Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 1 SYSTEMES ET RESEAUX WDM Yves JAOUEN Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications Groupe Télécommunications Optiques Département Communications et Electronique, CNRS UMR 5141 46 rue Barrault, 75634 Paris Tel : 01 45 81 77 32 Email : [email protected]
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Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 1
SYSTEMES ET RESEAUX WDM
Yves JAOUENEcole Nationale Supérieure des Télécommunications
Groupe Télécommunications OptiquesDépartement Communications et Electronique, CNRS UMR 5141
L’accroissement des capacités est « tirée » par l’innovation technologique
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 6
Réseaux optiques trans-océaniques
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 7
Liaison optique longue distance (1)
Inputdata
Laser Modulateur 50 – 100 km
Amplificateur
N sections = 1000 à 10000 km
LPF
Multiplexeur Démultiplexeur
Outputdata
Transmission optique- support fibre- amplification optique
Génération de signaux optiques- transducteur E/O :lasers à semi-conducteurs- transducteur O/E : photodiode
Accroissement des capacités- augmentation du débit → limitation par dispersion, circuits électroniques- multiplexage en longueur d’onde (systèmes WDM)
Le traitement tout-optique des signaux pas encore mature
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 8
Liaison optique longue distance (2)
Inputdata
Laser Modulateur 50 – 100 km
Amplificateur
N sections = 1000 à 10000 km
LPF
Multiplexeur Démultiplexeur
Outputdata
• Source optique → Modulation directe ou externe ?
• Fibre optique → Dispersion chromatique, effets non-linéaires • Amplificateur de ligne → Accumulation de l ’ASE• Diaphotie intercanaux → Dégradation de la sensibilité du récepteur
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2ème partie :
Support de propagation
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Atténuation dans les fibres optiques
Origine- Diffusion Rayleigh
(la silice est un milieu amorphe)
- Absorption(résonance du matériau à différents λ)
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Amplification Erbium en régime WDM
• Pré-égalisation
• Fibre dopée à verre fluoré EDFA
• Filtre-égaliseur passif
1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
1 ampli 5 ampli
∆G = 2.5 dB
1529-1562 nm
Gai
n flu
ctua
tion
(dB)
Longueur d'onde (nm)
Non-uniformité de la courbe de gaindes amplificateur EDFA
Solutions :
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Amplificateurs à verre fluoré dopé Er3+
Gain uniforme naturellementPompage à 1480 nm (ASE à 980 nm)Soudure difficile avec fibre en silice (θ° de fusion différente)
Matrice hôte : verre fluoré
Platitude du gain (pour G ~ 20 dB)
Fibre à silice- 1dB variation over 20nm (154-1560 nm)- 2.5 dB over 30nm
Fibre à verre fluoré- 1.1 dB over 30 nm
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Techniques d’égalisation de gain
Pré-égalisation des signauxSortie de chaîne d’EDFAEntrée
Egalisation du gain de l’amplificateur
MuxInput
Pompe
MuxOutput
Pompe PompePompe
Mux Mux
Techniques : réseaux photo-inscrits, films diélectriques, …Atténuation : 1 à 10 dB en fonction de la longueur d’onde et de l’architecture de l’EDFANFtotal = NF1 + NF2 /(G1 . T) ~ NF1 si G1T >> 1
Sans pré-égalisation
Avec pré-égalisation
Nbre d’EDFA et bande de gain réduits
1530 1540 1550 1560-6
-4
-2
0Transmission
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5ème partie :
Multiplexage en longueur d’onde
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Plan de fréquence
EDFABan
de C
EDFABan
de L
Longueur d’ondede référence
Spectre d’absorptioncyanure d’hydrogène (H13C14N)
Système de stabilisation d’une source laser(laser DFB, laser à cavité externe)
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Technologies de multiplexage (1)
Technologies « bulk »
Films dichroïques(Avanex, …)
Réseaux de diffraction(Yenista, Kylia, …)
Input (λ1,λ2,λ3 )
Réseau dediffraction
λ = θn 4necos
…, λn-1, λn, λn+1, …
Filtre interférentiel(couches λ/4)
λn
( )α + β = λd sin sin mAngle de diffraction b
d
αβ
Indice élevéIndice faible
β=
λ βd md dcos
Dispersion angulaire
λ1, λ2, λ3, λ4, λ5,… λ1
λ3
λ5λ2
λ4
λ6Input (λ1,λ2,λ3 )
Lentille gradient d’indice
Réseau dediffraction
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Technologies de multiplexage (2)
Technologies « intégrées »
Phasars(JDSU, …)
Principe
1 - Spectre WDM dans fibre d’entrée2 - Propagation en espace libre3 - Retard de phase entre guide (∆L)4 - Plan d’onde fonction de λ5 - Recombinaison des ondes6 - Interférence constructive dans 1 guide de sortie
(1 λ par fibre de sortie)
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Technologies de multiplexage (3)
Exemple : Multiplexeur 40 canaux, 100 GHz
Kylia 100GHz spacing < 18 ch. < 45 ch.
