1JJB - Oct. 2009

Troisième partieLes réseaux multiplexés en longueur d’onde

Systèmes WDM

Jean-Jacques BERNARDOPTEL Formation

Tél. : 06 88 48 89 70E-mail : bernardjj@free.fr

Ecole Centrale d’ElectroniqueING4 - Octobre 2009

2JJB - Oct. 2009

Sommaire

Systèmes WDM (wavelength division multiplexing) : Pourquoi ? Généralités sur les systèmes WDM Limitations dues aux effets non-linéaires dans la fibre de ligne

Mélange à quatre ondes FWM (four-wave mixing)

Spécificités de l’amplification WDM Platitude de la courbe de gain Considérations sur le bruit Influence du nombre d’amplificateurs et du nombre de canaux sur le rapport S/B Impact de la puissance d’entrée de l’amplificateur sur sa courbe de gain

Description de systèmes de transmission WDM

3JJB - Oct. 2009

Evolution des systèmes TDMsur fibre optique

Aujourd’hui, le taux d’accroissement du débit double tous les 2,5 ans On cherche à accroître le produit débit x distance

Et ensuite ?.....Le débit TDM de 10 Gbit/s (facteur 4) commence à être installéLe débit TDM de 40 Gbit/s (facteur 16) est en cours de développement

Transmetteur

Régéné-rateur OEO

Récepteur

Transmetteur Récepteur

Transmetteur

Transmetteur

Récepteur

Récepteur

Monocanal2,5 Gbit/s

Amplificateuroptique

4JJB - Oct. 2009

Etat actuel des réseaux terrestres

Systèmes déjà installés et opérationnels Basés sur la fibre monomode standard type G.652 à 1550 nm

– Atténuation minimum de la fibre ( 0.2-0.3 dB/km)– Possibilité d’amplification optique (EDFA)

Débits en TDM– Couramment 2,5 Gbit/s– Démarrage du 10 Gbit/s

Spécificités des systèmes TDM à 2,5 Gbit/s Modulation directe Booster et/ou pré-amplificateur Distance sans régénération 150 km

Evolution court terme Contrainte due au nombre limité de fibres installées Capacité accrue : passage à 10 Gbit/s multicanaux Plus grande distance sans régénération

5JJB - Oct. 2009

Multiplexage temporel(TDM : Time Division Multiplexing)

a b c d

a b c d

a b c d

a a a a b b b b c c c c d d d d

Trains binaires 2,5 Gbit/s(signaux électriques)4 bits sont montrés

400 ps

Temps

400/4 = 100 ps

Signaux numériquesmultiplexés à 10 Gbit/s(signaux électriques)

Multiplexeur synchrone4 vers 1

STM-16 # 1

STM-16 # 2

STM-16 # 3

STM-16 # 4

Transmetteuroptique

10 Gbit/s

Train binaireoptique à10 Gbit/s

a b c d

6JJB - Oct. 2009

Multiplexage en longueur d’ondeWDM (Wavelength Division Multiplexing)

a b c d

a b c d

a b c d

400 ps

Temps

Multiplexeur optiquepassif 4 vers 1

STM-16 # 1

STM-16 # 2

STM-16 # 3

STM-16 # 4

Trains binairesoptiques à 2,5 Gbit/s(1 par fibre)

Tx optique2,5 Gbit/s

2

3

4

1 2 3 4

1

Tx optique2,5 Gbit/s

Tx optique2,5 Gbit/s

Tx optique2,5 Gbit/s

Trains binaires à 2,5 Gbit/s(signaux électriques)4 bits sont montrés

Trains binairesoptiques à 2,5 Gbit/s(4 par fibre)

a b c d

a b c da b c d

Temps

a b c d

a b c d

Fibrede ligne

7JJB - Oct. 2009

Multiplexage en longueur d’ondeWDM (Wavelength Division Multiplexing)

Intérêts du multiplexage en longueur d’onde Très haute capacité de transmission sur la fibre de ligne

