Stratégies Télécoms & Multimédia

1 – Avantages des fibres optiques

La fibre optique est bien adaptée à la transmission numérique en haut débit et ses performances, toujours en progrès, ont eu un impact très important dans la diminution des coûts du transport à longue distance. Les premières techniques de fibre optique sont apparues dans les années 1960 à 1970 et le développement industriel commença réellement vers 1998. Les avantages principaux de la fibre optique sont constitués par sa grande capacité de transmission, son faible poids, un affaiblissement très faible et une insensibilité quasi totale aux interférences électromagnétiques. La fibre protège des intrusions. Sa pose est plus facile que celle des câbles métalliques, mais elle astreint à respecter des rayons de courbure critiques. La fibre optique doit être protégée contre les rayonnements nucléaires (risque d’opacification). Sa pose peut être effectuée en souterrain, au fond des mers (fibres sous marine) et en aérien.

2 – Caractéristiques des fibres optiques

2.1 - Modes de propagation

Le mode de propagation du rayon lumineux découle soit des angles d’incidence des rayons lumineux par rapport à l’axe du cœur, soit de la fabrication de la fibre. Les fibres optiques multimodales* comprennent les fibres à saut d’indice (aujourd’hui abandonnées), dans lesquelles surviennent des variations brutales de l’indice de réfraction entre le cœur et la gaine, et celles à gradient d’indice, dans lesquelles le guidage de l’onde lumineuse subit une variation progressive de l’indice et qui conviennent au haut débit et aux grandes distances **. Les fibres monomodales (unimodales) ont un coeur de faible dimension et le rayon incident s’y propage de façon quasi parallèle à l’axe de la fibre. Les fibres multimodales sont réservées aux réseaux locaux (donc, pour les courtes distances) et les monomodales sont utilisées pour le réseau d’accès et en multiplexage en longueur d’onde (WDM) pour les longues distances.

2.2 – Paramètres de transmission des fibres optiques

Les performances des fibres optiques dépendent des quatre facteurs suivants : l’atténuation kilométrique (ou affaiblissement linéique), les effets non linéaires de la propagation, la dispersion chromatique et la dispersion du mode de polarisation. La propagation du flux lumineux porteur du débit numérique est sujette à des phénomènes non linéaires qui sont l’effet Brillouin, l’effet Raman, le mélange de quatre ondes (Four Wave Mixing, FWM), l’automodulation de phase (SPM), et la modulation de phase croisée (CPM). Pour réduire ces difficultés, il convient de choisir des fibres de qualité et ne pas utiliser une puissance d’émission trop forte.

La PMD (ou Polarization Mode Dispersion) ou "dispersion du mode de polarisation, ou de polarisation modale", provient de l’asymétrie de l’indice de réfraction de la fibre monomode, des commutateurs optiques, etc. Elle se traduit par une différence entre les temps de propagation de deux états de polarisation, et s’exprime en picosecondes par km pour une longueur d’onde donnée. La PMD augmente avec la tension mécanique, la température, les vibrations, les effets produits par certains amplificateurs, le nombre de canaux transmis, avec la distance et le carré des débits transmis. Elle augmente les risques d’évanouissements aléatoires, le taux d’erreur et la distorsion des signaux. Divers procédés sont proposés pour réduire ces différents inconvénients (voir G.666). L’industrie a créé des fibres à dispersion décalée non nulle (NZ-DSF) qui ont une meilleure symétrie de cœur de fibre.

Chaque impulsion de lumière est faite d’un nombre fini de longueurs d’onde qui se propagent de façon différente. La dispersion chromatique (CD) résulte de l’élargissement de l’impulsion lumineuse transmise sur la fibre. La CD peut limiter le débit total transmis. Dans certaines applications, la dispersion chromatique du parcours optique varie avec le temps ou avec la reconfiguration du parcours optique, de sorte que, pour éviter les dégradations des signaux en réception, un compensateur adaptatif de dispersion est utilisé pour compenser dynamiquement les changements de valeurs de la CD. La CD augmente avec le carré du débit. Elle se mesure en picosecondes par nm et par km. Sa valeur peut être positive ou négative, selon la fenêtre de transmission considérée. Elle peut être compensée par l’introduction de tronçons de fibre aux caractéristiques opposées. La récente Recommandation G.667 décrit des compensateurs automatiques de dispersion chromatique utilisables sur des fibres à longue distance pour des débits compris entre 10 et 40 Gbit/s.

