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Atténuation
L’atténuation dans les fibres optiques résulte de lusieursp mécanismes. D’abord, l’absorption intrinsèque du matériau constitutif provoque une augmentation très rapide des pertes aux basses longueurs d’onde. La présence d’impuretés peut aussi créer diverses bandes d’absorption. Dans le cas de la silice pure, le minimum théorique d’atténuation devrait descendre à 0,14 dB/km vers = 1,55 µm. De plus, les irrégularités involontaires de structure provoquent des pertes par diffusion (diffusion Rayleigh). Il y a ensuite les pertes dues aux conditions d’utilisation des fibres. Toute courbure trop serrée crée des pertes par rayonnement. Les micros courbures sont des courbures très faibles [6], mais répétées et pratiquement incontrôlables, dues au conditionnement des fibres dans les câbles. Ces pertes s’ajoutent directement aux pertes intrinsèques. Elles sont toutefois négligeables pour les fibres standards des télécommunications dans des conditions d’emploinormales. Enfin, les fibres sont toujours utilisées par tronçons de longueur finie, raccordésentre eux. Chaque jonction peut provoquer une perte de raccordement. La Figure I.3 montre l’atténuation spectrale d’une fibre en silice, pour les télécommunications[7].
Dispersion chromatique
Est présentée par le temps de propagation de groupe[8], c’est-à-dire le temps mis par un signal pour parcourir l’unité de longueur, dépen de la longueur d’onde. Dans le cas d’un signal issu d’une source émettant sur une raie de argeurl, ces temps de propagation vont s’étaler sur une certaine durée. Le paramètre de spersiondi chromatique (D) -I.3- est défini comme la dérivée du temps de propagation de groupepar rapport à la longueur d’onde, pour une longueur de fibre de 1 km. On le donne généralement en ps/ (nm.km), les picosecondes correspondant à l’élargissement temporel, les nanomètres à la largeur spectrale et les kilomètres à la longueur de fibre [9]. D dV g1 (I.3)
Dispersion modale de polarisation
En principe, la polarisation, dans une fibre parfaitement circulaire, ne devrait pas évoluer le long de la fibre. [10] On n’observe rien de tel dans la pratique. Un petit tronçon de fibre apparaît généralement comme une lame biréfringente, avec un mode dit rapide et un mode dit lent qui ont des polarisations rectilignes orthogonales. De plus, dans une fibre réelle, cette biréfringence et la direction des axes propres varient constamment et de manière incontrôlée, et la polarisation devient rapidement imprévisible.
Ce phénomène est dû à la non-symétrie de révolutiondu profil d’indice dans le cœur de la fibre, non-symétrie intrinsèque à la fabrication de la fibre et/ou extrinsèque lors de la pose de la fibre. Les origines intrinsèques peuvent être une symétrie géométrique circulaire imparfaite de la fibre ou une non-homogénéité de indicel’ de la fibre [11]. Les causes extrinsèques peuvent être un écrasement, un étirement, une torsion ou une courbure de la fibre. Ceci induit un effet photo-élastique, d’où une biréfringence et une polarisation variable. Quand on envoie un signal sur une fibre » biréfringente « , sans se soucier de sa polarisation, on excite les deux modes à la fois. Chacun d’entre eux a sa propre vitesse de propagation. Ce décalage des temps de propagation de groupe a pour effet le dédoublement du signal à la sortie de la fibre (cf. paragraphe I.1.2.), et donc un brouillage de l’information (Figure I.6). On l’appelle dispersion modale de polarisation (Polarization Mode Dispersion, PMD, en anglo-américain)[12].
Ce phénomène est dû à la non-symétrie de révolutiondu profil d’indice dans le cœur de la fibre, non-symétrie intrinsèque à la fabrication de la fibre et/ou extrinsèque lors de la pose de la fibre. Les origines intrinsèques peuvent être une symétrie géométrique circulaire imparfaite de la fibre ou une non-homogénéité de indicel’ de la fibre [11]. Les causes extrinsèques peuvent être un écrasement, un étirement, une torsion ou une courbure de la fibre. Ceci induit un effet photo-élastique, d’où une biréfringence et une polarisation variable. Quand on envoie un signal sur une fibre » biréfringente « , sans se soucier de sa polarisation, on excite les deux modes à la fois. Chacun d’entre eux a sa propre vitesse de propagation. Ce décalage des temps de propagation de groupe a pour effet le dédoublement du signal à la sortie de la fibre (cf. paragraphe I.1.2.), et donc un brouillage de l’information (Figure I.6). On l’appelle dispersion modale de polarisation (Polarization Mode Dispersion, PMD, en anglo-américain)[12].
Principes et généralités sur les amplificateursoptiques
La progression des systèmes de télécommunication ptiqueo a connu une révolution avec la mise au point et le développement technologique et industriel des amplificateurs optiques à la fin des années 80 [14].
L’amplification optique devient alors une alternative aux complexes répéteurs-régénérateurs optoélectroniques. Elle permet de compenser ces pertes et de contrôler régulièrement la puissance optique des signaux[15]. Il est désormais possible de transmettre le signal optique sans conversion sur une distance beaucoup plus importante.
Le principe fondamental d’une amplification optique se repose généralement sur le phénomène d’émission stimulée. Le signal est amplifié dans un guide (semi-conducteur ou fibre) grâce à un apport extérieur d’énergie appelépompage (courant injecté ou source de lumière) qui vient créer une inversion de population. La recombinaison électron-trou peut ensuite être provoquée par un photon incident, ce uiq donne naissance à un deuxième photon de même fréquence, de même phase et même directionCette. émission est dite stimulée et conduit à une amplification du signal.
En même temps, la recombinaison peut se faire sansla présence d’un photon incident. Ces photons, émis de façon spontanée, de manière no cohérente, constituent le bruit de l’amplification optique.
L’ensemble des photons, originels ou pas, subissent une série d’amplifications. Les photons spontanés seront aussi amplifiés, ce qui définit la source de bruit appelée ESA (Emission Spontanée Amplifiée). Par ailleurs, l’amplification représentant une opération clef dans le fonctionnement des lasers [16], ces amplificateurs interviennent dans les sources pour les télécommunications.
