La PMD dans la fibre Réalité ou pure spéculation? Grégory Liétaert Marketing Produit Division fibre Optique, Acterna Test & Mesures

La PMD dans la fibre Réalité ou pure spéculation? Grégory Liétaert Marketing Produit Division fibre Optique, Acterna Test & Mesures

La PMD dans la fibre - Réalité ou pure spéculation? La PMD en théorie La PMD facteur limitant La réalité du terrain Contourner et répondre aux fortes valeurs de PMD Mesurer la PMD 2

Polarization Mode Dispersion - Les causes - Biréfringence: Fibre non parfaitement circulaire et symétrique o Fabrication de la fibre non parfaite. o La vitesse de groupe des principaux états de polarisation (PSPs) est légèrement différente. Contraintes et inhomogénéité de la fibre ( e.g. courbures ) créent de la biréfringence localisée. o La fibre peut être torsadée, compressée ou courbée à certains points de la liaison. o Une fibre est une addition de distributions aléatoires de sections biréfringentes Local bi-refringence sections in a fiber La lumière envoyée dans la fibre avec un état de polarisation (SOP) donné, modifie son «SOP» le long de la liaison, avec une variation dans le temps, lente et aléatoire ( i.e. non prédictible). 3

Differential Group Delay Les différents modes de polarisation voyagent à des vitesses différentes, présentant un temps de propagation différent entre les 2 modes principaux (PSPs). Le résultat de la différence de temps de propagation entre ces modes de polarisation est appelé Differential Group Delay (DGD). Standard SM fiber span V 1 > V 2 v 2 DGD v 1 Perfect SM Fiber span 4

Couplage de modes Couplage de modes faible Définition Faible niveau d échange d énergie entre les PSPs PMD=DGD=Constante Phénomène Déterministe pour le composants ou les fibre très courtes Unités ps/km pour fibres très courtes ps pour les composants Exemple Isolateurs (<0.2ps) coupleurs (<0.02ps), PMF (fibres HiBi), connecteurs (<0.01ps) Couplage de modes aléatoire ou fort Définition Haut niveau d échange d énergie entre les PSPs PMD= valeur statistique moyenne de variation de DGD en fonction de la longueur d onde Phénomène Stochastique pour fibres longues, et instable Unité ps / km Exemple Fibres longues ou PMF mal alignées 5

Couplage de modes fort Les modes de polarisation respectifs interagissent entre eux: les PSPs changent de façon aléatoire (contraintes externes (pression, courbures, torsades), Température ) v 2 Birefringent sections (randomly concentrated) DGD v 1 External stress!! Slow Fast 6

Polarization Mode Dispersion - Définition - Interaction entre la lumière et les propriétés du matériau: SOP vs biréfringence PMD est la valeur moyenne du retard de vitesse de (DGD moyen), aussi appelé délai PMD τ [ps], exprimé par le coefficient de PMD τ c [ps/ km] τ = L τ c La PMD instantanée varie avec λ, temps, la T, les mouvements. La PMD n est pas intrinsèque et requière une étude statistique La PMD évolue avec la vie du réseau. 7

Polarization Mode Dispersion - Les Effets - Fast Axis Slow Axis τ La PMD engendre un élargissement de l impulsion, Limitant la transmission haut débit 8

La PMD du second ordre Biréfringence Variation spatiale de l indice de réfraction Dépendant de la longueur d onde PMD est également dépendant de la longueur d onde: PMD du 2nd ordre Ratio de la variation du DGD vs longueur d onde Ratio du changement de direction des PSPs vs longueur d onde La PMD du 2nd ordre se combine à la Dispersion Chromatique 9

La PMD du second ordre Fast Axis Slow Axis τ Le coefficient de PMD du second ordre est exprimé en ps/(nm.km) Pour une PMD 1er de 0.5ps/km 1/2, le 2nd ordre PMD est de 0.015ps/nm.km 10

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Polarization Mode Dispersion - Les Conséquences - Transmission numérique Augmentation des taux d erreurs et limitation de la bande passante Engendre une réduction du rapport S/B (OSNR) Augmente les problèmes de diaphonie Transmission Analogique (modulation d amplitude) Distorsion (CSO) et limitation du nombre de canaux par longueur d onde 1 1 0 1 1 1 0? 1 12

