Etude et simulation d’un routeur optique avec OptiBPM

La commutation optique est une fonction indispensable dans un réseau de télécommunications haut-débit. Les réseaux actuels sont devenus de plus en plus flexibles et dynamiques, ce qui nécessite à chaque fois de router une information vers différents nœuds du réseau. Il existe actuellement plusieurs marques de switchs optiques sur le marché, dont chacun d’eux repose, dans son principe de fonctionnement, sur un phénomène optique différent (polarisation, diffraction, interférence, guide, couplage). Ces commutateurs peuvent être distingués en termes de leurs caractéristiques techniques dont on retrouve : les pertes d’insertions, le niveau d’isolation, le temps de commutation et surtout le coût de commercialisation.

Audit sur les commutateurs optiques

La commutation et routage optique sont des enjeux technologiques majeurs liés aux télécommunications sur fibres optiques. Celles-ci ont connu un développement rapide grâce à la mise en œuvre de technologies de pointe comme le multiplexage en longueur d’onde. Mais un réseau de télécommunications optique suppose non seulement des solutions de transport sur fibres optiques, mais aussi des solutions d’interconnexion et de routage des signaux vers leur destinataire. La commutation optique est donc un domaine de recherche et de développement qui mérite notre intérêt. Il est en particulier important de surveiller l’évolution des technologies dans ce domaine, de les comparer grâce à certains critères et cela non seulement au niveau des laboratoires mais aussi dans le commerce où l’on trouve d’ores et déjà des commutateurs optiques [I.1].

Nous nous intéresserons dans ce chapitre-là à l’évolution des technologies dans le domaine de la commutation optique, afin de comparer entre leurs performances et caractéristiques techniques (nombre d’entrées/de sorties, pertes d’insertion, coût, temps de commutation et autres caractéristiques) qui existent déjà sur le marché où ces derniers commencent à se populariser.

Le besoin de la commutation optique

Aujourd’hui, le point faible des fibres optiques utilisées en télécommunications est la vitesse de commutation. Pour atteindre sa destination, une donnée parcourt plusieurs segments de route, où à chaque relais elle est redirigée dans la bonne direction. Dans un ordinateur classique, ces relais effectuent l’opération plusieurs millions de milliards de fois par seconde. Leur analogue pour les fibres optiques – une chaîne d’éléments constituée de détecteurs de lumière, de transmetteurs électroniques et d’émetteurs – en accomplit seulement 100 fois moins [I.2].

Classification des commutateurs optiques

Les commutateurs optiques peuvent être classés par le type de contrôle mis en œuvre pour défléchir les faisceaux lumineux. Il y a principalement six familles de commutateurs :

électro- optiques, thermo-optiques, acousto-optiques, magnéto-optiques, tout optiques et mécano- optique [I.3].

Commutateurs électro-optique

Les dispositifs électro-optiques* utilisent des matériaux où l’indice de réfraction varie en fonction du champ électrique appliqué (effets Kerr* et Pockels*). Les propriétés électrooptiques* du Niobate de Lithium* ont été largement utilisées dans la conception de dispositifs à base de guides d’ondes. Dans ce cas, les champs électriques contrôlent l’indice de réfraction des guides, et par conséquent, la phase des signaux lumineux qui se propagent dans ces éléments [I.3]. Les dispositifs électro-optiques fabriqués en Niobate de Lithium les plus répandus sont sûrement les modulateurs. Cependant, des commutateurs à base de coupleurs électro-optiques sont aussi disponibles .

Analyse et simulation d’un commutateur Mach-Zehnder

Les technologies optiques basées sur l’utilisation de fibre et de dispositifs optiques et optoélectroniques intégrés sont de nos jours très utilisées et tendent à le devenir de plus en plus. Les circuits devenant de plus en plus complexes, Il devient nécessaire d’utiliser des logiciels de simulation efficaces. Dans le panel des simulateurs, nous orientons notre étude vers les simulateurs de type composant (dispositif) qui permettent de tenir compte des phénomènes de guidage, d’interférences et de polarisation des signaux optiques tout en réalisant une simulation rapide. De plus, de tels logiciels peuvent être compatibles avec les outils de la microélectronique, ce qui est un atout pour l’intégration optoélectronique [II.1].

