Transcript la dispersion chromatique

Formation fibre optique
Cours Théoriques IV :
Les fibres monomodes : Dispersion chromatique , dispersion
du mode de polarisation , multiplexage en longueurs d’onde
U.E 2.5-A.MORGANTI
1
Sommaire
• LA DISPERSION CHROMATIQUE
• LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION
• LE MULTIPLEXAGE EN LONGUEURS D’ONDE
U.E 2.5-A.MORGANTI
2
LA DISPERSION CHROMATIQUE
DEFINITIONS
Délai de propagation fonction de la longueur d’onde
Délai (ps/km)
λ1
La lumière se propage avec un délai
de propagation de groupe λ
proportionnel
à la longueur
de fibre…
λ0
1275
1285
1295
1305
1315
Longueur d’onde (nm)
1325
1335
… et fonction de la longueur
d’onde
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3
LA DISPERSION CHROMATIQUE
DEFINITIONS
Le délai de propagation τ(λ) s’exprime en
ps/km
λ1
Délai (ps/km)
La Dispersion Chromatique, D (λ) est la
dérivée du délai et correspond à la mesure de
l’élargissement de l’impulsion observé pour
une longueur de fibre donnée et une largeur
spectrale lumineuse donnée
Exemple G652
λi
∆τ/∆λ
∆τ
Gradient de
dispersion réèl
La Dispersion s’exprime en ps/nm/km
λ2
Le point auquel la courbe est plate est connu
sous le nom de la longueur d’onde de
dispersion zéro ou lambda zéro (λ0) mesurée
en nm.
λ0
∆λ
1275
A ce point précis la dispersion chromatique est
nulle et la bande passante de la fibre maximum
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D
1285
λ
1295
1305
1315
Longueur d’onde (nm)
1325
1335
1 dτ g
=
L dλ
4
LA DISPERSION CHROMATIQUE
DEFINITIONS
Dispersion fonction de la longueur d’onde : la pente
De part et d’autre de λ0 la
dispersion augmente, la bande
passante diminue.
La pente (Slope) à ce point zéro
(S0) donne des indications
essentielles pour
la
définition des émetteurs ainsi que
pour d’éventuels compensateurs.
S0 s’exprime en ps/nm
λ0
+
0
1275
1285
1295
1315
1325
1335
−
2/km
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5
LA DISPERSION CHROMATIQUE
EFFET DE LA PENTE DE DISPERSION
Faible pente de CD
Dsipersion
Compensation large bande plus aisée (DWDM)
et… moins chère…
Pente forte
Pente
faible
Compensateurs
- Fibre à dispersion inversée
- Réseau de Bragg…
1
2
Longueur d’onde
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6
LA DISPERSION CHROMATIQUE
EFFET DE LA PENTE DE DISPERSION
m
nm².k
/
s
p
5
: 0.05
28
Pente
SMFg
n
i
n
Cor
G652
17
Dispersion (ps/nm.km)
12
².km
m
n
/
s
58 p
0
.
².km
0
m
:
n
e
ps/
l Pent
e
6
t
a
8
c
².km
0
l
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m
A
0
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l
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10
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L
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km
s/nm².