Les paragraphes ci-dessous s’attachent à fournir une brève description de la constitution de ces amplificateurs et présentent les éléments essentiels à la compréhension de leur fonctionnement propre et au sein des lasers.
L’amplification optique devient alors une alternative aux complexes répéteurs-régénérateurs optoélectroniques. Elle permet de compenser ces pertes et de contrôler régulièrement la puissance optique des signaux[15]. Il est désormais possible de transmettre le signal optique sans conversion sur une distance beaucoup plus importante.
Le principe fondamental d’une amplification optique se repose généralement sur le phénomène d’émission stimulée. Le signal est amplifié dans un guide (semi-conducteur ou fibre) grâce à un apport extérieur d’énergie appelépompage (courant injecté ou source de lumière) qui vient créer une inversion de population. La recombinaison électron-trou peut ensuite être provoquée par un photon incident, ce uiq donne naissance à un deuxième photon de même fréquence, de même phase et même directionCette. émission est dite stimulée et conduit à une amplification du signal.
En même temps, la recombinaison peut se faire sansla présence d’un photon incident. Ces photons, émis de façon spontanée, de manière no cohérente, constituent le bruit de l’amplification optique.
L’ensemble des photons, originels ou pas, subissent une série d’amplifications. Les photons spontanés seront aussi amplifiés, ce qui définit la source de bruit appelée ESA (Emission Spontanée Amplifiée). Par ailleurs, l’amplification représentant une opération clef dans le fonctionnement des lasers [16], ces amplificateurs interviennent dans les sources pour les télécommunications.
Les paragraphes ci-dessous s’attachent à fournir une brève description de la constitution de ces amplificateurs et présentent les éléments essentiels à la compréhension de leur fonctionnement propre et au sein des lasers.
Amplificateurs à semi-conducteurs
Possèdent une structure de base qui est un peu différente de celle d’une diode laser (cf. paragraphe I.3.3.1.). Nous retrouvons l’inversion de population, l’émission spontanée et stimulée, les recombinaisons non radiatives, une source externe … Contrairement aux lasers à semi-conducteur, il n’y a pas de miroirs aux extrémités mais un revêtement antireflets déposé sur les faces clivées afin de diminuer les réflexions de la lumière vers l’intérieur du circuit.
La lumière reçue entre dans le circuit et après amplification va sortir par l’autre extrémité pour être couplée par la suite dans labrefi. Idéalement [17]-[18], il n’y a pas de réflexion du signal dans l’amplificateur, les caractéristiques essentielles présentées par ce type d’amplificateur sont:
• Une puissance de saturation en sortie autour de 5 – 10 mW.
• Les non-linéarités sont particulièrement importantes dans les conditions de saturation du gain.
• Une bande passante optique importante, de l’ordre de 5 THz (soit environ 40 nm autour de 1550 nm).
• C’est de loin le dispositif amplificateur le plus compact qui existe, avec un rendement (rapport gain à la consommation électrique) record. De plus, sa technique de fabrication est compatible avec l’intégration monolithique de nombreux autres composants actifs et passifs, ce qui offre des perspectives attrayantes en matière de traitement optique du signal, et aussi probablement en terme de coût.
• Un gain élevé (jusqu’à 30 dB) selon le semi-conducteur, la longueur d’onde, le courant injecté et la puissance du signal incident.
• Les pertes de couplage du faisceau incident dans l’amplificateur sont élevées, en raison de la supériorité du diamètre du faisceau sur l’épaisseur de la couche active du semi-conducteur.
La lumière reçue entre dans le circuit et après amplification va sortir par l’autre extrémité pour être couplée par la suite dans labrefi. Idéalement [17]-[18], il n’y a pas de réflexion du signal dans l’amplificateur, les caractéristiques essentielles présentées par ce type d’amplificateur sont:
• Une puissance de saturation en sortie autour de 5 – 10 mW.
• Les non-linéarités sont particulièrement importantes dans les conditions de saturation du gain.
• Une bande passante optique importante, de l’ordre de 5 THz (soit environ 40 nm autour de 1550 nm).
• C’est de loin le dispositif amplificateur le plus compact qui existe, avec un rendement (rapport gain à la consommation électrique) record. De plus, sa technique de fabrication est compatible avec l’intégration monolithique de nombreux autres composants actifs et passifs, ce qui offre des perspectives attrayantes en matière de traitement optique du signal, et aussi probablement en terme de coût.
• Un gain élevé (jusqu’à 30 dB) selon le semi-conducteur, la longueur d’onde, le courant injecté et la puissance du signal incident.
• Les pertes de couplage du faisceau incident dans l’amplificateur sont élevées, en raison de la supériorité du diamètre du faisceau sur l’épaisseur de la couche active du semi-conducteur.
Amplificateurs à fibre
On vient d’énoncer que les amplificateurs à semi-conducteur possèdent des gains et des bandes passantes intéressantes mais les effets non linéaires ne les rendent pas attractifs pour l’amplification en ligne [19]. Pour contre-carrer ces inconvénients et éviter les problèmes de couplage avec la fibre (cf. paragraphe I.1.2.), on peut également favoriser la recherche à des amplificateurs basés sur les fibres optiques.
Les travaux effectués permettent de démontrer lesnatures distinctes de l’amplification dans les fibres. Soit, comme précédemment, l’amplification est de type émission stimulée et l’on a affaire à un amplificateur à fibre dopée, so it elle provient de l’interaction photons/phonons (effet Raman ou Brillouin) et l’on parle alors d’amplificateurs non linéaires.
Dans les deux cas, on souligne que ces composants sont conçus à partir de fibres optiques et donc l’ensemble des caractéristiques connus s’appliquent toujours.
• Amplificateurs à fibre dopée
Cette fois-ci le milieu amplificateur est le cœur d’une fibre optique monomode dopée avec des ions de terre rare. Pour que la fibre ne soit pas absorbante, mais amplificatrice, il faut l’associer à un pompage optique. Un multiplexeur permet de coupler le flux lumineux puissant provenant d’une diode laser de pompe et le signal à l’intérieur de la fibre[20]. Les longueurs d’onde de pompe doivent permettre des transitions vers les états excités des ions de terre rare et créer l’inversion de population. La suite du processus de l’amplification est identique à celle vue dans le paragraphe précédent.