– 2,5 ou 10 Gbit/s par canal (longueur d’onde)– Grand nombre possible de canaux (typiquement 16 à 64 canaux)– Capacité globale équivalente transportée : 40 à 640 Gbit/s

Ne nécessite pas de circuits électronique à très haut débit– Electronique à 2,5 Gbit/s pour systèmes N x 2,5 Gbit/s (capacité jusqu’à 160 Gbit/s)– Electronique à 10 Gbit/s pour systèmes N x 10 Gbit/s (capacité jusqu’à 640 Gbit/s)

Possibilité d’exploiter la fibre standard SMF déjà installée à 1,55 µm– Supporte la forte dispersion chromatique de cette fibre si débit limité à 2,5 Gbit/s

Contraintes du WDM Sensibilité aux effets non-linéaires générés dans la fibre de ligne (FWM) Spécificités propres des amplificateurs optiques (platitude du gain…) Sources d’émission très stables en longueur d’onde

8JJB - Oct. 2009

Limitations de la transmissionDispersions chromatique et de polarisation

Hypothèses : - transmission monocanal- propagation linéaire- modulation d’intensité NRZ sans chirp

Débit (Gbit/s)

Dis

tanc

e sa

ns ré

géné

ratio

n (k

m)

Dc = 17 ps/nm.km

Dc = 2 ps/nm.km

PMD = 2 ps/km0.5

PMD = 0,5 ps/km0.5

Fibres SMFactuelles

Fibres DSFfutures

10

100

1000

10000

0.1 1 10 100

PMD =PolarizationModeDispersion

2.5

10 km

400 km

9JJB - Oct. 2009

Stratégies pour accroîtrela capacité par fibre

TDM

WD

M

1

10 Mbit/s 100 Mbit/s 1 Gbit/s 10 Gbit/s 100 Gbit/s

2

4

8

16

32

64

Débit par canal

Nom

bre

de c

anau

x W

DM 2.5 Gbit/s

10 Gbit/s40 Gbit/s160 Gbit/s

Capacitétotalepar fibre

155

Mbi

t/s S

TM-1

622

Mbi

t/s S

TM-4

2.5

Gbi

t/s S

TM-1

6

10 G

bit/s

STM

-64

Limitations dues à ladispersion chromatique et à ladispersion de polarisation

10JJB - Oct. 2009

Avantages techniques du WDM pour les systèmes terrestres de haute capacité

Pour les systèmes 2.5 Gbit/s : plus grande tolérance sur les artères optiques déjà installées : à la dispersion chromatique (fibres SMF G.652) à la dispersion de polarisation (fibres SMF G.652 et DSF G.653)

-> Distance plus grande sans régénération : accroissement d’un facteur 4

Transparence aux débits et aux standards, modularité, protection type (N+1)

TX

TX

Données RX

RXDonnées

11JJB - Oct. 2009

Propagation dans les systèmes WDM Effets non-linéaires dans les fibres

Systèmes WDM : propagation simultanée sur une même fibre de plusieurs porteuses optiques

Régime linéaire (Pcanal < 0 dBm = 1 mW) : Pas de différence entre propagation monocanal et multicanaux

Auto-modulation de phase SPM (self-phase modulation) : Effet non-linéaire présent à la fois en propagation monocanal et

multicanaux

Effet non-linéaire limitant la performance des systèmes WDM : Mélange à quatre ondes FWM (four-wave mixing)

12JJB - Oct. 2009

Le mélange à quatre ondes (Four Wave Mixing FWM) génère des fréquences optiques parasites par intermodulation du 3ème ordre :

Fi = F1 – F Fj = F2 + F où F = F2 - F1

La diaphonie FWM est générée par : une puissance importante par canal (> 0 dBm) une faible dispersion chromatique (< 2 ps/nm.km) un faible espacement ou un espacement égal entre canaux