m².km
n
/
s
p
55
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S
rsion
e
p
s
i
53 D
2
Bande C
Bande L
h if
G6
Fiber
0
1530
1540
1550
1560
1570
1580
1590
1600
1610
1620
Longueur d’onde (nm)
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7
PANORAMA DES FIBRES MONOMODES
LES REFERENTIELS
Les référentiels
Union Internationale des Télécommunications
G65X
Comité Electro-technique International
CEI 60 793-2
Organisation Internationale de Normalisation
ISO 11801 Ed. 2
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8
PANORAMA DES FIBRES MONOMODES
LES REFERENTIELS
Les standards
G652 (B1, OS)
Fibre à dispersion nulle à 1310 nm
< 17 ps.nm.Km à 1550 nm
G6(B1-1, OS)
G6(B1-3)
Faible PMD
Optimisée 1383 nm sans pic OH
G655 (B4) Fibre à dispersion décalée (1550 nm) non nulle
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9
PANORAMA DES FIBRES MONOMODES
LES REFERENTIELS
Les autres…
G653 (B2)
Fibre à dispersion nulle à 1550 nm
Plus commercialisée… encore quelques Km
dans le désert…
G654(B3)
Fibre à dispersion plate de 1310
à 1550 nm
Supprimée elle aussi…
Et la petite dernière…
G656(B?) Fibre optimisée faible dispersion chromatique
dans la bande 1460-1625 nm et faible PMD
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10
LA DISPERSION CHROMATIQUE
LIMITATION DE LA VITESSE DE TRANSMISSION
Faible débit de données
Impulsions à l’entrée
1
0
1
Impulsions à la sortie
0
1
1
Haut débit de données
1
0
1
0
1
1
0
1
0
1
Chevauchement des impulsions
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LA DISPERSION CHROMATIQUE
LIMITATION DE LA VITESSE DE TRANSMISSION
!!!
Une augmentation du taux de bits d’un facteur 4
réduit la distance d’un facteur 10
Debit/ Canal
2.5 Gbit/s
10 Gbit/s
40 Gbit/s
160 Gbit/s
Dispersion
16.5 ns
1040 ps
65 ps
4 ps
G652
1550 nm
640 km
50-100 km
5 km
---
G655
1550 nm
4400 km
300-500 km
20-30 km
2km
Caractéristiques typiques à 1550 nm
G.652 : ~ 17 ps/(nm.km)
G.653 :
0 ps/(nm.km)
G.655 : ~ 4 ps/(nm.km)
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MESURE DE LA DISPERSION CHROMATIQUE
LES ETAPES
– Lors de la fabrication de la fibre
– Lors de la fabrication du câble
– A l’issue de l’installation (definition des
compensateurs)
– Lors de la planification de l’augmentation des débits
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13
MESURE DE LA DISPERSION CHROMATIQUE
LES METHODES
•
Méthodes temporelles
– Méthode impulsionnelle (Pulse delay method : time-of-flight)
– Méthode par rétrodiffusion (OTDR)
– Méthode par comptage des photons et réseau de Bragg
– (Photon counting & Bragg gratings)
•
Méthodes fréquentielles, déphasages
– Méthode de Déphasage (Phase-Shift method)
– Méthode de déphasage différentiel (Differential Phase-Shift
method)
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14
MESURE DE LA DISPERSION CHROMATIQUE
METHODE IMPULSIONNELLE
Générateur
d’impulsions
«n»
Sources
Laser
λ1
λ2
Fibre sous
test
Atténuateur
Récepteur
optique
ou
Laser
Accordable
τ
1
λ1
λ2
Oscilloscope
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15
MESURE DE LA DISPERSION CHROMATIQUE
METHODE PAR RETRODIFFUSION
Réflexion de Fresnel
λ1
puis λ2
puis λ3
puis λ4 …
OTDR
Injection λ1 puis λ2 puis λ3 puis λ4 …
Nota : Méthode non utilisable pour mesurer des liaisons intégrant des composants passifs unidirectionnels
(isolateurs associés à des amplificateurs EDFA…)
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16
MESURE DE LA DISPERSION CHROMATIQUE
METHODE PAR COMPTAGE DES PHOTONS ET
RESEAU DE BRAGG
τ
Analyseur
λ1 λ2 λ3 λ4 λ5
Coupleur
Réseau de
Bragg
τ1
DEL
Générateur
d’impulsion
τ1- τ = temps de groupe ∆τ
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MESURE DE LA DISPERSION CHROMATIQUE
METHODE DE DEPHASAGE
Fibre sous test
Sources
modulées
en
amplitude
Atténuateur
Phase
mètre
Fibre de référence
λ1
λ2
Sources
modulées
en
amplitude
Variante 1
Délai
Fibre sous test
Récepteur
optique
Analyseur
Variante 2
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18
MESURE DE LA DISPERSION CHROMATIQUE
METHODE DE DEPHASAGE DIFFERENTIEL
Méthodes fréquentielles
Méthode de déphasage différentiel (Differential Phase-Shift method)
• Utilise le même principe de base que celle de la méthode de
déphasage mais en envoyant dans la fibre non pas une impulsion
modulée mais deux impulsions très proches l’une de l’autre.
