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RÉSEAUX OPTIQUES TRADITIONNELS
Depuis plusieurs années déjà, la croissance du trafic sur les réseaux de télécommunication est soutenue. L’avènement de nouveaux usagers aux services de télécommunication existants de même que le développement de nouveaux services nécessitants encore plus de bande passante ont permis l’essor des réseaux à fibre optique. Afin d’augmenter la capacité d’une liaison optique, le multiplexage en longueurs d’onde WDM (wavelength-division multiplexing) est utilisé. Cette technique consiste à insérer un ou plusieurs canaux sur des longueurs d’onde et ensuite transporter plusieurs longueurs d’onde dans une même fibre. L’union internationale des télécommunications (!TU: international telecommunication union), qui est responsable de définir les standards du monde des télécommunications, a défini des bandes spectrales bien précises pour transmettre les longueurs d’onde pour la bande C et la bande L. Les réseaux sont généralement regroupés en classe, selon différents critères. C’est aussi le cas pour les réseaux optiques, qui sont divisés en trois grandes familles, soit les réseaux longue distance, les réseaux métropolitains et régionaux, et les réseaux d’accès (figure 1.1). Cette classification repose essentiellement sur la distance que peut géographiquement couvrir un réseau et sur la quantité d’information qu’il peut transporter, sa capacité. La capacité d’une liaison, qui est décrite par le débit de chaque canal multiplié par le nombre de canaux, a tendance à croître avec la distance à couvrir. Ainsi, un réseau longue distance a généralement une capacité supérieure à un réseau métropolitain et à un réseau d’accès. Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission.
La démarcation entre les réseaux longue distance et les réseaux métropolitains tend à s’effacer, puisque ceux-ci peuvent maintenant couvrir de plus grandes distances et supporter une capacité largement accrue (10 à 40 Gbits/s par longueur d’onde), autrefois réservée aux réseaux longue distance. La valeur de l’espacement fréquentiel entre les longueurs d’onde peut varier de 200 GHz (16 longueurs d’onde) à 50 GHz (80 longueurs d’onde) typiquement dans la bande C. C’est d’ailleurs cette caractéristique qui différencie les deux types de réseaux optiques WDM. Un multiplexage en longueurs d’onde grossier CWDM (coarse wavelength-division multiplexing) permet l’insertion de quelques longueurs d’onde (4 à 16). Cette technique est attrayante parce que peu coûteuse, mais elle ne permet pas de maximiser l’utilisation de la bande spectrale. L’autre type est le multiplexage dense en longueurs d’onde DWDM (dense wavelength-division multiplexing).
Dans ce cas, l’espacement entre les longueurs d’onde est bien moindre, ce qui permet d’insérer un plus grand nombre de longueurs d’onde dans la même plage spectrale et ainsi maximiser la capacité de la fibre optique. La première génération de réseaux optiques longue distance est celle des réseaux optiques opaques constitués de liaisons point à point dans lesquelles le passage du signal dans le monde électrique ( Optical-Electrical-Optical) est nécessaire à chacun des noeuds (figure 1.2). L’implantation de ce genre de réseau ne permet aucune flexibilité puisqu’il est considéré comme étant statique. Le processus de régénération permet de traiter ou commuter le signal, avec une granularité très précise. L’avantage de la régénération (3R) réside dans le fait que le signal est complètement réamplifié, reconstruit et resynchronisé. Ce processus devient cependant de plus en plus coûteux à mesure que la capacité et le débit augmentent.
Éléments de réseau
Toutes les générations de réseaux optiques font appel aux mêmes composantes de base. Les transmetteurs, indépendamment de la modulation utilisée, sont basés sur des diodes laser et permettent de transformer les impulsions électriques en impulsions lumineuses. Les transmetteurs optiques utilisés en WDM, tel qu’illustré à la figure 1.5, sont modulés Des multiplexeurs sont utilisés pour regrouper sur une même fibre optique les longueurs d’onde ensemble, c’est-à-dire qu’ils reçoivent plusieurs longueurs d’onde différentes et forment un seul signal constitué de toutes ces longueurs d’onde. Les démultiplexeurs sont utilisés pour séparer les longueurs d’onde à des fins de réception ou de traitement. ll en existe deux types, les démultiplexeurs passifs, composés de réseaux de diffraction, de prismes ou de filtres spectraux, et les démultiplexeurs actifs, qui allient composantes passives et détecteurs accordables (Kartalopoulos, 2003). Tant le multiplexeur que le démultiplexeur sont considérés comme des éléments de filtrage.