L’ensemble module de pompe, multiplexeur et fibre dopée forme l’amplificateur le plus rudimentaire. La longueur de fibre est généralement comprise entre 10 et 20 mètres. Pour l’amplification autour de 1550 nm, fenêtre spectral la plus souvent utilisée car de faible atténuation des fibres optiques en silice, les dopants sont des ions Erbium Er3+. On parle alors d’Amplificateur à Fibre Dopée à l’Erbium (AFDE ou EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier en anglais). 980 et 1480 nm sont les deux longueurs d’onde de pompe les mieux adaptées à l’EDFA. Et des diodes lasers à semi-conducteur sont disponibles à ces longueurs d’onde (lasers en AlGaAs pour le 980 nm et lasers en InGaAsP pour le 1480 nm) [21]. Le multiplexeur optique, sélectif en longueur d’onde,doit présenter une perte d’insertion faible à ces deux longueurs d’onde afin d’optimiser le rendement du système optique. Des isolateurs présents à chaque extrémité en assurent aussi la stabilité en bloquant tous les faisceaux lumineux susceptibles de revenir en aval. Le signal de pompe peut être couplé dans la fibre en co-propagation (mêmes sens pour le signal et le signal de pompe) afin de réduire le facteur de bruit ou en contre-propagation (sens opposés du signal de pompe sur le signal utile) favorisant ainsi une plus forte puissance de saturation. Mais afin d’augmenter et uniformiser dans la fibre dopée l’inversion de population et donc l’amplification du signal, un double pompage aux deux extrémités peut également être réalisé.
• Amplificateurs non linéaires (amplificateurs Raman)
Avec le développement des canaux dans la fibre, la bande spectrale offerte par les amplificateurs optiques à fibre dopée à l’erbium, limitée au maximum à 40 nm, peut s’avérer être un facteur pénalisant. Ce constat a progresséles études sur de nouvelles méthodes permettant l’augmentation de la bande spectrale.
Cette amélioration à donné lieu aux nouveaux amplificateurs optiques tels que les amplificateurs Raman prennent une part considérable dans les systèmes de télécommunications. Ils sont basés sur le principede la diffusion Raman, qui est un effet non linéaire à deux photons dans lequel un photon de pompe est absorbé et un photon de plus faible énergie est émis en même temps qu’un phononCe. phénomène peut être spontané, s’il n’y a pas de photon signal, ou stimulé par la présence d’un photon signal. Ainsi, dans le cas de l’amplificateur Raman, l’onde incidente, dite onde de pompe, stimulée par l’onde signal, va créer une autre onde signal, et un phonon. L’amplification est alors réalisée.
Comme pour les autres amplificateurs optiques, celui-ci a besoin d’une source externe, une source optique. Des lasers YAG sont les plus souvent utilisés dans ce cas, en émettant une longueur d’onde inférieure à celle du signal. L’avantage principal de ces lasers est d’être accordables sur une très grande fenêtre de longueurs d’onde.
Le gain obtenu peut atteindre quelques dizaines de décibels, mais une saturation qui s’accompagne d’une forte dégradation du rapport signal sur bruit (l’émission spontanée continuant à être amplifiée) peut apparaître. La limite en puissance est due à la génération d’une onde autre que l’onde signal lors de la diffusion Raman.
Les travaux effectués permettent de démontrer lesnatures distinctes de l’amplification dans les fibres. Soit, comme précédemment, l’amplification est de type émission stimulée et l’on a affaire à un amplificateur à fibre dopée, so it elle provient de l’interaction photons/phonons (effet Raman ou Brillouin) et l’on parle alors d’amplificateurs non linéaires.
Dans les deux cas, on souligne que ces composants sont conçus à partir de fibres optiques et donc l’ensemble des caractéristiques connus s’appliquent toujours.
• Amplificateurs à fibre dopée
Cette fois-ci le milieu amplificateur est le cœur d’une fibre optique monomode dopée avec des ions de terre rare. Pour que la fibre ne soit pas absorbante, mais amplificatrice, il faut l’associer à un pompage optique. Un multiplexeur permet de coupler le flux lumineux puissant provenant d’une diode laser de pompe et le signal à l’intérieur de la fibre[20]. Les longueurs d’onde de pompe doivent permettre des transitions vers les états excités des ions de terre rare et créer l’inversion de population. La suite du processus de l’amplification est identique à celle vue dans le paragraphe précédent.
L’ensemble module de pompe, multiplexeur et fibre dopée forme l’amplificateur le plus rudimentaire. La longueur de fibre est généralement comprise entre 10 et 20 mètres. Pour l’amplification autour de 1550 nm, fenêtre spectral la plus souvent utilisée car de faible atténuation des fibres optiques en silice, les dopants sont des ions Erbium Er3+. On parle alors d’Amplificateur à Fibre Dopée à l’Erbium (AFDE ou EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier en anglais). 980 et 1480 nm sont les deux longueurs d’onde de pompe les mieux adaptées à l’EDFA. Et des diodes lasers à semi-conducteur sont disponibles à ces longueurs d’onde (lasers en AlGaAs pour le 980 nm et lasers en InGaAsP pour le 1480 nm) [21]. Le multiplexeur optique, sélectif en longueur d’onde,doit présenter une perte d’insertion faible à ces deux longueurs d’onde afin d’optimiser le rendement du système optique. Des isolateurs présents à chaque extrémité en assurent aussi la stabilité en bloquant tous les faisceaux lumineux susceptibles de revenir en aval. Le signal de pompe peut être couplé dans la fibre en co-propagation (mêmes sens pour le signal et le signal de pompe) afin de réduire le facteur de bruit ou en contre-propagation (sens opposés du signal de pompe sur le signal utile) favorisant ainsi une plus forte puissance de saturation. Mais afin d’augmenter et uniformiser dans la fibre dopée l’inversion de population et donc l’amplification du signal, un double pompage aux deux extrémités peut également être réalisé.
• Amplificateurs non linéaires (amplificateurs Raman)
Avec le développement des canaux dans la fibre, la bande spectrale offerte par les amplificateurs optiques à fibre dopée à l’erbium, limitée au maximum à 40 nm, peut s’avérer être un facteur pénalisant. Ce constat a progresséles études sur de nouvelles méthodes permettant l’augmentation de la bande spectrale.