• De ce fait on obtient directement (sans application des équations
Sellmeier ou polynomiale) les valeurs de dispersion chromatique
précises, ceci pour tous les types de fibres, avec une variante pour les
liaisons intégrant des EDFAs.
• A priori la méthode la plus précise donnant à l’opérateur les valeurs ∆λ
et Sλ
λ à des longueurs
d’onde précises (atout pour précision de
détermination des compensateurs)
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19
MESURE DE LA DISPERSION CHROMATIQUE
METHODE DE DEPHASAGE DIFFERENTIEL
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20
LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
DEFINITIONS
CE
CM
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21
LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
DEFINITIONS
Polarisation « circulaire »
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LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
LA BIREFRINGENCE
Pour une très courte longueur de fibre visualisée en bout, on peut déterminer 2 axes
perpendiculaires entre eux dits « axes principaux » sur lesquels l’onde lumineuse pourra se
propager selon son état de polarisation.
On s’aperçoit que selon l’axe, l’indice de réfraction « vu » par l’onde sera différent.
Ce phénomène est nommé la « BIREFRINGENCE »
Si l’indice de réfraction n’est pas le même, la vitesse de l’onde ne sera pas la même :
Entrée
a
Axe lent
on parle d’axe lent et d’axe rapide.
Sortie
Axe rapide
Si une impulsion lumineuse est polarisée à l’entrée
d’une fibre sur l’un de ces deux axes, elle se propagera
et ressortira avec le même état de polarisation (a et b).
b
c
Si l’impulsion est injectée avec un état aléatoire, une
partie de l’impulsion se propagera sur l’axe lent et
l’autre sur l’axe rapide et l’état de polarisation de
sortie sera elliptique
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LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
LE DGD ( Differential Group Delay )
La différence de temps de propagation des 2 modes de polarisation orthogonaux
générée par une fibre longue est appelée : Différence de Vitesse de Groupe ou
Differential Group Delay (DGD)
e
Fibr
DGD
v2
V1 > V2
v1
Moyenne du DGD
délai de PMD ∆τ [ps]
En fonction de la longueur de liaison sous test
coefficient de PMD ∆τc [ps/√km]
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LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
DEFINITIONS
Sa fibre est très courte, (épissures, connecteurs, coupleurs) les phénomènes peuvent être
considérés comme stables dans le temps, les axes principaux de propagation restant les
mêmes.
Pour des sections de fibres plus longues, à la fois l’orientation des deux axes et les valeurs de
DGD changent aléatoirement en fonction du temps et des effets néfastes de l’environnement.
Axe lent
ions
Sect
)
toire
a
é
l
na
ratio
t
n
e
nc
s (co
e
t
n
e
fring
biré
v2
Axe rapide
DGD
v1
Ceci amène à devoir absolument considérer la PMD comme étant
un phénomène statistique
et à être donc prudent sur l’interprétation d’une valeur de DGD mesurée à un
U.E 2.5-A.MORGANTI
instant donné.
25
LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
LES ORIGINES
Cœur non parfaitement circulaire sur toute la fibre.
Cœur non parfaitement concentrique dans la gaine
Zones de matériaux inhomogènes dans le cœur
Changement de l’indice
Stress sur la forme du cœur
La fibre peut être torsadée ou sous contrainte,… le long de sa section.
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LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
LES ORIGINES
•
Lors de la fabrication du câble.
– Lors de la pose du câble
• Lors de la mise en œuvre des raccordements
– Provoquées par l’environnement d’exploitation
(vibrations, T°)
e
Fibr
DGD
v2
v1
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LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
UNITES ET VALEURS
Unités
– Délai
– Coefficient
: ps
: ps/√
√km
Valeurs
– Norme internationale pour la fibre (G652/G655)
: ≤ 0.20 ps/ √km
– Norme internationale pour la fibre câblée
: ≤0.50 ps/ √km
– ‘‘Bonnes’’ fibres câblées, posées, raccordées
: ≤ 0.10 ps/ √km
– ‘‘Mauvaises’’ fibres
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: plusieurs ps/ √km...