Évidemment, des amplificateurs optiques sont aussi utilisés pour compenser l’atténuation du signal et sont insérés dans les liaisons optiques. Ces amplificateurs optiques de ligne, qui sont conçus à l’aide de fibres dopées à l’erbium, permettent d’amplifier tous les canaux présents dans la bande de transmission. ll existe aussi d’autres types d’amplificateurs optiques, Raman et à semi-conducteurs (SOA), qui sont utiles pour d’autres types d’applications. Des modules de compensation de la dispersion sont aussi utilisés afin de compenser la dispersion des canaux dans la fibre. Dans un réseau optique classique, ces modules sont principalement composés de fibres à compensation de dispersion (DCF). Cette fibre possède un coefficient de dispersion inverse et plus élevé que la fibre qui est utilisée pour la transmission, de telle sorte qu’elle permet de ramener la dispersion résiduelle à un niveau plus bas, plus près de zéro. ll est possible de les positionner avant la fibre de transmission (pré-compensation) ou après celle-ci, juste avant l’étage d’amplification (postcompensation), comme c’est le cas de la liaison de la figure 1.4.
Finalement, des éléments de commutation et de contrôle sont utilisés afin de mettre en place un chemin optique qui répondra aux demandes de connexions dictées par la matrice de trafic entre chacun des noeuds du réseau. Ces éléments sont principalement les OADM (optical add-dropp multiplexers), qui peuvent maintenant être reconfigurés (Reconfigurable OADM), les OXC (optical cross-connect), auxquels s’ajoutent les régénérateurs qui permettent la conversion d’une longueur d’onde au besoin. Différentes architectures existent pour ces Reproduced with permission of the copyright owner. Further reproduction prohibited without permission. éléments de réseau et d’autres dispositifs, comme les bloqueurs de longueur d’onde (wavelength blocker) et les commutateurs optiques (wavelength selective switch), peuvent être nécessaires pour construire un réseau optique. Tous ces dispositifs actifs de commutation optique peuvent être par contre très coûteux en plus d’être énergivores. Les réseaux d’aujourd’hui utilisent ces dispositifs comme élément central d’un noeud (figure 1.7).
La dispersion
La dispersion consiste en 1 ‘étalement de 1’ impulsion lumineuse dans le temps, à mesure que celle-ci se propage dans la fibre optique. Les deux principales causes de la dispersion intramodale qui caractérise les fibres optiques monomodes sont la dispersion matérielle, ou dispersion chromatique, et la dispersion due au guide d’onde. La dispersion matérielle provient de la variation de l’indice de réfraction de la silice en fonction de la fréquence. De ce fait, les composantes fréquentielles de l’impulsion ne voyageant pas à la même vitesse, l’impulsion aura tendance à s’étaler. La dispersion provenant du guide d’onde vient du fait qu’une fibre optique ne parvient pas à confiner plus d’environ 80 % de la puissance de la lumière au niveau du coeur. Le 20% de puissance restante qui voyage dans la gaine optique (cladding), voyageant plus vite, engendre encore là un étalement de l’impulsion lumineuse qui se traduit en dispersion.
