Eso 1

Introduction à la Commutation Optique

Guang-Hua DUAN

Alcatel Thales III-V Lab Alcatel Research & Innovation Route de Nozay 91460 Marcoussis G-H. Duan, ESO, 2005

Sommaire • Etat de l’art de télécommunications optiques : • • • • •

Transmission Commutation Commutation de circuits Commutation de paquets Nécessité de la commutation optique

1er cours

• Commutation optique spatiale • Commutation optique temporelle • Commutation optique par routage en longueur d’onde • Répartiteurs et multiplexeurs à l'insertion-extraction • Cross-connexion optique (OXC) WDM

• Commutation optique de paquets • Traitement optique des signaux • - Conclusion G-H. Duan, ESO, 2005

2ème cours

Transmission optique par WDM

EDFA Emetteur

Mux

Demux Récepteur

Débit par canal : 2,5 Gbit/s, 10 Gbit/s, 40 Gbit/s Nombre de canaux : 32, 64, 80 Eléments clés : EDFA, code correcteurs d ’erreurs Applications : sous-marin, longue distance, métropolitain G-H. Duan, ESO, 2005

Principe du WDM

(dB/km)

Atténuation

2

1

0 1,45

1,46

1,48

1,55

1,60

1,65

1,80

Longueur d’onde (µm)

λ1

λi

λk

λN

λ (νµ) 1530

G-H. Duan, ESO, 2005

40

50

bande passante des amplificateurs optiques

60

1570

Longueur d’onde (nm)

WDM STM-646

STM-64

3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-646 STM : Synchronous terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal Transfer Mode 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 Mux : Multiplexer STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 Demux : Demultiplexer terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 Wavelength STM-64 terminal terminal 3RDivision Multiplexing 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 3R 3R 3R 16 x STM-4 16 x STM-4 STM-64 STM-64 terminal terminal 16 x STM-4 16 x STM-4 3R 3R 3R terminal

terminal

WDM channels 16 x STM-4

N channels 16 x STM-4

>

STM-64 terminal

STM-64 terminal

M U X

D E M U X

STM-64 terminal

16 x STM-4

16 channels STM-64 terminal

16 x STM-4

WDM = economical solution to reach multiterabit/s capacity G-H. Duan, ESO, 2005

SDH : trame et hiérarchie STM-1 : 8000 trames/s, chaque trame composée de 9x270 octets, 1 octet = 8 bit 9 octets framing

261 octets

STM-1

OC-3

155,52 Mbit/s

STM-3

OC-9

466,56 Mbit/s

STM-4

OC-12

622,08 Mbit/s

STM-6

OC-18

933,12 Mbit/s

STM-8

OC-24

1244,16 Mbit/s

STM-12

OC-36

1866,24 Mbit/s

STM-16

OC-48

2488,32 Mbit/s

STM-32

OC-96

4976,64 Mbit/s

STM-64

OC-192

9953,28 Mbit/s

1 2

pointeur

3 4 5 6 7 8 9

Transport de cellules

Transport d’un flux continu framing

1

framing

1

pointeur

3

2 pointeur

3 4

2 4

5

5

6

6

7

7

8

8

9

9

G-H. Duan, ESO, 2005

Commutation de circuits - une connexion physique continue pendant la communication - 3 phases : - établissement de la connexion - transfert de l ’information - fermeture de la connexion - Allocation de ressources pour la durée de la connexion - Facturation à la durée, indépendamment de l ’utilisation effective abonné

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abonné

Commutation de paquets : IP

- paquets routés indépendamment - adresse contenue dans un paquet - pas d ’allocation de ressources pour la durée de la connexion - facturation au volume de l ’information

abonné

abonné P4 P2 P1

P5 P3

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Comparaison : avec et sans connexion Mode connexion (téléphone, ...) : Préétablissement de la connexion avant transfert de l ’information + ordre de transmission respecté + fiabilité assurée - établissement lent - utilisation de ressources non-optimale

Mode sans connexion (internet, ...) : acheminement des messages au fil de l ’eau + rapidité de transmission en cas de charge raisonnable + partage efficace de ressources - respect de l ’ordre de transmission non-garanti - fiabilité moins assurée

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Topologies physiques de réseaux

