Soutenance mémoire
La demande de plus en plus importante d’accroissement des capacités des réseaux de transmission de données, due par exemple à l’avènement du protocole de communication INTERNET, a fait rapidement naître un besoin important en composants devant permettre la transmission rapide de l’information sous différentes formes (voix, image, son, etc…). Ces nouveaux composants doivent répondre aujourd’hui à une double contrainte qui est, d’une part, pouvoir être facilement intégrables dans des réseaux existants à base de fibres optiques et, d’autre part, être compatibles avec les nouvelles techniques de transmission comme le multiplexage-démultiplexage en longueurs d’onde, nommé DWDM (en anglais pour Dense Wavelength Division Multiplexing).
Ce type de transmission permet dès à présent d’injecter simultanément, dans la même fibre optique, plusieurs trains de signaux numériques de longueur d’onde distincte, à la même vitesse de modulation. Cependant, les techniques de transmission DWDM nécessitent encore, pour certaines opérations comme l’amplification ou l’adressage, des transformations de signaux optiques en électriques, et inversement. Ceci entraîne des pertes et des retards importants, qui freinent encore la transmission d’informations. Des travaux de recherche sont en cours, pour mettre au point les commutateurs « tout optique » faisant appel par exemple aux microsystèmes optiques, plus communément appelés MOEMS (Micro Opto Electro Mechanical SystemS). En effet, ces derniers sont destinés à remplacer les commutateurs électroniques actuels de grande puissance, servant à orienter et multiplexer les signaux dans les systèmes de communication par fibres optiques. Ainsi, les délais associés à la conversion entre optique et électronique, ralentissant les transmissions, seront éliminés.
Les transmissions de données Par voie optique
Les télécommunications optiques
Opportunités du marché des télécommunications
Depuis le milieu des années 90 et l’avènement du réseau de communication INTERNET, une demande de plus en plus croissante est observable sur les composants optiques pour les télécommunications, servant à transmettre l’information en des temps relativement restreints. En effet, la popularité et la facilité d’accès à ce réseau a impliqué une demande en constante croissance de bande passante, doublant approximativement tous les 6 à 9 mois, du fait de l’importance des tailles de fichiers de données transmises (voix, images, photos, etc…).
Deux importantes découvertes dans le domaine des télécommunications à base de fibres optiques ont permis d’augmenter considérablement la bande passante des données : ce sont d’une part les amplificateurs optiques et, d’autre part, un nouveau principe de multiplexage-démultiplexage en longueur d’onde. Nommé DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Cette dernière solution, appelée en français multiplexage-démultiplexage en longueurs d’onde, a émergé dans les années 90 et a permis de multiplier considérablement les capacités de transmission des fibres optiques, pour en devenir un élément quasi-incontournable. En effet, au delà du multiplexage fréquentiel, permettant par exemple la transmission hertzienne de la radio et de la télévision, le DWDM est capable actuellement de transmettre, au sein d’une même fibre, un grand nombre de longueurs d’onde de la lumière.
Deux marchés émergents sont actuellement très demandeurs en technologie DWDM : les réseaux métropolitains, propres à une ville et les réseaux à large distance, permettant par exemple une connexion entre la maison et le bureau, via Internet. Les prévisions actuelles concernant le marché des réseaux métropolitains, tablent sur une augmentation de 78% environ des transmissions de données jusqu’en 2004.
La technologie DWDM
Alors que les systèmes de transmission ne reposaient dans les années 80 que sur l’utilisation du multiplexage temporel (ou TDM pour Time Division Multiplexing), pour la transmission sur une seule longueur d’onde, une nouvelle génération de systèmes est apparue au début des années 90, mettant en oeuvre le multiplexage de longueurs d’onde (ou WDM pour Wavelength Division Multiplexing). Cette technologie 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. Ainsi, à l’émission, on multiplexe n canaux au débit nominal D. A la réception, on démultiplexe le signal global n x D en n canaux nominaux. La norme internationale ITU-T G 692, portant sur les interfaces optiques pour systèmes multicanaux avec amplificateurs optiques définit un peigne de longueurs d’onde autorisées dans la fenêtre de transmission donnée entre 1530 et 1565 nm. Elle normalise ainsi l’espacement en nanomètre ou en Gigahertz entre deux longueurs d’onde permises de la fenêtre : 200 GHz ou 1,6 nm et 100 GHz ou 0,8 nm. La technologie WDM est dite dense (DWDM) lorsque l’espacement utilisé est égal ou inférieur à 100 GHz. Des systèmes à 50 GHz (0,4 nm) et à 25 GHz (0,2 nm) ont déjà été testés et permettront d’obtenir des centaines de longueurs d’onde. Pour ces nouveaux systèmes, on parle alors de UDWDM (Ultra – Dense Wavelength Division Multiplexing).