Mélange à quatre ondes (FWM)dans les systèmes WDM

FréquenceoptiqueFréquence optique

Diaphoniedans la bande

Diaphoniehors bande

F0 F1 F2 F3

F0 F1 F2 F3

Fi Fj

13JJB - Oct. 2009

Solutions possibles pourminimiser l’impact du FWM

L’efficacité du FWM décroît avec :

une faible puissance par canal (< 0 dBm) un large espacement entre canaux (> 50 GHz) un arrangement judicieux de la polarisation des canaux (polarisations

croisées entre canaux adjacents) l’utilisation de nouvelles fibres

(0 en dehors de la plage du multiplex) :

– Conception de nouvelles fibres de ligne du type NZ-DSF :(Lucent TrueWave, Corning LEAF, Alcatel TeraLight...)

Réduction de l’impact du FWM :

Espacement inégal entre canaux... Solution abandonnée car non gérable pour un très grand nombre de canaux

14JJB - Oct. 2009

Fibres SMF standard, DSF et NZ-DSF

Fibres SMF standard type G.652 : Longueur d’onde d’annulation de la

dispersion chromatique (0) entre 1290 et 1320 nm

Atténuation typique : 0.25 dB/km

Fibre à dispersion décalée DSF (dispersion-shifted fiber) G.653 : 0 entre 1530 et 1570 nm Atténuation typique : 0.28 dB/km

Fibre NZ-DSF (non-zerodispersion-shifted fiber) G.655 : 0 vers 1520 ou 1580 nm La fibre la plus prometteuse ? Déjà déployée aux USA

-10

-5

0

5

10

15

20

25

1200 1300 1400 1500 1600

Longueur d’onde (nm)D

ispe

rsio

n ch

rom

atiq

ue (p

s/nm

.km

)

G.652 (

0.08 p

s/nm

2 .km)

G.653

Ban

deED

FA

G.655

G.655

15JJB - Oct. 2009

Fibres NZ-DSF pour systèmes WDM

Fibre à dispersion décalée (DSF) G.653 : 0 entre 1530 et 1570 nm Pire cas : 0 à l’intérieur du multiplex

Développement d’une nouvelle fibre avec 0 en dehors du multiplex défini par la bande d’amplification des EDFA : NZ-DSF G.655

2 alternatives: 0 1520 nm @ D +2 ps/nm.km 0 1580 nm @ D -2 ps/nm.km

– évite les instabilités de modulation– permet la compensation de dispersion

par concaténation de plusieurs fibres standard

Fibre de l’avenir ?

1500 1520 1540 1560 1580 1600

Longueur d’onde (nm)

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Dis

pers

ion

chro

mat

ique

(ps/

nm.k

m)

BandeEDFA

0 1520 nm

0 1580 nm

16JJB - Oct. 2009

Spécification en diaphoniepour les démultiplexeurs WDM

Pénalité de 0.5 dB pour diaphonie de -13 dB Diaphoniecanal < -20 dB pour 8 canaux avec spectre plat à

l’entrée du démultiplexeur Diaphoniecanal < -25 dB pour 8 canaux après la chaîne

d’amplificateurs

Système 4 canauxsans amplificateur

DEMUX

Diaphonie totale hors bande (dB)

0

2

4

6

8

10

-25 -20 -15 -10 -5 0

Péna

lité

en s

ensi

bilit

é@

BER

= 1

0-10

(dB

)

17JJB - Oct. 2009

Considérations concernantl’espacement entre canaux

Limite inférieure : Stabilité de la longueur d’onde de l’émetteur nécessitant des circuits de contrôle

complexes et coûteux Contraintes technologiques sur le démultiplexeur (diaphonie et stabilité en

longueur d’onde) Effets non-linéaires dans la fibre de ligne :

(mélange à quatre ondes FWM)

Limite supérieure : Courbe de gain non uniforme des amplificateurs optiques Bande passante totale pour accroissement du nombre de canaux

-> Un espacement de 50 à 100 GHz est un bon compromis(en accord avec la recommandation ITU-T G.692)