Etoile

Bus G-H. Duan, ESO, 2005

Anneau

Maille

Structure de Réseaux OXC

OADM

Couche WDM

DXC

IP routeur ATM XC

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Couche SDH

Couche IP/ATM

Réseau des télécommunications

Efficient Optical Transport

Core

Core/ Metro Core

Flexible & Survivable Aggregation TMN

Metro

ISP/ASP Mobile 2G, 3G Video

LAN to LAN

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xDSL

Leased Line

SAN

Multi Service Collection/ Aggregation

Current WDM Solutions

• Today : split between metro and long haul • Metro – typically 32 channels, 100 GHz spacing, 2.5G (direct modulation) and 10G transponders (ILM) – rings with OADM (based on mux/demux) – typically 7 spans, few hundred km of circumference

• Long haul – 10G, 80 channels, 96 channels, NRZ basic format • MZ and ILM transponder – point to point with a few OADM – up to 25 spans of 80km, 2000 km G-H. Duan, ESO, 2005

Trend : cost reduction!

• On-going convergence of metro and long haul platforms – to save development efforts – because need are also converging • more OADM and rings in long haul • longer distances required in « metro »

• Tunability – to save spares, to provide network reconfigurability

• Lower cost, small volume and low power consumption • introduction of sfp/xfp for metro DWDM

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WDM XFP module

• TOSA • • • • •

EML with integrated laser and driver fixed laser covering full C band 80 Kms : 1600ps/nm <2.5watts TEC + driver tunable?

• ROSA • APD and PIN • -27dBm C+ band at 2.5 Gbit/s

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Trend : CAPEX reduction

• Metro • CWDM : 20 nm channel spacing from 1480 to 1620 • uncooled sources at 2.5 Gbit/s and 10 Gbit/s • so far cost studies show that 2.5G CWDM is still winning

• Long haul • 40 Gbit/s: design of dispersion mapping and choice of modulation format are now mature, most difficult point is now PMD mitigation, cost studies show so far interest vs 10G for some system types (vs distance, fiber type, capacity) • Raman amplification • all-optical regeneration

• OADM->wavelength transparent • OADM • tunability and reconfigurability

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Trend: OPEX reduction

• More flexibility and automatization – first application is to save OPEX • emergence of reconfigurable OADM, especially for US market • importance of automatic system tunings (some technologies like tunable DCM can help) • use of tunable ROADM (with tunable architectures) • sometimes contradictory or favourable to CAPEX saving

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Limites de solution SDH

WDM

WDM

WDmux

G-H. Duan, ESO, 2005

TDmux

DXC

Tmux

Wmux

Réseau de transport SDH

liaison MS

RS

Terminal de Cross-connect multiplexage Numérique (DXC)

régénérateur

MS RS

Multiplexeur régénérateur Cross-connect Terminal de Numérique multiplexage Insertion:extraction (DXC) (ADM)

RS : Regenerator section, MS : Multiplexer Section G-H. Duan, ESO, 2005

Etat actuel des réseaux de transport des télécommunications

Optique pour la transmission - systèmes 2,5Gbit/s et 10 Gbit/s déployés - système 40 Gbit/s en développement - système WDM 16x2,5 Gbit/s en cours de dépoiement Electronique pour le multiplexage, brassage et commutation Normes adoptées : - SDH/SONET pour le transport - TCP/IP pour le transfert de données Niveau de référence pour le routage : 155 Mbit/s

G-H. Duan, ESO, 2005

Pourquoi la commutation optique ? Nombre des DXCs à 155 Mbit/s - système WDM 16 x 2,5 Gbit/s N = 256 - système WDM 16 x 10 Gbit/s N = 1024 L ’augmentation de la capacité de transmission implique : - augmentation du nombre de mux/demux et de DXC - augmentation de la complexité de gestion - coût croissant

Commutation optique G-H. Duan, ESO, 2005

Technology evolution Capacity

Cost optimization

Network efficiency

Mesh managed restoration

Photonic era

Fully optical switching & routing

Transparent ION

DWDM

Optical protection

SDH/SONET

1990s 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 G-H. Duan, ESO, 2005

Future

Commutation Spatiale • Principe de base • Coupleur directionnel • Systèmes "Crossbar" • Systèmes multi-étage

• • • • • •

Commutation à base de LiNbO3 Commutateurs à base d'amplificateurs à semi-conducteurs Commutation spatiale dans l'espace libre Commutateurs optiques à base de MEMS Commutation spatiale de signaux WDM Résumé de la commutation spatiale