Les systèmes WDM / DWDM commercialisés aujourd’hui comportent 4, 8, 16, 32, 80, voire 160 canaux optiques, ce qui permet d’atteindre des capacités de 10, 20, 40, 80, 200 voire 400 Gb/s en prenant un débit nominal de 2,5 Gb/s. Si le débit nominal passe alors à 10 Gb/s, on peut atteindre des capacités quatre fois plus importantes. Ainsi, on obtient 3200 Gb/s (3,2 Tb/s) avec 80 canaux optiques à 40 Gb/s.
Le DWDM introduit des phénomènes non linéair es qui ont notamment pour conséquence de limiter la distance entre les amplificateurs optiques de 50 à 100km. Ces phénomènes ont pour principales origines :
– la diaphonie entre canaux (XPM : Cross Phase Modulation),
– le mélange quatre ondes (FWM : Four Wave Mixing) qui créait de l’inter-modulation optique entre les différents canaux,
– l’effet Raman (SRS : Stimulated Raman Scattering) qui augmente les écarts de puissance reçue entre canaux et par conséquent produit une trop grande dispersion du rapport signal/bruit.
Sur de la fibre optique monomode référencée G 652, les effets non linéaires cités ci-dessus apparaissent dans la fenêtre 1550 nm lorsque le nombre de canaux atteint 32 et que la puissance par canal dépasse 1 mW. Différentes techniques permettent de corriger ces phénomènes. On peut citer la technique DCF (Dispersion Compensating Fiber), consistant à introduire dans la liaison un tronçon de fibre produisant une dispersion négative de compensation (environ -100ps/nm.km).
Aujourd’hui, la technologie DWDM n’a pas encore atteint ses limites. De plus, de nouvelles techniques en cours de développement vont permettre à priori de multiplier encore plus les capacités des systèmes optiques. On peut citer :
– la transmission soliton permettant le transport d’impulsions très étroites sur des milliers de kilomètres sans déformation, tout en conservant une bande passante très large,
– la modulation des impulsions, ou transmission duo-binaire, multipliant par deux ou trois le débit électronique, en utilisant des impulsions à 2 ou 3 niveaux binaires,
– l’amplification et le multiplexage dans la fenêtre 1300 nm permettant de mieux rentabiliser les fibres optiques conventionnelles, comme la G-652, qui connaissent des limites dans l’utilisation des systèmes DWDM à 1550 nm.
Compte tenu des nombreux avantages que le DWDM apporte, l’intégration de cette nouvelle technologie dans un réseau d’opérateur nécessite d’adapter son architecture au double objectif qui est, d’une part, de ménager les investissements déjà réalisés et, d’autre part, de préparer un avenir proche où simplicité, fiabilité et faible coût seront de plus en plus imposés. L’approche faite par de nouveaux opérateurs aux Etats-Unis pour bâtir aujourd’hui directement leur réseau fonctionnant avec le protocole d’Internet nommé IP (Internet Protocol) directement sur le DWDM est un signe révélateur de cette tendance qui devrait voir le jour en Europe prochainement.
Impact des technologies DWDM sur le marché
L’impact des technologies DWDM sur les télécommunications optiques peut être comparé à celui de l’arrivée des microprocesseurs dans l’industrie du semi-conducteur. Dans ce dernier cas, la demande en microprocesseur suit une loi proche de la loi de Moore, qui prévoit un doublement du nombre de transistors intégrés sur un même substrat tous les 18 mois. La «Loi de la Photonique » prend une toute autre ampleur, grâce notamment à l’arrivée des technologies DWDM, qui ont permis un doublement de la quantité d’informations transmises tous les 6 à 9 mois .