Cette amélioration à donné lieu aux nouveaux amplificateurs optiques tels que les amplificateurs Raman prennent une part considérable dans les systèmes de télécommunications. Ils sont basés sur le principede la diffusion Raman, qui est un effet non linéaire à deux photons dans lequel un photon de pompe est absorbé et un photon de plus faible énergie est émis en même temps qu’un phononCe. phénomène peut être spontané, s’il n’y a pas de photon signal, ou stimulé par la présence d’un photon signal. Ainsi, dans le cas de l’amplificateur Raman, l’onde incidente, dite onde de pompe, stimulée par l’onde signal, va créer une autre onde signal, et un phonon. L’amplification est alors réalisée.
Comme pour les autres amplificateurs optiques, celui-ci a besoin d’une source externe, une source optique. Des lasers YAG sont les plus souvent utilisés dans ce cas, en émettant une longueur d’onde inférieure à celle du signal. L’avantage principal de ces lasers est d’être accordables sur une très grande fenêtre de longueurs d’onde.
Le gain obtenu peut atteindre quelques dizaines de décibels, mais une saturation qui s’accompagne d’une forte dégradation du rapport signal sur bruit (l’émission spontanée continuant à être amplifiée) peut apparaître. La limite en puissance est due à la génération d’une onde autre que l’onde signal lors de la diffusion Raman.
Conclusion
L’avènement des télécommunications par fibres optiques est né des plus grandes capacités de ce milieu de transmission. L’introduction des amplificateurs optiques contribue à maintenir cette suprématie dans la mesure où les pertes induites peuvent être compensées de façon répétée, augmentant la distance possible entr les émetteurs et récepteurs.
Les avantages de l’utilisation des amplificateurs optiques dans les lignes de transmission ne se sont cependant pas arrêtés à cerôle de restauration périodique de la puissance du signal mais ont totalement amélioré l’organisation du réseau en permettant le multiplexage en longueur d’onde comme nous allons l’aborder maintenant [5].
Les avantages de l’utilisation des amplificateurs optiques dans les lignes de transmission ne se sont cependant pas arrêtés à cerôle de restauration périodique de la puissance du signal mais ont totalement amélioré l’organisation du réseau en permettant le multiplexage en longueur d’onde comme nous allons l’aborder maintenant [5].
Les réseaux WDM
On va consacrer cette partie pour introduire les différents aspects liés à l’organisation des réseaux de télécommunication, en s’intéressantàl’utilisation du multiplexage en longueur d’onde. En suite on va aborder d’une façon générale les réseaux de télécommunications et introduisons les différentes architectures utilisée ou envisagées en matière de réseaux WDM.
Parallèlement, nous indiquons l’incidence du choix de tel ou tel type de réseau sur les paramètres des sources optiques à mettre en disposition [25]. Ces données nous permettent de mieux comprendre les applications potentielles des lasers utilisés dans cette étude. Enfin, on présente les différents protocoles de multiplexageutilisés.
Parallèlement, nous indiquons l’incidence du choix de tel ou tel type de réseau sur les paramètres des sources optiques à mettre en disposition [25]. Ces données nous permettent de mieux comprendre les applications potentielles des lasers utilisés dans cette étude. Enfin, on présente les différents protocoles de multiplexageutilisés.
Techniques de multiplexage
Dans les paragraphes précédents notre préoccupationmajeure c’est la transmission entre un émetteur et un récepteur. Pour mieux projeter à la réalité[26], il nous faut maintenant considérer plusieurs de ces émetteurs et récepteurset voir les solutions possibles pour que nous puissions organiser le transfert des informations entre eux.
La technique la plus efficace pour gérer cette opération est le multiplexage car il intervient dès qu’on souhaite transmettre plusieurs flux d’information indépendants (canaux) en utilisant le même support (une fibre). Deux techniques de multiplexage sont généralement utilisées dans les systèmes de transmission optiques: le multiplexage temporel (TDM pour Time Division Multiplexing) et le multiplexage en longueur d’onde (WDM pour Wavelength Division Multiplexing).
La technique la plus efficace pour gérer cette opération est le multiplexage car il intervient dès qu’on souhaite transmettre plusieurs flux d’information indépendants (canaux) en utilisant le même support (une fibre). Deux techniques de multiplexage sont généralement utilisées dans les systèmes de transmission optiques: le multiplexage temporel (TDM pour Time Division Multiplexing) et le multiplexage en longueur d’onde (WDM pour Wavelength Division Multiplexing).
Le multiplexage temporel TDM
Le multiplexage TDM (Time Division Multiplexing, multiplexage à répartition temporelle (MRT)) consiste à affecter à un utilisat eur unique la totalité de la bande passante pendant un court instant, ceci à tour de rôle pour chaque utilisateur. L’allocation de cette bande passante se fait en divisant l’axe du temps en périodes de durée fixe, et chaque utilisateur ne va transmettre que pendant une de ces périodes déterminée. Un intervalle de temps fixe (IT) est successivement assigné à une source [27].
Le multiplexage TDM permet alors de regrouper plusieurs canaux de communications à bas débits sur un seul canal à débit plus élevé (par exmple, conception d’un débit 40 Gbits/s, à partir de 4 séquences à 10 Gbits/s).
Le multiplexage TDM permet alors de regrouper plusieurs canaux de communications à bas débits sur un seul canal à débit plus élevé (par exmple, conception d’un débit 40 Gbits/s, à partir de 4 séquences à 10 Gbits/s).