Insertion loss < 2.5 dB < 3 dB
PDL < 0.1 dB < 0.2 dB
IL uniformity < 0.3 dB < 0.7 dB
Adjacent X-talk > 33 dB
Cumulative X-talk > 30 dB
Channel width@-1dB > 14 GHz
Channel width@-3dB > 24 GHZ
PMD < 0.2 ps
Chromatic dispersion ±10 ps/nm
Operating °C range -5 to 70 °C
Caractéristiques typiques- Espacements: 25 (?), 50, 100 & 200 GHz - Nbr de canaux variables : 100GHz / 8 à 80 Ch- Gabarit de filtre : flat-top ou gaussien- pertes d’insertion : 2-3 dB- PDL < 0.2 dB- Pas de dépendance à la température
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6ème partie :
Influence des effets non-linéaires
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Effets non-linéaires
Interactions intra-canal Interactions entre canaux
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FWM intra-canal (I-FWM)
temps
fréquences
temps
Fibre dispersive
Impulsions chirpées
Impulsionfantôme
Fibre dispersive
temps
Application : D = 17 ps/nm/km, L = 100 km - 10 Gb/s → Ldisp ~ 40 km ( >> Leff)- 40 Gb/s → Ldisp ~ 2.5 km ( << Leff)
Phénomène significatif à 40 Gb/s
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Intermodulation de phase intra-canal (I-XPM)
temps tem
∆ωXPM
Dispersivefibre
ps
Dispersivefibre
temps
temps
Application : D = 17 ps/nm/km, L = 100 km - 10 Gb/s → Ldisp ~ 40 km ( >> Leff)- 40 Gb/s → Ldisp ~ 2.5 km ( << Leff)
Phénomène significatif à 40 Gb/s
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 68
Comparaison 10/40 Gb/s des marges système
N * 10 Gb/sDlch = 50 GHz0.2 bit/s/Hz
N * 40 Gb/sDlch = 100 GHz0.4 bit/s/Hz
Puis
sanc
e/ca
nal
(0 à 5 dB en fonctionde la configuration)
FEC 5 dB
FEC 5 dBFEC 5 dB
N * 40 Gb/s
AmplificationErbium/Raman
6 dB
Limitation pareffects non-linéaires
Limitation parBruit optique
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7ème partie :
Nouvelles technologies
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Evolution des performances
rechercheNbre canaux256
déploiement80
103 km 106 km
10 Gb/s
1024 Gb/s
Distance
Débit
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 71
1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 200210
100
1000
10000
100000
Cap
acité
tota
le (G
b/s)
Années
10 Gb/s 40 Gb/s
Performances obtenues en laboratoire
- Efficacité spectrale (Rb/Dfch)- Distance (amplification EDFA ou amplification Raman)- Bande passante de gain des amplis (EDFA bande C 32nm)- Formats de modulations
Paramètres importants
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Nouvelles technologies
Amplification RamanDistribution du gain pour accroître la transparence de la fibre
- Réduction de l’ASE accumulée : accroissement de l’OSNR- Puissance injectée plus faible : minimisations des effets non-linéaires
Utilisations de codes correcteur d’erreur (FEC)- TEB = 10-9 → TEB = 10-4 : gain 6 à 8 dB sur l’OSNR requis en extrémité- Sur-débit 5 à 12% en fonction du code utilisé- Codes utilisés : Reed-Salomon, BCH, Turbo-codes …
Nouveaux formats de modulations (CS-RZ, DPSK, …)- OSNR requis plus faibles
modulation DPSK : gain ~ 6 dB / format NRZ- Occupation spectrale plus faible
accroissement efficacité spectrale : 0.2 Bit/s/Hz → >1 Bit/s/Hz- Modulation DPSK : format à enveloppe constante
réduction des effets NL, gain de format
Très haut débits : techniques OTDM
Accroissement de la bande de gain des amplificateurs optiques
