École Nationale des Sciences Appliquées Tétouan- Génie des Systèmes de Télécommunications et Réseaux GSTR3 Module: Complément Télécoms Technologies des réseaux tout optique Pr. Mounir Arioua m.arioua@ieee.org
Technologies des réseaux tout optique 1-Introduction 2- Caractéristiques Physiques Lumière Bande passante de la fibre optique Loi Descartes Description de la fibre optique 3- Les différents types de Fibres Fibre multi-mode à saut d indice Fibre multi-mode à gradient d indice Fibre monomode Avantages/Inconvénients / Comparaison FO et cuivre 4- Système de transmission optique Emetteur/Récepteur Répéteurs optiques Amplificateur optiques Amplificateurs semi-conducteur Amplificateur à fibre 5- Multiplexage (WDM/ DWDM/CWDM/WWDM) 6- Protocoles de communication (PDH/SDH)
Introduction -Soucis majeurs: *Débits limités par les supports hérités * Affaiblissement du signal * Impossibilité d interconnecter des sites distants à grande vitesse * Difficulté de Transmission dans des bonnes conditions * Problème de mise à la terre * Perturbations électromagnétiques/ diaphonie * Problème de corrosion
Introduction Solution: Fibre optique * Assure du très haut débit d information * Meilleure fiabilité * Bande passante très grande * Faible atténuation * Transport sur des longues distances * Isolation électrique * Poids et dimensions réduites * Immunité contre les perturbations électromagnétiques/bruits * Pas de diaphonie * Coût de revient (au kilomètre) est beaucoup plus faible * Intégré plusieurs avancés technologiques * Résistance au températures élevées
Introduction Historique: 950 et l'invention du gainage optique pour -1950: Invention du gainage optique :Technologie des guides optiques connaisse une première application: endoscopes de diagnostic médical -1960: La FO a débuté avec l arrivé du laser -1965 :Charles Kao (prix Nobel 2009) et Georges Hackman de la Standard Telephones and Cables avancent qu'il est possible de produire des fibres optiques possédant une atténuation de moins de 20 db/km -1977: Premier système de communication téléphonique optique fut installé au centreville de Chicago -1984 à 2000: FO employée uniquement à l interconnexion des centraux téléphoniques (énorme débit nécessaire) -L'atténuation des signaux dans des fibres optiques est plus faible que sur des câbles électriques (0,1485 db/km en 2002) -On peut transmettre jusqu'a 100 G bits/s sur une distance de 50 km sans répétition du signal.
Caractéristique physique Lumière Constitué d ondes électromagnétiques ou par un flux de particules (photons) Fig.1: champ électrique et champ magnétique de la lumière
Caractéristique physique Bande passante (Fibre optique) Fig.2: Spectre des longueurs d ondes Tab.1:Spectre électromagnétique
Caractéristique physique Bande passante (Fibre optique) Fig.3: Spectre des ondes électromagnétiques Fig.4: Spectre optique
Caractéristique physique Loi de Descartes «Réflexion totale interne»-principe physique majeure dans la FO Angle d indice : Energie réfracté démunie & Energie réfléchie augmente Dans la FO: le signal lumineux touche la gaine Avec un angle >angle critiqueréflexion totale dans le cœur Propriété employée pour réaliser des guides de lumière: Fibre optique Fig.5: La loi de Descartes
Caractéristique physique Loi de Descartes Indice de réfraction: v: vitesse de la lumière dans le milieu considéré Deux Lois: Loi de réfraction: n = c v n 1 sin i1 = n2 sin i 2 n > i 2 > i1 Si 1 n 2 Loi de réflexion: ' i 1 = i Fig.5: La loi de Descartes
Caractéristique physique Description de la fibre optique (Caoating) (Cladding) Cœur: fil conducteur des signaux lumineux. Fibre de verre (GOF) ou Fibre de plastique (POF). Gaine: enveloppe de protection. Diamètre du cœur et de la gaine varient selon Fig.6: Fibre optique le type d utilisation. Indice de réfraction: n1(coeur) > n2(gaine) 250 µm Gaine optique (n 2 ) 125 µm Réflexion totale Gaine plastique Coeur(n 1 >n 2 ) Fig.7: Description de la fibre optique
Les différents types de FO Les différents types de fibres La fibre Multi-mode Mono-mode A gradient d indices A saut d indices A saut d indices Fig.8: Différents types de fibres Fig.9: Dimensions des fibres
Les différents types de FO 3- Les différents types de fibres * Deux types de fibres: Fibre Multi-mode 10 µm < Rayon de cœur < 100 µm Bande passante limitée à 1GHz Fibres à saut ou gradient d indice *Première fibre utilisée *Réservées aux courtes distances Fibre Monomode Rayon de cœur très faible Bande passante élevée ( > 1GHz) Fibres à saut d indice *Composants chers *Réservées aux longues distances Tab.2: Différents types de fibres * Deux conditions de guidage dans la FO : n1 > n2 * Deux paramètres de guidage dans la FO : n: Indice de réfraction (n1,n2) i > α Réflexions totales tout au long de la FO a: Diamètre du cœur
Les différents types de FO Questions: *Si on change l indice de réfraction (Cœur et gaine), quelle est l influence sur la bande passante de la FO? *Si on change le diamètre du cœur, quelle est l influence sur la bande passante de la FO?
