La fibre optique et la technologie WDM
Présentation du WDM
Introduction
Avant l'apparition du multiplexage en longueur d’onde WDM (Wavelength Division Multiplexing), l'accroissement de la capacité de transmission d’une liaison passait par la multiplication des lignes de transmission et l'empilement des répéteurs-régénérateurs. Le WDM a changé radicalement la donne. Avec lui, une seule fibre optique suffit pour transmettre plusieurs signaux de "couleurs" différentes (ou canaux) en même temps. L'ensemble des répéteurs-régénérateurs d'un site géographique a été remplacé par un seul équipement : l'amplificateur optique. Le WDM évite ainsi tous les coûts de génie civil de repose de fibre optique.
Principe
Le principe du WDM est très simple en soit :
Le but est de faire circuler plusieurs longueurs d'ondes sur une même fibre optique. Chaque longueur d'onde est représenté par une couleur. Chaque couleur est retransmis sur un canal différent.
Avec un nombre de canaux exploité qui ne cesse d'augmenter, le WDM apporte une nouvelle solution évolutive dans les télécommunications.
Fonctionnement général du WDM
La technologie du WDM est représenté par deux terminaux et un lien optique monomode les reliant. Le premier est un multiplexeur, le second un démultiplexeur.
Le multiplexeur a pour rôle des changer les longueurs d'ondes des signaux entrant et de les multiplexer sur un seul canal. Pour changer les longueurs d'ondes entrantes, il est nécessaire d'utiliser un transpondeur.
Lorsque des signaux arrivent au niveau du multiplexeur, il est possible qu'ils aient la même longueur d'onde, même si l'émetteur est différent. Etant donné qu'il n'est pas possible d'envoyer deux fois la même longueur d'ondes sur un même lien au risque d'erroner l'information des deux signaux, c'est le transpondeur qui va se charger de changer la longueur d'onde d'un de des deux signaux.
Ainsi, chaque flux entrant va être codé sur une porteuse par modulation d’amplitude ou de phase. Ce qui permet donc de diffuser des signaux de sources différentes et ayant des longueurs d’ondes identiques sur un même canal.
Arrivé au démultiplexeur, celui-ci va agir comme plusieurs filtres dans des zones de longueurs d’ondes données. Il a donc connaissance des longueurs d'ondes qui circulent dans le lien optique. Le démultiplexeur va donc pouvoir récupérer l'intégralité d'un signal qui avait été multiplexé.
L'intérêt de la fibre optique est que ces signaux ne peuvent se confondre , à la réception ils seront parfaitement distingués
Les différentes technologies du WDM
Il existe plusieurs technologie WDM, Elles restent identiques par leur principe mais se différencient uniquement par le nombre de canaux exploité dans une fibre.
La technologie WDM est dite dense (D-WDM) lorsque l'espacement utilisé est égal ou inférieur à 100 GHz. Des systèmes à 50 GHz (0,4 nm) et à 25 GHz (0,2 nm) permettent d'obtenir respectivement 80 et 160 canaux optiques.
Pour des espacements encore plus faibles, on parlera de U-WDM : Ultra - Dense Wavelength Division Multiplexing. Ainsi, des systèmes à 10 GHz (0,08) permettent d'obtenir 400 canaux optiques.
Les systèmes WDM / DWDM les plus commercialisés aujourd'hui comportent 8, 16, 32, 80 canaux optiques, ce qui permet d'atteindre des capacités de 80, 160, 320, 800 Gb/s en prenant un débit nominal de 10 Gb/s. On peut atteindre une capacité de 4 000 Gb/s (4 Tera b/s) avec 400 canaux optiques à 10 Gb/s, en technologie U-DWDM.
Les caractéristique du D-WDM et du U-DWM
La particularité du D-WDW et du U-WDM est qu'ils utilisent des espacement de longueurs d'ondes très court. C'est grâce à cela qu'il est possible d'avoir un nombre de canaux important dans la fibre.
L'inconvénient de cette technologie est qu'il est nécessaire d'avoir un laser refroidi en température. Les longueurs d'onde d'émission étant très proche, il est nécessaire de réguler la température du laser entre les impulsions. Un laser régulé en température représente un coût très onéreux.
Sur la 3ème fenêtre spectrale des longueurs d'ondes utilisées, il est possible d'amplifier les signaux optiques. Les amplificateur EDFA et Raman sont les procédés utilisés pour amplifier des signaux lumineux et faire face à leur atténuation. L'avantage des technologies D-WDM et U-DWDM est qu'ils utilisent des longueurs d'ondes qui sont amplifiables sans pour autant passer par l'intermédiaire d'un amplificateur électrique. Ce principe évite donc la reconversion d'un signal optique en signal électrique pour être amplifié et à sa retransformassions en signal optique.
