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Les techniques de transmission optique. Projet bibliographique. Introduction. Fin des années 1970 : possibilité de transmettre à la vitesse de la lumière? Centres de recherche permanent. Des débits actuels de l’ordre du To/s. Plan de la présentation.

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les techniques de transmission optique

Les techniques de transmission optique.

Projet bibliographique.

Anthony REGIS / Romain VENOT

introduction
Introduction
  • Fin des années 1970 : possibilité de transmettre à la vitesse de la lumière?
  • Centres de recherche permanent.
  • Des débits actuels de l’ordre du To/s.

Anthony REGIS / Romain VENOT

plan de la pr sentation
Plan de la présentation.
  • Définition d’une fibre (fabrication, différents types etc…)
  • Les fibres dans les différentes zones réseau.
  • Le multiplexage des données.
  • La modulation, la détection et l’amplification des signaux.
  • Les évolutions des systèmes optiques et la recherche actuelle.

Anthony REGIS / Romain VENOT

1 d finition d une fibre
1) Définition d’une fibre
  • Un guide d\'onde optique de 2 ou plusieurs couches de diélectriques transparents (verre ou plastique) d\'indices de réfraction différents.

Anthony REGIS / Romain VENOT

1 d finition d une fibre1
1) Définition d’une fibre
  • Dans une fibre, la lumière est confinée dans le coeur et guidée grâce à la gaine optique.
  • Deux types de fabrication: méthodes internes et externes:
    • Consiste en la pose à l\'intérieur d\'un tube de silice d’un matériau vitreux et à rétreindre cette structure pour obtenir un barreau.
    • Le matériau est déposé sur un mandrin en rotation. Le rétreint est effectué après retrait du mandrin en même temps que la vitrification du matériau.

Anthony REGIS / Romain VENOT

1 d finition d une fibre 2 types
1) Définition d’une fibre – 2 types.
  • Il est à noter qu\'il existe deux types de fibres optiques définies de la façon suivante:
  • La fibre monomode
    • Si le cœur de la fibre est de l’ordre de quelques microns, la lumière s’y propage selon un seul mode, c’est une fibre dite monomode.
    • Utilise un laser.
  • La fibre multimode
    • si par contre le coeur est de l\'ordre de plusieurs dizaines de microns  fibre multimodale  propagation de la lumière plus complexe avec phénomènes de dispersion plus importants.
    • Utilise une diode.

Anthony REGIS / Romain VENOT

1 d finition d une fibre transmission
1) Définition d’une fibre – Transmission.
  • Nombreux atouts par rapport aux câbles en cuivre :
    • Débits très élevés,
    • Légèreté,
    • Encombrement moindre,
    • Insensibilité aux perturbations électromagnétiques,
    • Résistance à la corrosion...

Anthony REGIS / Romain VENOT

1 d finition d une fibre transmission1
1) Définition d’une fibre – Transmission.
  • Un rayon guidé va subir une réflexion totale à l\'interface des deux couches optiques.
  • Un rayon hors du cône d\'acceptance sera simplement réfracté à l\'entrée dans la fibre puis à l\'interface des deux couches, il passera alors dans la gaine et sera perdu.
  • L\'angle d\'acceptance permet de définir ce qu\'on appelle l\'ouverture numérique de la fibre, ouverture qui dépend bien évidemment des indices respectifs des deux couches optiques.

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1 d finition d une fibre connexions
1) Définition d’une fibre – Connexions.
  •  Une fibre ne peut pas mesurer plusieurs kilomètres pour relier un réseau de bout en bout.
  • Exemple: pour relier Europe et USA, plusieurs fibres sous-marines ont été posées et ont du être soudées entre elles.
  • On appelle les extrémités sectionnées des fibres des épissures.