Polarization Mode Dispersion Les Contraintes - Les contraintes liées à la PMD augmentent avec: Le débit par canal La longueur de la liaison (nombre de sections) Le nombre de canaux (possibilité de perdre la détection des canaux) Les contraintes liées à la PMD augmentent avec: Un meilleur contrôle de la fabrication des fibres (géométrie ) Ajout de modules de compensation La PMD est plus un problème pour les «vieilles» fibres G652 (<1995) que les récentes fibres G652, G653 ou G655 La PMD est un phénomène instable et non prévisible! 13

Polarization Mode Dispersion Paramètre limitant - Le caractère statistique de la PMD est pris en compte par le fait que, pour déterminer le délai PMD maximum autorisé, seul un dixième de la largeur du bit T B est autorisée. τ max T B /10 Max. 10% 0 1 admissible PMD (ps) for fiber link 1000 100 10 Admissible PMD 160 ps (STM 4) 1 0 1 3 10 40 40 ps (STM 16) Transmission speed (Gib/s) 10 ps (STM 64) 2.5 ps (STM 256) Longueur maximum de fibre L τ 2 / τ c 2 [km] τ c 2.5 Gbit/s 10 Gbit/s 40 Gbit/s [ps/ km] 0.075 284 445 km 17 778 km 1 112 km 0.5 6 400 km 400 km 25 km 1 1 600 km 100 km 6 km 5 64 km 4 km -------- 14

Polarization Mode Dispersion Paramètre limitant la transmission Une augmentation du débit d un facteur 4 réduit la distance d un facteur 10! Maximum Distance vs PMD coefficient and Data Bit Rate 100000 Distance (km) 10000 1000 100 10 2.5 Gbit/s 10 Gbit/s 40 Gbit/s STM-16 STM-64 STM-256 1 0,01 0,1 1 10 100 PMD ( ps/km 1/2 ) A.C. 0.5ps.km -1/2 Max. 6400 km @2.5Gbit/s, 400km @10Gbit/s, 25km @40Gbit/s 15

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La PMD et la norme fibre ITU-T G.652 G.652.A G.652.B G.652.C G.652.D Possibilité Spectrale Spectre Normal (attenuation forte dans la région du pic OH - ) Spectre Normal (attenuation forte dans la région du pic OH - ) Large spectre (reduction du pic OH - ) Large spectre (reduction du pic OH - ) performance PMD Forte PMD (0.5 ps / km ) Faible PMD (0.2 ps / km ) Forte PMD (0.5 ps / km ) Faible PMD (0.2 ps / km ) 17

Évolution du design des fibres Multimode: Dispersion modale Monomode Augmentation des débits Monomode=2modes de polarisation Prise en compte de ce paramètre dans la fabrication de la fibre Exemple avec la fibre LEAF de Corning Période de fabrication Max PMD 1998 0.5 ps/ km Link Design Value 1999 0.2 ps/ km 0.08 ps/ km >2000 0.1 ps/ km 0.04 ps/ km la PMD link design value décrit la PMD d une concaténation de section de fibres. Cette valeur représente la limite statistique haute de la PMD totale de la liaison. Les valeurs de chaque section peuvent changer lors du câblage. 18

Variation de la PMD en fonction de l âge de la fibre (1) Sergio Barcelos - chief technology officer at FiberWork Optical Communications Etude faite principalement au Brésil sur l installation de fibres récentes (<10ans), en fonction de l âge de la fibre. La PMD reste un problème, même pour les installations de fibres récentes. Le modèle est très variable d un opérateur à l autre, d une région à l autre. Ex. Opérateur US, seul 2% des câbles <1987 présentent des valeurs de PMD trop importantes. Ex. Opérateur européen, de nombreuses fibres <1990 ne peuvent accepter le 2.5Gbit/s 19

Variation de la PMD en fonction de l âge de la fibre (2) Fibre G652 de 117km. Liaison construite avant 1990 Fibre G652 de 100km Liaison construite avec une fibre récente ~2002 20

Analyse long terme de la PMD Variation entre 10 et 20% de la valeur de délai sur câble enterré Différent pour aérien, plus dépendant des conditions climatiques Mesure de la PMD pdt 2 jours sur un câble enterré de 65km Mesure de la PMD pdt 1 semaine sur un câble aérien de 25km Délai PMD (ps) Coeff PMD (ps/sqrt(km)) Délai PMD (ps) Coeff PMD (ps/sqrt(km)) Moyenne 6.672 0.828 Moyenne 0.532 0.101 Min 6.196 0.769 Min 0.316 0.06 Max 7.401 0.918 Max 0.714 0.135 variation +/-9% variation/moyenne 37% 21