28
LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
LES EFFETS
LES EFFETS :
1
1
1
1 1 0? 1
Cause une réduction du rapport signal à bruit
Augmente la diaphonie
Critique pour des débit ≥ 10 Gbit/s par canal, ou en transmission d ’images vidéo
utilisant le format de modulation d’amplitude analogique.
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29
LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
LES EFFETS
Limitation de distance de Transmission
ex :
∆τc = 0.5 ps/√km
et
10 Gbit/s TDM signal
⇒ largeur de bit = 0.1 ns = 100ps
⇒ Retard maximum de PMD ∆τ = 0.1 x 100ps =10ps
⇒ L ≤ 400 km
Coefficient
Débits
∆τc
[ps/√km]
2.5 GBit
10 GBit
40 GBit
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
--------
U.E 2.5-A.MORGANTI
30
LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
CONCLUSIONS
CONCLUSIONS :
La PMD d’une liaison est dépendante des fluctuations dans le temps
variations de températures.
contraintes mécaniques…
La PMD reste le facteur principal limitant la transmission sur fibres monomodes.
La PMD est plus critique sur les anciennes fibres (1992/93),
Quand une mesure de PMD s’avère mauvaise, la fibre ne pourra transmettre qu’à des débits
≤ 2,5 G peuvent ( à ce jour, aucune compensation réellement économique).
Quand une mesure de PMD est bonne,
la fibre peut être considérée comme non sensible à la PMD
…
à l’instant de la mesure…
U.E 2.5-A.MORGANTI
31
LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
LES METHODES DE MESURE
Les étapes
– Lors de la fabrication de la fibre
– Lors de la fabrication du câble
– A l’issue de l’installation
– Lors de la planification de l’augmentation des
débits
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32
LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
LES METHODES DE MESURE
• Méthodes de mesures temporelles
– Méthode de déphasage de modulation (Modulation-phase-shift method)
– Méthode du délai d’impulsion (Pulse-delay method)
– Méthode interféromètrique (Interferometric method)
• Méthode de mesures fréquentielles (longueurs d’onde)
– Méthode de l’analyseur fixe (Fixed-analyser method)
– Méthode de la matrice de JONES (JONES-matrix method)
U.E 2.5-A.MORGANTI
33
LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
LES METHODES DE MESURE
Méthodes « terrain » les plus rencontrées
• Méthodes de mesures temporelles
– Méthode interféromètrique
• Méthode de mesures fréquentielles
– Méthode de l‘analyseur fixe
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34
LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
LES METHODES DE MESURE
La méthode interféromètrique
Site Origine
Site Extrémité
Polariseur
Source large spectre
(SLED)
Système
de
détection
Miroir mobile
U.E 2.5-A.MORGANTIInterféromètre
de Michelson
35
LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
LES METHODES DE MESURE
La méthode de l’analyseur fixe
Site Origine
Site Extrémité
Polariseur
fixe
Source large spectre
(SLED)
Polariseur
variable
U.E 2.5-A.MORGANTI
Analyseur de
spectre optique
(OSA)
36
LA DISPERSION DU MODE DE POLARISATION ( PMD )
LES METHODES DE MESURE
Exemple de résultat obtenu par la méthode interféromètrique
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37
LE MULTIPLEXAGE EN LONGUEURS D’ONDE (DWDM)
HISTORIQUE
- Début des années1980 : le Multiplexage temporel (TDM)
-
Une fibre transporte le signal issu d’un seul laser.
- Ce signal optique est converti en un signal électrique, régénéré et retransformé
en un signal optique, occasionnant des pertes.
C anal 1
2.5 G bps
C anal 2
2.5 G bps
. . . . .
TDM
C anal 3
2.5 G bps
C anal 4
2.5 G bps
.