Néanmoins le D-WDM introduit des phénomènes non linéaires qui ont notamment pour conséquence de limiter en pratique la distance entre amplificateurs entre 50 et 100 Km L’introduction d’effet non linéaire n’apparaisse pas tant que le nombre de canaux reste inférieur à 32 canaux et que la puissance par canal reste inférieur à 1mW. Voici les effets non linéaire les plus néfaste actuellement :
Cross Phase Modulation (XPM) : Apparaît lorsque la phase d’un signal est modifié par un autre signal de longueur d’onde proche.
Four Wave Mixing (FWM) : Crée de l'inter-modulation optique entre les différents canaux
Stimulated Raman Scattering (SRS) : Appelé "effet raman", augmente les écarts de puissance reçue entre canaux et par conséquent produit une trop grande dispersion du rapport signal/bruit. Il peut aussi modifier la longueur d'onde d'un signal(Ce décalage en fréquence correspond à un échange d'énergie entre le rayon lumineux et le milieu, le phénomène physique par lequel un milieu peut diffuser de la lumière en modifiant légèrement sa fréquence).
Il existe différentes techniques pour corriger ces problème. Le DCF (Dispersion Compensating Fiber) est un moyen pour compenser les pertes non linéaire qui consiste à introduire dans la liaison un tronçon de fibre produisant une dispersion négative (environ -100 ps/nm.km) de compensation. Pour une longueur de 100 km, il faut environ un tronçons de 10km.
Les caractéristique du C-WDM
Actuellement :
la technologie du C-WDM est utilisé sur la deuxième fenêtre spectrale. Grâce à l’important espacement laissé à chaque canal, il n'est pas obligatoire de réguler en température le laser d’émission.
Le C-WDM n’est pas compatible avec les amplificateurs optiques car la longueur d’onde utilisée ne permet pas une amplification à l’erbium. C'est notamment pour cette raison que le C-WDM est utilisé sur des distances plus courtes (entre 40 et 80 km) que ses confrères.
Donc pas d’amplification et pas de régulation en température du laser, ceci permet d’avoir des composants moins chers pour faire du multiplexage optique. Malgré sa faible capacité, le C-WDM reste le meilleur moyen économique pour faire du multiplexage optique.
En étude :
Grâce aux nombreuse études en télécommunication, un nouveau standard de fibre optique est apparu (G655) . La caractéristiques de ce nouveau type de fibre est qu’il ne possède plus le pic d’affaiblissement du aux ions OH-. Avant, lors de la fabrication de la fibre en silice, il n’était pas possible de purifier la fibre et d'y évacuer toutes les particules d’eau. Ce qui augmentait le taux d’affaiblissement du signal entre la première et la seconde fenêtre de longueur d’onde utilisé. Le brevet de purification de la fibre a été trouvé par Alcatel Lucent permettant d'éliminer les molécules d'eau résiduelles dans le cœur de la fibre.
Ainsi cette nouvelle norme de fibre optique garantit une nouvelle fenêtre qui permet d’utiliser environ 300 canaux avec un espacement de 1 nm de longueurs sans utiliser un laser refroidi en température.
Le C-DWM devient un concurrent direct aux D-WDM et U-WDM avec un nombre de canaux proche et pour un coût inférieur.
Conclusion
La technologie du WDM est sans concurrence du point de vue de la capacité car le coût de la fibre et des matériaux ne cesse de baisser avec des portées toujours plus longues. A défaut de fabriquer des fibre plus performantes qui sont déjà à un très haut niveau d’évolution, les chercheurs préfèrent développer les terminaux et d’utiliser des fibres déjà utilisées. En fait c’est un peu l’unique technologie utilisée dans le développement des Réseaux de Transport à longue distance depuis une dizaine d’années.
Le WDM est donc une technologie à faible cout, car la majeure partie des couts se trouvent dans les terminaux, et évolutive car elle évolue toute seule. C’est ce qui s’appelle le « pay as you grown ». L’investissement suit la croissance du besoin.
Pour conclure, nous pouvons dire que le principal intérêt du WDM est la pose de nouveaux câbles optiques, ce qui évite tous les coûts de génie civil. L'accroissement de la capacité se fait de deux façons : en augmentant le nombre de canaux dans une fibre et en augmentant le débit par canal lors de l'émission. Actuellement, l'augmentation de la capacité est de 120% par an.
L'évolution du WDM a permis de battre de nouveaux record en matière de débit. Le constructeur japonais Nippon Telegraph and Telephone détient actuellement un record de débit à 14Tb/s établi sur une distance de 160km en utilisant 140 canaux capables chacun de transporter 111 gigabits par seconde. Pour vous donner un ordre de grandeur, un transfert effectué à un débit de 14 Tbps reviendrait à une ligne unique de près de 1800Go/s...