Le multiplexage en longueur d’onde WDM
Le multiplexage WDM (multiplexage à répartition de longueur d’onde) repose sur une propriété physique de la lumière. En effet, tout comme les signaux électriques se propagent avec une fréquence propre, les signaux lumineux possèdent une longueur d’onde. Partant de ce constat, il paraît naturel que le multiplexage FDM (Frequency Division Multiplexing) utilisé sur les réseaux électriques ait son homologue pour les réseaux optiques. Ainsi, plutôt que de transmettre de l’information sur une seule longueur d’onde, on va utiliser plusieurs longueurs d’onde, et multiplier d’autant le débit ed la liaison [28]. De cette façon, on peut aisément augmenter le débit de transmission d’une ibref sans avoir à la remplacer par une autre. Il suffit simplement de disposer d’émetteurs/récepteurs capables de distinguer les différentes longueurs d’onde utilisées. Ainsi un émetteur pourra multiplexer plusieurs canaux en affectant à chacun une longueur d’onde. Le signal lumineux composé de toutes ces longueurs d’onde va transiter sur la fibre [29], et le récepteur n’aura qu’à démultiplexer le signal pour obtenir les différents canaux de départ. La norme internationale ITU-T G692 autorise l’utilisation de longueurs d’onde comprise entre 1530 et 1565 nanomètres [30]. Le multiplexage WDM est caractérisé par l’intervalle inimum entre deux longueurs d’onde utilisables. Cet intervalle peut être exprimé en nanomètres ou en gigahertz. Si cet intervalle est inférieur ou égal à 0,8 nanomètres (soit 100 GHz) on parle alors de multiplexage DWDM (Dense WDM). Des tests ont même été effectués avecdes intervalles de 0,4 et 0,2 nanomètres. On parle alors d’U-DWDM pour Ultra-Dense WDM. L’utilisation de 32 longueurs d’onde différentes sur une fibre à 10 Gbit/s permet donc d’atteindre assez facilement un débit de 320 Gbit/s. Prochainement, lorsque 160 longueurs d’onde pourront être utilisées, la même fibre à 10 gigabits par secondes pourra fournir un débit de 1,6 Tbit/s.
Les réseaux de télécommunications WDM
Les techniques de multiplexage mentionnées récemment, nous nous intéressons par la suite aux différentes organisations possibles de la communication entre plusieurs interlocuteurs soit à la notion de réseaux. Cette présentation des architectures WDM [31], nous permet aussi d’étudier la possibilité d’indiquer quelles sont les sources optiques les plus appropriées au cas par cas.
Présentation générale
Dans un réseau de télécommunication, on peut classer trois grandes catégories en fonction de leur taille :
Les réseaux longues distances (ou les WAN, Wide Area Network): Ce sont les réseaux déployés à l’échelle d’un pays ou d’un continent dontet les nœuds sont de très grands centres urbains.
Les réseaux métropolitains (Metropolitan Area Network = MAN): qui correspondent aux réseaux mis en œuvre dans une grande ville ou u ne agglomération et qui permettent de relier entre eux par exemple différents arrondissements.
Les réseaux locaux (Local Area Network = LAN): encore appelés réseaux de distribution ou réseaux d’accès. Ils représentent e l dernier maillon et finissent d’acheminer les informations à l’abonné. Ils sont donc plus courts et moins gourmands en capacité.
Tous ces maillons doivent répondre à la demande croissante de capacité des réseaux de télécommunication, quel que soit le type de serviceutilisé.
Les réseaux longues distances (ou les WAN, Wide Area Network): Ce sont les réseaux déployés à l’échelle d’un pays ou d’un continent dontet les nœuds sont de très grands centres urbains.
Les réseaux métropolitains (Metropolitan Area Network = MAN): qui correspondent aux réseaux mis en œuvre dans une grande ville ou u ne agglomération et qui permettent de relier entre eux par exemple différents arrondissements.
Les réseaux locaux (Local Area Network = LAN): encore appelés réseaux de distribution ou réseaux d’accès. Ils représentent e l dernier maillon et finissent d’acheminer les informations à l’abonné. Ils sont donc plus courts et moins gourmands en capacité.
Tous ces maillons doivent répondre à la demande croissante de capacité des réseaux de télécommunication, quel que soit le type de serviceutilisé.
Le réseau longue distance (WAN)
Ce type du réseau, parfois également appelée réseaustructurant, représente la couche supérieure du réseau de télécommunications. Ce dernier parcourt de longues distances pouvant aller jusqu’à 1000 km. En effet l’utilisati on d’amplificateurs et de régénérateurs permet d’augmenter la distance de transmission. Elle est comprise entre deux autocommutateurs à autonomie d’acheminement, qui ont pour rôle d’aiguiller les informations d’une région à une autre, de la zone de l’expéditeur vers celle du destinataire. La transmission de ces informations se fait désormais sur fibre optique à une longueur d’onde de 1,55µm et à un débit élevé qui ne cesse de s’accroître (les débits 2,5 Gbits/s et 10 Gbits/s sont déjà installés et le 40 Gbits/s le sera très prochainement).
Cette capacité ne pourrait être atteinte sans l’introduction des fibres optiques dans la chaîne. Elles ont permis de gagner en débit et en espacement entre répéteurs par rapport aux systèmes existants, à savoir le câble coaxial (la d istance passe typiquement de 2 à 100 km). De plus, l’abandon des régénérateurs électro-optiques (photodétection, amplification électrique, reconversion optique) au profit des amplificateurs optiques, déployés environ tous les cent kilomètres, a permis de faire un bond en terme de capacité des liaisons. Dès le début des années 1990, l’amplification optique a permis de démontrer la possibilité de transmettre, sans répéteur, des signaux à 5 et 10 Gbits/s sur des distances transocéaniques. La liaison du réseau longue distance est désormais tout optique.
Cette capacité ne pourrait être atteinte sans l’introduction des fibres optiques dans la chaîne. Elles ont permis de gagner en débit et en espacement entre répéteurs par rapport aux systèmes existants, à savoir le câble coaxial (la d istance passe typiquement de 2 à 100 km). De plus, l’abandon des régénérateurs électro-optiques (photodétection, amplification électrique, reconversion optique) au profit des amplificateurs optiques, déployés environ tous les cent kilomètres, a permis de faire un bond en terme de capacité des liaisons. Dès le début des années 1990, l’amplification optique a permis de démontrer la possibilité de transmettre, sans répéteur, des signaux à 5 et 10 Gbits/s sur des distances transocéaniques. La liaison du réseau longue distance est désormais tout optique.