2.3 – Les "fenêtres" de la fibre optique

La courbe d’affaiblissement en fonction de la fréquence avait permis de définir des "fenêtres" de transmission autour des 1 310 et 1 550 nanomètres dans lesquelles un seul canal numérique était acheminé. L’industrie et l’exploitation étaient sensibilisées par les points représentés par la tenue au câblage, la régularité géométrique de la fabrication de la fibre et des connecteurs, la dispersion du mode de polarisation (PMD), etc. Cette technologie était encore pénalisée par l’existence, dans la fibre, d’un pic d’affaiblissement créé par les ions OH dans la bande E qui astreignait à séparer les deux fenêtres de transmission lors de l’amplification.

Progressivement, furent résolus la sujétion du pic OH pour toutes les fibres, ainsi que les effets non linéaires qui apparaissent entre canaux de transmission voisins lorsque la portée est étendue et que le nombre de canaux sur la même fibre est augmenté. Les bandes de transmission sont classées aujourd’hui par l’UIT-T selon la terminologie suivante :

Bande O : de 1 260 à 1 360 nm (original) ;
Bande E : de 1 360 à 1 460 nm (extended) – position du "pic d’eau" (atténué) ;
Bande S : de 1 460 à 1 530 nm (short wavelength) ;
Bande C : de 1 530 à 1 565 nm (conventional) ;
Bande L : de 1 565 à 1 625 nm (long wavelength) ;
Bande U : de 1 625 à 1 675 nm (ultra long wavelength).

Les fibres G.652 (fibres unimodales) sont classées à leur tour en trois catégories (A, B et C). La G.652 A est la fibre classique qui permet le transport de débit à 2,5 Gbit/s dans les bandes O, C et S. La fibre G.652 B permet des canaux en DWDM à 10 Gbit/s dans les bandes O, C, L et S. La fibre G.652 C est plus performante et elle est employée dans les bandes O, E, C, L et S. Les autres fibres sont peu utilisées en France. La G.653 (fibre à dispersion décalée) est employée au Japon et en Italie pour les transmissions dans la bande C. La G.654, à cause de son faible affaiblissement linéique, est réservée aux liaisons sous-marines pour 1300 et 1550 nm. Les fibres G.655 (fibres à dispersion décalée non nulle – NZ DSF) sont dédiées au 40 Gbit/s ou N fois 40 Gbit/s en DWDM (la G.655A avec un espacement inter canal de 200 MHz – la G.655B avec un espacement inter canal de 100 MHz et avec une limitation de 400 km – et la G.655C, en 100 MHz mais pour les liaisons supérieures à 400 km). La fibre G.656 utilise le multiplexage en longueur d’onde dans les bandes S, C et L.

3 – Transmission WDM dans les réseaux optiques

3.1 - Multiplexage en longueur d’onde (WDM)

Le multiplexage par répartition en longueur d’onde (DWDM, Dense Wavelength division multiplexing) des canaux numériques s’effectue grâce à la combinaison de nombreuses porteuses de longueurs d’onde différentes (espacement de 100 GHz, soit 0,8 nm) et à la mise en place de débits de 2,5 ou 10 ou 40 Gbit/s sur ces longueur d’onde. Il permet d’augmenter la capacité d’écoulement du trafic sur fibre optique en créant plusieurs canaux de transmission sur la même fibre optique. L’amplification optique de plusieurs canaux de transmission par un seul équipement de régénération des signaux permet de réduire les coûts. Pour répondre à la demande croissante de trafic (60% par an depuis 30 ans), il est nécessaire de disposer de systèmes de transmission de 100 Gbit/s, afin d’éviter la congestion du réseau, tout en conservant la portée des systèmes à 10 Gbit/s afin de limiter le nombre d’équipements installés.

Lorsque la CD est faible, la fibre présente des effets de non linéarité entre canaux adjacents du WDM. Si la CD atteint des valeurs plus élevées, les non linéarités sont réduites et il convient de compenser la dispersion. La technique du WDM trouve donc son domaine d’emploi privilégié sur les fibres qui présentent une dispersion chromatique suffisante pour être compensée à moindre coût (G.655 et G.656). Le WDM multiplie la capacité de transfert d’information d’une fibre par le nombre de longueurs d’onde qu’il transporte. Le domaine de prédilection du WDM commence avec les débits situés entre 2,5 Gbit/s et 10 Gbit/s sur le réseau métropolitain, le critère économique moyen étant estimé à des distances supérieures à 30 km.