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 73
Amplification Raman (1)
Spectre de gain Raman
0 10 20 300.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Gai
n ra
man
(*10
-13 m
/W)
Fréquence (THz)
Matrice vitreuse
= pumpR eff
eff
PG exp(g L )
A
Niveau virtuel
Pompe
Emission spontanée
Phonon(= état vibrationnel)
Niveau fondamental
Emission stimulée
SignalLongueurs et angles des liens +/- aléatoires
→ grande étendue de modes de vibration
- Maximum de gain : 13.2 THz (soit ~100nm à 1480 nm)- Bande de gain ~7.5 THZ (soit 25 nm)
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 74
Amplification Raman (2)
Variation du gain Ramanen fonction du type de fibres
- Dépendance Aeff (CR = gR/Aeff)- Influence des pertes- Influence des dopages (Ge02, …)
2 définitions du gain
Gain entrée-sortieλ
= −αλ
out sR pump eff loss
in s
P ( ) exp(C P L L )P ( )
Gain On-Offλ
=λ
out s PumpOnR pump eff
in s PumpOff
P ( )exp(C P L )
P ( )
Exemple : fibre SMF28 50 kmPpump = 540 mW
Gain entrée-sortie = 3 dBGain On-Off = 18 dB
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Amplification Raman (3)
Structure d’amplificateur Raman
Gon-Off = 20 dB → Ppump ~ 150-250 mW
PompeContra
Fibre
PompeCo
−
− +
=
= = + =
outOn Off
out
ef
Pompage Pompageco contr
f p p
a
R
P (PumpOn)GP (PumpOff )exp( L [P (z L) P (z 0)C ])
Exemple 100 km de SMF28
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 76
Amplification Raman (4)
Amplificateur Ramanà grande bande passante
(→ pompage multi-λ)
Intérêts de l’amplification Raman
- Amplification à toute longueur d’onde(→ Amplification en dehors bande Er3+)
- Amplification à grande bande passante(→ Bande passante > 100 nm)
- Amplification distribuée(→ Minimisation de l’ASE)
L’interaction Raman entre pompes influence fortement le gain composite
(gain dépendant des puissances et des longueurs d’onde des pompes)
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 77
Amplification Raman (5)
2 11ase
spannet o net
PNF(G )h B G
= +− ν
Fibre passive=NF Loss
Obtenu par résolution numérique
=NF Loss
Amplification distribuée
Amplification localisée« équivalente »
<spanNF NF
NFspan GOn-Off
−= +
=
effspan
eff
NF 1NF NF1/ Loss
Loss NFNFeff GOn-Off
Gon-Off
NFeff
eff spanNF (dB) NF (dB) Loss(dB)= −
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 78
Principales limitations de l’amplification Raman
Double diffusion Rayleigh
Signal
SimpleRayleigh
DoubleRayleigh
Interférences
Limitation de G et L(→ Gmax ~ 25 dBpour L = 100 km)
RIN de la pompe (→ transfert du bruit de la pompe vers le signal)
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 79
Formats de modulation traditionnels
Modulation NRZ- Simplicité de mise en œuvre (1 modulateur MZ)- Occupation spectrale faible
0 5 10 15 20
Pha
se
Bit time
0.0
0.5
1.0
Pow
er
0 5 10 15 20
Pha
se
Bit time
0.0
0.5
1.0
Pow
er
Modulation RZ- Mise en œuvre aisée (2 modulateurs MZ : génération d’impulsion + modulation NRZ)- Occupation spectrale élevée- Meilleure résistance aux effets non-linéaires (SPM et XPM en particulier)
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
Pow
er (1
0 dB
/div
)
Wavelength (nm)
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
P
ower
(10
dB/d
iv)
W avelength (nm )
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 80
Nouveaux formats de modulation