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Commutateur spatial LiNbO3

Système Cross-Bar 1'

2'

Coupleur Directionnel 3'

4' guide monomode

électrode

1 A C

B

2

D

3

4

Nombre des points de connexion : N2 G-H. Duan, ESO, 2005

Réseau à deux étages

Nombre d ’entrées : 16 Nombre de sorties : 16 Nombre des points de connexion : 16x8 Nombre de chemins possibles entre une entrée et une sortie = 1 n

m

k 4

4 4

G-H. Duan, ESO, 2005

4

4 4

n : nombre d ’entrées par matrice m : nombre de sorties par matrice k : nombre de matrices

Réseau à trois étages

4

4

4

4

4

4

4

4

Nombre d ’entrées : 16 Nombre de sorties : 16 Nombre des points de connexion : 16x12

Nombre de chemins possibles entre une entrée et une sortie = 4 G-H. Duan, ESO, 2005

Un cas de blocage

4

4

4

4

4

4

4

4

Nombre d ’entrées : 16 Nombre de sorties : 16 Nombre des points de connexion : 16x12 Nombre de chemins possibles entre une entrée et une sortie = 4

G-H. Duan, ESO, 2005

Réseau CLOS sans blocage

i

j

n

m

N/n

N/n

G-H. Duan, ESO, 2005

N/n

m

m

n

m≥2n−1 N/n

Réseau CLOS sans blocage Soit Ea = {ensemble des éléments de commutation de la 2ème étage pour les autres entrées que i dans la même matrice de commutation} Cardinal{Ea} = n -1 Soit Eb = {ensemble des éléments de commutation de la 2ème étage pour les autres sorties que j dans la même matrice de commutation} Cardinal{Ea} = n -1

{ } { }

Au pire cas, {Ea} et {Eb} sont disjoints Ea Eb =Θ Nombre total des éléments de commutation = 2(n -1) + 1 = 2n - 1

m≥2n−1

G-H. Duan, ESO, 2005

Réseau « CLOS » sans blocage

n

n+m-1

N/n

N/n

M/m

m

n+m-1

n+m-1

M/m

N : Nombre total d’entrées M : Nombre total de sorties Exemple d ’application N=M=64, n=m =8 8

15

8 G-H. Duan, ESO, 2005

8

8

15

8

15

8

SEM of 2-Axis Integrated Mirror MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)

Circuits (5V/200V)

Mirror (800 µm dia.)

Etched Cavity Below Mirror Mirror: ±5° Tilt Range, 10 ms settling time G-H. Duan, ESO, 2005

Springs

Commutateur spatial MEMS à 2D

Fibres d’entrée

Fibres

Faisceau incident parallèle au substrat G-H. Duan, ESO, 2005

de sortie

OptiMEMs Cross Connect à 3D

Fibers (N)

Lens Array

Collimated Light Rays

MEMs Mirror Array (N)

Collimator Block

MEMs Mirror Array (N) G-H. Duan, ESO, 2005

Collimator Block

Faisceau incident oblique par rapport au substrat

Commutateur spatial avec hologramme programmable

Fibres d ’entrées

Fibres de sorties

Commutatteur 16x16, Réalisation France Télécom Faisceau incident parallèle au substrat G-H. Duan, ESO, 2005

Semiconductor Optical Amplifier (SOA)

Pout = C1*C2*Gint*Pin = Gff*Pin + Emission spontanée amplifiée (ASE)

L

amplification Emission spontanée

amplification

Pin

Γ: confinement du mode dans la section active w: largeur du ruban

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Coupleur directionnel à base de SOA

coupleur passif 3 dB

coupleur passif 3 dB

amplificateurs optiques

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SOA Amplifying region

ta p e r AR co a ting

p la y e r G a In As P n -In P

Semiconductor Optical Amplifier

I N T E G R A T I O N Wavelength mux - demux M ach-Ze hnde r inte rfe rome te r

On Off Off On

SOA for cros s -phas e modulation

SOA gates

Clamped Gain SOA gates

Space Switching Matrix

All Optical Wavelength Converter

Wavelength Selector

• SOA can be optimised to favour linear or non linear behaviour • SOA suitable for both routing and switching applications • High potential for mass production G-H. Duan, ESO, 2005

Fibe r to fiber gain (dB )

4 CG-SOA array module on its electronic card

15

15

10

10

5

5

0 -5 0

TE TM

0 -5 20 0 0

100

15

15

10

10

5

1 00

200

5

TE TM

0 -5 0

TE TM

100

TE TM

0 -5 200 0

100

Driving current (mA)

• Uniform characteristics (Fibre to fibre gain: 12.3±1 dB) • No failure after more than ten months operation in two field trials G-H. Duan, ESO, 2005

200

Diaphotie (Crosstalk) dans un système de commutation

Diaphotie dans la bande 1

3

2

4

Diaphotie hors la bande

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1

3

2

4

Caractéristiques de différents commutateurs spatiaux

Méca.