*
1 0 G b ps
* * * * *
U.E 2.5-A.MORGANTI
38
LE MULTIPLEXAGE EN LONGUEURS D’ONDE (DWDM)
DEFINITION ET HISTORIQUE
Canal 1
2.5 Gbps
Canal 2
2.5 Gbps
Canal 3
2.5 Gbps
Canal 4
2.5 Gbps
λ1
λ2
λ3
λ4
DWDM
10 Gbps
λ1 + λ2 + λ3 + λ4
• Fin des années 80 WDM 1310 & 1550
Désavantage : Le signal doit être séparé avant chaque régénération électrique .
• 2006 : Le CWDM ( Coarse WDM )
Liaisons « courtes » (MAN) = pas de régénération ,≤ 16 £ entre 1310 et 1610 nm.
Solution bon marché ( coût des lasers ) .
U.E 2.5-A.MORGANTI
39
LE MULTIPLEXAGE EN LONGUEURS D’ONDE (DWDM)
DEFINITION ET HISTORIQUE
•
•
•
•
1990, 4 £ sur une fibre dans la même fenêtre optique ( Broadband
WDM )
Puis les espaces inter-canaux descendent à 0,8 nm , le Dense WDM ou
DWDM est né .
Technologie économique , augmentant la capacité de transport sur les
réseaux existants.
Systèmes unidirectionnels déjà testés dans les laboratoires de
recherche
320 x 2,5 Gbps
160 x 10 Gbps
128 x 40 Gbps
( total : 800 Gbps )
( total : 1,6 Tbps )
( total : 5,12 Tbps )
U.E 2.5-A.MORGANTI
40
LE MULTIPLEXAGE EN LONGUEURS D’ONDE (DWDM)
AUGMENTATION DE LA CAPACITE PAR COMBINAISON TDM/DWDM
2 .5 G b p s
. .
2 .5 G b p s
T
D
M
. .
10 G bps
T
D
M
10 G bps
. . .
.. .
. . . . .
10 G bps
3 7 .5
en Gbpsc
Capacité
2 .5 G b p s
DW DM
. . . .
.. .. . . . . . .
G bps
TDM
&
DW DM
1000
TDM
100
40 G bps
10
10 G bps
1
2 .5 G b p s
1992
1996
2000
U.E 2.5-A.MORGANTI
2004
Années
41
LE MULTIPLEXAGE EN LONGUEURS D’ONDE (DWDM)
COMPOSANTES D’UN SYSTEME DWDM
Transpondeur 1
(TX)
Multiplexeur
Dˇ multiplexeur
1
Rˇ cepteur
(RX)
Amplificateurs Fibre Optique
OFA
TX
D
W
D
M
TX
TX
OFA
RX
OFA
n
D
W
D
M
RX
n
TX
RX
RX
U.E 2.5-A.MORGANTI
42
LE MULTIPLEXAGE EN LONGUEURS D’ONDE (DWDM)
COMPOSANTES D’UN SYSTEME DWDM
TRANSPONDEUR
Transpondeur
(TX)
• Reçoit les signaux optiques et les transmet aux £
prédéfinis
TX
• Laser grande puissance de contre réaction répartie (
DFB ) suivi d’un modulateur et d’un amplificateur de
puissance .
TX
• Modulation directe ≤ 2,5 Gbps.
• 2,5 Gbps , utilisation d’un modulateur externe
TX
TX
• Lasers Fabri- Perot (FP) inutilisables pour les
systèmes DWDM
• Lasers accordables possibles
U.E 2.5-A.MORGANTI
43
LE MULTIPLEXAGE EN LONGUEURS D’ONDE (DWDM)
COMPOSANTES D’UN SYSTEME DWDM
MULTIPLEXEUR ( MUX ) 6 DEMULTIPLEXEUR ( DEMUX )
1
Multiplexeur
D
W
D
M
Dˇ multiplexeur
1
D
W
D
M
n
n
U.E 2.5-A.MORGANTI
44
LE MULTIPLEXAGE EN LONGUEURS D’ONDE (DWDM)
COMPOSANTES D’UN SYSTEME DWDM
AMPLIFICATEURS
Principe d’un régénérateur électrique
Reçoit le signal optique, le convertit en signal électrique (conversion O/E) remis en
forme, resynchronysé, amplifié et reconverti en signal optique (conversion E/O).