Modulation CSRZ- Mise en œuvre ~ modulation RZ (2 modulateurs MZ )- Détection directe- Gain ~ 2 dB sur OSNR/ modulation NRZ OOK (NRZ→ RZ : puissance crête *~2)
Modulation DPSK- Mise en œuvre aisée (1 modulateurs MZ + encodeur binaire électrique)- Démodulation DPSK optique (complexité de mise en œuvre)- Meilleure résistance aux effets non-linéaires (enveloppe constante)- Gain ~ 3 dB sur OSNR / modulation NRZ-OOK (OOK : ½ énergie dans porteuse)
0 5 10 15 20
Phas
e
Bit time
0,0
0,5
1,0
Pow
er
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
Pow
er (1
0 dB
/div
)
Wvalength (nm)
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0
Pow
er (1
0 dB
/div
)
Wavelength (nm)0 5 10 15 20
Pha
se
Bit time
0,0
0,5
1,0
Pow
er
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160 Gb/s : techniques OTDM
Multiplexage temporel1/Rb
TDM - //
RZ pulseGenerator
TDM - ⊥
La polarisation bit-à-bitalternée permet de réduire les contraintes imposées sur :- niveau du taux d’extinction- largeur d’impulsion- les interactions NL (I-FWM)4 x Rb ETDM
Démultiplexage temporelPINEO modulator
Rb ETDMNx Rb RZ signal
RécupérationD’horloge Horloge à Rb
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 82
Accroissement de la bande spectrale
λ
Rayleigh
CurvatureFIBRE
AMPLIFIERS
XS band S+ band S band C band L band L+ band
EDF(F)A
EDFA + gain equalizing filter
EDF(F)A + gain equalizing filter + Raman amplification
Telluride EDFA
RAMAN
30nm 40nm
47nm52nm
75nm
76nm
80nm
SOAs achievable range
Multi-pump Raman achievable range
P(praseodymium)DFA
36nm38nmTm( thullium)DFA Multi-pump RAMAN
22nm 36nm
1390 nm
-OH
1250 1350 1450 1490 1530 1570 1610 1650
EDFA
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8ème partie :
Familles de systèmes
Yves Jaouën, WDM et nouvelles technologies optiques, page 84
Familles de systèmes
années 80
1990
1996
2-8 canaux2.5 Gb/s, espacement 400 GHzPré-égalisation des signaux3 à 4 amplificateurs en cascade
16-32 canaux2.5 Gb/s, espacement 100-200 GHzEgalisation du gain des EDFA8 * 100 km (limitation par l’ASE)
64 canaux → 80 canaux10 Gb/s, espacement 50 GHzGestion de dispersion 10 * 100 kmUtilisation de fibres NZ-DSF (> 1000 km)
2000
2 canaux :1300/1550nm
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Solutions commerciales (1)
13 x 29.4 dB = 1529 km
40 λ2.5 Gb/s
13 x 26.4 dB = 1373 km
11 x 26.3 dB = 1157 km
10 x 25 dB = 1000 km
80 λ2.5 Gb/s
40 λ10 Gb/s
80 λ10 Gb/s
3 x 35 dB = 1000 km
80 λ10 Gb/s
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Adaptation des configurations (nbre de tronçons, débit/canal, …) - atténuation = 25 dB → 10 tronçons de 100 km- atténuation = 35 dB → 3 tronçons de 150 km
Accroissement des distances : utilisation de l’amplification Ramansolution proposée mais pas encore utilisée (normes de sécurité renforcées)
Systèmes sous-marins (Alcatel, Tyco (USA) , KDD (japon))Atténuation = 15 dB → distance > 10000 km
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Conclusion
L’accroissement continue des performances depuis 20 anstirée par l’innovation technologique
ChalIenge actuell’introduction massive des technologies dans les réseaux d’accèsimpose une réduction des coûts
Bibliographie conseillée- G. Agrawal : Optical fiber systems, Wiley-Intersciences, 2002- I. Kaminov and T. Li : Optical fiber Telecommunications IVA & IVB,
Academic press, Avril 2002- M. Joindot et I. Joindot : Les télécommunications par fibres optiques,