Les différents types de FO Fibre Multi-mode à saut d indice: Réflexion totale sur la fibre Cœur de la fibre: entre 50 et 200µm Réflexion totale sur la fibre Bande passante 20 MHz/km Fenêtre spectrale 850 nm, 1300nm Débit limité à 50 Mb/s τ τ Affaiblissement 10db/km Pulse émis t Plusieurs modes de propagation Étalement+ Atténuation t Fig.6: Différents types de fibres Fig.10: Fibre multi-mode à saut d indice
Les différents types de FO Fibre Multi-mode à gradient d indice: r Réflexion totale sur la fibre Cœur de la fibre: entre 50 et 100 µm n Forme un signal sinusoïdal Bande passante entre :600 et 3000 MHz/km Fenêtre spectrale 850 nm, 1300nm Débit limité à 1 Gb/s Affaiblissement 10db/km Fig.11: Fibre multi-mode à gradient d indice
Les différents types de FO Fibre monomode: r Propagation sans réflexion Cœur de la fibre: 5 à 10 µm n Bande passante très large: 100 GHz Fenêtre spectrale 1300nm et 1550 nm Débit supérieur à 1 Gb/s Affaiblissement 0.5 db/km Fig.12: Fibre monomode
Les différents types de FO Avantage: Vitesse de propagation Très large bande passante (L ordre de 1 GHz) Très faible atténuation Très bonne qualité de transmission Immunité au bruit (Principal avantage de la FO) Utilisation particulière: dans des ateliers ou sites industriels (Environnement électromagnétique très mauvais) FO présente une bonne résistance à la chaleur et au froid FO présente une absence totale de rayonnement
Les différents types de FO Inconvénient: Difficulté de raccordement: entre deux fibres+entre fibre et module d émission/réception Phénomènes d interférences: Divers rayons pénétrés dans la fibre vont suivre des chemins différents Comparaison Fibre optique/cuivre: Matériau diélectrique Fibre Optique Sensibilité nulle aux interférences électromagnétique Matériau conducteur Fil de cuivre Grande sensibilité aux interférences électromagnétique Faible atténuation du signal: 0.2 db/km Forte atténuation du signal: 20 db/km et +. Grande séparation entre les répéteurs pour les longues distances :100 km Réseau flexible et s adaptant facilement aux nouvelles technologies Grande durabilité: + de 20 ans Entretien facile, presque nul Grande largeur de bande: Grande quantité d information transmise simultanément Répéteurs rapprochés : 1 km Réseau rapidement désuet Dégradation rapide par la corrosion Nécessite beaucoup d entretien Largeur de bande limitée: Quantité d information transmise est très limitée Tab.3: Tableau comparatif
Système de transmission Système de transmission: Un système de transmission par fibre optique implique la présence de bout en bout d équipement spécialisé, à savoir au minimum un émetteur et un récepteur, et selon la distance à couvrir des répéteurs et/ ou amplificateurs optiques. Emetteur Récepteur Répéteurs optiques Amplificateur optiques Amplificateurs semi-conducteur Amplificateur à fibre Fig.13: Système de transmission optique
Caractéristique physique Emetteur optique: Une diode électroluminescente (LED : Light Emitting Diode) * Rouge visible (850 nm) Les lasers (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) * Longueur d onde de 1300 ou 1550 nm Les diodes à infra-rouge * rouge invisible (1300 nm)
Caractéristique physique Emetteur optique: LapuissanceémiseparuneLEDestdel ordrede1mw faiblepourcentagede puissance récupérée par la fibre. LapuissanceémiseparunLaserestdel ordrede5mw. Le signal généré par une LED est insuffisant pour parcourir de très longue distance. LED est inadaptée pour des multiplexage WDM. Le Laser est parfaitement adapté pour le multiplexage WDM. Permetdecouvrirdetrèslonguedistancesurdesfibresmonomodes(ordrede 200km)àtrèshautdébit. Mise on œuvre de multiplexage WDM sur fibre monomode requiert l utilisation de plusieurs lasers simultanément.