18JJB - Oct. 2009

Amplification WDMExigences et spécificités

Les amplificateurs optiques WDM doivent présenter : Une puissance uniforme par canal tenant compte

– de la dynamique du récepteur– des effets non-linéaires dans la fibre de ligne

Un rapport Signal/Bruit uniforme– pour assurer une excellente performance en taux d’erreur (BER) quel que soit le

nombre de canaux

Tx 1 MULTIPLEXEUR

Tx 2

Tx 3

Tx 4

Tx 5

Tx 6

Tx 7

Tx 8

DATA IN

DATA IN

DATA IN

DATA IN

DATA IN

DATA IN

DATA IN

DATA IN

DEMUX

Rx

Rx

Rx

Rx

Rx

Rx

Rx

Rx

DATA OUT

DATA OUT

DATA OUT

DATA OUT

DATA OUT

DATA OUT

DATA OUT

DATA OUT

1

2

3

4

5

6

7

8

Super-vision

Equipementterminal de ligne

Equipementterminal de ligne

Amplificateurde ligne

19JJB - Oct. 2009

Amplification WDMLimitation due à l’autofiltrage

de la courbe de gain G()

Accroissementdu nombre decanaux :

Accroissementdu nombred’amplificateurs:

5 dB

/div

4 canaux, 7 EDFAs (800 km) 16 canaux, 7 EDFAs (800 km)

8 canaux, 1 EDFA (200 km) 8 canaux, 7 EDFAs (800 km)

50 nm

5 dB

/div

20JJB - Oct. 2009

Platitude de la courbe de gainCo-dopants et nouveaux matériaux de base

Fluo

resc

ence

Longueur d’onde (nm)1500 1550 1600

1450 1600 16501450

Différents co-dopantsdans les fibres à basesilice dopée Erbium-> intérêt du dopage Al

Silice et verre fluorécomme matériaux de basepour le dopage Erbium

Fibre silice dopée Erbium

Fibre verre fluoré dopée Erbium

Atté

nuat

ion

Fluo

resc

ence

Longueur d’onde (nm)

21JJB - Oct. 2009

Platitude de la courbe de gain Impact de la puissance d’entrée

Influence de lapuissance d’entrée(puissance pompe constante)

PIN = -22 dBmPIN = -15 dBmPIN = -10 dBmPIN = -5 dBm

Longueur d’onde (nm)Pu

issa

nce

(dB

m)

-3

-2

-1

0

1546 1548 1550 1552 1554 1556 1558 1560

Un seul EDFA avecco-dopage Aluminium

La platitude de la courbe de gain dépend directement de la puissance totale d’entrée sur l’amplificateur: Une puissance d’entrée trop faible conduit à un gain plus faible vers les

grandes longueurs d’onde La bonne platitude du gain nécessite un contrôle permanent de la puissance

d’entrée pour l’ajuster à sa valeur optimale

22JJB - Oct. 2009

Platitude de la courbe de gain Filtrage spectral

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

1550 1552 1554 1556 1558 1560 1562

Chaîne de 10 EDFA : impact du filtre aplatisseur de gain

Longueur d’onde (nm)

Puis

sanc

e (d

Bm

)

1550 1552 1554 1556 1558 1560 1562-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5Sans filtre Avec 1 filtre

Puis

sanc

e (d

Bm

)Longueur d’onde (nm)

23JJB - Oct. 2009

Limitations de l’amplification WDMConsidérations sur le bruit

Accroissement du nombre de canaux :1 canal 4 canaux 8 canaux

S/B

S/B

200 km - 1 amplificateur 400 km - 3 amplificateurs 800 km - 7 amplificateurs

S/B S/

B

20 nm

5 dB

/div

Accroissement du nombre d’amplificateurs de ligne :

24JJB - Oct. 2009

Mise en œuvre pratiquedes amplificateurs optiques WDM

La réponse d’un EDFA WDM (platitude de la courbe de gain, puissance de sortie par canal) dépend directement de la puissance totale d’entrée