Un autre type de dispersion existe et c’est la dispersion modale de polarisation (PMD). Cet effet est issu de la différence de vitesse à laquelle les deux modes de polarisation se propagent, engendrant ainsi un étalement de l’impulsion lumineuse. En fait, un signal optique est caractérisé par un état de polarisation, qui définit l’agencement des deux composantes de polarisation orthogonales constituant le signal optique. La biréfringence constitue la différence entre les deux indices de réfraction reliés aux deux modes de polarisation. Le caractère aléatoire de la variation de la biréfringence dans la fibre rend la PMD très difficile à prédire. En effet, la variation de la biréfringence peut provenir de facteurs intrinsèques dans la fibre (irrégularité géométrique du coeur), ou de facteurs externes comme des stress mécaniques. Ces perturbations causant la biréfringence sont aussi fonction de la température, ce qui augmente le caractère aléatoire de la PMD.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 RÉSEAUX OPTIQUES TRADITIONNELS
1.1 Caractéristiques générales
1.2 Éléments de réseau
1.3 Contraintes physiques
1.3.1 Le bruit
1.3.2 La dispersion
1.3.3 Les effets non linéaires
1.3 .4 Les autres distorsions
1.4 Ingénierie de liaison
1.4.1 Budget de puissance
1.4.2 Budget des temps de montée
1.4.3 Gestion de l‘ atténuation et de la dispersion
1.4.4 Règles d’ingénierie
1.5 L’impact des contraintes physiques sur la planification des réseaux optiques
CHAPITRE 2 LES RÉSEAUX OPTIQUES SANS FILTRE
2.1 Caractéristiques générales
2.2 Éléments de réseau
2.2.1 Transmetteurs et récepteurs accordables
2.2.2 Diviseur de puissance optique
2.2.3 Multiplexage et démultiplexage des signaux
2.2.4 Bloqueur de longueur d’onde
2.3 Architecture des réseaux sans filtre
2.4 Architecture d’une liaison à fibre optique sans filtre
2.4.1 Liaison optique sans filtre de base
2.4.2 Liaison optique sans filtre complexe
2.4.3 Étages de transmission et de réception
2.5 Ingénierie de liaison
2.6 L’intégration des contraintes physiques
CHAPITRE 3 MODÉLISATION D’UNE LIAISON OPTIQUE SANS FILTRE
3.1 Définition du modèle théorique
3 .1.1 Calcul du BER
3.1.2 Méthodes de calcul d’OSNR
3.1.3 Méthode de calcul du facteur Q de Hui et O’Sullivan
3.2 Application du modèle théorique de calcul d’OSNR
3.2.1 Calcul d’OSNR pour deux branches combinées
3.2.2 Calcul d’OSNR pour deux branches divisées
3.3 Modélisation à l’aide du logiciel VPitransmissionMaker™
3.3.1 La fibre optique
3.3.2 Le transmetteur optique
3.3.3 Le récepteur optique
3.3.4 L’amplificateur optique
3.3.5 Le diviseur de puissance optique
3.3.6 Le filtre optique
3.3.7 Le bloqueur de longueur d’onde
3.4 Validation du modèle théorique de calcul d’OSNR
3.5 Règles d’ingénierie de liaison optique
3.5.1 Coût d’une section sans filtre
3.5.2 Impact des effets de distorsion
3.5.3 Impact de l’insertion d’un bloqueur de longueur d’onde
3.5.4 Calcul de portée (longueur maximale d’un arbre de fibres)
3.5.5 Conclusion
CHAPITRE 4 V ALIDEUR DE COUCHE PHYSIQUE D’UN RÉSEAU OPTIQUE SANS FILTRE
4.1 Objectif de la conception du valideur de couche physique
4.2 L’intégration des contraintes physiques dans le RWA
4.3 Le valideur de couche physique
4.3.1 Le logiciel MATLAB®
4.3.2 Processus d’évaluation d’une liaison optique sans filtre
4.3.3 Algorithme de validation
4.4 Analyse des résultats
4.4.1 Évaluation d’une solution sans filtre
4.4.2 Comparaison entre le valideur et un logiciel de simulation (VPI)
4.4.3 Caractéristiques du valideur de la couche physique
CONCLUSION
ANNEXE I SCHÉMA DE SIMULATION D’UNE LIAISON À DEUX BRANCHES COMBINÉES
ANNEXE II SCHÉMA DE SIMULATION D’UNE LIAISON DIVISÉE
ANNEXE III SCHÉMA DE SIMULATION D’UNE LIAISON LINÉAIRE COMPRENANT UN BLOQUEUR DE LONGUEUR D’ONDE (WB)
ANNEXE IV DIAGRAMME DE FLUX DE L’ALGORITHME DE VALIDATION
ANNEXE V REPRÉSENTA TI ON DES ARBRES DE FIBRES DE LA SOLUTION SANS FILTRE ÉVALUÉE
ANNEXE VI CODE MATLAB DU V ALIDEUR DE LA COUCHE PHYSIQUE
LISTE DE RÉFÉRENCES
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