EXAMEN PROBATOIRE Présenté au Conservatoire National des Arts et Métiers de Paris Département STIC dans la spécialité ELECTRONIQUE Par Jérôme LAURENT
COMMUNICATIONS OPTIQUES A TRES HAUT DEBIT
Plan :
S yno pt ique d e s ss y st ème s à t r ra n smi s s sion o pt ique Le L f et s d e l a d i s per si sion d u mil ieu d e t r smi s sion Le s e f s pe ra n sm s si L f et s non-l iné air e s Le s con sequence s d e s e f T echnique s d e mul t ti p pl e xa g e s M od ul e s d ’ sion : " S ’é ém i s s si So ur ce" M od ul e s d e r é Dé t éc e pt ion : " te ct ion" A s o pt ique s Am pl i f f icat eur P é r et c t cod a g e d u canal d l d e t r smi s sion P r ro babil it é d é d ' 'e r r re ur e ra n sm s si Quel que s a p pl icat ion s
Présenté le 3 décembre 2004
Remerciements Ce rapport f ait le point, sur l’état de l’art des télécommunications optiques à très haut débit, dans le cadre de l’oral probatoire du diplôme d’ingénieur en électronique, préparé au Conservatoire National des Arts et Métiers de Paris. Il est le f ruit de six semaines de « travail nocturne », le nez plongé dans les articles et ouvrages sur le su jet, les yeux rivés sur l’écran jjusqu'à atteindre l’autisme, ou la jjoue posée gentiment une nuit de novembre sur le clavier, af in de pouvoir y graver AZERTY avant de partir travailler. Ce travail a pu être f inalisé, grâce aux dif f fé rentes discussions sur le su jet, à la contribution et l’encouragement de ma f amille, d’ami(e)s, de collègues de travails, de compagnons de galère du CNAM, etc. C’est pourquoi, jje tiens à remercier particulièrement Nadia, Bernard, Yacine, Fredo, Jean, Jia,… Encore merci !
Communications optiques à très haut débit J é AU R E N T ér rô me L L AU T C onser vat oir e N A N at ional d es Ar Ar t ts M M é ét t i er s d e Par is Dé Dé pa par t t ST I C te ment S C O r al al P l P r o b a t oi o i re r e , P r é s e n t é l é l e 3 d é P o r é é éc embr e 2004
1- Introduction Introduction.................... ......................................... ........................................... ............................................ ........................................... ........................................... .............................2 .......2 Introduction.......................................................................................................................................2 2- Syn Synopti optique que des sys systèm tèmes es àà tra transm nsmiss ission ion opt optiqu iquee .... ........ ........ ........ ....... ....... ........ ....... ....... ........ ....... ....... ....... ....... ........ ....... ....... ........ ....... ....... ....3 3 Synoptique systèmes transmission optique ..........................................................................3 2.1. Principe de base.............................. base.................................................... ............................................. ............................................. ............................................ ........................ .. 3 base................................................... base............................. ............................................ ............................................. ............................................. ......................... ...3 2.2. Les fibres fibres optiques optiques monomode mono modess .......... ..... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........3 ...33 monomodes .......................................... .................... ............................................ ............................................ ................................. ...........3 3- Les eff effets ets de la dis disper persio sion n du mil milieu ieu de tra transm nsmiss ission ion .... ........ ........ ........ ........ ....... ....... ........ ....... ....... ....... ....... ........ ....... ....... ........ ....... ....... ....7 7 dispersion transmission ........................................... ...................... ........................................... ........................7 ..7 3.1. Modulation Modulation de fréquence fréquence parasite parasite ......... ..... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .........8 ....88 .......................................... ................... ............................................. ............................................ ............................. .......8 3.2. Dispersio Dispe rsion n de polarisatio polar isation n (PMD, (PMD, Polarisation Polarisat Polarisation ion Mode Dispersion).......................................... Dispersion Dispersion)....... )............ .......... .......... .......... .......... .......... ..........8 .....88 Dispersion polarisation Dispersion)................................... .......8 4- Les conséq conséquences uences des effets non-li non-linéaire néairess ........ ................ ................ ................. ................. ................ ................. ................. ................ ................ ............8 ....8 non-linéaires ......................................... ................... ........................................... ........................................... ........................8 ..8 4.1. Effets Kerr.................... Kerr ........................................... ............................................. ............................................ ............................................. ...........................................9 ....................9 Kerr....................... ............................................. ............................................ ............................................. ............................................. ........................................9 ..................9 4.2. Effets Raman Raman et Brillouin........ Brillo uin............ ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........9 .....9 Brillouin............................................................... Brillouin......................................... ............................................ ............................................9 ......................9 5- Techni Techniques ques de multi multiplexag plexages es ........ ................ ................. ................. ................ ................. .......... . . .................................................. ................................................. .. 10 10 ................ ................ ................. ................... ........ ................ ................. ................. ................ ................ ........... 5.1. 5.1. Multip Mul tiplex lexage age en longue lon gueur ur d’onde d’onde (WDM, (WDM, Wavele Wav eleng ngth th Divisi Div ision on Multip Mul tiplex lexing ing)) ...... ... ...... ...... ...... ...... ...... ..... 10 Multiplexage longu longueur eur Waveleng Wavelength Division Multiplexing) ...................... ..................... 5.2. Multiplexag Multip lexagee temporel tempo rel Division Multiplexin Multip lexing) g) .......... ..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... 11 Multiplexage tempor el (TDM, Time Division Multiplexing) .......................................... .................... ............................... .........11 5.3. Principe Principe du multiplexag multip lexagee optique optique .......... ..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... ..11 11 multiplexage ........................................... .................... ............................................. ............................................ ........................... .....11 6- Module d’émi d’émission ssion Sourcess ........ ................ ................. ................. ................ ................. ................. ................ ................ ................. ................. ................ ............. ..... 12 d’émis sion : Source ................ ................ ................. ................. ................ ................. ................. ................ ................ ................. .............. 6.1. Les diodes lasers ............................................ ...................... ............................................ ............................................. ............................................. ............................. .......13 13 ........................................... .................... ............................................. ............................................ ............................................ ............................... .........13 6.2. Les modulateurs....................... modulateurs ............................................. ............................................ ............................................. ............................................. ............................. .......15 15 modulateurs..................... ............................................ ............................................. ............................................ ............................................ ............................... .........15 7- Module de récept réception ion : Détect Détection....... ion............... ................. ................. ................ ................. ................. ................ ................. ................. ................ ................ ......... Détection............................... Détection.......... ........................................... ............................................ ........................................... ........................ .... 16 7.1. Photodiodes..................................... Photodiodes............... ............................................ ............................................. ............................................. ............................................17 ......................17 Photodiodes.................................... Photodiodes............. ............................................. ............................................ ............................................. ............................................. ....................... . 17 8- Amplif Amplificateu icateurs rs optique optiques ................ ................ ................. ................. ................ ................. ................. ................ ................ ................. ................. ................ ............. ..... optiquess ........ ................. ......... ................ ................. ................. ................ ................ ................. ................. ................ ................. ................. ................ ............ .... 18 8.1. Amplificate Amplif icateur ur optique optique à semi-conducteurs semi-cond semi-conducte ucteurs urs (AOSC)................... (AOSC)....... (AOSC)............ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........18 ...18 Amplificateur (AOSC) .......................................... ............................................. ....................... . 18 8.2. 8.2. Amplifi Amp lificat cateur eur optiq op tique ue à fibre fibre dopée dopée (EDFA, (EDFA, Erbium Erbium Doped Doped Fiber Fiber Amplifi Amp lifier)..... er)........ ...... ...... ...... ...... ......19 ...19 Amplificateur optique Amplifier) ....................... ...................... . 19 8.3. Amplificateur Raman ............................................ ...................... ............................................. ............................................. ............................................19 ......................19 ........................................... ..................... ............................................ ............................................. ............................................. ....................... . 19 9- Pro Probab babilit ilitéé d’e d’erre rreur ur et cod codage age du canal al de tra transm nsmiss ission..... ion......... ........ ........ ........ ........ ....... ....... ....... ....... ........ ....... ....... ........ ....... ..... 20 Probabilité d’erreur du can transm transmission ission................... ......................................... ....................................... ................. 9.1. Probabilité Probabilité d’erreur d’erreur (BER, Bit Error Rate)........ Rate)... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... ..........20 .....20 Rate)....................................... Rate)............................................................. ......................................20 ................20 9.2. Code correcteu corr ecteurs rs d’erreurs d’erreurs (FEC, (FEC, Forward Forward Error Error Correctio Corr ection).. n)....... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... ..........21 .....21 correcteurs Correction).......................... Correction).... ..........................................21 ....................21 10- Quelqu Quelques es applic applications....... ations............... ................. ................. ................ ................ ........... ... ......... ................................................. ......... ........... ..... applications........ ations................ ................ ................. ................. ................ .......... .................................................... ................. ................. ................ ................. ................ ............... ............ ..... 23 10.1. Liaisons terrestres..................... terrestres............................................ ............................................. ............................................ ............................................. .......................... .... 23 terrestres.............................................. terrestres........................ ............................................ ............................................. ............................................. ....................... 10.2. Liaisons sous-marines................... sous-marines......................................... ............................................. ............................................. ..................................... ............... .......24 ....... ......24 sous-marines........................................................... sous-marines.................................... ............................................. .......................................... .................... ......24 24 11- Conclu Conclusion.... sion............ ................ ................. ................. ................ .............. ....... .................................................. ......... ....................... ................ ........ Conclusion... ................. ................ ................. ........................................................ ................ ........ ................. ................. ................ ................ ........................ ................ ................ ............... ....... 26 12- Biblio Bibliographie graphie ......... ................. ................ ................ ................. ................. ................ ................. ................. ................ ................ ................. ................. ................ ................. ............ ... 27 ................ ........ ................. ................. ................ ................. ................ ................ ................. ................. ................ ................. ................ .... 13- Annexes ........ ................ ................ ................. ................. ................ .......... ..................................................... .................................................. ......... ....................... ................. ............ ... ................. ......... ................ ................. ................. ................ ......... ................ ........ ................ ................. ................. ................ ........................ ................ ................ ................. ........... .. 29 13.1. Les fibres optiques ........................................... .................... ............................................. ............................................ ............................................. .......................... .... 29 ............................................. ....................... ............................................ ............................................. ............................................. ....................... 13.2. 13.2. Les fibres fibres à trous et les MEMS .......... ..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... ..........29 .....29 ............................................. ...................... ............................................. ............................................ ........................... 29 13.3. 13.3. Code correcteu corr ecteurr d’erreur d’erreur : Reed-Sol Ree d-Solomon omon ......... ..... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... ..30 30 correcteur Reed-Solomon................... Reed-Solomon ......................................... ............................................. ...................................30 ............30 13.4. Transmissions par solitons ............................................ ...................... ............................................. ............................................. ................................. ...........31 31 ........................................... ..................... ............................................ ............................................. ...................................31 ............31 13.5 13 .5.. Tabl Ta blea eau u réca ré capi pitu tula lati tiff des des prin pr inci cipa paux ux effe ef fets ts : « caus ca uses es et remè remède dess », pour pour un système syst systèm èmee 13.5. Tableau récapitulatif principaux effets causes remèdes fonctionnant àà 10 Gb/s. Gb/s................................................................ Gb/s.......................................... ............................................. ............................................. ............................. .......32 Gb/s...................... ........................................... ............................................. ............................................. ............................................ ........................... .....32 32
-1-
hi te t tu re re t y pique d rré se se au au d ttél é c o m mu mu ni ni c ti o r a n ç ai ai s Fig. 36 A r c hi te c tu t y pi d u ré d e té c a ti o n s f f s 10.2. Li a ai s s o n s ss ou s- m a ri n ne s
Comme l’illustr e tr ès bi b p pte de l’im por tance du r éseau o ptique sousbien la f igur e 38, on pe peut se r endr e com pt mar in qui est dé pl ployé au jo jour d’hui il pe p plées au r éseau ter r per met ainsi, une f ois cou pl re str e, de véhiculer l’inf or mation sur de cour te distance, mais aussi sur de tr ès long distance, comme les liaisons tr ansatlantiques, et tr ans pacif iques,…D’un b bout de la ter r re à un autr e et r éci p pr oquement ils f or ment ainsi une vér ita ble toile « d’autor oute de l’inf or matio ioon n ».