Les amplificateurs WDM sont conçus pour être utilisés à une puissance d’entrée spécifique pour optimiser la platitude de la courbe de gain

La puissance totale d’entrée peut ne pas être constante : Perte en ligne non uniforme entre amplificateurs de ligne Variation du nombre de canaux :

– Augmentation progressive du nombre de canaux (upgrade)– Défaillance possible d’une carte transmetteur– Réseaux à routage en longueur d’onde avec fonction ADM

25JJB - Oct. 2009

Transmission de 16 canaux à 2,5 Gbit/ssur 440 km de fibre standard G.652

Utilisation d’amplificateurs large bande à verre fluoré : 16 canaux WDM, espacement de 200 GHz soit 1,6 nm (1533.7 1558.2 nm)

Débit par canal 2,5 Gbit/s : Capacité totale de 40 Gbit/s avec excellente tolérance à la dispersion

chromatique et à la dispersion de polarisation

Tx 1 MULTIPLEXEUR

Tx 2

Tx 15

Tx 16

2.5 Gbit/sDATA IN

Rx

2.5 Gbit/sDATA OUT

i

16 à 2,5 Gbit/s

.

.

.

.

.

40 nm

50 d

B

110 km 110 km 110 km 110 km

26JJB - Oct. 2009

Transmission de 16 canaux à 10 Gbit/ssur 531 km de fibre standard G.652

16 à 10 Gbit/sTx 1 M

ULTIPLEXEUR

Tx 2

Tx 15

Tx 16

10 Gbit/sDATA IN

.

.

.

.

.

i

60 km 66 km 86 km

77 km60 km93 km

61 km 28 km

Rx 10 Gbit/sDATA OUT

32 nm

30 d

B

Sortie transmetteur Entrée récepteur

: EDFA à verre fluoré

DCF DCF DCF

DCFDCFDCF

DCF

DCF

DCF : Fibre àcompensation de dispersion

27JJB - Oct. 2009

Expérience NEC à 2,6 Tbit/s :132 canaux à 20 Gbit/s sur 120 km

132 canauxà 20 Gbit/s

Récepteur120 km

fibre G.652DCF D

EMUX

28JJB - Oct. 2009

Démonstrateur système WDMnon-régénéré 16 x 2,5 Gbit/s sur 427 km

Terminal transmetteur

TX 16Pompe

#250 km

277 kmEDFA

50 kmWDM

EDFBoosterdéporté

Mux

Pompe#1

TX 1

...

Cou

pleu

r 16

-> 1

Filtreoptique

100 km

Terminal récepteur

EDFA

Pompe#3

EDF

Pré-ampli déporté

Isolateuroptique

WDM Mux

Pompe#4

100 km

RXAPDDCF

29JJB - Oct. 2009

Démonstrateur système WDMnon-régénéré 8 x 2.5 Gbit/s sur 461 km

Filtreoptique

Terminal récepteur avec FEC

EDFA

Pré-ampli déporté

Mux

50 kmRx

APDDCF

Isolateuroptique

EDFEDF 50 km

100 km

Pré-ampli déporté

Pompe350 mW

Pompe350 mW

Pompe140 mW

BER inférieur à 10-15

après code correcteur d’erreur (FEC)

Mux Mux

361 km

Terminal transmetteur avec FEC

TX 8

TX 1...

Cou

pleu

r 8 v

ers

1EDFA

+30 dBm

30JJB - Oct. 2009

Démonstrateur système WDMnon-régénéré 8 x 2,5 Gbit/s sur 377 km

Opticalfilter

Terminal récepteur avec FEC

EDFAMux

377 kmDCF

Pompe350 mW

TX 8 Cou

pleu

r 8 v

ers

1

EDFA+30 dBm

TX 1

Pré-amplificationRaman

APDRX

Terminal transmetteur avec FEC

BER inférieur à 10-15

après code correcteur d’erreur (FEC)