Le réseaux métropolitain MAN
Encore appelé réseau intermédiaire, le réseau métropolitain connaît en ce moment un véritable essor. Déployé entre le dernier autocommutateur à autonomie d’acheminement du réseau longue distance et une zone plus précise (arrondissement, campus, petite ville, …), il possède un environnement souvent très complexe et divers. Fondamentalement, on peut distinguer les réseaux métropolitains structurants et métropolitains d’accès. Les réseaux métropolitains structurants sont généralement constitués d’anneaux de 80 à 150 km de circonférence avec six à huit nœuds. En revanche, l es réseaux métropolitains d’accès sont des anneaux de 10 à 40 km de circonférence dotés de trois ou quatre nœuds avec des embranchements vers des sites distants. Les topologies logiques (profils de trafic) des réseaux métropolitains diffèrent radicalement de celles desréseaux longue distance. Ces derniers correspondent pour l’essentiel à des lignes interur baines point à point avec tout au plus un ou deux multiplexeurs d’insertion-extraction optiques (OADM) pour insérer et extraire le trafic en des points intermédiaires. En particulier, il existe des différences notables entre les zones très peuplées d’Europe et d’Asie, où les distanceseront inférieures, et les Etats-Unis où les applications métropolitaines s’apparentent à de véritables réseaux régionaux.
Les topologies logiques (profils de trafic) des réseaux métropolitains diffèrent radicalement de celles des réseaux longue distance. Ces derniers correspondent pour l’essentiel à des lignes interurbaines point à poin t avec tout au plus un ou deux multiplexeurs d’insertion-extraction optiques (OADM) pour insérer et extraire le trafic en des points intermédiaires. Les réseaux métropolitains introduisent une infrastructure optique à haut degré de connectivité. Les anneaux métropolitains 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, à la différence, collectent engénéral le trafic de plusieurs nœuds pour le concentrer vers un nœud partagé avec un réseau métropolitain structurant.
La complexité de ce réseau ne se traduit pas uniquement par le haut degré de connectivité. A la différence des réseaux longue stance,di les réseaux métropolitains doivent prendre en charge des formats, des protocoles et des débits de transmission très divers, mêlant les trafics de la hiérarchie numérique synchrone (SDH) ou du réseau optique synchrone (SONET) ou autres encore. Pour supporter cette diversité, ces réseaux sont souvent équipés de cartes transpondeurs multi débits universelles, acceptant n’importe quel débit de 100 Mbits à 2,5 Gbits/s, pouvant assurer ultérieurement le trafic à 10 Gbits/s sans modification (exemple du récent réseau Alcatel 1696 Metro Span), et dansune transparence totale vis-à-vis de tous les formats et protocoles.
Dans ces réseaux intrinsèquement ouverts à n’importe quel type de signal, le multiplexage en longueur d’onde (WDM), dont une description ultérieure sera faite, trouve une application importante en luttant contre l’encombrement que cela peut procurer tout en réduisant le coût par service apporté. De la même anière,m les amplificateurs optiques sont essentiels pour les applications de réseaux métropolitains structurants. Les pertes élevées dans la fibre (dues à l’interconnexion de courts tronçon s de fibre) et le cumul des pertes associées aux transits tout optiques dans des nœuds successif s peuvent imposer en effet d’amplifier le signal optique. L’amplificateur optique peut représenter dans bien des cas une solution à moindre coût comparée à la régénération optique-électrique-optique.
Les topologies logiques (profils de trafic) des réseaux métropolitains diffèrent radicalement de celles des réseaux longue distance. Ces derniers correspondent pour l’essentiel à des lignes interurbaines point à poin t avec tout au plus un ou deux multiplexeurs d’insertion-extraction optiques (OADM) pour insérer et extraire le trafic en des points intermédiaires. Les réseaux métropolitains introduisent une infrastructure optique à haut degré de connectivité. Les anneaux métropolitains 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, à la différence, collectent engénéral le trafic de plusieurs nœuds pour le concentrer vers un nœud partagé avec un réseau métropolitain structurant.
La complexité de ce réseau ne se traduit pas uniquement par le haut degré de connectivité. A la différence des réseaux longue stance,di les réseaux métropolitains doivent prendre en charge des formats, des protocoles et des débits de transmission très divers, mêlant les trafics de la hiérarchie numérique synchrone (SDH) ou du réseau optique synchrone (SONET) ou autres encore. Pour supporter cette diversité, ces réseaux sont souvent équipés de cartes transpondeurs multi débits universelles, acceptant n’importe quel débit de 100 Mbits à 2,5 Gbits/s, pouvant assurer ultérieurement le trafic à 10 Gbits/s sans modification (exemple du récent réseau Alcatel 1696 Metro Span), et dansune transparence totale vis-à-vis de tous les formats et protocoles.
Dans ces réseaux intrinsèquement ouverts à n’importe quel type de signal, le multiplexage en longueur d’onde (WDM), dont une description ultérieure sera faite, trouve une application importante en luttant contre l’encombrement que cela peut procurer tout en réduisant le coût par service apporté. De la même anière,m les amplificateurs optiques sont essentiels pour les applications de réseaux métropolitains structurants. Les pertes élevées dans la fibre (dues à l’interconnexion de courts tronçon s de fibre) et le cumul des pertes associées aux transits tout optiques dans des nœuds successif s peuvent imposer en effet d’amplifier le signal optique. L’amplificateur optique peut représenter dans bien des cas une solution à moindre coût comparée à la régénération optique-électrique-optique.
Le réseau local (LAN)
Il est également nommé réseau de distribution ou accèsd’. C’est la dernière partie du réseau de télécommunication, celle qui relie l’abonné et le dernier autocommutateur. Sa longueur varie de 2 à 50 km et sa capacité est au plus du même ordre de grandeur que celle du réseau métropolitain.
Le réseau local optique est encore souvent constitué par une partie en fibre optique suivie d’une partie en conducteur métallique qui va jusqu’au terminal de l’abonné. Selon la localisation de la terminaison de réseau optique, différentes configurations sont envisageables:
• FTTH/FTTO (Fiber To The Home / Fiber To The Office) : la terminaison de réseau optique, qui est propre à un abonné donné, ste implantée dans ses locaux. La fibre va donc jusqu’à son domicile ou son bureau, et la partie terminale en cuivre est très courte.
• FTTB (Fiber To The Building) : la terminaison de réseau optique est localisée soit au pied de l’immeuble, soit dans un local technique généralement situé en sous-sol, soit dans une armoire ou un conduit de palier. Elle est partagée entre plusieurs abonnés qui lui sont raccordés par des liaisons enfil de cuivre.