â bl e s ss ou s- m a ri n Fig. 37 C n s oo p tique s
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a r t o hie d a re oo p ti tique ss ou ou s s- m a ri ri ne n tte r re re s t re r Fig. 38 C o g r a p hi d e s l i ai ai s s o n s pp a r f f i b b re ne e t te re
Enf in un der nier gr a phe (f ig. 39) illustr e l’essor ex ponentiel que connaissent les communications o ptiques à tr ès haut dé bit. Montr ant ainsi la constante évolution, les ef f fo r ts de dévelo p pements et de r echer che,... Des techniques de tr ansmissions o pt ptiques qui sont consacr é, af in de pe p pter tr ès r a pi pidement à la per mettr e de s’ada pt constante augmentation des dé bi bits de tr ansmissions, po ppour r é po pondr e à un mar ché et une clientèle de pl pplus en pl plus nom br br euse et exigeante.
Ev ol ol u ti ti o mi s si o tique s Fig. 39 Ev o n d d e s t r t r a n s mi s si o n s oo p ti
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13- Annexes
Fig. 1
S y n t h s d hè se d d e s pp ri n n ci p p au x él é me n t s s cc o n s ti t tu ti f f d e s ttél é c o m mu ni c c a ti o o n s oo p tique s
13.1. Le s f f i b b re s oo p tique s
Fi b re s oo p ti tique s Fig. 2 Fi b re
Le s f re s àà t r ou s e t l e s M E M S 13.2. Le f i b b re t r ou M
Fi b re àà t r ou s e t pp ri ri n ci pe p ne m r c mu t a ti o X ) e n te tte c h n ol ol o gi gie M E M S Fig. 3 Fi b re t r ou n ci pe d d ’u ne m a t ri ri ce ce d d e cc o m mu a ti o n 33 D ( OC M
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o d e cc o r re re c te teu r d reu r : Re R ol o m o n 13.3. C d ’e r re Ree d -S ol
Fig. 1
S y n o p ti tique d re c ti ti o reu r d u cc o d e cc o r re o n d d ’e r re
On r a p pe pelle le po ppolynôme génér ateur d r du code R S : d −1
g ( x) = ( x − α )( x − α ²)....( x − α
Equ. 1
)=
d −1
∏ ( x − α ) i
i =1
Le p polynôme génér ateur est de degr é n-k , il est égal à d-1 = 2t, donc d = n-k +1. Pour vér if ier qu’un mot r eçu est b e, il f aut vér if ier que r (αi) = 0 de i = 1 à i = d-1. La matr ice bien un m ot code, de contr ôle H s’écr it donc :
⎡ 1 α α ² ⎢ 4 1 α ² α H = ⎢ ⎢... ... ... ⎢ ⎢⎣ 1 α d −1 α 2( d −1)
Equ. 2
−1
⎤ ⎥ ... α 2 ( n−1) ⎥ ⎥ ... ... ⎥ ( d −1)( n−1) ... α ⎥⎦ ...
α n
On a p pelle syndr ome la suite de valeur Si = R (αi) ppour i var iant entr e 1 et 2t. On a p pelle ppolynôme syndr o me d’er r re ur le ppolynôme S(x) déf ini ppar : Equ. 3
S ( x) =
2 t
∑
S i x i −1
i =1
Si lle e mot r eçu a des er r re ur s, il est égal à la somme d’un mot de code C(x) et d’un mot d’er r re ur E(x) avec R R(x) = E(x) + C(x) Equ. 4
E ( x ) =
e
∑
r
ei x i
i =1
Le po p r des er r pposition des er r ppar : r : polynôme localisateur d re ur s car actér ise la po re ur s , il est déf ini pa
Equ. 5
σ ( x) =
e
e
∏ (1 − x x) = ∏ (1 − α x) ri
i
i =1
i =1
Enf in, on tr ouve le p polynôme évaluateur pper mettant de déter miner la valeur des er r re ur s e k
Equ. 6
S ( x) E ( x) ≡ w( x)
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w( x) = σ ( x)
e
ek xk
∑ (1 − xx ) k =1
k
a bl bl e au au ré rré c a pi pi tu t a ti ti f d f ri n ci p au x e f f e t s au se se s e t re rre mè mè d e s » , pp ou ou r u n ss y s tè tè me me 13.5. T tul f d d e s pp ri n ci p au s : « cc au f o n c ti o x10 G b / s . o n n a n t àà N N
EFFECT
Cause
Remedy
Chromatic Dispersion (CD)
Dispersion in the fibre (material and waveguide dispersion) – acting on non-zero spectral width signals Birefringence in the fibre
Use external modulation, SMF + DCF fibre, DSF transm. fibre, compensation by apodized gratings None
