour les systèmes de transmissions optiques à haut débit. On note particulièrement la compensation de la dispersion chromatique et de la dispersion de mode de polarisations (PMD). Les systèmes 40 Gb/s et plus nécessiteront également de compenser la pente de la dispersion.
Pour l’ensemble de ces domaines, la tendance est à l’intégration fonctionnelle et la diminution du coût. Par exemple, la notion de composant optique « discret » fait petit à petit place à la notion de composant intégré et de sous-système. L’intégration monolithique n’est guère envisageable pour résoudre la totalité des problèmes, étant donnée la variété fonctionnelle et technologique des composants qu’il faut regrouper. C’est donc vers des solutions hybrides qu’il faut vraisemblablement se tourner.
Une voie potentiellement intéressante, et qui se développe de plus en plus, exploite la convergence Électronique–Photonique et la compatibilité des composants optiques avec les circuits intégrés CMOS.
Aux applications de transport longue distance s’ajoutent maintenant de plus en plus les applications pour les réseaux métropolitains. Reste que chaque domaine contient ses propres défis pour l’avenir. Pour les systèmes futurs Nx10 Gb/s et Nx40 Gb/s des réseaux longue distance, il est nécessaire de développer les composants optoélectroniques haut débit, mais aussi de maîtriser la complexité croissante des composants passifs. Les réseaux métropolitains sont encore plus exigeants sur le coût des composants, ce qui nécessite en particulier des efforts accrus en intégration et gestion du trafic des données.
En effet, la sensibilité aux défauts de propagation augmente avec le débit, que ce soit pour les effets linéaires dus à la dispersion chromatique (CD : chromatic dispersion) et à la dispersion de mode de polarisation (PMD : polarization-mode dispersion) de la fibre, ou les effets non linéaires essentiellement induits par l’effet Kerr (variation de l’indice de réfraction en fonction de l’intensité lumineuse). Par exemple, la CD totale cumulée acceptable pour un débit de 10 Gb/s est de l’ordre de 1000 ps/nm, mais cette valeur tombe à environ 60 ps/nm à un débit de 40 Gb/s (soit moins de 4 km de la même fibre !). Le niveau de la PMD acceptable rend quant à lui une partie des fibres installées avant 1995 inutilisables ; cela explique que la plupart des solutions en cours de développement soient basées sur des schémas de gestion particuliers de la dispersion le long de la ligne.
Les phénomènes de dispersion des fibres optiques ne sont pas faciles à mettre en évidence expérimentalement. En revanche, l’origine et les conséquences de ces phénomènes peuvent être décrites par des outils de simulation sur ordinateur.
En outre, la PMD est identifiée aujourd’hui comme la principale source de limitation de la bande passante et de la capacité de transmission autorisées sur une fibre. Cette limitation est souvent compensée de manière optique, méthode coûteuse et dépendant de la longueur d’onde. De plus, les méthodes et les systèmes proposés pour compenser la PMD présentent un comportement instable une fois installés sur le terrain. Plusieurs auteurs ont attribué cette instabilité à la fluctuation de la PMD induite par le changement de la température. Cependant, ce problème est loin d’être résolu. Par ailleurs, la biréfringence dans les fibres optiques représente la cause principale de la dispersion de mode de polarisation.
Un réseau est un ensemble d’équipements reliés entre eux, grâce à des lignes physiques (câbles, fibre optique, …) ou des ondes hertziennes dans le but d’échanger des données selon des règles (protocoles) bien définies. Si le lien est physique (câble, fibre, …) le réseau est dit fixe ; si le lien est sous forme d’ondes hertziennes, on parle de réseau sans fil. On distingue un réseau d’un autre selon le nombre d’éléments qui le constituent, sa disposition géographique, et le (les) protocole(s) qu’il utilise.
Généralement, on distingue trois types de réseau fixe : le réseau local (LAN, Local Area Network), le réseau métropolitain (MAN, Metropolitan Area Network) et enfin le réseau étendu ou longue distance (WAN, Wide Area Network).
Une topologie est l’architecture ou l’arrangement physique des nœuds constituant le réseau. Pour un réseau fixe trois topologies sont possibles
a) Topologie en bus : le mot « bus » désigne le tronc physique qui relie les nœuds, dans un bus tous les éléments sont connectés à un même médium de transmission par l’intermédiaire d’un câble ;
b) Topologie en anneau : dans la topologie en anneau (ring) les éléments communiquent alternativement sur un anneau ;
c) Topologie en étoile (star) : dans ce cas tous les nœuds sont reliés à un équipement appelé « concentrateur (hub) » ou « commutateur ». Ce dernier assure la communication entre tous les éléments interconnectés.
