Les techniques de transmission optique.

1. Les techniques de transmission optique. Projet bibliographique. Anthony REGIS / Romain VENOT

2. Introduction • Fin des années 1970 : possibilité de transmettre à la vitesse de la lumière? • Centres de recherche permanent. • Des débits actuels de l’ordre du To/s. Anthony REGIS / Romain VENOT

3. Plan de la présentation. • Définition d’une fibre (fabrication, différents types etc…) • Les fibres dans les différentes zones réseau. • Le multiplexage des données. • La modulation, la détection et l’amplification des signaux. • Les évolutions des systèmes optiques et la recherche actuelle. Anthony REGIS / Romain VENOT

4. 1) Définition d’une fibre • Un guide d'onde optique de 2 ou plusieurs couches de diélectriques transparents (verre ou plastique) d'indices de réfraction différents. Anthony REGIS / Romain VENOT

5. 1) Définition d’une fibre • Dans une fibre, la lumière est confinée dans le coeur et guidée grâce à la gaine optique. • Deux types de fabrication: méthodes internes et externes: • Consiste en la pose à l'intérieur d'un tube de silice d’un matériau vitreux et à rétreindre cette structure pour obtenir un barreau. • Le matériau est déposé sur un mandrin en rotation. Le rétreint est effectué après retrait du mandrin en même temps que la vitrification du matériau. Anthony REGIS / Romain VENOT

6. 1) Définition d’une fibre – 2 types. • Il est à noter qu'il existe deux types de fibres optiques définies de la façon suivante: • La fibre monomode • Si le cœur de la fibre est de l’ordre de quelques microns, la lumière s’y propage selon un seul mode, c’est une fibre dite monomode. • Utilise un laser. • La fibre multimode • si par contre le coeur est de l'ordre de plusieurs dizaines de microns  fibre multimodale  propagation de la lumière plus complexe avec phénomènes de dispersion plus importants. • Utilise une diode. Anthony REGIS / Romain VENOT

7. 1) Définition d’une fibre – Transmission. • Nombreux atouts par rapport aux câbles en cuivre : • Débits très élevés, • Légèreté, • Encombrement moindre, • Insensibilité aux perturbations électromagnétiques, • Résistance à la corrosion... Anthony REGIS / Romain VENOT

8. 1) Définition d’une fibre – Transmission. • Un rayon guidé va subir une réflexion totale à l'interface des deux couches optiques. • Un rayon hors du cône d'acceptance sera simplement réfracté à l'entrée dans la fibre puis à l'interface des deux couches, il passera alors dans la gaine et sera perdu. • L'angle d'acceptance permet de définir ce qu'on appelle l'ouverture numérique de la fibre, ouverture qui dépend bien évidemment des indices respectifs des deux couches optiques. Anthony REGIS / Romain VENOT

9. 1) Définition d’une fibre – Connexions. •  Une fibre ne peut pas mesurer plusieurs kilomètres pour relier un réseau de bout en bout. • Exemple: pour relier Europe et USA, plusieurs fibres sous-marines ont été posées et ont du être soudées entre elles. • On appelle les extrémités sectionnées des fibres des épissures. Anthony REGIS / Romain VENOT

10. Définition d’une fibre – Connexions. • Lors d'une connexion bout à bout on peut avoir au niveau des connexions: • une séparation longitudinale , • un désalignement radial , • un désalignement angulaire , • une excentricité des coeurs , • voire une ellipticité des coeurs . • Le positionnement idéal coïncide évidemment avec un maximum de lumière transmise. Anthony REGIS / Romain VENOT

11. 1) Définition d’une fibre – Connexions. • Dès lors, on perçoit un problème important  L'affaiblissement du signal au passage dans ces épissures si celles-ci ne sont pas bien calées ou sont mal soudées. • Plusieurs sources d’affaiblissement. Anthony REGIS / Romain VENOT

12. 2) Les fibres dans les différentes zones réseaux. • Dans le monde de l'informatique et des télécommunications, 3 zones principales, ou types de réseaux, ont été définies: • Les réseaux longues distances (WAN, Wide Area Network). Ce sont les réseaux déployés à l'échelle d'un pays ou d'un continent et dont les noeuds sont de très grands centres urbains. • Les réseaux métropolitains (Metropolitan Area Network = MAN) qui correspondent aux réseaux mis en oeuvre dans une grande ville. • Les réseaux locaux (Local Area Network = LAN). Ils représentent le dernier maillon et finissent d'acheminer les informations à l'abonné. Anthony REGIS / Romain VENOT