3.2 – Cas de la CWDM

La Recommandation UIT-T G.695 traite de la technique de multiplexage par répartition approximative en longueur d’onde (CWDM, coarse wavelength division multiplexing), dont les applications concernent les réseaux métropolitains en connexion point à point ou en boucle. Dans les équipements CWDM, des lasers non refroidis, et donc moins onéreux, sont utilisés. Ces lasers requièrent moins de précision dans le contrôle de la longueur d’onde. Les interfaces optiques relatifs aux systèmes CWDM multicanaux (4 à 16 en général) pour liaison de 40 et 80 km sont décrites dans la Recommandation UIT-T G.695. Les applications peuvent être de type unidirectionnel ou de type bidirectionnel, en général jusqu’à 1 Gbit/s.

3.3 – Les MIE ou ROADM

Le WDM permet, sur une même fibre, l’acheminement de flux numériques dans des canaux optiques ayant des longueurs d’onde différentes. Pour extraire une ou plusieurs longueurs d’ondes sans couper la totalité de la fibre, un multiplexeur d’insertion extraction (MIE) est utilisé (en anglais OADM, pour Optical Add/Drop Multiplexer, voir G.671 et G.680). Le schéma ci-dessous symbolise l’opération. Pour sécuriser automatiquement un parcours, deux équipements OADM placés aux extrémités d’une fibre optique peuvent être utilisés à condition de travailler en synchronisme sur les bons parcours lumineux demandés. Dans ce cas, on dispose de ROADM (R pour Reconfigurable) qui assurent le routage dynamique en longueur d’onde sur le réseau. Les industriels spécialisés proposent à cet effet une approche hybride avec commutation sélective en longueur d’onde et compatibilité aux normes de réseau optique de transmission (OTN) permettant d’optimiser les coûts et d’améliorer l’évolutivité, la souplesse et l’utilisation des débits à acheminer.



3.4 – L’OTN et commutation optique

L’OTN (OTN, Optical Transport Network) définit l’organisation générale des réseaux optiques (voir Rec. G.872). Les MIE sont utilisables sur des liaisons point à point. Dans les réseaux maillés, la commutation de canaux optiques effectuée par des commutateurs optiques (OXC, Optical Cross Connect ou PXC, Photonic Cross Connect) offre davantage d’accès et permet une plus grande sécurité. Les PXC peuvent réacheminer les canaux optiques sur la base de la fibre ou de la longueur d’onde. Un commutateur PXC comportant 4 à 8 accès entrants/sortants peut ainsi commuter 32 à 40 longueurs d’onde. Les aspects de sécurité des liaisons, de puissance optique des canaux et de gestion de réseau en protocole TMN sont à coordonner de sorte que les basculements de canaux sur liaisons optiques et non optiques soient efficaces. Un canal de supervision optique (OSC, Optical Supervisory Channel) permet de transporter le protocole de signalisation pour des applications de réseau d’accès optique commuté (ASON, Automatic Switched Optical Network) défini par la Recommandation G.8080 de l’UIT et l’ASTN (réseau de transport à commutation automatique) défini par la norme G. 807. Le système de contrôle des faisceaux optiques fait appel au protocole GMPLS (voir DT N°25) et à une distribution de signalisation sur réseau de données (DCN, défini par G.7712). L’IETF propose dans ce cadre l’emploi d’un protocole RSVP-TE (Resource Reservation Protocol Engineering) afin de permettre la commutation des liens des réseaux de transport et d’accès en fonction des protocoles qui y sont utilisés (SDH, IPv4 ou v6, ATM (VP-VC), GMPLS, etc.).

Les techniques de réseau tout optique sont particulièrement attrayantes. Elles transfèrent les fonctions de brassage et de commutation au niveau du transport optique pour des débits importants. La conversion électrique / optique / électrique (EOE) demeure encore inévitable sur les parcours supérieurs à 2 000 km pour les liaisons terrestres. Un plan de contrôle optique permet d’intégrer une signalisation à la gestion du réseau général.

3.5 – Amplificateurs pour fibre optique

Trois types d’amplificateurs sont utilisés en optique, les amplificateurs optiques à semi conducteurs (SOA, Semiconductor Optical Amplifiers), les amplificateurs laser à fibre dopée à l’erbium, (ou EDFA, erbium doped fiber amplifiers), et les amplificateurs optiques à effet Raman. Chacune de ces catégories d’amplification vise à réduire les effets de la dispersion chromatique et de l’atténuation du signal optique sur les parcours optiques les plus longs.