Caractéristique physique Récepteur optique: On distingue 2 types de récepteurs: * Les diodes PIN (Positive Intrinsic Negative) * Les diodes PDA (à effet d avalanche) Sont des photo diodes ou des phototransistors, qui traduisent les impulsions lumineuses en signaux électriques Fig.14: Photo-diode PIN Fig.15: Photo-diode PDA
Système de transmission optique Répéteur et Amplificateur optique: L atténuation dépend du fibre, mais aussi de la longueur d onde. Phénomène d affaiblissement en relation avec la distance: A: coefficient d atténuation linéique L atténuation est due au phénomène d absorption: o Absorption progressive du signal (absorption intrinsèque du matériau) Solution: Amplificateur /répéteurs optiques Fig.16: Liaison optique avec des amplificateurs
Système de transmission optique Répéteur et Amplificateur optique: Etude de l atténuation du signal en fonction de la longueur d onde minimums d atténuations existent. Les longueurs d ondes 950, 1244, 1383 nm identifient la présence des ions l hydrogène et de l hydroxide dans la FO Augmentation de l atténuation. Afin de bénéficier de ces miniums d atténuation Fenêtres de transmission optique[850, 1310, 1550, 1625 µm]. Fig.17: Atténuation dans une fibre optique
Système de transmission optique Répéteur optique: Dispositifs optoélectroniques: conversion signal impulsif lumineux signal électrique binaire signal lumineux. Avantage: régénération des signaux dégradés par l absorption, dispersion. Inconvénient: Vitesse de traitement inférieure au capacité de transmission des F0. Limitation des débits Répéteur doit disposer d informations de synchronisation accompagnant le signal lumineux décoder les impulsions lumineuses en bits. Fig.18: Répéteurs optiques
Système de transmission optique Amplificateur optique: Un laser injecte une certaine quantité de lumière dans l amplificateur. L amplification optique fonctionne bien avec les fibres monomodes. L amplification optique Introduit un peu de bruit d amplification. Après plusieurs amplifications, il peut être nécessaire de faire passer le signal dans un répéteur. Possibilité de réaliser à l aide des amplificateurs des liaisons transcontinentales ou transocéaniques sur fibre monomode sans nécessité de répéteurs. Il existe deux types d amplificateurs optiques: Les amplificateurs à semi-conducteur Les amplificateurs à fibre
Système de transmission optique Amplificateur optique à semi-conducteur/ Amplificateur optique à fibre Fig.19: Amplificateur à semi conducteur Fig.20: Amplificateur à fibre
Multiplexage Multiplexage à répartition dans le temps: TDM Regroupeplusieurscanauxàbasdébitsurunseulcanalàdébitplusélevé. Type d utilisation: Canaux T1 au USA, E1 en Europe T1 ou E1 sont multiplexés entre eux pour former des canaux à plus haut débit Hiérarchie numérique plésiochrone(pdh) Fig.21: Principe de multiplexage temporel
Multiplexage Multiplexage en longueur d onde : WDM Division du spectre optique en plusieurs sous-canaux. Chaque sous-canal correspond à une longueur d onde particulière. Multiplication du débit de la liaison par le nombre de longueurs d ondes. L emploi des composants destinés à filtrer la lumière. Pas normalisés entre 2 longueurs d ondes dans la fenêtre de transmission[1530-1565] :1.6nmou0.8nm. Débit de l ordre 1000 Gbps(en combinant 16 trames SDH) Fig.22: Principe de multiplexage WDM
Multiplexage Multiplexage en longueur d onde (dense) : DWDM VersionévoluéduWDM. Associe jusqu à 160 longueurs d ondes dans la même F.O; Débitatteint:de300à400Gbps. Pasnormalisés:0.4nmet0.2nm(80et160canauxoptiques). DWDM présente des coûts élevés. U-DWDM(Ultra-Dense Wavelength Division Multiplexing): Intervalles encore plus petits (0.08nm). 400 canaux optiques. Débit possible: 1.6 Térabits/s
Multiplexage Multiplexage en longueur d onde: CWDM CWDM: Coarse Wavelength Division Multiplexing. Solution WDM économique. Longueurs d ondes sont plus écartés(coarse). Nedisposequede8ou16canaux. Utilise des longueurs d ondes comprise entre[1270nm, 1610 nm] espacées de 20 nm. Multiplexage en longueur d onde: WWDM WWDM: Wide Wavelength Division Multiplexing. Plus restrictif que le CWDM(4 canaux au maximum). Les canaux ont une longueur d onde comprise entre[1275.7 et 1349.2 nm]. Espace entre canaux: 24.5 nm. WWDM peut être utilisé sur des fibres multi-mode et mono-mode.
Fig.23: Communication par fibre optique dans le monde Technologies des réseaux tout optique