Mais toute nouvelle technologie ayant son coût, l’utilisation des technologies DWDM implique une augmentation du prix de la bande passante. Dans un même temps, les industries produisant les composants nécessaires à cette technologie ont vu leur chiffre d’affaires augmenter considérablement ces quatre dernières années ; une progression du marché de 48% est prévue jusqu’en 2004, avant un effondrement brutal du marché fin 2001.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Les transmissions de données par voie optique optiques
1. Les télécommunications optiques
1.1 Opportunités du marché
1.2 La technologie DWDM
1.3 Impact des technologies DWDM sur le marché
1.4 Transmission d’information par électron ou photon ?
2. Etude d’un réseau de télécommunication optique
2.1 Principales composantes des systèmes de transmission optique
2.2 Classification des composants optiques des réseaux Télécoms
2.3 Description des composants selon leur fonction
2.3.1 Les transmetteurs
2.3.2 Les lasers
2.3.3 Les modulateurs
2.3.4 Les atténuateurs, isolateurs et compensateurs de dispersion
2.3.5 Les amplificateurs optiques
2.3.6 Les récepteurs
2.3.7 Les Optical Cross Connects (OXC)
2.3.8 Les Optical Add/Drop Multiplexer (OADM)
2.3.9 Synthèse
3. L’apport des microsystèmes dans les télécoms optiques
3.1 Les microsystèmes, une technologie prometteuse pour les télécoms optiques
3.1.1 Les télécommunications optiques : un environnement florissant
3.1.2 Le lancement de nouvelles start-up
3.1.3 Les télécommunications fibres optiques : une opportunité pour les MEMS
3.1.4 Perspectives
3.2 Les microsystèmes optiques
3.2.1 Introduction
3.2.2 Enjeux des microsystèmes optiques pour la commutation
3.2.3 Principales techniques de fabrication des MEMS optiques
3.3 Les microsystèmes optiques pour la commutation
3.3.1 Généralités
3.3.2 Les commutateurs de type « porte optique » par déplacement de fibre
3.3.3 Les commutateurs de type « porte optique » utilisant des micro-miroirs
3.3.4 Les matrices de commutation à base de micro-miroirs
3.3.5 Les matrices de commutation à base de guide d’ondes
4. Cahier des charges
4.1 Objectifs
4.2 Démarche envisagée
Chapitre 2 : validation des outils de CAO utilisés pour la conception du micro-miroir
1. Positionnement du problème
1.1 Généralités
1.2 Description générale du micro-miroir mis au point
1.3 Modélisation aux éléments finis de la structure
1.3.1 Généralités
1.3.2 Méthode de conception
1.4 Simulation du micro-miroir sous COVENTOR
1.4.1 La création du modèle tri-dimensionnel maillé
1.4.2 Préparation des simulations
2. Validation du logiciel aux éléments finis
2.1 Description du comportement mécanique d’une barre de torsion
2.1.1 Calcul de la raideur du ressort à partir du modèle analytique
2.1.2 Calcul de la raideur du ressort en tenant compte de l’anisotropie du Si
2.1.3 Validation du modèle aux éléments finis de COVENTOR
2.14 Etablissement d’un facteur correctif
2.2 Modèle électrostatique
2.2.1 Modèle analytique : expression et caractérisation du moment
2.2.2 Etude de l’expression de la tension de commande dans le cas général
2.2.3 Etude du comportement électrostatique du miroir
2.2.4 Modèle analytique tenant compte des phénomènes de Pull-In
2.2.5 Simulation électrostatique avec prise en compte des phénomènes de Pull-In
2.3 Conclusion
Chapitre 3 : Conception et réalisation du micro-miroir
1. Définition d’une structure micro-miroir de test
1.1 Cahier des charges
1.1.1 Structure
1.1.2 Commande
1.1.3 Faisceau lumineux
1.1.4 Détail des normes Bellcore
1.1.5 Contraintes technologiques
1.2 Détermination des dimensions géométriques du miroir
1.2.1 Dimensions du miroir
1.2.2 Dimensions des barres de torsion
1.3 Simulation comportementale : couplage COVENTOR-SABER
1.3.1 Principe de fonctionnement
1.3.2 Simulations sous SABER
2. Technologie utilisée
2.1 Les substrats SOI
2.1.1 Généralités
2.1.2 Le micro-usinage de surface sur SOI épitaxié
2.2 Principales étapes du process
2.2.1 Réalisation des miroirs
2.2.2 Réalisation des électrodes de commande
2.2.3 Assemblage
2.2.4 Structure finale
3. Caractérisation électrique
3.1 Caractérisation électrique
3.2 Caractérisation optique
3.2.1 Principe de la caractérisation
3.2.2 Résultats et observations
3.2.3 Tension de basculement et de décollage
3.2.4 Réponse d’un miroir à un échelon de tension 0-100V
3.2.5 Réponse d’un miroir à une tension périodique carrée
3.2.6 Réponse d’un miroir à une tension alternative de rapport cyclique variable
4. Conclusion
Chapitre 4 : Les micro-sources d’énergie dédiées à l’alimentation des microsystèmes
Conclusion générale