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d finition d une fibre connexions
Définition d’une fibre – Connexions.
  • Lors d\'une connexion bout à bout on peut avoir au niveau des connexions:
    • une séparation longitudinale ,
    • un désalignement radial ,
    • un désalignement angulaire ,
    • une excentricité des coeurs ,
    • voire une ellipticité des coeurs .
  • Le positionnement idéal coïncide évidemment avec un maximum de lumière transmise.

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1 d finition d une fibre connexions1
1) Définition d’une fibre – Connexions.
  • Dès lors, on perçoit un problème important  L\'affaiblissement du signal au passage dans ces épissures si celles-ci ne sont pas bien calées ou sont mal soudées.
  • Plusieurs sources d’affaiblissement.

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2 les fibres dans les diff rentes zones r seaux
2) Les fibres dans les différentes zones réseaux.
  • Dans le monde de l\'informatique et des télécommunications, 3 zones principales, ou types de réseaux, ont été définies:
    • Les réseaux longues distances (WAN, Wide Area Network). Ce sont les réseaux déployés à l\'échelle d\'un pays ou d\'un continent et dont les noeuds sont de très grands centres urbains.
    • Les réseaux métropolitains (Metropolitan Area Network = MAN) qui correspondent aux réseaux mis en oeuvre dans une grande ville.
    • Les réseaux locaux (Local Area Network = LAN). Ils représentent le dernier maillon et finissent d\'acheminer les informations à l\'abonné.

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slide13

2) Les fibres dans les différentes zones réseaux - WAN

  • Interconnecte deux réseaux séparés par une vaste distance géographique grâce à deux autocommutateurs à autonomie d\'acheminement.
  • La transmission des informations se fait désormais sur fibre optique à un débit élevé qui ne cesse d\'augmenter (les débits 2,5 Gbits/s et 10 Gbits/s sont déjà installés)
  • Les fibres ont permis de gagner en débit et en distance entre répéteurs par rapport aux systèmes existants, à savoir le câble coaxial (la distance passe de 2 à 100 km).

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slide14

2) Les fibres dans les différentes zones réseaux - MAN

  • Le réseau métropolitain connaît un véritable essor. Il possède un environnement souvent très complexe et divers. On peut distinguer 2 types de réseaux métropolitains:
    • Métropolitains structurants,
    • Métropolitains d\'accès.

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2 les fibres dans les diff rentes zones r seaux lan
2) Les fibres dans les différentes zones réseaux - LAN
  • C\'est la dernière partie du réseau de télécommunication, celle qui relie l\'abonné et le dernier autocommutateur.
  • Il est toujours constitué par une partie en fibre optique entre l\'autocommutateur et la terminaison de réseau optique suivie d\'une partie en cuivre qui va jusque chez l\'abonné.
  •  Il est de plus en plus envisagé de réduire l\'utilisation de circuits de transmission électrique  tout optique dans le but d\'augmenter le débit disponible chez l\'abonné.

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2 les fibres dans les diff rentes zones r seaux lan1
2) Les fibres dans les différentes zones réseaux - LAN
  • Selon la localisation de la terminaison optique, différentes configurations sont envisageables :
    • FTTH/FTTO (Fiber To The Home / Fiber To The Office) : la terminaison de réseau optique est implantée dans les locaux de l\'abonné. La fibre va donc jusqu\'à son domicile ou son bureau, et la partie circuit cuivré est très courte.
    • FTTB (Fiber To The Building) : la terminaison de réseau optique est localisée soit au pied d\'un immeuble, soit dans un local technique en sous-sol. Elle est partagée entre plusieurs abonnés qui lui sont raccordés par des liaisons en fil de cuivre.
    • FTTC/FTTCab (Fiber To The Curb / Fiber To The Cabinet) : la terminaison de réseau optique est localisée dans une armoire sur la voie publique, dans un centre de télécommunications, ou encore sur un poteau.