LiNbO3 MEMS

Polymer SOA

Taille d ’élément de base

1x4

8X8

1024X1024

1X4

1X4

Pertes d ’insertion (dB)

1,5

8

2

3,5

gain

Sensibilité à la pola. (dB)

non

1

non

0,4

1

Diaphotie (crosstalk) (dB) -60

<-35

-40

<-20

<-40

Puiss. de contrôle/commu. 5V

50V

100V

60 mW 100 mA

Temps de commu.

< 1 ns

1 ms

1 ms

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15 ms

<1ns

Commutation temporelle : Principe de base LNS 1

1

LNS 2

LNE 1 LNE 2 LNE N

demulti

2

plexage

multiplexage

LNS N N

2 1

1

5

3

N Mémoires tampon

Commutation réalisée :

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No. d ’entrées

1

5

3

No. de sorties

N

2

1

Multiplexage et démultiplexage temporel utilisant un coupleur directionnel Multiplexage

guide monomode

électrode

A C

B D

Coupleur Directionnel

Demultiplexage

guide monomode

électrode

A C

B

Coupleur Directionnel

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D

Multiplexage et démultiplexage temporel utilisant un coupleur directionnel : source impulsionnelle

Multiplexage

guide monomode

A C

B D

Coupleur 3 dB

Demultiplexage

guide monomode

électrode

A C

B

Coupleur Directionnel

G-H. Duan, ESO, 2005

D

Commutation temporelle : Ligne de retard

coupleur passif 1

Entrée

21

G-H. Duan, ESO, 2005

2

coupleur directionnel bobines des fibres optiques

Sortie 1 2

Bistables Optiques P

out

Pout P In (V)

- Solutions hybrides - Etalon nonlinéaire

Point de fonctionnement

-SEED

V

-Lasers et amplificateurs bistables

« reset » électrique t

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Bistable hybride optoélectronique

Pe

Ps

modulateur électro-optique

détecteur

I

V

amplificateur électronique

Boucle de contre-réaction positive : Pe ↑ → Ps ↑ → photocourant I ↑ → coefficient de transmission ↑ → Ps ↑

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Effet Stark Confiné Quantiquement

E0

V= 0

EV < E0

Polarisation inverse

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Bistable SEED s tr o n g e x c ito n e ffe c t: 3 1 3 9 3 - N o 7 0 ,3 0

0 V

p h o to cu rre n t

0 ,2 5

-0 -1 -1 -2 -3 -4

0 ,2 0 0 ,1 5 0 ,1 0

,5 V V ,5 V V V V

-5 V

0 ,0 5 0 ,0 0 1 5 0 0

1 5 2 0

1 5 4 0

1 5 6 0

1 5 8 0

1 6 0 0

w a v e le n g th

Longueur d ’onde d ’entrée Pe ↑ → photocourant I ↑ → V ↓ → sensibilité de détection ↑→ photocourant I ↑

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Bistable SEED

I Pe

R

modulateur électro-absorption

V

V0 Ps

Pe ↑ → photocourant I ↑ → V ↓ → sensibilité de détection ↑→ photocourant I ↑

G-H. Duan, ESO, 2005

Lasers et amplificateurs bistable Ι1

λ1

active region

Ι2

active region

saturable absorber

ΙB

Bragg region

reff

λ2

(ω)

Ι1

λ1

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λ1

Commutation temporelle : Système NEC (1984)

LNE 1 LNE 2 LNE 3 LNE 4

Bistable 1 TDM

Space switch 1x4

Bistable 2 Bistable 3 Bistable 4 Reset contrôle

Débit = 4 x 64 Mbit/s

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LNS 1 Space switch 4x1

TD(d)M

LNS 2 LNS 3 LNS 4