• FTTC/FTTCab (Fiber To The Curb / Fiber To The Cabinet) : la terminaison de réseau optique est localisée soit dans une chambresouterraine, soit dans une armoire sur la voie publique, soit dans un centre de télécommunications, soit sur un poteau. Selon le cas, il est envisagé de réutiliser le réseau terminal en cuivre existant ou de mettre en œuvre une distribution ter minale par voie radioélectrique.
Le réseau local optique est encore souvent constitué par une partie en fibre optique suivie d’une partie en conducteur métallique qui va jusqu’au terminal de l’abonné. Selon la localisation de la terminaison de réseau optique, différentes configurations sont envisageables:
• FTTH/FTTO (Fiber To The Home / Fiber To The Office) : la terminaison de réseau optique, qui est propre à un abonné donné, ste implantée dans ses locaux. La fibre va donc jusqu’à son domicile ou son bureau, et la partie terminale en cuivre est très courte.
• FTTB (Fiber To The Building) : la terminaison de réseau optique est localisée soit au pied de l’immeuble, soit dans un local technique généralement situé en sous-sol, soit dans une armoire ou un conduit de palier. Elle est partagée entre plusieurs abonnés qui lui sont raccordés par des liaisons enfil de cuivre.
• FTTC/FTTCab (Fiber To The Curb / Fiber To The Cabinet) : la terminaison de réseau optique est localisée soit dans une chambresouterraine, soit dans une armoire sur la voie publique, soit dans un centre de télécommunications, soit sur un poteau. Selon le cas, il est envisagé de réutiliser le réseau terminal en cuivre existant ou de mettre en œuvre une distribution ter minale par voie radioélectrique.
Les réseaux optique passifs
Un réseau optique passif (PON) est un réseau dont el câblage entre le prestataire et le consommateur est réalisé uniquement à base d’équipements optiques passifs. En effet Cette approche évite le besoin de courant électrique entr le nœud central de distribution et l’abonné, et réduit les coûts de matériel, d’instlation, d’opération, et d’entretien de réseau. Un PON est un réseau point-multipoint (P2MP) dans lequel le médium est la fibre optique. Les réseaux optiques passifs peuvent être la clef d’unedistribution réussie et moins coûteuse du signal. Les PON ont attiré l’attention par leur potentiel qui entraîne une réduction du coût de distribution des signaux par l’intermédiaire des fibres optiques. Ils divisent le signal d’un émetteur central (OLT), sur plusieurs fibres sortantes n’utilisant que des composants passifs (coupleur passif), chacune est liée à un récepteur spécifique pour un client spécifique. Les différents clients renvoient des signaux au point central de distribution, ainsi les utilisateurs partagent toute la capacité du système de transmission. Dans un réseau optique passif on utilise la fibre optique monomode. Comme défini par ITU-T et par IEEE, dans un PON, le trafic descendant et le trafic montant sont envoyéssur deux longueurs d’onde différentes. On distingue notamment les catégories suivantes:
Les protocoles APON
L’ATM est un protocole de transport, apparu au début des années 1990, gérant le transport de la voix, de la vidéo (Pulse Code Modulation PCM) aussi bien que celle des données en garantissant une qualité de service. Les performances de l’ATM sont très évolutives. Ces performances sont obtenues grâce à la taille très r éduite des cellules transmises : tout le trafic est divisé en trames de 53 octets (48 octets de données plus cinq d’en-tête), que l’on peut traiter avec des commutateurs très rapides. C’est pourquoi l’ATM a fait naître de grands espoirs en matière de performances de réseau lors de son apparition. La technologie est aujourd’hui bien utilisée comme infrastructure de ransport de données.
Les protocoles BPON
Le BPON est l’extension de l’APON en vue de fournir d’autres services, tels que l’Ethernet et la diffusion de la vidéo (broadcast video). C’est un réseau de distribution en fibre optique à large bande. En effet, les améliorations récentes de l’APON incluent une vitesse plus élevée, le multiplexage en longueur d’onde WDM, une commande dynamique de la largeur de bande (DBA), une meilleure sécurité de onnéesd et une OMCI (ONU management and Control Interface) complète. Pour traduire cette évolution, ITU-T a officiellement changé le nom du système en PON à large bande, ou BPON.
Les APON actuellement déployés opèrent en un des 3modes downstream/upstream: 155Mb/s/155Mb/s, 622Mb/s/155 Mb/s ou 622Mb/s/622Mb/s.
Les autres caractéristiques des réseaux APON / BPONsont:
• 32 ONUs dans un seul PON.
• La longueur de la fibre peut aller jusqu’à 20 km.
• Pour la voix et les données les longueurs d’onde utilisées dans le sens descendant et montant sont 1490 nm et 1310 nm respectivement.
• Une troisième longueur d’onde (1550 nm) peut être tiliséeu pour le transport de la vidéo numérique dans le sens descendant.
Les protocoles APON
L’ATM est un protocole de transport, apparu au début des années 1990, gérant le transport de la voix, de la vidéo (Pulse Code Modulation PCM) aussi bien que celle des données en garantissant une qualité de service. Les performances de l’ATM sont très évolutives. Ces performances sont obtenues grâce à la taille très r éduite des cellules transmises : tout le trafic est divisé en trames de 53 octets (48 octets de données plus cinq d’en-tête), que l’on peut traiter avec des commutateurs très rapides. C’est pourquoi l’ATM a fait naître de grands espoirs en matière de performances de réseau lors de son apparition. La technologie est aujourd’hui bien utilisée comme infrastructure de ransport de données.
Les protocoles BPON
Le BPON est l’extension de l’APON en vue de fournir d’autres services, tels que l’Ethernet et la diffusion de la vidéo (broadcast video). C’est un réseau de distribution en fibre optique à large bande. En effet, les améliorations récentes de l’APON incluent une vitesse plus élevée, le multiplexage en longueur d’onde WDM, une commande dynamique de la largeur de bande (DBA), une meilleure sécurité de onnéesd et une OMCI (ONU management and Control Interface) complète. Pour traduire cette évolution, ITU-T a officiellement changé le nom du système en PON à large bande, ou BPON.