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3 le multiplexage des donn es
3) Le multiplexage des données.
  • Diverses solutions ont été proposées pour pouvoir bénéficier pleinement des capacités de la fibre.
  • La technique de multiplexage a été choisie, elle consiste à partager le média de communication, pour y envoyer les données. Le multiplexage peut être temporel ou à longueur d\'ondes.

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3 le multiplexage des donn es multiplexage temporel
3) Le multiplexage des données – Multiplexage temporel
  • Le multiplexage temporel (TDM=Time Division Multiplexing)

 offrir à un utilisateur à la fois, la totalité de la bande passante pendant un court instant.

    • L\'allocation se fait en divisant l\'axe du temps en intervalles de temps (IT), et chaque utilisateur ne pourra transmettre que pendant son intervalle de temps.
  • Rq: Un atout majeur: on peut regrouper plusieurs canaux de communications à bas débits sur un seul canal à débit plus élevé.

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3 le multiplexage des donn es multiplexage temporel1
3) Le multiplexage des données - Multiplexage temporel

Chaque intervalle de temps (IT) est affecté à une voie.

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3 le multiplexage des donn es multiplexage temporel optique
3) Le multiplexage des données - Multiplexage temporel - Optique
  • Le multiplexage temporel peut être réalisé de manière optique (OTDM= Optical Time Division Multiplexing).

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3 le multiplexage des donn es multiplexage temporel electronique
3) Le multiplexage des données - Multiplexage temporel - Electronique
  • Dans le cas de l\'ETDM, le codage RZ et " l\'assemblage " des données se font électriquement .
  • Le haut débit obtenu est ensuite utilisé pour la modulation du courant de polarisation d\'une diode laser et il n\'y a qu\'un seul signal lumineux émis.
  • On retrouve ce type de multiplexage temporel sur les canaux E1 en Europe qui regroupent 30 voies analogiques en une voie à 2,048 Mbits/s.   

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3 le multiplexage des donn es multiplexage temporel electronique1
3) Le multiplexage des données - Multiplexage temporel - Electronique

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3 le multiplexage des donn es multiplexage en longueur d ondes wdm
3) Le multiplexage des données - Multiplexage en longueur d’ondes(WDM)

WDM (Wavelength Division Multiplexing):

  • N porteuses optiques à différentes longueurs d\'onde transmettant chacune un débit D.
  • La bande passante est découpé en périodes. Chaque sous-bande est affectée à un canal.
  • Appelé aussi multiplexage frequentiel (Frequency Division Multiplexing).

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3 le multiplexage des donn es multiplexage en longueur d ondes wdm1
3) Le multiplexage des données - Multiplexage en longueur d’ondes(WDM)
  • L\'utilisation nécessite:
    • Un ensemble de diodes laser émettant à des longueurs d\'ondes différentes.
    • Des multiplexeurs/démultiplexeurs optiques pour combiner/séparer l\'ensemble des signaux optiques dans/de la fibre.

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3 le multiplexage des donn es multiplexage en longueur d ondes wdm2
3) Le multiplexage des données - Multiplexage en longueur d’ondes(WDM)
  • Pour éviter le chevauchement des ondes, il faut déterminer un espacement minimum qui dépend de plusieurs facteurs :
    • Qualité de la fibre
    • Qualité des multiplexeurs/démultiplexeurs,
    • Longueur de transmission,
    • Qualité des sources,
    • Débit des données de chaque source ...
  • La capacité du système est un débit numérique égal à N * D.
  • Une autre application du WDM concerne les LAN. Chaque abonné se voit attribuer une longueur d\'onde, ce qui équivaut à une "couleur".
  • Permet une évolution continue du réseau par l\'ajout de nouveaux services ou de nouveaux abonnés simplement par insertion d\'une nouvelle longueur d\'onde.