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Méthodes pour gérer les fibres à forte PMD Si la valeur de PMD est forte, la fibre est alors considérée comme sensible à la PMD. Transmission sur des distances plus courtes (répéteurs ). Transmission à des débits moins élevés par longueur d onde. Passage au DWDM. Utilisation de Laser chirp.(variation fréquence dans le temps) Utilisation d une transmission soliton RZ à gestion de dispersion. Utilisation du FEC (ITU-T OTN709). Compensation active optique ou électronique. Techniques démontrées en laboratoires. Peu de déploiements jusqu à présent. 23

Compensateurs PMD Principaux types de compensateurs de PMD Système Mécanique (réduit une section de fibre pour réaligner la polarisation des impulsions optiques pour chaque bit.) Système électroniques (manipuler les électrons pour réduire le taux d erreurs de bits) Système optique adaptatif (réaligne et corrige les impulsions des bits dispersés) 24

Problèmes potentiels de PMD dans le futur Diminution de l espacement inter canaux en DWDM DWDM est, jusqu à présent, la réponse aux fortes valeurs de PMD pour la transmission haut débit. Augmentation de la vitesse de transmission à 40Gbit/s Les limites du délai PMD sont divisées par 4 avec 2.5ps max. La PMD du second ordre devient un problème Compensateurs L ajout de compensateurs augmente les budget optique et peut contribuer aux effets non linéaires. 25

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Quand mesurer la PMD? La PMD est créée ou affectée à différentes étapes du déploiement d un réseau fibré et doit être mesurée: Pendant la fabrication de la fibre (usine) Pendant la fabrication du câble (usine) Après l installation du câble dédié à la trans. Très haut débit (terrain) 10 Gbit/s par canal ou sup. A la planification de l augmentation du débit d un réseau existant (terrain) Les fibres fabriquées avant 1995 doivent être vérifiées. Régulièrement pendant la vie du réseau (conditions environnementales) Service additionnel offert par les installateurs 27

Méthodes de mesure de PMD Fixed Analyzer Method IEC 60793-1-48/ ITU-T G.650.2/ EIA/TIA Standard FOTP-113 Jones Eigenanalysis Matrix Method IEC 60793-1-48/ ITU-T G.650.2/ TIA/EIA Standard FOTP-122A Traditional Interferometric Method IEC 60793-1-48/ ITU-T G.650.2/ TIA/EIA Standard FOTP-124A General Interferometric Method IEC 60793-1-48/ ITU-T G.650.2/ TIA/EIA Standard FOTP-124A Poincare Sphere Method (not presented) Laboratory use only State of Polarization method (Not presented) Laboratory use only Simple calculation Addition of the root square of the PMD of each section P-OTDR method Not approved 28

Méthode de l analyseur fixe MTS8000 Broadband Source OBS 15 MTS 8000 Une lumière polarisée est envoyée à travers la fibre sous test et le spectre transmis est analysé à travers un polariseur. 1 2 Passage dans le domaine temporel en prenant la transformée de Fourier de variations de puissance en fonction de la longueur d onde. Random mode coupling Broadband Source Polarizer FUT Analyzer OSA Delay (ps) 29

Méthode de l analyseur fixe MTS8000 Etablie sur le marché Facile d utilisation: Pas de configuration particulière Mesure rapide et bonne incertitude absolue DGD min. (0.08ps) et dynamique (45dB) compatible avec tout type de liaison Mesure à travers amplificateurs EDFA possible Solution robuste et dédiée terrain Pas de pièce amovible, limitant le rique de pannes. Analyse statistique Délai PMD (1 st & 2 nd order) PMD Coefficient (1 st & 2 nd order) 30

PMD - Résumé - Il n existe pas de modèle de prédiction simple pour interpréter la PMD des câbles optiques installés. La PMD est plus critique sur des liaisons anciennes mais reste un facteur de problème sur des câble plus récents. PMD reste le facteur majeur limitant le débit de transmission sur fibres monomodes, alors que la dispersion chromatique est parfaitement gérée par les techniques de compensation (DCF, DCM). 31