D é te c te u r
R e g é n é ra te u r
S ig n a l d ’e n t r é e
Laser
S ig n a l d e s o r t ie
Dans les systèmes DWDM, le signal multiplexé doit être démultiplexé avant la
regénération de chaque canal, émis par un laser puis multiplexé de nouveau.
Ce procédé est à la fois complexe et coûteux.
U.E 2.5-A.MORGANTI
45
LE MULTIPLEXAGE EN LONGUEURS D’ONDE (DWDM)
COMPOSANTES D’UN SYSTEME DWDM
AMPLIFICATEURS OPTIQUES ( OFA )
•
Un OFA amplifie simultanément chaque £ du signal sans MUX- DEMUX
•
Avantage majeur : Transparence à la vitesse du signal et au type de
données .
•
A ce jour trois types d’OFA sont déployés :
-
-
Semi Conducteur ( SOA )
- Fibre Raman ( RFA )
Fibre Dopée à l’Erbium ( EDFA )
U.E 2.5-A.MORGANTI
46
LE MULTIPLEXAGE EN LONGUEURS D’ONDE (DWDM)
COMPOSANTES D’UN SYSTEME DWDM
AMPLIFICATEURS OPTIQUES SOA ET RFA
-
SOA: Basés sur technologie lasers semi-conducteurs agissant comme milieu actif
-
RFA: L’effet Raman transforme la puissance de pompe d’un laser à un £ plus court
Soit dans une fibre intégrée comme milieu actif ( Distributed RA )
Soit dans la fibre de la structure
La fibre est “contre pompée” par laser de 600 Mw de £ p^lus court de 100 nm
Fibre
Puissance/dBm
Laser à Pompe
Intensité du signal avec RFA
Intensité du signal sans RFA
Longueur de fibre/km
U.E 2.5-A.MORGANTI
47
LE MULTIPLEXAGE EN LONGUEURS D’ONDE (DWDM)
COMPOSANTES D’UN SYSTEME DWDM
AMPLIFICATEURS OPTIQUES EDFA
Laser à
pompe
Diode Laser
Fibre dopée à l‘Erbium
Isolateur
Optique
Isdolateur
Optique
Isolateur Optique
Isdolateur
Optique
Entrée
Sortie
Epissure fusion
WDM
Fibre
Fibre
20 - 200 m
U.E 2.5-A.MORGANTI
48
LE MULTIPLEXAGE EN LONGUEURS D’ONDE (DWDM)
COMPOSANTES D’UN SYSTEME DWDM
RECEPTEURS
Rˇ cepteur
(RX)
RX
• Utilisés pour la conversion O/E
•Cellule de détection semi – conducteurs ,
photo sensible aux £ utilisés
RX
-Photo diodes PIN
RX
-Photo diodes à avalanche ( APD ) , plus
sensibles
Dˇbit
RX
2.5 Gbps
10 Gbps
40 Gbps
Sensibilitˇ
-28 dBM
-16 dBm
0 5 dBm
U.E 2.5-A.MORGANTI
Type de Diode
APD
PIN
PIN
49
DIFFUSION RAMAN
Stimulated Raman
Scattering (SBS)
Puissance
•
Diffusion Stimulée de Raman
•
•
Effet qui transfère la puissance d’un
signal à courte longueur d’onde à
un signal de plus grande longueur
d’onde .
Phénomène provoqué par
l’interaction des ondes lumineuses
avec les molécules en vibration (
Photons optiques ). La lumière est
alors diffusée dans toutes les
directions.
Cet effet atteint son maximum
lorsque les différences de £ entre
deux signaux est d’environ 100 nm (
13,2 THz ) .
Puissance
•
Canaux
U.E 2.5-A.MORGANTI
Canaux
50