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3 le multiplexage des donn es wdm combin tdm
3) Le multiplexage des données – WDM Combiné à TDM
  • Chaque signal modulé issu d\'une étape de multiplexage temporel, peut être ensuite multiplexé avec d\'autres signaux à d\'autres longueurs d\'onde.
  • Associer TDM et WDM est la situation la plus fréquente.
  • Dans ce cas, après démultiplexage optique, une étape de démultiplexage temporel permet la restitution des signaux d\'origines " bas débit ".

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3 le multiplexage des donn es acc s multiple r partition de code cdma
3) Le multiplexage des données – Accès multiple à répartition de code - CDMA
  • CDMA (Code Division Multiple Access)  affectation d\'un code à chaque station ou utilisateur.
  • Chaque bit=1 est remplacé par une séquence différente pour chaque utilisateur et définie comme la signature (le code).
  • Un nombre important de messages peut être envoyé sur une même ligne de transmission.
  • Le destinataire possédant la bonne " clé " pourra décoder son signal.

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4 la modulation la d tection et l amplification des signaux
4) La modulation, la détection et l’amplification des signaux.
  • Pour transmettre des informations dans les medias optiques, il faut les imprimer sur le signal à envoyer, c\'est ce que l\'on appelle modulation.
  • Pour cela, il est nécessaire de réaliser une conversion des données électriques en données optiques.
  • Il existe principalement 2 techniques : la modulation directe et la modulation externe.

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4 la modulation la d tection l amplification modulation directe modulation d amplitude
4) La modulation, la détection, l’amplification … Modulation directe – modulation d’amplitude
  • Modulation facile :
    • la modulation du courant qui les traverse entraîne directement la modulation en intensité de la lumière émise.
  • Peu de composant :
    • en dehors du laser, seuls un générateur de courant et un driver sont nécessaires.

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4 la modulation la d tection l amplification modulation externe
4) La modulation, la détection, l’amplification … Modulation externe
  • La modulation externe consiste à écrire les données électriques sur un signal optique continu.
  • Elle est obtenue en modulant directement le faisceau lumineux en sortie du laser et non plus le courant d\'alimentation à l\'entrée du laser.
  • Un driver est souvent présent entre les données et le modulateur afin de fixer les niveaux de la tension de contrôle et choisir les modifications du facteur de transmission.

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4 la modulation la d tection l amplification la d tection
4) La modulation, la détection, l’amplification … La détection
  • Plusieurs méthodes pour envoyer l\'information sur le media lumineux  différentes techniques pour la récupérer.
  • Le photodétecteur (photodiode PIN ou avalanche) est toujours nécessaire pour convertir le signal optique en électrique.
  • Deux types de détection:
    • Directes,
    • Cohérentes (hétérodyne, homodynes).

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4 la modulation la d tection l amplification la d tection directe
4) La modulation, la détection, l’amplification … La détection - directe
  • Pour extraire le signal qui module en amplitude une onde, on peut le redresser. Le signal modulant et des harmoniques sont alors émis.
    • Les harmoniques peuvent être éliminées par filtrage, dans la mesure où la fréquence de l\'onde porteuse est très grande devant la fréquence maximale du spectre du signal modulant.
  • Le détecteur peut être réalisé soit par une diode PIN, soit une photodiode à avalanche (PDA).

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4 la modulation la d tection l amplification la d tection h t rodyne homodyne
4) La modulation, la détection, l’amplification … La détection – hétérodyne/homodyne
  • Réception hétérodyne : Le signal reçu ainsi qu\'un signal issu d\'un oscillateur local sont couplés pour réaliser une combinaison linéaire des signaux présents sur ses deux entrées.
    • Une des deux sorties attaque le photomélangeur. Le signal détecté est filtré autour de la fréquence intermédiaire.
  • Réception homodyne : utilisation d’un oscillateur local à la même fréquence que le signal reçu et synchronisé en phase avec la porteuse de celui-ci.
    • réception homodyne  cas particulier de la réception hétérodyne.