 Les amplificateurs dopés à l’erbium (EDFA) sont utilisables en WDM principalement dans les bandes C et L et sont insérés tous les 80 à 120 km sans nécessité de reformer les signaux optiques à 10 Gbit/s, ceci pour des parcours de plusieurs milliers de km. Les EDFA sont les plus employés.

 Les amplificateurs optiques à semi conducteurs (SOA) sont composés d’une diode laser sans miroir qui est couplée à chaque extrémité à des fibres optiques. Le signal lumineux de chaque fibre est amplifié à travers la diode laser. Les SOA sont encore au stade expérimental de développement.

 L’amplificateur Raman (du nom du physicien indien Raman) repose sur le principe de la diffusion inélastique du photon qui génère différentes longueurs d’onde optique à partir d’une source nominale (laser ou action réciproque de deux fréquences voisines). Ce décalage en fréquence correspond à un échange d’énergie entre le rayon lumineux et le milieu (G.665). Le signal optique peut être amplifié par la dispersion lumineuse. La technologie est applicable aux longues distances et elle demeure assez coûteuse.

 Les amplificateurs 3R ou régénérateurs O/E/E de mise en forme (Re-shapping, Re-amplification, Re-timing) complètent les précédents (voir G.680 et G.959.1).

3.6 – Problématique d’emploi en DWDM

Sur le plan géographique, le DMDM doit être planifié en fibres, en longueur d’onde, en distance, en connecteurs compatibles et en débits (1,25 ou 2,5 ou 40 ou 100 Gbit/s). En dessous de 30 à 90 km, les amplificateurs optiques ne sont pas nécessaires en principe. La position de l’amplificateur sur la liaison dépend de la fabrication industrielle (soit en milieu de parcours ou aux extrémités). Au dessus de 20 km, il est préférable de vérifier des paramètres OTDR, CD, et PMD pour les débits supérieurs à 40 Gbit/s. Les réflexions optiques, les poussières au montage des connecteurs et les courbures importantes doivent être évitées. Les exploitants de réseau s’efforcent d’éviter les conversions multiples de l’optique vers l’électronique (conversion O/E/O) sur les parcours.

3.7 – Réseau de transport optique (OTN)

L’architecture OTN, définie par la Rec.872 de l’UIT-T, est d’un emploi plus économique qu’une organisation des flux optiques en SDH organisée selon G.709. Les signaux à haut débit des utilisateurs conservent leur protocole d’origine (vidéo, SDH, Ethernet, ou protocole SAN). Ils sont associés à des en-têtes propres et des drapeaux de contrôle d’erreur FEC au sein de containeurs dits "flexibles" (wrappeurs). Cette nouvelle couche réseau, enrichie d’informations d’exploitation et de maintenance (OAM) permet de construire des réseaux urbains pour la vidéo et des liaisons Ethernet à longue distance dans un même réseau.

3.8 – Ethernet de Classe Exploitant et Gigabit Ethernet

Les services Ethernet pour les entreprises se développent de plus en plus dans le réseau métropolitain (voir DT N°40). Non seulement, Ethernet permet de raccorder un campus à une zone métropolitaine en DSL (G.998.2), mais il autorise également l’accès à Internet si la connexion WAN comprend un VPN orienté vers Internet. Les fibres utilisables en réseau local Ethernet à très haut débit ont été les fibres à cœur de 62,5 microns qui sont supplantées aujourd’hui par les fibres OM1 à 850 nm (bande passante de 200 MHz), OM2 (bande passante de 500 MHz) et OM3 (bande passante de 1 500 MHz ou 2 000 MHz).

4 – Vue générale

4.1 - Performances actuelles de la fibre

La fibre optique est utilisable en très longue distance (liaisons sous marines transpacifiques – G.971 à G.978, avec des débits de 128 fois 10 Gbit/s par paire de fibres), en longue distance terrestre (WAN) et au sein du réseau de distribution (réseau B-PON ou G-PON, voir DT N°06). La technologie à 100 Gbit/s s’avère cruciale pour les exploitants de réseau qui doivent édifier des réseaux à haut débit respectueux de l’environnement. La migration de 10 Gbit/s à 40 Gbit/s et 100 Gbit/s, sans interférence avec le réseau existant, a été démontrée. Après les 2,5 Gbit/s, les 10 et les 40 Gbit/s, le palier de transmission optique suivant pourrait être celui du 160 Gbit/s. La fiabilité des fibres sous marines a été portée de 10 à 25 ans. La fibre optique idéale devrait permettre le plus grand nombre de canaux possibles à haut débit sans dégradation avec un maximum de portée.