Les APON actuellement déployés opèrent en un des 3modes downstream/upstream: 155Mb/s/155Mb/s, 622Mb/s/155 Mb/s ou 622Mb/s/622Mb/s.
Les autres caractéristiques des réseaux APON / BPONsont:
• 32 ONUs dans un seul PON.
• La longueur de la fibre peut aller jusqu’à 20 km.
• Pour la voix et les données les longueurs d’onde utilisées dans le sens descendant et montant sont 1490 nm et 1310 nm respectivement.
• Une troisième longueur d’onde (1550 nm) peut être tiliséeu pour le transport de la vidéo numérique dans le sens descendant.
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Table des matières
Introduction générale
CHAPITRE I: INTRODUCTION AUX RESEAUX DE TELECOMMUNICATIONS PAR FIBRES OPTIQUES
1 Les télécommunications par fibres optiques
1.1 Structure d’une liaison optique
1.2 Les fibres optiques
1.2.1 Atténuation
1.2.2 Dispersion chromatique
1.2.3 Dispersion modale de polarisation
1.3 Principes et généralités sur les amplificateurs optiques
1.3.1 Amplificateurs à semi-conducteurs
1.3.2 Amplificateurs à fibre
1.4 Conclusion
2 Les réseaux WDM
2.1 Techniques de multiplexage
2.1.1 Le multiplexage temporel TDM
2.1.2 Le multiplexage en longueur d’onde WDM
2.2 Les réseaux de télécommunications WDM
2.2.1 Présentation générale
2.2.2 Le réseau longue distance (WAN)
2.2.3 Le réseaux métropolitain MAN
2.2.4 Le réseau local (LAN)
2.2.5 Les réseaux optique passifs
3 Lasers de télécommunications: principes et caractéristiques
3.1 Contexte Historique
3.2 Laser d’émission
3.2.1 Principe de fonctionnement
3.2.2 Émission de rayonnement par les semi-conducteurs
3.2.3 Laser à semi-conducteur
3.2.4 Le laser semi conducteur Fabry-Pérot
3.2.5 Laser DFB à semi-conducteurs
3.3 Les diodes lasers
3.3.1 Structure d’une diode laser à semi-conducteur
3.3.2 Caractéristique P/I en continu
3.4 Caractéristiques dynamiques
3.4.1 Réponse temporelle
3.4.2 Réponse fréquentielle intrinsèque
3.4.3 Bruit d ‘émission
3.4.4 Réglage de longueur d’onde avec température
CHAPITRE II: ETUDES THEORIQUES ET RESULTATS
1 La Réflectométrie optique à faible cohérence
1.1 Techniques réflectométriques
1.1.1 Réflectométrie optique dans le domaine temporel (OTDR)
1.1.2 Réflectométrie optique dans le domaine fréquentiel (OFDR)
1.1.3 Réflectométrie optique à faible cohérence (OLCR)
2 Longueur d’onde d’émission
2.1 Etudes théoriques
2.1.1 Variation de la longueur d’onde en fonction de la température
2.1.2 Variation de la fréquence en fonction de la température
2.1.3 La fréquence dans le domaine temporel
2.1.4 Applications numériques
2.2 Résultats et simulations
2.2.1 La caractéristique de la longueur d’onde en fonction de la température
2.2.2 La caractéristique de la fréquence en fonction de la température
2.2.3 La caractéristique de la fréquence en fonction du temps
2.2.4 La caractéristique de la température en fonction du temps
2.2.5 La caractéristique de longueur d’onde en fonction de la tension externe
2.2.6 La caractéristique de la fréquence en fonction de la tension externe
2.3 La variation de fréquence en dynamique
2.3.1 Les hypothèses de simulation en dynamique
2.3.2 Présentation de logiciel de simulation -le SIMAPP-
2.3.3 Fenêtre principale de SIMAPP
2.3.4 La réponse temporelle du laser DFB à une rampe de température
2.3.5 La réponse temporelle du laser DFB à un échelon de température
2.3.6 La réponse temporelle du laser DFB à une source constante de température
2.3.7 La réponse fréquentielle du laser DFB
3 Conclusion
CHAPITRE III: ASSERVISSEMENT EN TEMPERATURE DU LASER DFB
1 Asservissement en température de la diode laser
1.1 Objectif d’asservissement
1.2 La structure générale de système d’asservissement en température
2 Etude du système de contrôle de température d’un laser DFB
2.1 Présentation du système
2.2 Les différents éléments du montage
2.2.1 Le pont de Wheatstone pour thermistances
2.2.2 L’amplificateur différentiel
2.2.3 Boîtier correcteur P.I.D
2.2.4 L’amplificateur de puissance pour dispositif à effet Peltier
2.2.5 Boîtier Peltier avec thermistance de contrôle
2.2.6 Le Rhéostat de protection
2.2.7 Le Capteur de Température (la thermistance)
2.2.8 Caractéristique de la thermistance
2.3 Principe de fonctionnement du système de contrôle
3 Le système d’asservissement en température en dynamique
3.1 La réponse de température à une tension externe appliquée à l’entrée
3.1.1 La simulation en dynamique avec SIM APP
3.1.2 La stabilité du système
4 Conclusion
CHAPITRE IV: ETUDES EXPERIMENTALES ET RESULTATS
1 La modulation des données
1.1 Modulation directe
1.2 Modulation externe
1.3 Modulateur d’amplitude à base de Mach-Zehnder (MZ)
1.4 Les caractéristiques des photorécepteurs
1.4.1 Principe et fonctionnement des photodiodes PIN
1.4.2 Le bruit dans les photodétecteurs
1.4.3 Variance de bruit dans une photodiode PIN
2 Résultats expérimentaux
2.1 Description du montage expérimental
2.2 Les éléments du montage
2.2.1 Emetteur lasers
2.2.2 Le photorécepteur: la photodiode PIN
2.2.3 L’analyseur de spectre
3 Etude en statique
3.1 L’évolution de la fréquence de battement en fonction de la tension de commande
4 L’étude en dynamique
4.1 La fréquence de battement en fonction d’une tension de commande de 10 MHz
4.2 La fréquence de battement en fonction d’une tension de commande de 100 MHz
4.3 La fréquence de battement en fonction d’une tension de commande de 1 Hz
5 Conclusion
Bibliographies
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