Spontaneous emission in optical amplifiers
Perform optical filtering, Optimize power-budget design (keep the power per channel at the OFA input high enough) Keep the average power per channel low (< few dBm) at the fib re input
Polarization Mode Dispersion (PMD) Amplifier Spontaneous Emission (ASE) Noise Self Phase Modulation (SPM) Stimulated Brillouin Scattering (SBS)
Intensity modulation of signal modulates Refractive Index in fibre (Kerr effect) which in turn modulates signal phase Backscattering do to phonon-photon phonon-photon interaction
Keep launched power low enough (< 10 dBm), source dithering Possible serious impairment in case of bi-directional transmission transmission in fibre Use gain clamped amplifiers, flattened amplifiers, ifiers, equaliz equalizing ing optica opticall filters filters
Gain tilting (TILT)
Non perfect flatness of optical amplifier spectral response
Bandwidth Narrowing (BN)
Cascading of spectral responses of optical devices
Homo-wavelength Crosstalk (HoC)
Non-perfectly filtered channels contributions coming from channels at the same λ (possibility of beating)
Hetero-wavelengthCrosstalk (HeC)
Non-perfectly filtered channels – Contributions coming from channels at different λ (additive crosstalk)
Optimize performances of optical filters, optimize node architectures architectures
Cross Phase Modulation (XPM)
Refractive index modulation by one channel causes phase modulation in other co-directional channels
Keep the average power per channel low (< 0 dBm) at the fibre input
Four Wave Mixing (FWM)
Non-linear behaviour of refractive index in fibre – harmonics generated by channel intermodulation Scattering due to interactions with molecular vibrations in fibre – short λ channels ‘pump’ long ones in fibre
Use non-uniform channel spacing, Increase channel spacing
Stimulated Raman Scattering (SRS)
System N x 2.5 Gb/s
Main limiting effect chromatic dispersion
Possible remedies G.652 fiber external modulation
10 Gb/s
chromatic dispersion
external modulation, dispersion compensation
N x 10 Gb/s
chromatic dispersion, non-linearities
external modulation, dispersion compensation, optimize Δλ/ power-budget
Minimize number of cascaded elements, use elements with flat response on the channel bandwidth Optimize performances of optical filters, optimize node architectures architectures
Decrease channel spacing Keep the average average powe owerr per per channe channell low (< few dBm) at the fib re input
Practica l limitations Reg. span 600 – 800 km Amplif. span 80 - 120 km N Reg. span 60 km km (w/o comp.) 300 – 400 km (w comp.) Amplif. span 80 –120 km Reg. span 300 – 400 km Amplif. span 40 - 80 km N ≤ 16
≤
40
G.653 fiber (DS) N x 2.5 Gb/s 10 Gb/s N x 10 Gb/s
non-linearities (FWM, XPM) non-linearities (SPM), PM D non-linearities (FWM,XPM ) PM D
large/non-uniform Δλ optimize power-budget low power, none large/non-uniform Δλ optimize power-budget, none
Reg. span 800 – 1000 km Amplif. span 60 –100 km N ≤ 8 Reg. span 400 – 500 km Amplif. Amplif. span 80 –120 km Reg. span 300 – 400 km Amplif. Amplif. span 60 –100 km N≤8
G.655 fiber (NZD) N x 2.5 Gb/s 10 Gb/s N x 10 Gb/s
PMD
none
non-linearities (SPM), PMD, chromatic dispersion non-linearities (FWM,XPM ) PM D chromatic dispersion
low power, none, dispersion compensation optimize Δλ/ power-budget, none, dispersion compensation
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Reg. span 800 – 1000 km Amplif. span 60 -100 km N ≤ 40 Reg. span 300 – 400 km Amplif. span 80 -120 km Reg. span 300 – 400 km Amplif. Amplif. span 60 –100 km N ≤ 32