13. 2) Les fibres dans les différentes zones réseaux - WAN • Interconnecte deux réseaux séparés par une vaste distance géographique grâce à deux autocommutateurs à autonomie d'acheminement. • La transmission des informations se fait désormais sur fibre optique à un débit élevé qui ne cesse d'augmenter (les débits 2,5 Gbits/s et 10 Gbits/s sont déjà installés) • Les fibres ont permis de gagner en débit et en distance entre répéteurs par rapport aux systèmes existants, à savoir le câble coaxial (la distance passe de 2 à 100 km). Anthony REGIS / Romain VENOT

14. 2) Les fibres dans les différentes zones réseaux - MAN • Le réseau métropolitain connaît un véritable essor. Il possède un environnement souvent très complexe et divers. On peut distinguer 2 types de réseaux métropolitains: • Métropolitains structurants, • Métropolitains d'accès. Anthony REGIS / Romain VENOT

15. 2) Les fibres dans les différentes zones réseaux - LAN • C'est la dernière partie du réseau de télécommunication, celle qui relie l'abonné et le dernier autocommutateur. • Il est toujours constitué par une partie en fibre optique entre l'autocommutateur et la terminaison de réseau optique suivie d'une partie en cuivre qui va jusque chez l'abonné. •  Il est de plus en plus envisagé de réduire l'utilisation de circuits de transmission électrique  tout optique dans le but d'augmenter le débit disponible chez l'abonné. Anthony REGIS / Romain VENOT

16. 2) Les fibres dans les différentes zones réseaux - LAN • Selon la localisation de la terminaison optique, différentes configurations sont envisageables : • FTTH/FTTO (Fiber To The Home / Fiber To The Office) : la terminaison de réseau optique est implantée dans les locaux de l'abonné. La fibre va donc jusqu'à son domicile ou son bureau, et la partie circuit cuivré est très courte. • FTTB (Fiber To The Building) : la terminaison de réseau optique est localisée soit au pied d'un immeuble, soit dans un local technique en sous-sol. Elle est partagée entre plusieurs abonnés qui lui sont raccordés par des liaisons en fil de cuivre. • FTTC/FTTCab (Fiber To The Curb / Fiber To The Cabinet) : la terminaison de réseau optique est localisée dans une armoire sur la voie publique, dans un centre de télécommunications, ou encore sur un poteau. Anthony REGIS / Romain VENOT

17. 2) Les fibres dans les différentes zones réseaux - LAN Anthony REGIS / Romain VENOT

18. 3) Le multiplexage des données. • Diverses solutions ont été proposées pour pouvoir bénéficier pleinement des capacités de la fibre. • La technique de multiplexage a été choisie, elle consiste à partager le média de communication, pour y envoyer les données. Le multiplexage peut être temporel ou à longueur d'ondes. Anthony REGIS / Romain VENOT

19. 3) Le multiplexage des données – Multiplexage temporel • Le multiplexage temporel (TDM=Time Division Multiplexing)  offrir à un utilisateur à la fois, la totalité de la bande passante pendant un court instant. • L'allocation se fait en divisant l'axe du temps en intervalles de temps (IT), et chaque utilisateur ne pourra transmettre que pendant son intervalle de temps. • Rq: Un atout majeur: on peut regrouper plusieurs canaux de communications à bas débits sur un seul canal à débit plus élevé. Anthony REGIS / Romain VENOT

20. 3) Le multiplexage des données - Multiplexage temporel Chaque intervalle de temps (IT) est affecté à une voie. Anthony REGIS / Romain VENOT

21. 3) Le multiplexage des données - Multiplexage temporel - Optique • Le multiplexage temporel peut être réalisé de manière optique (OTDM= Optical Time Division Multiplexing). Anthony REGIS / Romain VENOT

22. 3) Le multiplexage des données - Multiplexage temporel - Electronique • Dans le cas de l'ETDM, le codage RZ et " l'assemblage " des données se font électriquement . • Le haut débit obtenu est ensuite utilisé pour la modulation du courant de polarisation d'une diode laser et il n'y a qu'un seul signal lumineux émis. • On retrouve ce type de multiplexage temporel sur les canaux E1 en Europe qui regroupent 30 voies analogiques en une voie à 2,048 Mbits/s.    Anthony REGIS / Romain VENOT

23. 3) Le multiplexage des données - Multiplexage temporel - Electronique Anthony REGIS / Romain VENOT