31JJB - Oct. 2009

Terminal commercial 8 x 2,5 Gbit/s

Code correcteur d’erreur FEC (Forward Error Correction) Post-amplificateur forte puissance de sortie (+26 dBm) Pré-amplificateur faible bruit Espacement entre canaux conforme à la norme ITU-T Compatible avec les multiplexeurs SDH et SONET

Débit ligne 2.666 Gbit/s (FEC)

+26 dBm

ADM

(STM 16)#1

ADM

(STM 16)#8

1666 UWPA: Post-amplificateur (booster)PR: Pré-amplificateur

TX 1

TX 8

RX

RX

ADM

(STM 16)#1

ADM

(STM 16)#8

MUX

1666 UW

PR

DEMUX

PA

32JJB - Oct. 2009

Systèmes sous-marins16 x 2,5 Gbit/s en exploitation

+ Pré-amplification déportéeet pompage Raman côtéréception

Terminal de ligne avecFEC et amplificateurs

+ Pré-amplificationet pompage Raman côtéréception

Marge de 4 dB pour réparationet installation/maintenance

Fibre dopée

Pompe

Fibre dopée

PompePompe

Fibre dopée

Pompe

ADM ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

205 km

300 km

235 km

330 km

SLTE SLTE

SLTE SLTE

SLTE SLTE

SLTE SLTE+ Pré-amplification déportée

et pompage Raman côtésémission et réception

33JJB - Oct. 2009

Systèmes sous-marins16 x 10 Gbit/s en développement

+ Pré-amplification déportéeet pompage Raman côtéréception

Terminal de ligne avecFEC et amplificateurs

+ Pré-amplificationet pompage Raman côtéréception

Marge de 4 dB pour réparationet installation/maintenance

Fibre dopée

Pompe

Fibre dopée

PompePompe

Fibre dopée

Pompe

ADM ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

ADM

140 km

230 km

170 km

300 km

SLTE SLTE

SLTE SLTE

SLTE SLTE

SLTE SLTE+ Pré-amplification déportée

et pompage Raman côtésémission et réception

34JJB - Oct. 2009

Nouvelles fonctions et nouveauxcomposants dans les réseaux WDM

TX 1 MULTIPLEXEUR

TX 2

TX 3

TX 4

TX 5

TX 6

TX 7

TX 8

DATA IN

DATA IN

DATA IN

DATA IN

DATA IN

DATA IN

DATA IN

DATA IN

DEMUX

RX

RX

RX

RX

RX

RX

RX

RX

DATA OUT

DATA OUT

DATA OUT

DATA OUT

DATA OUT

DATA OUT

DATA OUT

DATA OUT

1

2

3

4

5

6

7

8

Equipement terminal de ligne

Amplificateurde ligne

+ supervision

Canal desupervision

RX TX

Chaque TX fournitla puissance

correcte etla bonne longueur

d’onde

Combinaison de toutes leslongueurs d’onde dansla même fibre de ligne

Amplificationsimultanée de

tous les canaux

Possibilité de contrôle/maintenancedes amplificateurs de ligne

(nouveaux composants réseau)

TX sup

Processeurcontrôlesystème

Gestion duréseau

RX sup

Processeurcontrôlesystème

Sélection d’un canalpar fibre de sortie

Equipement terminal de ligne

Gestion duréseau

35JJB - Oct. 2009

Multiplexage en longueur d’ondeAvantages clés

Accroissement de la capacité des réseaux existants Upgrade d’un système monocanal vers un système multicanaux Exploitation de l’infrastructure existante de fibres standard SMF pour leur

utilisation en WDM à 10 Gbit/s par canal

Amélioration de la connectivité et de la flexibilité Granularité plus fine des canaux WDM (espacement réduit entre

canaux adjacents) Adaptabilité à la configuration du trafic

Possibilité de mise en œuvre du réseau par étapes successives Upgrade progressif en fonction de la demande

Optimisation globale du coût de réalisation du réseau Coût optimisé pour le réseau définitif visé