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4 la modulation la d tection l amplification l amplification
4) La modulation, la détection, l’amplification … L’amplification
  • Pour minimiser les perturbations (bruit et distorsion) sur les signaux, préamplificateur et photodétecteur sont souvent réunis dans un même boîtier. On rencontre deux types de préamplificateurs.
    • L\'amplificateur à haute impédance d\'entrée

 Jusqu\'à quelques MHz,

 Structures très sensibles et de faible bruit.

    • L\'amplificateur transimpédance

 freq. > 50 Mhz, moins de bruit que Haute Impédance.

    • Limites :
    • Au-delà de 500 MHz, cette solution est limitée par des problèmes de stabilité et on utilise des transistors à effet de champ.

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5 les volutions et la recherche actuelle le pont laser
5) Les évolutions et la recherche actuelle – Le pont Laser
  • Interconnexion de deux bâtiments grâce à une liaison laser et donc sans fils.
  • Les avantages offerts par ces solutions sont nombreux et méritent d’être examinés :
    • Pas de licence d’utilisation
    • Bande passante élargie
    • Sécurité des transmissions de données
    • Installation rapide
    • Rapport Prix/performance
    • Souplesse et adaptabilité

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5 les volutions et la recherche actuelle la recherche
5) Les évolutions et la recherche actuelle – La recherche
  • Les progrès dans ce domaine sont encore plus rapides que pour les microprocesseurs.
  • Aujourd\'hui: 10 Gigabit/s sur le terrain pour une paire de fibre et 2,6 térabit/s en laboratoire (Fujitsu).
  • Le point clé se trouve aujourd\'hui au niveau des "routeurs" tout optiques qui doivent orienter les paquets de donnée à ce débit .
  • Atrium, projet financé par l\'Europe. Mise en place en laboratoire permettant de tester des "routeurs terabits" – (Avril 2001)

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5 les volutions et la recherche actuelle la recherche1
5) Les évolutions et la recherche actuelle – La recherche
  • Le WDM (Wavelength Division Multiplexing), permet de multiplier par 32 la capacité de la fibre (10 gigabit/s par canal) soit 320 Gigabit/s par paire de fibre.
  • Nortel travaille depuis 1999 sur la technologie "OPTera" qui gère 160 couleurs: 1,6 térabit/s
  • Le DWDM (Dense WDM) avec 300 longueurs d\'onde puis l\'UDWDM (Ultra DWDM) avec 1022 ont déjà fonctionné en 1999 aux Bell Labs
  • Début 2001 Cable & Wireless annonçait le projet Apollo d\'une capacité de 26 térabit/s.

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conclusion
Conclusion
  • Développement de la piste tout optique.
  • Problèmes actuels:
    • Routeurs pouvant supporter les débits énormes des fibres ?
    • Recâbler chaque habitation en remplaçant la paire de cuivre, par un média optique.
  • Les grands constructeurs se penchent très sérieusement sur la conception du meilleur routeur.

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sources
Sources
  • http://www.cem2.univ-montp2.fr/~moreau/cours/TelOptiques.doc

Propagation, dispersion, équations mathématiques…

  • http://www.comelec.enst.fr/recherche/opto/cdma.html

Techniques avancées de communications numériques optiques

  • http://www.comelec.enst.fr/recherche/opto/projetsci.html

Rapports divers sur les transmissions optiques, le multiplexage etc…

  • http://nobo728x.free.fr/index.php?page=fibre

Rapport sur les transmissions optiques et les conversions opto-électriques et electro-optiques.

  • http://www.uhb.fr/urfist/Supports/IntroInternet/InternetAujourdhui/InternetAujourd\'hui_reseaux.htm

Les réseaux : fondements, topologies, évolutions, fonctionnement.

  • http://www.cyber.uhp-nancy.fr/demos/GTRT-002/cha_2/cha_2_3_4.html

Les fibres : caractéristiques, calculs mathématiques, épissures …

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questions
QUESTIONS ?

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