4.2 - L’orientation de la recherche

Les travaux se poursuivent encore sur la gestion des flux optiques sur le réseau à grande distance. Les régénérations successives des signaux lumineux exigent une remise en forme des signaux et une nouvelle base de temps. Divers essais de modulations de phase lumineuse (CDMA optique, OBS, Optical Burst Switching) sont en cours. Des recherches se poursuivent pour l’emploi de nouveaux composants et la création de mémoires optiques. Des protections de secours de type 1/1 sont proposées en MPLS. Le multiplexage optique temporel (OTDM) exige de récupérer les trains d’impulsions pour en régénérer le flux. Les impulsions sont entrelacées avec un léger décalage dans le temps pour gérer le flux d’ordre hiérarchique supérieur. L’insertion extraction de flux en Time domaine TD –OADM est en étude.

4.3 - Soliton

La transmission par soliton (1970), s’oppose à la technique WDM. Elle est liée à la notion de train numérique multiplexé temporellement. L’effet soliton repose sur le fait que la vitesse de lumière dans une fibre est également légèrement aussi dépendante de l’intensité de la lumière que de l’indice de réfraction et de la longueur d’onde. Une impulsion de lumière de très courte durée peut être régénérée sans déformation sur de grandes distances. Un débit de 10 × 20 Gbit/s avec amplificateurs optiques espacés de 100 km a été obtenu sur 1 000 km par France Télécom /R&D. La combinaison des techniques WDM et de l’effet soliton semble possible. Elle permettrait d’atteindre des débits de l’ordre du pétabit/s (Pbit/s) soit un million de gigabits par seconde, sur une même fibre optique. Après la démonstration d’un débit soliton de 5 Gbit/s sur 6 400 km, un système à 1 Tbit/s avec un pas de régénération de 1 000 km sur fibre monomode G.652 est en étude. La régénération passive avec compensation de dispersion à l’aide de miroirs optiques non linéaires (NOLMS) fait également l’objet d’étude.

5 - Conclusions

Si la fibre optique assure le transport des informations numériques de façon appréciable, ce que l’on sait beaucoup moins, c’est que sa portée est limitée et que des conversions optiques électroniques optiques (O/E/O) sont nécessaires sur tous les parcours. De plus, entre le laboratoire et la mise en œuvre dans un réseau, il y a tout un domaine à considérer. Chacun des flux DWDM à 2, 10 ou 40 Gbit/s que peut porter une fibre optique rassemble des trafics très variés (voix sur IP, messagerie Internet, vidéo sur demande, canaux de réseau privé virtuel, Ethernet à 2 ou 10 ou 100 Gbit/s, télévision sur IP, liaisons vers des stations de réseau mobile, etc.), qu’il faut, à chaque étape du parcours géographique, extraire de sa longueur d’onde et de sa fibre pour réintroduire ses composantes sur d’autres longueurs d’onde d’autres fibres. La commutation des contenus d’information impose de repasser par la technologie électrique pour effectuer ces réacheminements et en conséquence, les conversions O/E/O sont nécessaires en électronique pour chacune de ces flux dans les deux sens de transmission en chaque point de transfert imposé par le parcours, avec le concours de la commutation électronique de paquets (EPS, Electronic Packet Switching). Une autre technologie, la commutation entre les longueurs d’onde d’arrivée et de départ des fibres optiques (Optical Switching Technologies, OST) permet de réduire les coûts des brassages nécessaires. Rappelez vous que si " la fibre optique est bon marché, sa mise en œuvre est coûteuse et délicate !"

[Ce texte traite des réseaux en fibres optiques "classiques" en silice car, d’une part, il existe des réseaux locaux en fibres optiques en plastique et, d’autre part, des études et recherches fort prometteuses sont menées sur les fibres à cristaux photoniques.
* Les termes "multimode et monomode" sont des termes "oraux", et les expressions "fibre multimodale" et "fibre unimodale" sont employés pour l’écrit.
** Aujourd’hui, en terme de haut débit et de grande distance, il faut convenir qu’aux débits égaux ou supérieurs à 10 Gbit/s, (cas du 10 Gbit/s Ethernet), les fibres multimodales sont à la peine.]

Références
- Contributions des sociétés Alcatel-Lucent, Ciena, FT R&D, Microsens, Xspeed, du Club Optique, etc.
- Les télécommunications par fibres optiques, Irène et Michel Joindot, Dunod.
- UIT, Commission d’études 15. "Suppl. G.Fiber Optics".
- “Optical, Fibres, Cables & Systems” (ITU 2009 Manual).
- IEEE Communications Review.