24. 3) Le multiplexage des données - Multiplexage en longueur d’ondes(WDM) WDM (Wavelength Division Multiplexing): • N porteuses optiques à différentes longueurs d'onde transmettant chacune un débit D. • La bande passante est découpé en périodes. Chaque sous-bande est affectée à un canal. • Appelé aussi multiplexage frequentiel (Frequency Division Multiplexing). Anthony REGIS / Romain VENOT

25. 3) Le multiplexage des données - Multiplexage en longueur d’ondes(WDM) • L'utilisation nécessite: • Un ensemble de diodes laser émettant à des longueurs d'ondes différentes. • Des multiplexeurs/démultiplexeurs optiques pour combiner/séparer l'ensemble des signaux optiques dans/de la fibre. Anthony REGIS / Romain VENOT

26. 3) Le multiplexage des données - Multiplexage en longueur d’ondes(WDM) • Pour éviter le chevauchement des ondes, il faut déterminer un espacement minimum qui dépend de plusieurs facteurs : • Qualité de la fibre • Qualité des multiplexeurs/démultiplexeurs, • Longueur de transmission, • Qualité des sources, • Débit des données de chaque source ... • La capacité du système est un débit numérique égal à N * D. • Une autre application du WDM concerne les LAN. Chaque abonné se voit attribuer une longueur d'onde, ce qui équivaut à une "couleur". • Permet une évolution continue du réseau par l'ajout de nouveaux services ou de nouveaux abonnés simplement par insertion d'une nouvelle longueur d'onde. Anthony REGIS / Romain VENOT

27. 3) Le multiplexage des données – WDM Combiné à TDM • Chaque signal modulé issu d'une étape de multiplexage temporel, peut être ensuite multiplexé avec d'autres signaux à d'autres longueurs d'onde. • Associer TDM et WDM est la situation la plus fréquente. • Dans ce cas, après démultiplexage optique, une étape de démultiplexage temporel permet la restitution des signaux d'origines " bas débit ". Anthony REGIS / Romain VENOT

28. 3) Le multiplexage des données – Accès multiple à répartition de code - CDMA • CDMA (Code Division Multiple Access)  affectation d'un code à chaque station ou utilisateur. • Chaque bit=1 est remplacé par une séquence différente pour chaque utilisateur et définie comme la signature (le code). • Un nombre important de messages peut être envoyé sur une même ligne de transmission. • Le destinataire possédant la bonne " clé " pourra décoder son signal. Anthony REGIS / Romain VENOT

29. 4) La modulation, la détection et l’amplification des signaux. • Pour transmettre des informations dans les medias optiques, il faut les imprimer sur le signal à envoyer, c'est ce que l'on appelle modulation. • Pour cela, il est nécessaire de réaliser une conversion des données électriques en données optiques. • Il existe principalement 2 techniques : la modulation directe et la modulation externe. Anthony REGIS / Romain VENOT

30. 4) La modulation, la détection, l’amplification … Modulation directe – modulation d’amplitude • Modulation facile : • la modulation du courant qui les traverse entraîne directement la modulation en intensité de la lumière émise. • Peu de composant : • en dehors du laser, seuls un générateur de courant et un driver sont nécessaires. Anthony REGIS / Romain VENOT

31. 4) La modulation, la détection, l’amplification … Modulation externe • La modulation externe consiste à écrire les données électriques sur un signal optique continu. • Elle est obtenue en modulant directement le faisceau lumineux en sortie du laser et non plus le courant d'alimentation à l'entrée du laser. • Un driver est souvent présent entre les données et le modulateur afin de fixer les niveaux de la tension de contrôle et choisir les modifications du facteur de transmission. Anthony REGIS / Romain VENOT

32. 4) La modulation, la détection, l’amplification … La détection • Plusieurs méthodes pour envoyer l'information sur le media lumineux  différentes techniques pour la récupérer. • Le photodétecteur (photodiode PIN ou avalanche) est toujours nécessaire pour convertir le signal optique en électrique. • Deux types de détection: • Directes, • Cohérentes (hétérodyne, homodynes). Anthony REGIS / Romain VENOT

33. 4) La modulation, la détection, l’amplification … La détection - directe • Pour extraire le signal qui module en amplitude une onde, on peut le redresser. Le signal modulant et des harmoniques sont alors émis. • Les harmoniques peuvent être éliminées par filtrage, dans la mesure où la fréquence de l'onde porteuse est très grande devant la fréquence maximale du spectre du signal modulant. • Le détecteur peut être réalisé soit par une diode PIN, soit une photodiode à avalanche (PDA). Anthony REGIS / Romain VENOT