Il est déployé à l’échelle d’un pays ou d’un continent, et ses nœuds sont de très grands centres urbains. Ce type de système :
– comprend des systèmes terrestres ou sous-marins ;
– véhicule des données à grande vitesse sur des longues distances de plus de 100 km ;
– peut utiliser des répéteurs pouvant régénérer le signal optique. Ces répéteurs sont constitués par des régénérateurs optoélectroniques 3R (Retiming, Reshipping, Regenerating) et par des amplificateurs optiques .
a) Les réseaux terrestres :
– ont une dimension de quelques centaines de km [2] et relient des grands centres urbains, reliés par des multiplexeurs d’insertion extraction ;
– utilisent une topologie propre au SDH avec des boucles en double anneau permettant en cas de panne d’un anneau de diriger les signaux sur l’autre ;
– sont flexible vis-à-vis de la demande ; actuellement à 2.5 Gb/s, ils peuvent être augmentés, à l’aide du DWDM [3] sur N canaux, à N × 2.5 Gb/s ou N × 10 Gb/s.
b) Les réseaux sous-marins :
– peuvent atteindre plusieurs milliers de km [2] ;
– peuvent aussi relier des îles ou des pays d’un même continent. De plus, il est moins coûteux de poser des câbles sous-marins que des câbles enterrés ;
– utilisent la 3ième fenêtre de la fibre optique à λ=1,55 nm où l’atténuation est la plus faible.
– Les liaisons transocéaniques plus anciennes sont de type point-à-point ; dans les systèmes les plus modernes on adopte la structure en anneau de façon à pouvoir réorienter les signaux en cas de défaillance d’une voie.
C’est un réseau qui dessert une grande ville et ses environs. Ce type de réseau :
– a une longueur qui varie entre 1 à 100 km [1] ;
– est de type récent, en constante évolution et croissance ;
– a un grand degré de connectivité ;
– utilise des anneaux métropolitains qui se caractérisent généralement par un trafic maillé avec un certain degré de concentration lié à l’interconnexion avec le réseau longue distance. Les anneaux d’accès collectent en général le trafic de plusieurs nœuds pour le concentrer vers un nœud partagé avec un réseau métropolitain structurant ;
– doit, à la différence du réseau longue distance, prendre en charge des formats, des protocoles et des débits de transmission très divers ;
– mêlent les trafics de la hiérarchie numérique synchrone (SDH) ou autre encore. Les amplificateurs optiques sont essentiels pour les applications de ce type de réseau ;
– est souvent équipé par des cartes transpondeurs multi-débits universelles, acceptant n’importe quel débit de 100 Mb/s à 2.5 Gb/s ;
– utilise le DWDM [3-4], offrant les mêmes avantages que les systèmes à longues distances ;
– les distances étant plus faibles, nécessite moins d’amplificateurs optiques, ce qui permet d’étendre la bande spectrale au-delà des amplificateurs EDFA et réduit les problèmes de dispersion .
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION AUX RESEAUX DE TELECOMMUNICATIONS PAR FIBRES OPTIQUES
Introduction
1. Eléments de bases des réseaux optiques
1.1. Topologies physiques du réseau fixe
1.2. Les réseaux de télécoms par fibres optiques
1.2.1. Le réseau étendu ou longue distance (WAN, Wide Area Network)
1.2.2. Le réseau métropolitain (MAN, Metropolitan Area Network)
1.2.3. Le réseau local (LAN, Local Area Network)
1.3. Les techniques de multiplexage
1.3.1. En rajoutant des fibres optiques
1.3.2. Le multiplexage temporel (TDM, Time Division Multiplexing)
1.3.3. Le multiplexage en longueur d’onde (WDM, Wavelength Division Multiplexing)
2. La fibre optique
2.1. Structure, principe et caractéristiques de la fibre optique monomode
2.2. Modes dans les fibres optiques
2.3. Propagation de la lumière dans la fibre optique
2.3.1. Atténuation dans la fibre
2.3.2. Dispersion chromatique (CD, Chromatic Dispersion)
2.3.3. Effet de la dispersion chromatique
2.3.4. Principaux effets non linéaires dans les fibres optiques
2.3.5. Dispersion de mode de polarisation (PMD, Polarization Mode Dispersion)
Conclusion
Références bibliographiques
CHAPITRE 2 : EFFET DE LA DISPERSION CHROMATIQUE DANS LES LIAISONS NUMERIQUES OPTIQUES A HAUT DEBIT
Introduction
1. Description de la liaison simulée et des outils
2. Caractéristiques et principes de fonctionnement
2.1. La partie émission
2.1.1. La source optique
2.1.2. Les techniques de Modulation
2.2. Le module de transmission
2.3. La partie réception
2.3.1. Le photodétecteur
2.3.2. Amplificateur électrique
2.3.3. Circuit de filtrage
CONCLUSION GENERALE
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