La technologie de commutation optique

Il existe deux types de commutations, Optique-Electrique-Optique (O-E-O), et Optique- Optique-Optique (O-O-O) [II.2]. Dans un commutateur (O-E-O) la lumière entrante (photons) est tout d’abord convertie en électrons, ces derniers sont acheminés par un fond de panier électronique vers un module de sortie, au sein de celui-ci les électrons sont à nouveau convertis en photons puis envoyer vers leur destination finale [II.2].

Dans un commutateur (O-O-O), la lumière arrive dans un module d’entrée, transite à travers un fond de panier optique puis repart via un module de sortie sans conversion de photon en électrons. [II.2]

Nous nous intéresserons plus particulièrement à la commutation tout optique, le commutateur de Mach-Zehnder s’y référant. Dans ce domaine, de nouvelles technologies apparaissent avec plus ou moins de succès auprès des équipementiers. On distinguera par exemple [II.2] :
✦ Les systèmes micro-électromécaniques (MEMS).
✦ Les circuits optiques planaires (PLC).
✦ Les systèmes à bulles de jet d’encre.
✦ Systèmes à cristaux liquides.
✦ Systèmes d’électro-holographie.
✦ Technologie guide d’onde.
✦ Technologie par actionneur piézoélectrique 3D.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Audit sur les commutateurs optiques
I. Introduction
II. Le besoin de la commutation optique
III. Classification des commutateurs optiques
III.1 Commutateurs électro-optiques
III.2 Commutateurs thermo-optiques
III.3 Commutateurs acousto-optiques
III.4 Commutateurs magnéto-optiques
III.5 Commutateurs tout-optiques
III.6 Commutateurs mécano-optiques
IV. Avantages des commutateurs
IV.1 Pertes d’insertion
IV.2 Temps de commutation
IV.3 Diaphonie
V. Switchs commercialisés
V.1 Switch Laser Components
V.2 Switch MEMS Sercalo à verrouillage monomode 1×2, 2×1-2×2
V.3 Switch Cubo mono/multimode 1×1, 1×2
V.4 Switch O/E Land Inc mono/multimode – 1×2
V.5 Switch Oplink à fibres OFMS monomode 1×1 1×2 – 2×2 Add/Drop
V.6 Switch Agiltron Light Bend PM 1×1, 1×2
V.7 Switch à fibres F-SM19 acousto-optique de Sentronic 1×9
V.8 Switch MEMS DiCon monomode (Add/Drop) 2×2
V.9 Switch MEMS DiCon monomode 1xN
V.10 Switch Light Wave Link Inc 2×2
VI. Comparaison entre les différents switchs commercialisé
VII. Conclusion
Chapitre 2 : Analyse et simulation d’un commutateur Mach-Zehnder
I. Introduction
II. La technologie de commutation optique
III. Effets électro-optiques
IV. Coupleur électro-optique
V. Interféromètre de Mach-Zehnder
VI. Commutateur de Mach-Zehnder
VI.1 Principe de fonctionnement
VI.2 Fabrication des switchs Mach Zehnder
VII. Simulation
VII.1 Description de l’outil de simulation OptiBPM
VII.2 Conception du Switch de Mach Zehnder à base des coupleurs 3dB
VII.3 Etapes de conception du commutateur
VII.3.1 Définition des matériaux
VII.3.2 La création du profil Ti diffusé
VII.3.3 Définition du substrat
VII.3.4 Création du dispositif
VII.3.4.1 Pour la partie négative du guide
VII.3.4.2 Pour la partie positive du guide
VII.3.5 Définition de la zone des électrodes
VII.4 Exécution de la simulation
VII.5 Résultats et analyse de la simulation
VIII. Conclusion
Conclusion générale
Glossaire
Références bibliographique