34. 4) La modulation, la détection, l’amplification … La détection – hétérodyne/homodyne • Réception hétérodyne : Le signal reçu ainsi qu'un signal issu d'un oscillateur local sont couplés pour réaliser une combinaison linéaire des signaux présents sur ses deux entrées. • Une des deux sorties attaque le photomélangeur. Le signal détecté est filtré autour de la fréquence intermédiaire. • Réception homodyne : utilisation d’un oscillateur local à la même fréquence que le signal reçu et synchronisé en phase avec la porteuse de celui-ci. • réception homodyne  cas particulier de la réception hétérodyne. Anthony REGIS / Romain VENOT

35. 4) La modulation, la détection, l’amplification … L’amplification • Pour minimiser les perturbations (bruit et distorsion) sur les signaux, préamplificateur et photodétecteur sont souvent réunis dans un même boîtier. On rencontre deux types de préamplificateurs. • L'amplificateur à haute impédance d'entrée  Jusqu'à quelques MHz,  Structures très sensibles et de faible bruit. • L'amplificateur transimpédance  freq. > 50 Mhz, moins de bruit que Haute Impédance. • Limites : • Au-delà de 500 MHz, cette solution est limitée par des problèmes de stabilité et on utilise des transistors à effet de champ. Anthony REGIS / Romain VENOT

36. 5) Les évolutions et la recherche actuelle – Le pont Laser • Interconnexion de deux bâtiments grâce à une liaison laser et donc sans fils. • Les avantages offerts par ces solutions sont nombreux et méritent d’être examinés : • Pas de licence d’utilisation • Bande passante élargie • Sécurité des transmissions de données • Installation rapide • Rapport Prix/performance • Souplesse et adaptabilité Anthony REGIS / Romain VENOT

37. 5) Les évolutions et la recherche actuelle – La recherche • Les progrès dans ce domaine sont encore plus rapides que pour les microprocesseurs. • Aujourd'hui: 10 Gigabit/s sur le terrain pour une paire de fibre et 2,6 térabit/s en laboratoire (Fujitsu). • Le point clé se trouve aujourd'hui au niveau des "routeurs" tout optiques qui doivent orienter les paquets de donnée à ce débit . • Atrium, projet financé par l'Europe. Mise en place en laboratoire permettant de tester des "routeurs terabits" – (Avril 2001) Anthony REGIS / Romain VENOT

38. 5) Les évolutions et la recherche actuelle – La recherche • Le WDM (Wavelength Division Multiplexing), permet de multiplier par 32 la capacité de la fibre (10 gigabit/s par canal) soit 320 Gigabit/s par paire de fibre. • Nortel travaille depuis 1999 sur la technologie "OPTera" qui gère 160 couleurs: 1,6 térabit/s • Le DWDM (Dense WDM) avec 300 longueurs d'onde puis l'UDWDM (Ultra DWDM) avec 1022 ont déjà fonctionné en 1999 aux Bell Labs • Début 2001 Cable & Wireless annonçait le projet Apollo d'une capacité de 26 térabit/s. Anthony REGIS / Romain VENOT

39. Conclusion • Développement de la piste tout optique. • Problèmes actuels: • Routeurs pouvant supporter les débits énormes des fibres ? • Recâbler chaque habitation en remplaçant la paire de cuivre, par un média optique. • Les grands constructeurs se penchent très sérieusement sur la conception du meilleur routeur. Anthony REGIS / Romain VENOT

40. Sources • http://www.cem2.univ-montp2.fr/~moreau/cours/TelOptiques.doc Propagation, dispersion, équations mathématiques… • http://www.comelec.enst.fr/recherche/opto/cdma.html Techniques avancées de communications numériques optiques • http://www.comelec.enst.fr/recherche/opto/projetsci.html Rapports divers sur les transmissions optiques, le multiplexage etc… • http://nobo728x.free.fr/index.php?page=fibre Rapport sur les transmissions optiques et les conversions opto-électriques et electro-optiques. • http://www.uhb.fr/urfist/Supports/IntroInternet/InternetAujourdhui/InternetAujourd'hui_reseaux.htm Les réseaux : fondements, topologies, évolutions, fonctionnement. • http://www.cyber.uhp-nancy.fr/demos/GTRT-002/cha_2/cha_2_3_4.html Les fibres : caractéristiques, calculs mathématiques, épissures … Anthony REGIS / Romain VENOT

41. QUESTIONS ? ? ? ? Anthony REGIS / Romain VENOT